Van Der Waals Forces
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0:01 - 0:03到目前为止 我们的化学旅程
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0:03 - 0:06已经涉及到了分子之间的相互作用
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0:06 - 0:10例如金属分子
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0:10 - 0:11它们是如何
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0:11 - 0:13通过电子海相互吸引 还有水分子之间
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0:13 - 0:16但是我想 最好全面讨论一下
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0:16 - 0:19所有不同种类的分子间相互作用
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0:19 - 0:21以及物质沸点、
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0:21 - 0:23熔点的意义
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0:23 - 0:24从最弱的分子间作用力讲起吧
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0:25 - 0:26假设 这里有一堆氦分子(He)
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0:26 - 0:30氦气 我画成氦原子
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0:30 - 0:32我们查找元素周期表
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0:32 - 0:34我接下来处理氦的方法
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0:34 - 0:35同样可以用于其他惰性气体
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0:35 - 0:38因为惰性气体很完美
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0:38 - 0:40它们的最外层电子轨道是饱和的
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0:40 - 0:42再比如 氖气(Ne)或氦气(He) ――先说氖吧 事实上
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0:42 - 0:45因为氖的最外层 是8电子的饱和状态
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0:45 - 0:46因此我们可以这样写氖(Ne)
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0:46 - 0:49十分稳定
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0:49 - 0:52它完全自给自足
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0:52 - 0:57因此 在一个完全自给自足的世界里
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0:57 - 1:00目前没有明显的理由使分子间相互作用
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1:00 - 1:02我马上就要说到一个原因
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1:02 - 1:03――如果这些电子均匀地分布
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1:04 - 1:05在原子的周围
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1:05 - 1:06那么这些就是完全中性的原子
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1:07 - 1:08它们相互之间不需要
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1:08 - 1:09任何形式的结合
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1:09 - 1:11所以它们本应该四处飘动
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1:11 - 1:12而且它们没有理由
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1:12 - 1:13相互吸引
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1:13 - 1:15或者相互排斥
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1:15 - 1:16但是 事实是
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1:16 - 1:18如果足够冷
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1:18 - 1:20氖气的确是液体
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1:20 - 1:22那么氖气有液态这个事实
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1:22 - 1:25说明分子之间一定存在某种作用力
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1:25 - 1:30使氖原子之间相互吸引
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1:30 - 1:31一定有某种力
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1:31 - 1:33由于温度极低
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1:33 - 1:34在很大程度上
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1:34 - 1:35它们之间的力不是很大
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1:36 - 1:37因此在普通温度下氖为气体
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1:37 - 1:39但如果温度降到极低
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1:39 - 1:41你可以看到一个非常弱的力
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1:41 - 1:42开始连结氖原子
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1:42 - 1:44或者说使得氖原子想要
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1:44 - 1:46相互接近
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1:46 - 1:49从我们刚刚说的现象中
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1:49 - 1:50提到的力
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1:50 - 1:53说明电子不是在固定的
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1:53 - 1:55单一的轨道上运动的
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1:55 - 1:56它们是概率性的
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1:56 - 1:59我们可以想象一下 比如说氖气
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1:59 - 2:00这次就不画
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2:00 - 2:04漂亮整齐的价电子点点
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2:04 - 2:07而可以这样画电子
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2:07 - 2:09它是一个概率云
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2:09 - 2:12这就是氖原子的结构
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2:12 - 2:191s2 然后外层电子排布是 2s2 2p6 对嘛？
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2:19 - 2:20所以这是能量最高的电子
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2:20 - 2:22所以 看起来… 我也不很清楚
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2:22 - 2:24它有个2s层
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2:24 - 2:261s层在2s的里面
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2:26 - 2:28它还有p轨道
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2:28 - 2:32p轨道从不同的角度看像这样
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2:32 - 2:33这不是重点
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2:33 - 2:35这里还有另一个氖原子
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2:35 - 2:36这些是――
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2:36 - 2:39我只画出了概率的分布
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2:39 - 2:40看好了我可不是在画兔子哦
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2:40 - 2:42但是我觉得你应该已经懂了
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2:42 - 2:46如果你想要了解更多
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2:46 - 2:48请看电子构型的视频
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2:48 - 2:50电子概率分布的意思
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2:50 - 2:53就是这些电子可以在任何地方出现
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2:53 - 2:55可能有某个瞬间
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2:55 - 2:56所有的电子都在这里
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2:56 - 2:57也可能某个瞬间
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2:57 - 2:58所有的电子都在这里
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2:58 - 2:59氖原子也一样
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2:59 - 3:01如果你仔细想想
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3:01 - 3:02在所有可能的构型中
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3:02 - 3:04比如这两个氖原子
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3:04 - 3:07电子在他们之间
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3:07 - 3:09均匀分布的几率是十分小的
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3:09 - 3:13更多的情况是
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3:13 - 3:14每个氖原子周围的电子分布
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3:14 - 3:16会稍微有所不同
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3:17 - 3:18因此 如果这个氖原子
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3:18 - 3:21最外层的8个价电子
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3:21 - 3:23可能刚好是…
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3:24 - 3:281 2 3… 7 8
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3:28 - 3:30这个氖原子是怎样的呢？
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3:30 - 3:33它这时在这个方向有微弱的电荷 是不是
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3:33 - 3:37看起来这一侧比这一侧有更多负电
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3:37 - 3:39或者说 这一侧比那一侧有更多正电
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3:39 - 3:44类似的 如果与此同时
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3:44 - 3:45另一个氖原子
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3:45 - 3:49有1 2 3… 8
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3:49 - 3:52相似地 事实上 我来画一个不一样的
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3:52 - 3:56比如说这个氖原子是这样的
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3:56 - 4:011 2 3… 7 8
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4:01 - 4:04这里 我们用一个深色来表示
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4:04 - 4:06因为这是一个非常弱的作用力
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4:06 - 4:07所以 这边会有微弱的负电
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4:07 - 4:09瞬时的 仅仅在那一刻存在
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4:09 - 4:11这里稍微带有负电
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4:11 - 4:12那里稍带正电
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4:12 - 4:14这边是负的
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4:14 - 4:16这边是正的
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4:16 - 4:18所以 这有一点点的相互吸引力
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4:18 - 4:21在那短短一瞬间
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4:21 - 4:22吸引着这个氖原子和这个氖原子
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4:22 - 4:23然后它会消失
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4:23 - 4:25因为电子会重新排布
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4:25 - 4:27但重要的是要知道
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4:27 - 4:31几乎没有氖原子的电子
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4:31 - 4:32是完全均匀分散的
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4:32 - 4:34那么因为一定有
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4:34 - 4:35这种偶然的分布情况
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4:35 - 4:37那么就一定有
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4:37 - 4:39一点点的…
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4:39 - 4:41我不想说这是极性
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4:41 - 4:42因为这个词感觉太强了
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4:42 - 4:44但是 它们一定会有
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4:44 - 4:46一点点额外的电荷
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4:46 - 4:47有时在原子这边 有时在另一边
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4:47 - 4:49这样 它就可以和另一个
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4:49 - 4:50同样电子分布不均匀的原子的
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4:50 - 4:53相反电极相吸引
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4:53 - 4:56这是一个非常 非常非常弱的力
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4:56 - 4:58这种力叫做 伦敦色散力
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4:58 - 5:01我想应该是这家伙提出的
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5:01 - 5:03Fritz London 他既不是…
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5:03 - 5:05不对 他不是英国人
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5:05 - 5:07我觉得他应该是德裔美国人。
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5:07 - 5:10伦敦色散力
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5:10 - 5:19是范德华力当中最弱的
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5:19 - 5:21我想我的读音好像不太对
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5:21 - 5:23范德华力
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5:23 - 5:25分子间作用力的一种
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5:25 - 5:28那么 对于氖――氖分子 就是一个原子
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5:28 - 5:29氖分子是一个单原子分子
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5:29 - 5:30我想你可能会这样说
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5:30 - 5:32而范德华力
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5:32 - 5:34是泛指一大类分子间作用力
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5:34 - 5:36而非共价键
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5:36 - 5:38也不类似盐中的离子键
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5:38 - 5:40我们稍后会讲到这些键
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5:40 - 5:41其中最弱的
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5:41 - 5:42就是伦敦色散力
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5:42 - 5:44所以氖气 还有这些稀有气体
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5:44 - 5:47实际上 这里所有的稀有气体
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5:47 - 5:48它们之间唯一的作用力
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5:48 - 5:50就是伦敦色散力
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5:50 - 5:52也就是所有分子间作用力中
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5:52 - 5:54最弱的一种
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5:54 - 5:55正因为这个
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5:55 - 5:57只要非常小的能量
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5:57 - 5:59就可以将他们变成气态
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5:59 - 6:01因此 在非常非常低的温度下
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6:01 - 6:07稀有气体就可以变成气态
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6:07 - 6:10这就是他们被称作 惰性气体的首要原因
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6:10 - 6:14它们的性质非常类似于理想气体
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6:14 - 6:15因为它们之间的引力极小
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6:15 - 6:17因为它们之间的引力极小
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6:17 - 6:19好啦
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6:19 - 6:21现在 如果分子间的
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6:21 - 6:24引力更大一些
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6:24 - 6:25或者稍带极性会怎么样？
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6:25 - 6:27例如氯化氢(HCl) 对嘛？
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6:27 - 6:30氢原子(H) 它有时候吸电子
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6:30 - 6:32有时候失电子
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6:32 - 6:34但是氯原子想要吸电子
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6:34 - 6:37氯原子的电负性非常强
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6:37 - 6:40它只比这些原子的电负性弱
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6:40 - 6:43这些元素都是超级电子狂
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6:43 - 6:45氮(N) 氧(O) 和氟(F)
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6:45 - 6:48但是氯的电负性已经很强了
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6:48 - 6:50如果氯化氢(HCl)…
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6:50 - 6:53所以 这边是氯原子
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6:53 - 6:56它最外层有7个电子
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6:56 - 6:59然后它和氢原子共享一个电子
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6:59 - 7:02它和氢原子共享一个电子
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7:02 - 7:03我这样画
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7:03 - 7:05因为氯比氢
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7:05 - 7:06电负性强很多
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7:06 - 7:09因此电子出现在这里的概率比较大
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7:09 - 7:11所以 我们会得到
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7:11 - 7:13一个这边带局部负电荷的分子
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7:13 - 7:15就在吸电子狂的这一边
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7:15 - 7:16另一边带有局部正电荷
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7:16 - 7:18这个实际上
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7:18 - 7:20非常类似于氢键
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7:20 - 7:23其实氢键就是这一类的键
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7:23 - 7:24也可以被叫做偶极键
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7:24 - 7:26或者说是取向作用\N【译者注：极性分子间偶极相互作用称为取向作用】
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7:26 - 7:28假设有一个那样的氯原子
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7:28 - 7:30这里还有另外一个氯原子
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7:30 - 7:33另外一个氯原子是这样子的
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7:33 - 7:36如果另外一个氯原子…
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7:36 - 7:38我复制粘贴过来
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7:38 - 7:39就在这里
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7:39 - 7:43然后它们之间就会有引力
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7:43 - 7:46你就会看到
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7:46 - 7:48两个氯原子之间的引力
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7:48 - 7:49哦 不对 是这两个
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7:49 - 7:52氯化氢分子之间的引力
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7:52 - 7:53正极
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7:53 - 7:57偶极中的正极
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7:57 - 7:58接近氢原子
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7:58 - 8:00因为电子稍微远离氢原子
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8:00 - 8:02氢原子会被另一个氯化氢分子的
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8:02 - 8:04氯原子所吸引
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8:04 - 8:06而因为这个的范德华力
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8:06 - 8:08这个取向作用
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8:08 - 8:12比色散力更强一些
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8:12 - 8:13说的更清楚一些
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8:13 - 8:14所有的分子间作用力中
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8:14 - 8:16都有伦敦色散力
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8:16 - 8:18只是和其他的力相比
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8:18 - 8:19它非常弱
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8:19 - 8:21仅仅当我们研究惰性气体的时候
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8:21 - 8:24色散力才比较明显
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8:24 - 8:26即使这里 这也是色散力
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8:26 - 8:28因为这也仅仅是
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8:28 - 8:30由瞬时电子排布的不均匀
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8:30 - 8:31而产生的
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8:31 - 8:34但是这个取向作用强烈多了
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8:34 - 8:36因为这作用力更强
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8:36 - 8:38氯化氢(HCl)...
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8:38 - 8:39就以氦气为例吧
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8:39 - 8:41氯化氢需要比氦气更多的能量
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8:41 - 8:44才会变成液态
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8:44 - 8:47还需要甚至更多的能量 才能转变成气态
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8:47 - 8:50现在 如果电负性增强
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8:50 - 8:51也就是这原子的电负性变大
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8:51 - 8:54当你在研究氮(N) 氧(O) 或者氟(F)
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8:54 - 8:56你就会发现一个特殊的
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8:56 - 8:58取向作用
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8:58 - 9:00那就是氢键
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9:00 - 9:03如果你研究的是氢氟酸(HF或HFl)
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9:03 - 9:07就和上述情况差不多
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9:07 - 9:12这里有一堆氢氟酸
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9:12 - 9:14我可以这样写 氟(Fl)
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9:14 - 9:17然后 在这里写一个氢氟酸
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9:17 - 9:19氟是电负性极强的
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9:19 - 9:23它是元素周期表中
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9:23 - 9:24三个电负性最强的原子之一
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9:24 - 9:29因此它几乎吸走全部电子
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9:30 - 9:34所以这个是偶极间作用
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9:34 - 9:36非常强的情况
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9:36 - 9:38就在这里 所有的电子
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9:38 - 9:40都会被氟原子吸收到它周围
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9:40 - 9:41所以 这里就会
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9:41 - 9:42带部分正电荷
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9:42 - 9:43部分正电荷 部分负电荷……
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9:43 - 9:49【译者注：错误更正】\NHF中F一端带部分负电荷\N而H一端带部分正电荷
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9:49 - 9:50所以就会得到这个
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9:50 - 9:54真正的取向作用
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9:54 - 9:56但是这是一个非常强的取向力
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9:56 - 9:57所以人们把它叫做氢键
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9:57 - 9:59它是由氢原子和一个
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9:59 - 10:01电负性非常强的原子组成的
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10:01 - 10:03其中这个电负性强的原子
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10:03 - 10:04几乎把氢原子的
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10:04 - 10:06电子都吸收在它那一侧
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10:06 - 10:08所以 这里氢仅仅是一个质子而已
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10:08 - 10:09所以它带有很彻底的正电荷
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10:09 - 10:10因此它就被吸引到
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10:10 - 10:12分子中负电荷所在的那一侧
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10:12 - 10:14但是氢原子…
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10:14 - 10:16这些都是范德华力
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10:16 - 10:19范德华力中 最弱的就是色散力
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10:19 - 10:22如果一个分子中
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10:22 - 10:25有个电负性较强的原子
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10:25 - 10:26这时就产生了偶极
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10:27 - 10:30分子的两侧变成偶极
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10:30 - 10:32所以就有了
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10:32 - 10:36这里就有一个取向力
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10:36 - 10:38而更加强烈的键
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10:38 - 10:39就是氢键
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10:39 - 10:42因为具有超强电负性的原子
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10:42 - 10:43实际上是在剥夺
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10:43 - 10:45氢原子的电子
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10:45 - 10:46或者说几乎夺走了它
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10:46 - 10:47但是它仍然是共用的
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10:47 - 10:49不过它完全偏向分子的一侧
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10:49 - 10:52由于这个分子间作用力更加强烈
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10:52 - 10:54分子的沸点就会更高
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10:54 - 10:57因此色散力…
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10:57 - 11:01偶极键 或者取向力
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11:01 - 11:04然后还有氢键
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11:04 - 11:08这些都是范德华力\N【译者注：中文教材中，氢键不属于范德华力】
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11:08 - 11:10但是由于分子间作用力的增强
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11:10 - 11:12但是由于分子间作用力的增强
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11:12 - 11:16沸点就会随之升高
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11:16 - 11:19因为分开这些分子
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11:19 - 11:21需要越来越多的能量
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11:21 - 11:23在下一个视频课程中 我发现好像没有时间了
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11:23 - 11:25所以我觉得 最好还是
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11:26 - 11:27提及一下不同种类的
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11:27 - 11:28分子间作用力
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11:28 - 11:30它们不一定是共价键或者离子键
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11:30 - 11:31在下一个视频课程里
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11:31 - 11:34我会讲一些可以形成
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11:34 - 11:35共价键和离子键的结构
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11:35 - 11:38以及它们怎样影响沸点
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