高中化學競賽/范德華力、氫鍵

分子的極性

我們在《化學選修3》課本中已經對極性分子和非極性分子已有一定的了解，並且知道

雙原子的單質分子都是非極性分子，例如 ${\ce {H2}}$ ， ${\ce {O2}}$ 等；

雙原子的化合物分子都是極性分子，如 ${\ce {CO}}$ ， ${\ce {HCl}}$ 等。

類似於上述的規律。現在我們要對分子的極性進行進一步的學習。

偶極矩

對於任何一個分子，我們總能找到它的正電荷中心和負電荷中心（也有教材寫作正電荷重心和負電荷重心）。如果正電荷中心和負電荷中心重合，那麼這個分子就是非極性分子；如果不重合，那麼就是極性分子。

正電荷中心和負電荷中心所帶的電量一定是相同的，因為一個分子整體上顯電中性。

在極性分子中，正電荷中心和負電荷中心之間的距離稱為偶極長，用符號 $d$ 表示。正電荷中心或負電荷中心所帶的電量我們常用 $q$ 表示。那麼我們可以定義一個度量極性大小的物理量——偶極矩 $\mu =q\cdot d$ 。偶極矩的單位常用德拜

（ ${\mbox{D}}$ ）表示， $1\ {\mbox{D}}=3.33564\times 10^{-30}\ {\mbox{C}}\cdot {\mbox{m}}$ 。當然，偶極矩在非極性分子中也是適用的，只是 $d=0$ 進而 $\mu =0$ 而已。

偶極矩是一個向量，具有大小和方向。與物理相反，化學中的偶極矩的方向是從正電荷到負電荷。

實驗測得一些分子的偶極矩如下表：

分子	偶極矩（ ${\mbox{D}}$ ）	分子	偶極矩（ ${\mbox{D}}$ ）	分子	偶極矩（ ${\mbox{D}}$ ）
${\ce {H2}}$	0	${\ce {LiH}}$	5.884(1)	${\ce {H2O}}$	1.8546(40)
${\ce {N2}}$	0	${\ce {CH4}}$	0	${\ce {H2S}}$	0.97833
${\ce {P4}}$	0	${\ce {NH3}}$		${\ce {CO}}$	0.10980
${\ce {O2}}$	0	${\ce {HF}}$	1.826178	${\ce {CO2}}$	0
${\ce {O3}}$	0.53373	${\ce {HCl}}$	1.1086(3)	${\ce {CS2}}$	0
${\ce {S8}}$	0	${\ce {HBr}}$	0.827(3)	${\ce {SO2}}$	1.63305
${\ce {F2}}$	0	${\ce {HI}}$	0.448(1)	${\ce {HCN}}$	2.985188

偶極的改變

在上文中所提到的偶極矩是分子自始至終存在的，我們把它稱為固有偶極或永久偶極。

在外電場的作用下，（極性或非極性）分子也可能產生一個偶極矩，成為一個具有一定偶極的極性分子。我們將這樣的偶極稱為誘導偶極。其偶極矩稱為誘導偶極矩，用符號 $\Delta \mu$ 表示。

即使沒有外加電場，由於分子中的原子核以及核外電子在不停的運動，也會產生一個瞬間的正電荷中心與負電荷中心不重合的情況，稱為瞬間偶極，其偶極矩被稱為瞬間偶極矩。分子越大，越容易變形，瞬間偶極矩越大。

范德華力

取向力

取向力是極性分子因固有偶極而產生的靜電引力。右圖是水分子之間的取向力示意圖。通過物理知識（兩個點電荷之間的靜電引力 $F=k{\frac {Qq}{r^{2}}}$ ）我們可以猜測：取向力的大小與分子的偶極矩和距離有關。事實上，取向力與下面這三個因素相關：取向力與分子的偶極矩的平方成正比，與熱力學溫度成反比，與分子間距的七次方成反比。

誘導力

在極性分子的固有偶極誘導下，臨近它的分子（無論是極性分子還是非極性分子）會產生誘導偶極，分子間的誘導偶極與固有偶極之間的電性引力稱為誘導力。誘導力與極性分子的偶極矩的平方成正比，與被誘導分子的變形性（常用物理量「極化率」來表示，符號為 $\alpha$ ）成正比，與分子間距的七次方成反比。但與取向力不同的是，誘導力與溫度無關。

色散力

色散力是由於瞬間偶極而產生的相互作用力。色散力沒有方向，因為分子的瞬時偶極矩的向量方向時刻在變動之中，瞬時偶極矩的大小也始終在變動之中。量子力學的計算表明，分子的變形性越大，色散力越大。同樣的，色散力與分子間距的七次方成反比，此外還與相互作用的分子的電離勢有關。

范德華力

范德華力是取向力、誘導力、色散力的總稱。一般來說，色散力占范德華力中的極大部分，但水分子和氨分子是特例，它們的分子間作用力以取向力為主，詳見下方的表格。范德華力不像共價鍵，沒有方向性和飽和性，也不受微粒之間的方向與個數的限制。它是分子（或原子）之間永恆存在的一種作用力，比化學鍵的作用力小一至二個數量級。

分子	取向力/ ${\mbox{kJ}}\cdot {\mbox{mol}}^{-1}$	誘導力/ ${\mbox{kJ}}\cdot {\mbox{mol}}^{-1}$	色散力/ ${\mbox{kJ}}\cdot {\mbox{mol}}^{-1}$	范德華力/ ${\mbox{kJ}}\cdot {\mbox{mol}}^{-1}$
${\ce {Ar}}$	0	0	8.50	8.50
${\ce {CO}}$	0.003	0.008	8.75	8.75
${\ce {HI}}$	0.025	0.113	25.87	26.00
${\ce {HBr}}$	0.69	0.502	21.94	23.11
${\ce {HCl}}$	3.31	1.00	16.83	21.14
${\ce {NH3}}$	13.31	1.55	14.95	29.60
${\ce {H2O}}$	36.39	1.93	9.00	47.31