分子间力的分类

定义:范德华力(也叫分子力)是分子或原子之间的静电相互作用产生的。其能量计算的经验方程为:u = b/r 12-a/r 6(对于两个碳原子,其参数值为b = 11.5×10-6 kjnm 12/mol;a = 5.96×10-3 kjnm^6/mol;当两个原子相互靠近,电子云重叠时,会产生强烈的斥力,斥力与12次方的距离成反比。图中低点是范德华力维持的距离力最大,称为范德华半径。分子引力与距离的6次方成反比,分子斥力与距离的12次方成反比。

范德华力可分为三种力:诱导力、分散力和定向力。极性分子和非极性分子之间,极性分子和极性分子之间都存在诱导力。由于极性分子的偶极子产生的电场作用于非极性分子,使非极性分子的电子云发生形变(即电子云被吸引到极性分子偶极子的正极),结果非极性分子的电子云与原子核发生相对位移。非极性分子中正负电荷的重心重合,但相对位移后不再重合,导致非极性分子的偶极。这种电荷重心的相对位移称为“形变”,形变产生的偶极子称为诱导偶极子,与极性分子原来的固有偶极子不同。感应偶极子和固有偶极子相互吸引,这种由于感应偶极子产生的力叫做感应力。极性分子和极性分子之间,除了取向力,由于极性分子的相互作用,每个分子也会发生形变,产生诱导偶极子。导致分子的偶极距增大,既有取向力又有诱导力。阳离子和阴离子之间也会出现感应力。

感应力与极性分子的偶极矩的平方成正比。诱导力与诱导分子的变形能力成正比。一般分子中每个原子核的外层电子层越大(含重原子越多),在外部静电力的作用下越容易变形。相互作用随1/r 6变化,诱导力与温度无关。它的公式:α是极化率。极性分子之间存在取向力、诱导力和分散力;极性分子和非极性分子之间,有诱导力和分散力;在非极性分子和非极性分子之间,只存在分散力。这三种力的比例取决于相互作用分子的极性和变形能力。极性越大,定向力越重要。变形能力越大,分散力越重要;感应力与这两个因素有关。但对大多数分子来说,分散力是主要的。实验表明,对大多数分子来说,分散力是主要的;只有偶极矩大的分子(如水)才有主取向力;并且感应力通常非常小。极化率α反映了分子中的电子云是否容易变形。虽然范德华力只有0.4-4.0 kJ/mol,但是大量大分子之间的相互作用会变得非常稳定。比如C-H在苯中的范德华力是7 kJ/mol,但在溶菌酶和糖结合底物中是60kJ/mol,范德华力是加性的。

分子力、离子键、盐键、价键都是静电引力。为什么差距这么大?

所以真正的关键词是“距离”,我们可以把分子力和离子键放在一起考虑。带电基团的能量与距离的作用类型关系静电作用1/r离子-偶极1/r2离子诱导偶极1/r4偶极-偶极1/r6取向力化学偶极诱导偶极1/ R6诱导偶极诱导偶极1/r6分散力非键排斥1/r12-1/R6研究了中间的离子键

在生物学中,重点是了解有机分子的离子相互作用。有机分子形成的离子电负性差异没有那么大,相互作用也没有这些典型离子化合物的离子键大,所以称为离子相互作用;但它们的相似之处都是由静电引力形成的。NaCl、CsCl、CaF2、立方ZnS、六方ZnS和金红石TiO2等六种典型化合物的晶体构型与距离的一次幂、Mg2+与ATP的相互作用以及氨基酸两性离子之间的相互作用成反比。离子偶极随距离的二次幂减小,离子感生偶极随距离的四次幂减小。因此,生物分子中的离子相互作用(也称盐键)较弱,随1/R2-1/R4而减弱。范德华力包括引力和斥力,引力与距离的6次方成反比,斥力与距离的12次方成反比。都是不同程度的静电力的出现。由于不同作者对氢键和分子间力的从属关系的争论,该条目被修改了62次。

传统上将分子间力定义为“分子的永久偶极子和瞬时偶极子引起的微弱静电相互作用”。随着研究的深入,发现了许多现有的分子间作用力机制无法解释的现象。如卤键、有机卤化汞,观察到分子中卤原子与汞原子之间存在长距离弱价相互作用,从而引入二级价力的概念。

现在在学术上,所有的弱相互作用都不再被“分子间力”所涵盖,而是被更准确的术语“二级键”所涵盖。氢键、范德华力、盐键、疏水力、芳环堆积、卤键都称为“二级键”。

氢键是否属于分子间力取决于分子间力的定义。如果“分子间力”继续狭义地定义为“分子的永久偶极子和瞬时偶极子引起的微弱静电相互作用”。这样氢键和分子间力的性质就不完全一样,量子力学的计算方法也不完全一样...更像是平行关系,氢键不属于分子间力。目前,我们国内的普通化学教材、百科词典等。都只是这个定义,它指的是狭义的范德华力。

如果“分子力”的定义是指所有的分子相互作用(这个定义也包括长程和短程相互作用),那么氢键也属于分子间力,不仅是氢键,还有离子键。在《高分子界面科学》一书中,张凯教授认为引力常数项可以把各种极化能(偶极能、诱导能和氢键能)合并成一项来计算。从这个角度出发,范德华力偶极矩的相互作用系数可以展开写成静电相互作用系数。这样就得到关于静电力的广义范德华力。这种分子间相互作用的分类在一些文献中也有报道。《流体的热物理化学性质——对应态原理及其应用》一书作者向宏伟教授认为,分子相互作用势能的三种类型统称为范德华力,包括定向力、诱导力和弥散力。方向力来自偶极矩产生的引力,包括电荷、偶极矩和四阶矩。根据1/kT的幂指数,用玻尔兹曼权重因子展开相互作用,可以得到平均势能函数。这些类型的相互作用,如电荷,偶极和四阶矩,非常相似,都可以认为遵守贝特洛定律。因为分散力不会引起相互作用,所以实际引起的相互作用根据静电力比进行校正。

张和沈成对HF量子的计算表明,氢键的形成至少有四种不同类型的相互作用,取向力1。高频偶极矩;2.2的最高占据轨道。HF分子与另一个分子的最低空轨道重叠,这是一个价键。3.分子间电子云的排斥。4.分子间诱导的偶极相互作用非常弱。氢键的本质也是静电相互作用,主要是偶极相互作用能和静电相互作用能可以用广义范德华力公式近似计算,氢键是氢键力的几何平均服从贝特洛定律。

从这个角度来看,氢键包含了分子间作用力“集合”的元素,这两个集合有交集。然而,氢键也具有其不具有的特征性轨道重叠和电荷转移。

超强氢键与价键性质相似,在学术界有争议,必须与分子间力区分开来。

许多弱相互作用存在于分子内部和分子之间(从量子化学的观点来看);也可以转化成化学键。因此,作者建议使用更严格的词汇来统称“二级键”,而不是用分子间作用力来涵盖所有的弱相互作用。

此外,由于存在争议,其从属概念的辨析取决于“分子间相互作用”的基本定义。加州大学伯克利分校的约翰·m·普劳斯尼茨(John M. Prausnitz)指出:“我们对分子间作用力的理解还远远不够,目前仅限于简单和理想的情况。”笔者认为,在基础教育如中学教育中,不必严格区分隶属关系,关键是要搞清楚性质。说氢键属于还是不属于分子间力,都没有错。如果你想区分分子间作用力和氢键的隶属关系,可以把它从考试中去掉(测试谁属于谁是没有意义的),可以休息了!更重要的是让学生了解氢键的特性、几何平均关系、松散饱和度和方向性、熔点、溶解度影响、稳定性和π氢键等。因为我们对分子间作用力了解不够...