到目前爲止 我們的化學旅程
已經涉及到了分子之間的相互作用
例如金屬分子
它們是如何
通過電子海相互吸引 還有水分子之間
但是我想 最好全面討論一下
所有不同種類的分子間相互作用
以及物質沸點、
熔點的意義
從最弱的分子間作用力講起吧
假設 這裡有一堆氦分子(He)
氦氣 我畫成氦原子
我們查找元素周期表
我接下來處理氦的方法
同樣可以用於其他惰性氣體
因爲惰性氣體很完美
它們的最外層軌域是飽和的
再比如 氖氣(Ne)或氦氣(He) ――先說氖吧 事實上
因爲氖的最外層 是8電子的飽和狀態
因此我們可以這樣寫氖(Ne)
十分穩定
它完全自給自足
因此 在一個完全自給自足的世界裏
目前沒有明顯的理由使分子間相互作用
我馬上就要說到一個原因
――如果這些電子均勻地分布
在原子的周圍
那麽這些就是完全中性的原子
它們相互之間不需要
任何形式的結合
所以它們本應該四處飄動
而且它們沒有理由
相互吸引
或者相互排斥
但是 事實是
如果足夠冷
氖氣的確是液體
那麽氖氣有液態這個事實
說明分子之間一定存在某種作用力
使氖原子之間相互吸引
一定有某種力
由於溫度極低
在很大程度上
它們之間的力不是很大
因此在普通溫度下氖爲氣體
但如果溫度降到極低
你可以看到一個非常弱的力
開始連結氖原子
或者說使得氖原子想要
相互接近
從我們剛剛說的現象中
提到的力
說明電子不是在固定的
單一的軌道上運動的
它們是機率性的
我們可以想象一下 比如說氖氣
這次就不畫
漂亮整齊的價電子點點
而可以這樣畫電子
它是一個機率雲
這就是氖原子的結構
1s2 然後外層電子排布是 2s2 2p6 對嘛？
所以這是能量最高的電子
所以 看起來… 我也不很清楚
它有個2s層
1s層在2s的裏面
它還有p軌道
p軌道從不同的角度看像這樣
這不是多重點
這裡還有另一個氖原子
這些是――
我只畫出了機率的分布
看好了我可不是在畫兔子哦
但是我覺得你應該已經懂了
如果你想要了解更多
請看電子構型的影片
電子機率分布的意思
就是這些電子可以在任何地方出現
可能有某個瞬間
所有的電子都在這裡
也可能某個瞬間
所有的電子都在這裡
氖原子也一樣
如果你仔細想想
在所有可能的構型中
比如這兩個氖原子
電子在他們之間
均勻分布的幾率是十分小的
更多的情況是
每個氖原子周圍的電子分布
會稍微有所不同
因此 如果這個氖原子
最外層的8個價電子
可能剛好是…
1 2 3… 7 8
這個氖原子是怎樣的呢？
它這時在這個方向有微弱的電荷 是不是
看起來這一側比這一側有更多負電
或者說 這一側比那一側有更多正電
類似的 如果與此同時
另一個氖原子
有1 2 3… 8
相似地 事實上 我來畫一個不一樣的
比如說這個氖原子是這樣的
1 2 3… 7 8
這裡 我們用一個深色來表示
因爲這是一個非常弱的作用力
所以 這邊會有微弱的負電
瞬時的 僅僅在那一刻存在
這裡稍微帶有負電
那裏稍帶正電
這邊是負的
這邊是正的
所以 這有一點點的相互吸引力
在那短短一瞬間
吸引著這個氖原子和這個氖原子
然後它會消失
因爲電子會重新排布
但重要的是要知道
幾乎沒有氖原子的電子
是完全均勻分散的
那麽因爲一定有
這種偶然的分布情況
那麽就一定有
一點點的…
我不想說這是極性
因爲這個詞感覺太強了
但是 它們一定會有
一點點額外的電荷
有時在原子這邊 有時在另一邊
這樣 它就可以和另一個
同樣電子分布不均勻的原子的
相反電極相吸引
這是一個非常 非常非常弱的力
這種力叫做 倫敦分散力
我想應該是這家夥提出的
Fritz London 他既不是…
不對 他不是英國人
我覺得他應該是德裔美國人。
倫敦分散力
是範德華力當中最弱的
我想我的讀音好像不太對
範德華力
分子間作用力的一種
那麽 對於氖――氖分子 就是一個原子
氖分子是一個單原子分子
我想你可能會這樣說
而範德華力
是泛指一大類分子間作用力
而非共價鍵
也不類似鹽中的電價鍵
我們稍後會講到這些鍵
其中最弱的
就是倫敦分散力
所以氖氣 還有這些稀有氣體
實際上 這裡所有的稀有氣體
它們之間唯一的作用力
就是倫敦分散力
也就是所有分子間作用力中
最弱的一種
正因爲這個
只要非常小的能量
就可以將他們變成氣態
因此 在非常非常低的溫度下
稀有氣體就可以變成氣態
這就是他們被稱作 惰性氣體的首要原因
它們的性質非常類似於理想氣體
因爲它們之間的引力極小
好啦
現在 如果分子間的
引力更大一些
或者稍帶極性會怎麽樣？
例如氯化氫(HCl) 對嘛？
氫原子(H) 它有時候吸電子
有時候失電子
但是氯原子想要吸電子
氯原子的電負度非常強
它只比這些原子的電負度弱
這些元素都是超級電子狂
氮(N) 氧(O) 和氟(F)
但是氯的電負度已經很強了
如果氯化氫(HCl)…
所以 這邊是氯原子
它最外層有7個電子
然後它和氫原子共享一個電子
它和氫原子共享一個電子
我這樣畫
因爲氯比氫
電負度強很多
因此電子出現在這裡的機率比較大
所以 我們會得到
一個這邊帶局部負電荷的分子
就在吸電子狂的這一邊
另一邊帶有局部正電荷
這個實際上
非常類似於氫鍵
其實氫鍵就是這一類的鍵
也可以被叫做偶極鍵
或者說是取向作用 【譯者注：極性分子間偶極相互作用稱爲取向作用】
假設有一個那樣的氯原子
這裡還有另外一個氯原子
另外一個氯原子是這樣子的
如果另外一個氯原子…
我複製粘貼過來
就在這裡
然後它們之間就會有引力
你就會看到
兩個氯原子之間的引力
哦 不對 是這兩個
氯化氫分子之間的引力
正極
偶極中的正極
接近氫原子
因爲電子稍微遠離氫原子
氫原子會被另一個氯化氫分子的
氯原子所吸引
而因爲這個的範德華力
這個取向作用
比分散力更強一些
說的更清楚一些
所有的分子間作用力中
都有倫敦分散力
只是和其他的力相比
它非常弱
僅僅當我們研究惰性氣體的時候
分散力才比較明顯
即使這裡 這也是分散力
因爲這也僅僅是
由瞬時電子排布的不均勻
而産生的
但是這個取向作用強烈多了
因爲這作用力更強
氯化氫(HCl)...
就以氦氣爲例吧
氯化氫需要比氦氣更多的能量
才會變成液態
還需要甚至更多的能量 才能轉變成氣態
現在 如果電負度增強
也就是這原子的電負度變大
當你在研究氮(N) 氧(O) 或者氟(F)
你就會發現一個特殊的
取向作用
那就是氫鍵
如果你研究的是氫氟酸(HF或HFl)
就和上述情況差不多
這裡有一堆氫氟酸
我可以這樣寫 氟(Fl)
然後 在這裡寫一個氫氟酸
氟是電負度極強的
它是元素周期表中
三個電負度最強的原子之一
因此它幾乎吸走全部電子
所以這個是偶極間作用
非常強的情況
就在這裡 所有的電子
都會被氟原子吸收到它周圍
所以 這裡就會
帶部分正電荷
部分正電荷 部分負電荷……
【譯者注：錯誤更正】 HF中F一端帶部分負電荷 而H一端帶部分正電荷
所以就會得到這個
真正的取向作用
但是這是一個非常強的偶極-偶極力
所以人們把它叫做氫鍵
它是由氫原子和一個
電負度非常強的原子組成的
其中這個電負度強的原子
幾乎把氫原子的
電子都吸收在它那一側
所以 這裡氫僅僅是一個質子而已
所以它帶有很徹底的正電荷
因此它就被吸引到
分子中負電荷所在的那一側
但是氫原子…
這些都是範德華力
範德華力中 最弱的就是分散力
如果一個分子中
有個電負度較強的原子
這時就産生了偶極
分子的兩側變成偶極
所以就有了
這裡就有一個偶極-偶極力
而更加強烈的鍵
就是氫鍵
因爲具有超強電負度的原子
實際上是在剝奪
氫原子的電子
或者說幾乎奪走了它
但是它仍然是共用的
不過它完全偏向分子的一側
由於這個分子間作用力更加強烈
分子的沸點就會更高
因此分散力…
偶極鍵 或者偶極-偶極力
然後還有氫鍵
這些都是範德華力 【譯者注：中文教材中，氫鍵不屬於範德華力】
但是由於分子間作用力的增強
沸點就會隨之升高
因爲分開這些分子
需要越來越多的能量
在下一個影片課程中 我發現好像沒有時間了
所以我覺得 最好還是
提及一下不同種類的
分子間作用力
它們不一定是共價鍵或者電價鍵
在下一個影片課程裏
我會講一些可以形成
共價鍵和電價鍵的結構
以及它們怎樣影響沸點