11.3: 分子间作用力

原子和分子通过键 (或力) 相互作用：分子內和分子间。 力是静电，因为它们是由荷电物种 (永久，部分或临时荷) 之间的相互作用 (有吸引力或强推) 引起的，并且在离子，极性，非极性和中性分子之间存在强度不同的情况。 不同类型的分子间作用力包括离子偶极，偶极，氢键和分散；其中 中性原子和分子之间存在偶极，氢键和色散力，统称为范德华力（即：分子间作用力）。

偶极 - 偶极力

极性分子的一端有部分正电荷，另一端有部分负电荷—电荷分离，称为偶极。 在 HCL 等极分子中，电离性越强的 CL 原子具有部分负电荷，而电离性越低的 H 原子具有部分正电荷。 HCL 分子之间的力很有吸引力，这是因为一个 HCL 分子正端和另一个 HCL 分子负端之间有吸引力。 这种极具吸引力的力被称为偶极吸引力—一个极分子的部分正端和另一个极分子的部分负端之间的静电力。

色散力

三种范德华力（即：分子间作用力）中的一种存在于所有的冷凝阶段，而不管构成该物质的原子或分子的性质如何。 这位极具吸引力的力被称为伦敦色散力，以纪念德国出生的美国物理学家 弗里茨·伦敦（Fritz London） ，他于 1928 年首次对此进行解释。 此力通常简称为色散力。 由于原子或分子的电子处于恒定运动状态 (或者，它们的位置受量子机械变异的影响) ，因此，如果原子或分子的电子不对称分布，那么在任何时候，它都可以产生一个瞬时的临时偶极。 这种偶极的存在反过来会扭曲邻近原子或分子的电子，产生诱导性偶极。 这两个快速波动的临时偶极因此导致物种之间的静电吸引力相对较弱—一个所谓的色散力。

在不同分子的原子之间形成的色散力可以相互吸引这两个分子。 但是，力相对较弱，只有当分子非常接近时才会变得重要。 更大和更重的原子和分子表现出比更小和更轻的原子和分子更强的色散力。 F2 和 Cl2 是室温下的气体 (反映出吸引力较弱的力) ； BR2 是液体， I2 是固体 (反映出吸引力较强的力)。

氢键

硝基氟化物 (ONF ，分子质量 49 AMU) 是室温下的气体，而水 (H2O ，分子质量 18 AMU) 是液体，即使其分子质量较低。 两个分子的形状大致相同， ONF 是一个更重，更大的分子。 因此，预计它将体验到更重要的色散力。 此外，沸点的这种差异不能是分子偶极点的差异所造成的。 这两个分子都是极性的，表现出类似的偶极点。 沸点之间的巨大差异是由于当分子含有氟，氧气或氮原 (三个最具电子反应的元素) 的氢原子键合时，可能会出现特别强烈的偶极吸引力。 H 原子 (2.1) 和键合原子之间的电负性差异很大 (F 原子 4.0 ， O 原子 3.5 ， 或 3.0 (对于 N 原子) ，加上极小尺寸的 H 原子和相对较小尺寸的 F ， O 或 N 原子，导致这些原子的部分电荷高度集中。 含有 F-H ， O-H 或 N-H 成分的分子被附近分子中类似的成分所强烈吸引，这是一种特别强烈的偶极 - 偶极吸引物，称为氢键。 氢键的示例包括 HF⋯HF ， H2O⋯Hoh 和 H3N⋯HNH2 ，其中氢键以点表示。

 离子偶极力

离子偶极力是离子和偶极之间的静电吸引力。 这些力在溶液中很常见，在水中溶解离子化合物方面发挥着重要作用。

当向水等极溶剂添加离子化合物 (如 KCl) 时，固体中的离子会分离并均匀分散。 离子偶极力将极性水分子的正 (氢) 端吸引到固体表面的负氯化离子，并将负 (氧) 端吸引到正钾离子。 水分子围绕单个 K+ 和 CL− 离子，减少了将离子 (固体中) 联结在一起的强离子力，并让它们作为溶解离子移出溶液。 通过消除静电吸引，当离子从未溶解化合物中的固定位置过渡到溶液中分布广泛的溶解离子时，可以在稀释溶液中独立移动每个水合物。

离子 - 偶极相互作用的强度与 i) 离子电荷和 ii) 极性分子的偶极量成正比。

本文改编自Openstax, 化学 2e, 第10章：液体与固体。

存在于分子之间的分子间作用力 来源于 电荷、部分电荷和暂时电荷之间的静电相互作用。所有分子都会产生暂时电荷。由于电子分布的变化，电子云某一区域较高的电子密度 会导致瞬时偶极子 或暂时偶极子。随后，这会在邻近分子中诱导出 另一个瞬时偶极子。偶极子的多米诺效应产生 弱分子间吸引力，称为色散力，这存在于所有分子 包括极性和非极性）之间。一些共价化合物，例如水，由于原子的负电性差异而 表现出富电子和贫电子区域。共享电子的不均匀分布 和化合物的分子形状会产生永久性的 部分电荷，导致 在原本为中性的化合物中产生永久性的偶极子，从而使其变成极性。具有永久偶极子的分子 也称为极性化合物）会通过偶极-偶极力进行自我排列，其中一个分子的正电端 会与相邻分子的负电端 产生静电相互作用。如果极性化合物包含 共价键合到小而电负性高的原子 例如氟、氧或氮）的氢原子，则相应地这些原子往往会表现出更大的部分电荷。因此，F-H、O-H 或 N-H 键中的氢原子 会通过一种称为氢键的特殊类型偶极-偶极力 与邻近的电负性原子 发生强烈的相互作用。值得注意的是，氢键比偶极-偶极力强，并且能够形成氢键的化合物会表现出 更高的熔点和沸点。与分子内力相比，这三种分子间力 色散力、偶极-偶极力 和氢键 相对较弱，强度也各不不同。它们统称为范德华力。虽然所有分子（极性或非极性分子）之间都存在色散力，但偶极-偶极力 和氢键只存在于极性分子周围。离子偶极力是溶液所独有的，它是最强的分子间力。当像氯化钠这样的离子化合物溶解 在像水这样的极性溶剂中时，离解的离子 会通过强离子-偶极力与溶剂的偶极子相互作用。请看这里，阳离子与水分子的负电端产生关联，而阴离子 与正电端相互作用。