大学基础化学教学中分子间作用力与范德华力的概念辨析
Analysis on the Concept of Intermolecular Interactions and van der Waals Force in the Teaching of University Chemistry
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收稿日期: 2018-03-5 接受日期: 2018-05-8
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Received: 2018-03-5 Accepted: 2018-05-8
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江苏省教育科学"十二五"规划课题. |
探讨了分子间作用力和范德华力这两个概念的差异,从作用力的物理模型上厘清了这两个在大学基础化学教学中易混淆的基本概念。
关键词:
This paper discussed the differences between intermolecular interactions and van der Waals force. Based on the physical models of different interactions, some important and confusing concepts were clarified.
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花书贵, 季姣, 单靖舒, 严珺.
HUA Shugui, JI Jiao, SHAN Jingshu, YAN Jun.
我们对国内高校现行的主要基础化学教科书中关于分子间作用力和范德华力的描述进行了广泛的调研和比较。调研发现,在国内高校现行的相当多的基础化学教材中,分子间作用力被等同于范德华力。例如,有教材中指出,取向、诱导、色散作用都是吸引作用,分子间作用力就是这三种吸引力的总称,有时也把分子间作用力叫做van der Waals力。也有教材认为,分子间作用力是使分子聚集在一起的一种作用力,通常把分子间力称为范德华力。还有教材指出范德华第一个提出分子间相互作用,所以通常把分子间作用力称为范德华力。由此可见,在不少教科书中,分子间作用力和范德华力被混为一谈。
另一方面,部分国内研究者对分子间作用力的概念内涵进行了较深入的研究。例如王稼国和荆西平[4]指出,分子间作用力中同时存在两种主要的作用力,即弱共价作用力(二级价键力)和弱静电作用力(范德华力)。弱静电作用力是诱导力、取向力和色散力。弱共价作用力不仅存在于分子间,也存在于分子内,是分子轨道在一定方向上的弱相互作用,相当于弱共价键。这种弱共价作用具有加和性,是分子间作用力的重要组成部分。
结合以上调研,我们对新近出版的国内外代表性教材、专著和综述中关于分子间作用力的定义、计算方法、变化规律等进行了较系统的比较和总结。
1 分子间作用力及范德华力的概念起源
2 范德华力的一般定义
一般认为,范德华力包括取向力(也称静电力)、诱导力和色散力(也称London力)。极性分子具有固有偶极,当极性分子相互靠近时,由于同极相斥、异极相吸,分子发生了相对移动,这种由固有偶极取向而产生的作用力叫做取向力。当非极性分子与极性分子靠近时,非极性分子发生正负电荷重心的相对位移,从而产生了诱导偶极,极性分子的永久偶极和非极性分子的诱导偶极之间形成的作用力称为诱导力。当两个非极性分子相互靠近时,电子的运动和原子核的振动会引起电子云与原子核之间的相对位移,因此产生了瞬时偶极,由瞬时偶极之间产生的相互作用力称为色散力。以上三种作用力中,取向力和诱导力可由经典电磁学理论导出,而色散力则来自于电子密度的量子力学涨落,该涨落导致原子、分子中电子密度的重新分布,从而产生分子的瞬时偶极矩,并诱导了另一个分子的瞬时偶极矩。这些瞬时偶极矩之间的相互作用产生了色散力。
其中,r为两个分子质心间的距离,μ1和μ2为两个分子的偶极矩,ε0是真空电容率,k为玻尔兹曼常数,T是热力学温度。在μ1 = μ2时,静电能和偶极矩的四次方成正比。公式(2)是考虑了偶极矩各种取向分布后的平均能量,偶极矩取向随能量变化的概率由玻尔兹曼因子
平均诱导能(
平均色散能(
由公式(2)、(3)、(4)可见,三种作用能均为负值,即范德华力是一种吸引力。
3 分子间作用力的概念范畴及应用
除了范德华力,分子间作用力中还存在排斥相互作用。排斥相互作用产生于泡利原理(称为交换相互作用)以及在邻近分子轨道重叠区域内的电子排斥。
氢键也是一种重要的分子间作用力,其作用能介于共价键和范德华作用能之间,作用距离范围短于一般的范德华力。最初,氢键被认为是一种准共价键。从20世纪60年代开始,氢键主要是一种静电相互作用(一种较强的偶极–偶极作用力模型)的观点逐渐被接受[10]。
分子间相互作用能最常用的是Lennard-Jones势能函数(即L-J势能函数):
按照相互作用的分子间距离(短程、中程、长程),分子间作用力可分为三类(图1):
图1
Ⅰ.库仑作用、交换作用;
Ⅱ.直接静电作用、交换、交换-极化、氢键、弱共价作用力等;
Ⅲ.多极-多极、诱导、色散等。
由图1可见,区域Ⅰ中,短程作用力的互斥性起主导作用;区域Ⅱ中,引力与斥力可达到平衡;区域Ⅲ中,长程分子间作用力表现为引力,主要是范德华力。
因此,充分掌握分子间作用力的存在形式及变化规律,对理解物质世界及生命现象具有非常重要的意义。
4 结语
分子间相互作用规律的发现并不是一帆风顺的,在其发展过程中充满了谬误和模糊。
综上所述,范德华力是分子间作用力的一种,是一种中性原子、分子之间的长程引力,国内不少教材对范德华力和分子间作用力的概念互相混淆、认识有误。
我们建议在对范德华力和分子间作用力的相关概念进行阐述时,明确指出范德华力包括取向力、诱导力和色散力,且是分子间作用力的一种,它是一种长程引力,作用范围大约是300–500 pm,范德华作用能与距离的6次方成反比。而分子间作用力包括了长程、中程和短程作用,既有引力,也有斥力。
参考文献
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