Van Der Waals Forces
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0:01 - 0:03到目前爲止 我們的化學旅程
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0:03 - 0:06已經涉及到了分子之間的相互作用
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0:06 - 0:10例如金屬分子
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0:10 - 0:11它們是如何
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0:11 - 0:13通過電子海相互吸引 還有水分子之間
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0:13 - 0:16但是我想 最好全面討論一下
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0:16 - 0:19所有不同種類的分子間相互作用
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0:19 - 0:21以及物質沸點、
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0:21 - 0:23熔點的意義
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0:23 - 0:24從最弱的分子間作用力講起吧
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0:25 - 0:26假設 這裡有一堆氦分子(He)
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0:26 - 0:30氦氣 我畫成氦原子
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0:30 - 0:32我們查找元素周期表
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0:32 - 0:34我接下來處理氦的方法
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0:34 - 0:35同樣可以用於其他惰性氣體
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0:35 - 0:38因爲惰性氣體很完美
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0:38 - 0:40它們的最外層軌域是飽和的
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0:40 - 0:42再比如 氖氣(Ne)或氦氣(He) ――先說氖吧 事實上
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0:42 - 0:45因爲氖的最外層 是8電子的飽和狀態
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0:45 - 0:46因此我們可以這樣寫氖(Ne)
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0:46 - 0:49十分穩定
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0:49 - 0:52它完全自給自足
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0:52 - 0:57因此 在一個完全自給自足的世界裏
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0:57 - 1:00目前沒有明顯的理由使分子間相互作用
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1:00 - 1:02我馬上就要說到一個原因
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1:02 - 1:03――如果這些電子均勻地分布
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1:04 - 1:05在原子的周圍
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1:05 - 1:06那麽這些就是完全中性的原子
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1:07 - 1:08它們相互之間不需要
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1:08 - 1:09任何形式的結合
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1:09 - 1:11所以它們本應該四處飄動
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1:11 - 1:12而且它們沒有理由
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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 事實是
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1:16 - 1:18如果足夠冷
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1:18 - 1:20氖氣的確是液體
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1:20 - 1:22那麽氖氣有液態這個事實
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1:22 - 1:25說明分子之間一定存在某種作用力
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1:25 - 1:30使氖原子之間相互吸引
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1:30 - 1:31一定有某種力
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1:31 - 1:33由於溫度極低
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1:33 - 1:34在很大程度上
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1:34 - 1:35它們之間的力不是很大
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1:36 - 1:37因此在普通溫度下氖爲氣體
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1:37 - 1:39但如果溫度降到極低
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1:39 - 1:41你可以看到一個非常弱的力
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1:41 - 1:42開始連結氖原子
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1:42 - 1:44或者說使得氖原子想要
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1:44 - 1:46相互接近
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1:46 - 1:49從我們剛剛說的現象中
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1:49 - 1:50提到的力
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1:50 - 1:53說明電子不是在固定的
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1:53 - 1:55單一的軌道上運動的
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1:55 - 1:56它們是機率性的
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1:56 - 1:59我們可以想象一下 比如說氖氣
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1:59 - 2:00這次就不畫
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2:00 - 2:04漂亮整齊的價電子點點
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2:04 - 2:07而可以這樣畫電子
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2:07 - 2:09它是一個機率雲
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2:09 - 2:12這就是氖原子的結構
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2:12 - 2:191s2 然後外層電子排布是 2s2 2p6 對嘛？
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2:19 - 2:20所以這是能量最高的電子
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2:20 - 2:22所以 看起來… 我也不很清楚
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2:22 - 2:24它有個2s層
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2:24 - 2:261s層在2s的裏面
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2:26 - 2:28它還有p軌道
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2:28 - 2:32p軌道從不同的角度看像這樣
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2:32 - 2:33這不是多重點
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2:33 - 2:35這裡還有另一個氖原子
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2:35 - 2:36這些是――
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2:36 - 2:39我只畫出了機率的分布
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2:39 - 2:40看好了我可不是在畫兔子哦
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2:40 - 2:42但是我覺得你應該已經懂了
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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請看電子構型的影片
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2:48 - 2:50電子機率分布的意思
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2:50 - 2:53就是這些電子可以在任何地方出現
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2:53 - 2:55可能有某個瞬間
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2:55 - 2:56所有的電子都在這裡
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2:56 - 2:57也可能某個瞬間
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2:57 - 2:58所有的電子都在這裡
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2:58 - 2:59氖原子也一樣
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2:59 - 3:01如果你仔細想想
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3:01 - 3:02在所有可能的構型中
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3:02 - 3:04比如這兩個氖原子
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3:04 - 3:07電子在他們之間
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3:07 - 3:09均勻分布的幾率是十分小的
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3:09 - 3:13更多的情況是
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3:13 - 3:14每個氖原子周圍的電子分布
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3:14 - 3:16會稍微有所不同
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3:17 - 3:18因此 如果這個氖原子
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3:18 - 3:21最外層的8個價電子
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3:21 - 3:23可能剛好是…
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3:24 - 3:281 2 3… 7 8
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3:28 - 3:30這個氖原子是怎樣的呢？
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3:30 - 3:33它這時在這個方向有微弱的電荷 是不是
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3:33 - 3:37看起來這一側比這一側有更多負電
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3:37 - 3:39或者說 這一側比那一側有更多正電
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3:39 - 3:44類似的 如果與此同時
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3:44 - 3:45另一個氖原子
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3:45 - 3:49有1 2 3… 8
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3:49 - 3:52相似地 事實上 我來畫一個不一樣的
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3:52 - 3:56比如說這個氖原子是這樣的
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3:56 - 4:011 2 3… 7 8
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4:01 - 4:04這裡 我們用一個深色來表示
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4:04 - 4:06因爲這是一個非常弱的作用力
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4:06 - 4:07所以 這邊會有微弱的負電
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4:07 - 4:09瞬時的 僅僅在那一刻存在
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4:09 - 4:11這裡稍微帶有負電
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4:11 - 4:12那裏稍帶正電
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4:12 - 4:14這邊是負的
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4:14 - 4:16這邊是正的
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4:16 - 4:18所以 這有一點點的相互吸引力
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4:18 - 4:21在那短短一瞬間
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4:21 - 4:22吸引著這個氖原子和這個氖原子
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4:22 - 4:23然後它會消失
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4:23 - 4:25因爲電子會重新排布
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4:25 - 4:27但重要的是要知道
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4:27 - 4:31幾乎沒有氖原子的電子
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4:31 - 4:32是完全均勻分散的
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4:32 - 4:34那麽因爲一定有
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4:34 - 4:35這種偶然的分布情況
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4:35 - 4:37那麽就一定有
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4:37 - 4:39一點點的…
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4:39 - 4:41我不想說這是極性
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4:41 - 4:42因爲這個詞感覺太強了
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4:42 - 4:44但是 它們一定會有
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4:44 - 4:46一點點額外的電荷
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4:46 - 4:47有時在原子這邊 有時在另一邊
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4:47 - 4:49這樣 它就可以和另一個
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4:49 - 4:50同樣電子分布不均勻的原子的
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4:50 - 4:53相反電極相吸引
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4:53 - 4:56這是一個非常 非常非常弱的力
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4:56 - 4:58這種力叫做 倫敦分散力
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4:58 - 5:01我想應該是這家夥提出的
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5:01 - 5:03Fritz London 他既不是…
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5:03 - 5:05不對 他不是英國人
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5:05 - 5:07我覺得他應該是德裔美國人。
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5:07 - 5:10倫敦分散力
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5:10 - 5:19是範德華力當中最弱的
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5:19 - 5:21我想我的讀音好像不太對
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5:21 - 5:23範德華力
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5:23 - 5:25分子間作用力的一種
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5:25 - 5:28那麽 對於氖――氖分子 就是一個原子
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5:28 - 5:29氖分子是一個單原子分子
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5:29 - 5:30我想你可能會這樣說
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5:30 - 5:32而範德華力
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5:32 - 5:34是泛指一大類分子間作用力
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5:34 - 5:36而非共價鍵
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5:36 - 5:38也不類似鹽中的電價鍵
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5:38 - 5:40我們稍後會講到這些鍵
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5:40 - 5:41其中最弱的
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5:41 - 5:42就是倫敦分散力
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5:42 - 5:44所以氖氣 還有這些稀有氣體
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5:44 - 5:47實際上 這裡所有的稀有氣體
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5:47 - 5:48它們之間唯一的作用力
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5:48 - 5:50就是倫敦分散力
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5:50 - 5:52也就是所有分子間作用力中
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5:52 - 5:54最弱的一種
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5:54 - 5:55正因爲這個
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5:55 - 5:57只要非常小的能量
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5:57 - 5:59就可以將他們變成氣態
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5:59 - 6:01因此 在非常非常低的溫度下
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6:01 - 6:07稀有氣體就可以變成氣態
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6:07 - 6:10這就是他們被稱作 惰性氣體的首要原因
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6:10 - 6:14它們的性質非常類似於理想氣體
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6:14 - 6:15因爲它們之間的引力極小
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6:15 - 6:17因爲它們之間的引力極小
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6:17 - 6:19好啦
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6:19 - 6:21現在 如果分子間的
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6:21 - 6:24引力更大一些
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6:24 - 6:25或者稍帶極性會怎麽樣？
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6:25 - 6:27例如氯化氫(HCl) 對嘛？
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6:27 - 6:30氫原子(H) 它有時候吸電子
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6:30 - 6:32有時候失電子
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6:32 - 6:34但是氯原子想要吸電子
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6:34 - 6:37氯原子的電負度非常強
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6:37 - 6:40它只比這些原子的電負度弱
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6:40 - 6:43這些元素都是超級電子狂
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6:43 - 6:45氮(N) 氧(O) 和氟(F)
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6:45 - 6:48但是氯的電負度已經很強了
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6:48 - 6:50如果氯化氫(HCl)…
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6:50 - 6:53所以 這邊是氯原子
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6:53 - 6:56它最外層有7個電子
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6:56 - 6:59然後它和氫原子共享一個電子
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6:59 - 7:02它和氫原子共享一個電子
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7:02 - 7:03我這樣畫
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7:03 - 7:05因爲氯比氫
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7:05 - 7:06電負度強很多
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7:06 - 7:09因此電子出現在這裡的機率比較大
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7:09 - 7:11所以 我們會得到
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7:11 - 7:13一個這邊帶局部負電荷的分子
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7:13 - 7:15就在吸電子狂的這一邊
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7:15 - 7:16另一邊帶有局部正電荷
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7:16 - 7:18這個實際上
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7:18 - 7:20非常類似於氫鍵
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7:20 - 7:23其實氫鍵就是這一類的鍵
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7:23 - 7:24也可以被叫做偶極鍵
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7:24 - 7:26或者說是取向作用\N【譯者注：極性分子間偶極相互作用稱爲取向作用】
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7:26 - 7:28假設有一個那樣的氯原子
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7:28 - 7:30這裡還有另外一個氯原子
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7:30 - 7:33另外一個氯原子是這樣子的
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7:33 - 7:36如果另外一個氯原子…
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7:36 - 7:38我複製粘貼過來
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7:38 - 7:39就在這裡
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7:39 - 7:43然後它們之間就會有引力
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7:43 - 7:46你就會看到
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7:46 - 7:48兩個氯原子之間的引力
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7:48 - 7:49哦 不對 是這兩個
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7:49 - 7:52氯化氫分子之間的引力
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7:52 - 7:53正極
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7:53 - 7:57偶極中的正極
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7:57 - 7:58接近氫原子
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7:58 - 8:00因爲電子稍微遠離氫原子
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8:00 - 8:02氫原子會被另一個氯化氫分子的
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8:02 - 8:04氯原子所吸引
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8:04 - 8:06而因爲這個的範德華力
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8:06 - 8:08這個取向作用
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8:08 - 8:12比分散力更強一些
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8:12 - 8:13說的更清楚一些
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8:13 - 8:14所有的分子間作用力中
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8:14 - 8:16都有倫敦分散力
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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僅僅當我們研究惰性氣體的時候
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8:21 - 8:24分散力才比較明顯
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8:24 - 8:26即使這裡 這也是分散力
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8:26 - 8:28因爲這也僅僅是
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8:28 - 8:30由瞬時電子排布的不均勻
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8:30 - 8:31而産生的
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8:31 - 8:34但是這個取向作用強烈多了
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8:34 - 8:36因爲這作用力更強
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8:36 - 8:38氯化氫(HCl)...
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8:38 - 8:39就以氦氣爲例吧
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8:39 - 8:41氯化氫需要比氦氣更多的能量
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8:41 - 8:44才會變成液態
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8:44 - 8:47還需要甚至更多的能量 才能轉變成氣態
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8:47 - 8:50現在 如果電負度增強
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8:50 - 8:51也就是這原子的電負度變大
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8:51 - 8:54當你在研究氮(N) 氧(O) 或者氟(F)
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8:54 - 8:56你就會發現一個特殊的
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8:56 - 8:58取向作用
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8:58 - 9:00那就是氫鍵
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9:00 - 9:03如果你研究的是氫氟酸(HF或HFl)
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9:03 - 9:07就和上述情況差不多
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9:07 - 9:12這裡有一堆氫氟酸
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9:12 - 9:14我可以這樣寫 氟(Fl)
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9:14 - 9:17然後 在這裡寫一個氫氟酸
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9:17 - 9:19氟是電負度極強的
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9:19 - 9:23它是元素周期表中
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9:23 - 9:24三個電負度最強的原子之一
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9:24 - 9:29因此它幾乎吸走全部電子
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9:30 - 9:34所以這個是偶極間作用
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9:34 - 9:36非常強的情況
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9:36 - 9:38就在這裡 所有的電子
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9:38 - 9:40都會被氟原子吸收到它周圍
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9:40 - 9:41所以 這裡就會
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9:41 - 9:42帶部分正電荷
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9:42 - 9:43部分正電荷 部分負電荷……
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9:43 - 9:49【譯者注：錯誤更正】\NHF中F一端帶部分負電荷\N而H一端帶部分正電荷
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9:49 - 9:50所以就會得到這個
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9:50 - 9:54真正的取向作用
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9:54 - 9:56但是這是一個非常強的偶極-偶極力
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9:56 - 9:57所以人們把它叫做氫鍵
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9:57 - 9:59它是由氫原子和一個
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9:59 - 10:01電負度非常強的原子組成的
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10:01 - 10:03其中這個電負度強的原子
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10:03 - 10:04幾乎把氫原子的
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10:04 - 10:06電子都吸收在它那一側
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10:06 - 10:08所以 這裡氫僅僅是一個質子而已
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10:08 - 10:09所以它帶有很徹底的正電荷
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10:09 - 10:10因此它就被吸引到
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10:10 - 10:12分子中負電荷所在的那一側
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10:12 - 10:14但是氫原子…
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10:14 - 10:16這些都是範德華力
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10:16 - 10:19範德華力中 最弱的就是分散力
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10:19 - 10:22如果一個分子中
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10:22 - 10:25有個電負度較強的原子
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10:25 - 10:26這時就産生了偶極
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10:27 - 10:30分子的兩側變成偶極
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10:30 - 10:32所以就有了
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10:32 - 10:36這裡就有一個偶極-偶極力
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10:36 - 10:38而更加強烈的鍵
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10:38 - 10:39就是氫鍵
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10:39 - 10:42因爲具有超強電負度的原子
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10:42 - 10:43實際上是在剝奪
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10:43 - 10:45氫原子的電子
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10:45 - 10:46或者說幾乎奪走了它
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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不過它完全偏向分子的一側
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10:49 - 10:52由於這個分子間作用力更加強烈
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10:52 - 10:54分子的沸點就會更高
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10:54 - 10:57因此分散力…
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10:57 - 11:01偶極鍵 或者偶極-偶極力
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11:01 - 11:04然後還有氫鍵
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11:04 - 11:08這些都是範德華力\N【譯者注：中文教材中，氫鍵不屬於範德華力】
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11:08 - 11:10但是由於分子間作用力的增強
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11:10 - 11:12但是由於分子間作用力的增強
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11:12 - 11:16沸點就會隨之升高
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11:16 - 11:19因爲分開這些分子
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11:19 - 11:21需要越來越多的能量
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11:21 - 11:23在下一個影片課程中 我發現好像沒有時間了
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11:23 - 11:25所以我覺得 最好還是
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11:26 - 11:27提及一下不同種類的
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11:27 - 11:28分子間作用力
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11:28 - 11:30它們不一定是共價鍵或者電價鍵
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11:30 - 11:31在下一個影片課程裏
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11:31 - 11:34我會講一些可以形成
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11:34 - 11:35共價鍵和電價鍵的結構
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11:35 - 11:38以及它們怎樣影響沸點
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David Chiu added a translation |