• 分子間力

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    分子間力

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    分子間力(IMF)(或次級力)是介導分子之間相互作用的力,包括作用于原子和其他類型的相鄰粒子(例如原子或離子)之間的電磁吸引力或排斥力。相對于分子內力(將分子結合在一起的力)而言,分子間力較弱。例如,涉及在原子之間共享電子對共價鍵比相鄰分子之間存在的力強得多。這兩組力都是分子力學中經常使用的力場的重要組成部分。對分子間力的研究從宏觀觀察開始,宏觀觀察表明力在分子水平上的存在和作用。這些觀察結果包括由維里系數、蒸氣壓、粘度、表面張力和吸收數據反映的非理想氣體熱力學行為。1743年在巴黎出版的AlexisClairaut的著作ThéoriedelafiguredelaTerrexxx次提到了微觀力的性質。其他對微觀力研究做出貢獻的科學家包括:拉普拉斯、高斯、麥克斯韋和玻爾茲曼。分子間吸引力分為以下幾種類型:

    • 氫鍵
    • 離子偶極力和離子誘導偶極力
    • 范德華力——基森力、德拜力和倫敦分散力

    有關分子間力的信息是通過對粘度、壓力、體積、溫度(PVT)數據等特性的宏觀測量獲得的。維里系數和Lennard-Jones勢給出了與微觀方面的聯系。

    氫鍵

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    鍵是偶極-偶極鍵的一種極端形式,指的是與具有高電負性的元素(通常是氮、氧或氟)鍵合的氫原子之間的吸引力。氫鍵通常被描述為強靜電偶極-偶極相互作用。然而,它也具有共價鍵的一些特征:它是定向的,比范德華力相互作用更強,產生的原子間距離比它們的范德華半徑之和短,并且通常涉及數量有限的相互作用伙伴,這可以可以理解為一種價。分子之間形成的氫鍵的數量等于活性對的數量。提供其氫的分子稱為供體分子,而含有參與H鍵的孤對的分子稱為受體分子。活性對的數量等于供體所具有的氫的數量和受體所具有的孤對數量之間的公數。雖然兩者都沒有在圖中描繪,但水分子有兩個活性對,因為氧原子可以與兩個氫相互作用形成兩個氫鍵。與其他幾乎沒有氫鍵能力的16族氫化物相比,分子間氫鍵是水的高沸點(100°C)的原因。分子內氫鍵部分負責蛋白質和核酸的二級、三級和四級結構。它還在合成和天然聚合物的結構中發揮重要作用。

    離子鍵合

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    陽離子和陰離子位點之間的吸引力是非共價或分子間相互作用,通常稱為離子配對或鹽橋。這主要是由于靜電力,盡管在水性介質中,這種結合是由熵驅動的,通常甚至是吸熱的。大多數鹽形成的晶體具有離子之間的特征距離;與許多其他非共價相互作用相比,鹽橋沒有方向性,并且在固態下通常接觸僅由離子的范德華半徑決定。在中等離子強度下,無機和有機離子在水中顯示出與鹽橋相似的締合ΔG值,對于陰離子和陽離子的1:1組合,ΔG值約為5至6kJ/mol,幾乎與性質(尺寸、極化率等)無關.)的離子。ΔG值是相加的并且近似為電荷的線性函數,例如雙電荷磷酸根陰離子與單電荷銨陽離子的相互作用占約2x5=10kJ/mol。ΔG值取決于溶液的離子強度I,如Debye-Hückel方程所述,在零離子強度下觀察到ΔG=8kJ/mol。

    偶極-偶極和類似的相互作用

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    偶極-偶極相互作用(或Keesom相互作用)是具有xxx偶極子的分子之間的靜電相互作用。這種相互作用比倫敦力強,但比離子-離子相互作用弱,因為只涉及部分電荷。這些相互作用傾向于排列分子以增加吸引力(降低勢能)。在氯化氫(HCl)中可以看到偶極-偶極相互作用的一個例子:極性分子的正端會吸引另一個分子的負端并影響其位置。極性分子之間具有凈吸引力。極性分子的例子包括氯化氫(HCl)和氯仿(CHCl3)。

    倫敦色散力(波動偶極誘導偶極相互作用)

    第三個也是主要的貢獻是色散或倫敦力(波動偶極誘導偶極),這是由于所有原子和分子的非零瞬時偶極矩而產生的。這種極化可以由極性分子或由非極性分子中帶負電的電子云的排斥引起。因此,倫敦相互作用是由電子云中電子密度的隨機波動引起的。具有大量電子的原子將比具有較少電子的原子具有更大的相關倫敦力。色散(倫敦)力是最重要的組成部分,因為所有材料都是可極化的,而Keesom和德拜力需要xxx偶極子。倫敦相互作用是普遍的,并且也存在于原子-原子相互作用中。由于種種原因,倫敦相互作用(色散)被認為與凝聚系統中宏觀物體之間的相互作用有關。Hamaker在1937年發展了宏觀物體之間的范德華理論,并表明這些相互作用的可加性使它們的射程xxx增加。

    力量的相對強度

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    這種比較是近似的。實際的相對強度將根據所涉及的分子而有所不同。例如,水的存在會產生競爭性相互作用,從而xxx削弱離子鍵和氫鍵的強度。在任何給定物質中,離子鍵和共價鍵總是比分子間力強。

    對氣體行為的影響

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    分子間的力在短距離是排斥的,在遠距離是有吸引力的(參見Lennard-Jones勢)。在氣體中,排斥力主要具有防止兩個分子占據相同體積的作用。這使得在相同溫度和壓力下,實際氣體傾向于占據比理想氣體更大的體積。吸引力將分子拉得更近,并使實際氣體傾向于占據比理想氣體更小的體積。哪種相互作用更重要取決于溫度和壓力(參見壓縮系數)。在氣體中,分子間的距離一般都很大,所以分子間作用力的作用很小。吸引力不是由排斥力克服,而是由分子的熱能克服。溫度是熱能的量度,因此升高溫度會降低吸引力的影響。相反,排斥力的影響基本上不受溫度的影響。

    分子間力

    當氣體被壓縮以增加其密度時,吸引力的影響會增加。如果氣體足夠稠密,吸引力可以變得足夠大,以克服熱運動導致分子分散的趨勢。然后氣體可以冷凝形成固體液體,即凝相。較低的溫度有利于凝聚相的形成。在凝聚相中,吸引力和排斥力之間幾乎達到平衡

    量子力學理論

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    如上所述,在原子和分子之間觀察到的分子間力可以在現象學上描述為發生在xxx偶極子和瞬時偶極子之間。或者,人們可能會尋求一種基本的統一理論,該理論能夠解釋各種類型的相互作用,例如氫鍵、范德華力和偶極-偶極相互作用。通常,這是通過將量子力學的思想應用于分子來完成的,而瑞利-薛定諤微擾理論在這方面特別有效。當應用于現有的量子化學方法時,這種對分子間相互作用的量子力學解釋提供了一系列可用于分析分子間相互作用的近似方法。可視化這種分子間相互作用的最有用的方法之一,我們可以在量子化學中找到的,是非共價相互作用指數,它基于系統的電子密度。倫敦分散力量在這方面發揮了重要作用。關于電子密度拓撲,最近出現了基于電子密度梯度方法的最新方法,特別是隨著IBSI(本征鍵強度指數)的發展,依賴于IGM(獨立梯度模型)方法。

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    詞條目錄
    1. 分子間力
    2. 氫鍵
    3. 離子鍵合
    4. 偶極-偶極和類似的相互作用
    5. 倫敦色散力(波動偶極誘導偶極相互作用)
    6. 力量的相對強度
    7. 對氣體行為的影響
    8. 量子力學理論

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