任何一个分子,由于电子的不断运动和原子核的不断振动,常发生电子云和原子核之间的瞬时相对位移,从而产生瞬时偶极。分子靠瞬时偶极而相互吸引,这种力称为色散力。色散力主要与分子的变形性有关,分子的变形性越大,色散力越强。它存在于一切分子之间。
由于分子中电子和原子核不停地运动,分子的电子云的分布呈现有涨有落的状态,从而使它与原子核之间出现瞬时相对位移,产生了瞬时偶极,分子也因而发生变形。分子中
电子数愈多、
原子数愈多、
原子半径愈大,分子愈易变形。瞬时偶极可使其相邻的另一分子产生瞬时诱导偶极,且两个瞬时偶极总采取异极相邻状态,这种随时产生的分子瞬时偶极间的作用力为色散力(因其作用能表达式与
光的色散公式相似而得名)。虽然瞬时偶极存在暂短,但异极相邻状态却此起彼伏,不断重复,因此分子间始终存在着色散力。无疑,色散力不仅存在于非极性分子间,也存在于极性分子间以及极性与非极性分子间。
色散力存在于一切分子之间。色散力与分子的
变形性有关,变形性越强越易被极化,色散力也越强。
稀有气体分子间并不生成化学键,但当它们相互接近时,可以液化并放出能量,就是色散力存在的证明。
量子力学计算表明,色散力与分子变形性有关,变形性越大,色散力越强。由于各种分子均有瞬间偶极,所以色散力存在于极性分子和极性分子、极性分子和非极性分子以及非极性分子和非极性分子之间。而且在一般情况下,色散力是主要的分子间力。只有极性相当强的分子,取向力才显得重要。
色散力、
诱导力和
取向力统称为
范德华力(
分子间作用力)。它是在人们研究实际气体对
理想气体的偏离时提出来的。由于随着分子间距离的增大而迅速减小,所以它是一种近程力,表现为分子间近距离的吸引力,作用范围只有几个
皮米。其作用能的大小从几到几十焦耳每摩尔,比
化学键的
键能小1~2个数量级。与共价键不同,分子间力没有方向性和饱和性。分子间力包括三种作用力,由于相互作用的分子不同,这三种力所占的比例也不同,但色散力通常是最主要的。
分子间力有以下特点:①分子间力的大小与分子间距离的6次方成反比。因此分子稍远离时,分子间力骤然减弱。它们的作用距离大约在300~500pm范围内。分子间既保持一定接触距离又“无”电子云的重叠时,相邻两分子中相互接触的那两个
原子的核间距之半称原子的
范德华半径。氯原子的范德华半径为180pm,比其共价半
径99pm大得多。②分子间力没有方向性和饱和性。③分子间力作用能一般在2~20KJ·mol-1,比化学键能(100~600kJ·mol-1)小约1~2数量级。
卤素分子物理性质很容易用分子间力作定性地说明:F2、Cl2、Br2、I2都是非极性分子。顺序分子量增大,原子半径增大,电子增多,因此色散力增加,分子
变形性增加,分子间力增加。所以卤素分子顺序熔、沸点迅速增高,常温下F2、Cl2是气体,Br2是液体,而I2则是固体。不过,HF、H2O、NH2三种
氢化物的分子量与相应同族氢化物比较明显地小,但它们的熔、沸点则反常地高,其原因在于这些分子间存在
氢键。