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分子间作用力是分子之间的相互吸引或排斥力,它们决定了物质的物理性质,如熔点、沸点、溶解性和表面张力等。主要的分子间作用力包括色散力、偶极偶极作用和氢键。色散力是最弱的,但普遍存在于所有分子之间;偶极偶极作用强度中等,存在于极性分子之间;氢键是一种特殊的、较强的分子间作用力,主要发生在含有氧-氢、氮-氢、氟-氢键的分子之间。
色散力是最弱的分子间作用力,但普遍存在于所有分子之间,包括非极性分子和极性分子。它的产生原因是分子中的电子不断运动,在某一瞬间,电子可能暂时性地聚集在分子的一侧,使得分子产生一个瞬时的、暂时的偶极。这个瞬时偶极会诱导相邻分子也产生一个瞬时偶极,从而产生微弱的引力。色散力的强度随着分子中电子数量(即分子大小或摩尔质量)的增加而增强。
偶极偶极作用存在于极性分子之间,强度通常比色散力强,但比氢键弱。它的产生原因是极性分子由于分子内电荷分布不均匀,具有永久的偶极,即分子的一端长期带部分正电荷,另一端长期带部分负电荷。一个分子的正电荷端会吸引相邻分子的负电荷端,形成引力。常见的例子包括氯化氢、丙酮和二氯甲烷等极性分子。在液态氯化氢中,分子会通过偶极偶极作用相互吸引并形成有序排列。
氢键是一种特殊的、较强的偶极偶极作用,对物质的物理性质有显著影响。它的产生条件是当氢原子与电负性很强的原子(如氧、氮、氟)共价结合时,由于电负性差异大,共用电子对偏向电负性强的原子,使得氢原子带有较大的部分正电荷,而电负性强的原子带有较大的部分负电荷。这个带有部分正电荷的氢原子会与另一个分子中电负性很强的原子上的孤对电子之间产生较强的引力,这就是氢键。常见的例子包括水、氨、氢氟酸,以及在生物大分子如DNA和蛋白质中的氢键对其结构稳定性至关重要。
让我们总结一下三种主要的分子间作用力。色散力是最弱的,但普遍存在于所有分子之间,其强度约为5千焦每摩尔,随分子大小和电子数增加而增强。偶极偶极作用强度中等,约为5到25千焦每摩尔,存在于极性分子之间,其强度取决于分子偶极矩的大小。氢键是最强的,约为20到40千焦每摩尔,发生在含有氧-氢、氮-氢、氟-氢键的分子之间,其强度受电负性差异影响。这些分子间作用力共同决定了物质的物理性质,如熔点、沸点、溶解性等。特别是在生物体系中,氢键对维持DNA双螺旋和蛋白质结构的稳定性至关重要。