色散力
編輯色散力(LDF,也稱為色散力、倫敦力、瞬時偶極誘導偶極力、波動誘導偶極鍵或松散地稱為范德華力)是一種作用于通常電對稱的原子和分子之間的分子間力 ; 也就是說,電子相對于原子核對稱分布。
介紹
編輯原子或分子周圍的電子分布隨時間發生波動。 這些波動會產生瞬時電場,附近的其他原子和分子會感受到這些電場,進而調整它們自身電子的空間分布。 凈效應是一個原子中電子位置的波動會引起其他原子中電子的相應重新分布,從而使電子運動變得相關。 雖然詳細的理論需要量子力學的解釋(見色散力的量子力學理論),但這種效應經常被描述為瞬時偶極子的形成(當被真空分開時)相互吸引。 色散力的大小經常用稱為 Hamaker 常數的單個參數來描述,通常用符號 A {\displaystyle A} 表示。 對于距離比光的波長更近的原子,相互作用基本上是瞬時的,并用非延遲的 Hamaker 常數來描述。 對于相距較遠的實體,第二個原子感受到一個原子的波動(延遲)所需的有限時間需要使用延遲的 Hamaker 常數。
雖然單個原子和分子之間的色散力非常弱,并且隨著分離 R {\displaystyle R} 像 1 R 6 {\displaystyle {\frac {1}{R{6}}}} 一樣迅速減小,在凝聚態 物質(液體和固體),效果在材料體積上或有機分子內部和有機分子之間累積,因此色散力在大塊固體和液體中可能非常強,并且隨著距離的增加衰減得更慢。 例如,兩個大塊固體之間每單位面積的總力減少 1 R 3 {\displaystyle {\frac {1}{R{3}}}} 其中 R {\displaystyle R} 是它們之間的距離 . 色散力的影響在非常非極性的系統(例如,缺乏離子鍵)中最為明顯,例如碳氫化合物和高度對稱的分子,如溴(Br2,室溫下為液體)或碘(I2,a 常溫下為固體)。 在碳氫化合物和蠟中,分散力足以引起氣相凝結成液相或固相。 升華熱例如 碳氫化合物晶體反映了色散相互作用。 氧氣和氮氣液化成液相也受吸引色散力的支配。
當原子/分子被第三種介質(而不是真空)隔開時,情況變得更加復雜。 在水溶液中,由于與可極化溶劑分子的競爭,原子或分子之間的色散力的影響通常不太明顯。 也就是說,溶劑(水)和其他分子都能感受到一個原子或分子的瞬時波動。
較大和較重的原子和分子比較小和較輕的原子和分子表現出更強的色散力。 這是由于具有更大、更分散的電子云的分子的極化率增加。 極化率是衡量電子重新分布的難易程度的指標; 大的極化率意味著電子更容易重新分布。 這種趨勢以鹵素為例(從小到大:F2、Cl2、Br2、I2)。 色散引力的增加在有機分子內部和之間發生,順序為 RF、RCl、RBr、RI(從最小到xxx)或與其他更易極化的雜原子。 氟和氯在常溫下是氣體,溴是液體,碘是固體。 倫敦力被認為是由電子的運動產生的。
量子力學理論
編輯弗里茨·倫敦 (Fritz London) 于 1930 年首次解釋了惰性氣體原子之間的吸引力。他使用了基于二階微擾理論的量子力學理論。 擾動是由于兩個部分(原子或分子)的電子和原子核之間的庫侖相互作用。 相互作用能的二階微擾表達式包含狀態總和。 此總和中出現的狀態是單體受激電子狀態的簡單乘積。 因此,不包括電子態的分子間反對稱化,并且僅部分滿足泡利不相容原理。
London 對 1 R {\displaystyle {\frac {1}{R}}} 中的擾動進行了泰勒級數展開,其中 R {\displaystyle R} 是原子核之間的距離。
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