分子間作用力

分子間作用力又稱范德華力01氫鍵相關(guān)實驗作用力分類目錄0302基本信息分子間作用力，又稱范德瓦爾斯力（vanderWaalsforce）。分子間作用力（范德瓦爾斯力）有三個來源：①極性分子的永久偶極矩之間的相互作用。②一個極性分子使另一個分子極化，產(chǎn)生誘導偶極矩并相互吸引。③分子中電子的運動產(chǎn)生瞬時偶極矩，它使鄰近分子瞬時極化，后者又反過來增強原來分子的瞬時偶極矩；這種相互耦合產(chǎn)生靜電吸引作用，這三種力的貢獻不同，通常第三種作用的貢獻最大。分子間作用力只存在于分子(molecule)與分子之間或惰性氣體(noblegas)原子(atom)間的作用力，又稱范德華力(vanderwaals)，具有加和性，屬于次級鍵。氫鍵(hydrogenbond)、弱范德華力、疏水作用力、芳環(huán)堆積作用、鹵鍵都屬于次級鍵（又稱分子間弱相互作用）。氫鍵氫鍵氫鍵屬不屬于分子間作用力，取決于對“分子間作用力”的定義。按照廣義范德華力定義[引力常數(shù)項可將各種極化能（偶極(dipole)、誘導(induced)和氫鍵能）歸并為一項來計算]，氫鍵屬于分子間作用力。按照傳統(tǒng)定義：分子間作用力定義為：“分子的永久偶極(permanentdipole)和瞬間偶極(instantaneousdipole)引起的弱靜電相互作用”那么氫鍵不屬于（因為氫鍵至少包含四種相互作用，只有三種與分子間作用力有交集，但還存在最高被占用軌道與另一分子最低空余軌道發(fā)生軌道重疊）。氫鍵既可以存在于分子內(nèi)也可以存在于分子間。其次，氫鍵與分子間作用力的量子力學計算方法也是不一樣的。另外，氫鍵具有較高的選擇性，不嚴格的飽和性和方向性；而分子間作用力不具有。在“折疊體化學”中，多氫鍵具有協(xié)同作用，誘導線性分子螺旋，而分子間作用力不具有協(xié)同效應。超強氫鍵具有類似共價鍵(covalentbond)本質(zhì)，在學術(shù)上有爭議，必須和分子間作用力加以區(qū)分。若錯誤的將分子間作用力、氫鍵、鹵鍵看成等同作用，那么分子識別、DNA結(jié)構(gòu)模擬、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)堆積，就根本不可能研究了。所以在學術(shù)上，這些電磁互作用都統(tǒng)稱為次級鍵。作用力分類色散力誘導力取向力三種力的關(guān)系相關(guān)概念辨析12345作用力分類色散力色散力色散力（dispersionforce也稱“倫敦力”）所有分子或原子間都存在。是分子的瞬時偶極間的作用力，即由于電子的運動，瞬間電子的位置對原子核是不對稱的，也就是說正電荷重心和負電荷重心發(fā)生瞬時的不重合，從而產(chǎn)生瞬時偶極。色散力和相互作用分子的變形性有關(guān)，變形性越大（一般分子量愈大，變形性愈大）色散力越大。色散力和相互作用分子的電離勢（即為電離能）有關(guān)，分子的電離勢越低（分子內(nèi)所含的電子數(shù)愈多），色散力越大。色散力的相互作用隨著1/r6而變化。其公式為：I1和I2分別是兩個相互作用分子的電離能，α1和α2是它們的極化率。誘導力括號里取平方誘導力（inductionforce）在極性分子和非極性分子之間以及極性分子和極性分子之間都存在誘導力。由于極性分子偶極所產(chǎn)生的電場對非極性分子發(fā)生影響，使非極性分子電子云變形(即電子云被吸向極性分子偶極的正電的一極)，結(jié)果使非極性分子的電子云與原子核發(fā)生相對位移，本來非極性分子中的正、負電荷重心是重合的，相對位移后就不再重合，使非極性分子產(chǎn)生了偶極。這種電荷重心的相對位移叫做“變形”，因變形而產(chǎn)生的偶極，叫做誘導偶極，以區(qū)別于極性分子中原有的固有偶極。誘導偶極和固有偶極就相互吸引，這種由于誘導偶極而產(chǎn)生的作用力，叫做誘導力。在極性分子和極性分子之間，除了取向力外，由于極性分子的相互影響，每個分子也會發(fā)生變形，產(chǎn)生誘導偶極。其結(jié)果使分子的偶極距增大，既具有取向力又具有誘導力。在陽離子和陰離子之間也會出現(xiàn)誘導力。誘導力與極性分子偶極矩的平方成正比。誘導力與被誘導分子的變形性成正比，通常分子中各原子核的外層電子殼越大（含重原子越多）它在外來靜電力作用下越容易變形。相互作用隨著1/r6而變化，誘導力與溫度無關(guān)。其公式：α為極化率。取向力取向力（orientationforce也稱dipole-dipoleforce）取向力發(fā)生在極性分子與極性分子之間。由于極性分子的電性分布不均勻，一端帶正電，一端帶負電，形成偶極。因此，當兩個極性分子相互接近時，由于它們偶極的同極相斥，異極相吸，兩個分子必將發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。這種偶極子的互相轉(zhuǎn)動，就使偶極子的相反的極相對，叫做“取向”。這時由于相反的極相距較近，同極相距較遠，結(jié)果引力大于斥力，兩個分子靠近，當接近到一定距離之后，斥力與引力達到相對平衡。這種由于極性分子的取向而產(chǎn)生的分子間的作用力，叫做取向力。取向力與分子的偶極矩平方成正比，即分子的極性越大，取向力越大。取向力與絕對溫度成反比，溫度越高，取向力就越弱關(guān)相互作用隨著1/r6而變化。其公式為：μ1，μ2為兩個分子的偶極矩；r為分子質(zhì)心間的距離，k為Boltzmann常數(shù)，T為熱力學溫度，負值表示能量降低。三種力的關(guān)系極性分子與極性分子之間，取向力、誘導力、色散力都存在；極性分子與非極性分子之間，則存在誘導力和色散力；非極性分子與非極性分子之間，則只存在色散力。這三種類型的力的比例大小，決定于相互作用分子的極性和變形性。極性越大，取向力的作用越重要；變形性越大，色散力就越重要；誘導力則與這兩種因素都有關(guān)。但對大多數(shù)分子來說，色散力是主要的。實驗證明，對大多數(shù)分子來說，色散力是主要的；只有偶極矩很大的分子(如水)，取向力才是主要的；而誘導力通常是很小的。極化率α反映分子中的電子云是否容易變形。雖然范德華力只有0.4—4.0kJ/mol，但是在大量大分子間的相互作用則會變得十分穩(wěn)固。比如C—H在苯中范德華力有7kJ/mol，而在溶菌酶和糖結(jié)合底物范德華力卻有60kJ/mol，范德華力具有加和性。分子作用力、鹽鍵（離子鍵）、共價鍵都是靜電引力為什么差距這么大？所以真正關(guān)鍵詞是“距離”，我們可以把分子作用力、離子鍵放在一起考慮。在中學里學過離子鍵，以及NaCl、CsCl、CaF2、立方ZnS、六方ZnS、金紅石TiO2這六種典型化合物的晶體構(gòu)型，是強作用力。ATP和鎂離子相互作用在生物學中重點是了解有機分子的離子相互作用。有機分子形成的離子，電負性差異沒有那么大，相互作用不像這些典型的離子化合物離子鍵這樣大，所以就稱為離子相互作用；但他們的共同點都是靠靜電引力做形成的。相關(guān)概念辨析詞條被修改62次在于，不同對氫鍵與分子間作用力從屬關(guān)系的爭論。傳統(tǒng)定義，將分子間作用力定義為：“分子的永久偶極和瞬間偶極引起的弱靜電相互作用”。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)了許多用現(xiàn)有分子間作用力的作用機理無法說明的現(xiàn)象。比如鹵鍵，有機汞鹵化物時觀察到分子內(nèi)鹵素原子與汞原子之間存在長距離強的共價相互作用力，從而引入二級價鍵力(secondaryvalenceforces)的概念。現(xiàn)在學術(shù)上，已經(jīng)不再用“分子間作用力”來涵蓋全部的弱相互作用，而是用更準確術(shù)語“次級鍵”。氫鍵、范德華力、鹽鍵、疏水作用力、芳環(huán)堆積作用、鹵鍵都統(tǒng)稱為“次級鍵”。氫鍵是否屬于分子間作用力取決于對”分子間作用力“的定義。如果“分子間作用力”繼續(xù)被狹義指代“分子的永久偶極和瞬間偶極引起的弱靜電相互作用”。這樣氫鍵與分子間作用力性質(zhì)也不完全相同，量子力學計算方法也不完全同……，更像并列關(guān)系，氫鍵就不屬于分子間作用力。而我們目前國內(nèi)普通化學教材、百科大辭典等，就是這個定義，就是狹義指代范德華力。如果”分子作用力“定義指代一切分子的相互作用（這個定義也包括了長程和短程的相互作用），那么氫鍵也屬于分子間作用力，不僅氫鍵屬于，離子鍵力也屬于分子間作用力?！陡叻肿咏缑婵茖W》一書，張開教授認為引力常數(shù)項可將各種極化能（偶極、誘導和氫鍵能）歸并為一項來計算從這一角度出發(fā)，范德華力偶極矩相互作用系數(shù)可擴大范圍寫成靜電相互作用系數(shù)。這樣得到了關(guān)于靜電力的廣義范德華力。相關(guān)實驗相關(guān)實驗法國的科學家2013年首次對兩個原子之間的范德華力進行了直接的測量，所用實驗方法可以用來建立量子邏輯門，或者用來進行凝聚態(tài)系統(tǒng)的量子模擬。原子偶極：首次直接測量原子間的范德華力原子偶極：科學家首次直接測量原子間的范德華力（圖片來源：iStockphoto/Nicemonkey）原子間、分子間和物體表面間的范德華力以各種不同方式出現(xiàn)在日常生活中。例如，蜘蛛和壁虎就是依靠范德華力才能沿著平滑的墻壁向上爬，我們體內(nèi)的蛋白質(zhì)也是因為范德華力的存在才會折疊成復雜的形狀。范德華力是以荷蘭科學家約翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯的名字命名的，他在1873年第一次提出了范德華力這個概念用以解釋氣體的行為