范德瓦爾斯力作用機(jī)制

1、范德瓦爾斯力的動(dòng)力學(xué)機(jī)制范德瓦爾斯力的動(dòng)力學(xué)機(jī)制范德瓦爾斯力是存在于中性分子或原子之間的一種弱的電性吸引力。它是分 子間相互結(jié)合的主要原因，并且其中的色散力是惰性氣體在低溫下能液化甚至固 化的重要原因。下面是我從網(wǎng)上及資料和文獻(xiàn)中查到的一些關(guān)于范德瓦爾斯力的 動(dòng)力學(xué)機(jī)制的資料。范德瓦爾斯力的主要來(lái)源有三種作用機(jī)制：（1）、極性分子具有永久的電偶 極矩，通常這些偶極矩雜亂無(wú)章地排列，因而極性分子是電中性的，但在極性分 子品體中這些偶極矩呈現(xiàn)規(guī)則排列，極性分子之間就會(huì)產(chǎn)生靜電吸引力，稱為葛 生力又稱取向力”它的大小與分子的極性變形性溫度有關(guān)。極性分子的偶極矩 愈大，取向力愈大；溫度愈高，取向力愈小

2、。（2）、無(wú)極分子中正負(fù)電荷系的中 心重合，分子不具有電偶極矩，但當(dāng)極性分子靠近它時(shí)，可使正、負(fù)電荷分開(kāi)， 產(chǎn)生誘導(dǎo)電偶極矩，從而在極性分子和無(wú)極性分子之間產(chǎn)生吸引力，稱誘導(dǎo)力或 德拜力。（3）、一對(duì)非極性分子本身由于電子的概率運(yùn)動(dòng)，可以相互配合產(chǎn)生一 對(duì)方向相反的瞬時(shí)偶極矩，這一對(duì)瞬時(shí)偶極矩相互作用，稱為色散力。這種機(jī) 制是范德華力的主要來(lái)源，1930年由F.W倫敦首先根據(jù)量子力學(xué)原理給出解釋?zhuān)?因此也稱為倫敦力。對(duì)于上述三中機(jī)制共性是：永遠(yuǎn)存在于分子之間，屬于是近程力且力的作用 很小.無(wú)方向性和飽和性.經(jīng)常是色散力為主。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將上述色散作用勢(shì)推導(dǎo)出來(lái)：用帶點(diǎn)粒子的線性諧振子代表瞬時(shí) 偶

3、極矩，r為兩個(gè)諧振子平衡點(diǎn)（正電荷所處的位置）之間的距離，氣與x2為帶 負(fù)電荷的質(zhì)點(diǎn)在震動(dòng)過(guò)程中離開(kāi)平衡點(diǎn)的瞬時(shí)位移。這兩個(gè)振子的能量分別為E =1 mv 2 + 1 kx 2 =1 p 2 + 1 kx 21 2 1 2 1 2m 1 2 1E =1 mv 2 + 1 kx 2 =1 p 2 + 1 kx 22 2 2 2 2 2m 2 2 2其中k為振子的力常數(shù)，七與P2為它們的動(dòng)量。當(dāng)r很大時(shí)，兩振子間無(wú)相1 k互作用力，系統(tǒng)的總能量為E1+E 2，此時(shí)振子的震動(dòng)頻率加廣況M但當(dāng),不很大時(shí)振子間的相互作用能為u121e 24兀g01 1-+r r 一 x + x r 一 x r + x當(dāng)

4、 r x、x 2時(shí)的總能量可以寫(xiě)為上式可以展開(kāi)并只取第一項(xiàng)而略去高次小的項(xiàng)，則系統(tǒng)E = E + 氣 + U2p 2 + p 2Px 2 + x 2 / e 2 x x=1+12m22兀g r 3由于電場(chǎng)E的作用 的瞬時(shí)偶極矩ex = aE， 標(biāo)0使振子產(chǎn)生一位移x，且E = kx，k為恢復(fù)常數(shù)。產(chǎn)生 a為極化系數(shù)。由此可得ka=e2，代入上式并引入新坐匚= (x + x )可得E = p 2 +-! k 6 2 + p 2 + 4 k 6 2 2m 12 1 12m 2 2 2 2可見(jiàn)，引入新坐標(biāo)后，系統(tǒng)的能量可以表示為兩個(gè)獨(dú)立振子的能量之和，系統(tǒng)的力常數(shù)分別為k 1和七，振動(dòng)頻率分別為V1

5、2a =v ,1 o， r 3v 2=土 m=v oii 斗這說(shuō)明原來(lái)頻率為V o的兩個(gè)振子，經(jīng)相互作用后，以不同的頻轍1與 2振動(dòng)著， 一個(gè)較原先的頻率小，另一個(gè)較原先的頻率大。依量子力學(xué)，諧振子的能量為r i y 一E = n + _ hv , n = 1,2,。k 2)為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們只討論兩個(gè)振子均在基態(tài)(n = 0)，E取零點(diǎn)能的情形?？梢钥闯觯?1)兩振子無(wú)相互作用時(shí)，即當(dāng)r T8時(shí)，系統(tǒng)的能量為-1,1,E = hv + 方 hv = hv兩振子有相互作用時(shí)，系統(tǒng)的能量為 -1 ,1 ,E = 2 hv + 2 hv=1 hv2一般可以把2a /r3看成微小的量，展開(kāi)上式，舍去高

6、次項(xiàng)，上式可展開(kāi)成E = hvo2r 6=hv 1 a 2 , hv r6 2可以看出，兩振子相互作用后，能量降低了，降低的數(shù)值為u(r)=-上竺hv，即一維色散作用勢(shì)能。因?yàn)閡與v有關(guān)，故稱為色散力。L r 6 20L對(duì)三維的振子，可以證明它們的色散作用能為u(r) = 4竺hv。l r 6 40在上述證明中取得是兩振子頻率與極化率相同的簡(jiǎn)單模型，若不同則它們的 色散互作用能可以證明為(r)=1 3a a v vr 6 2 V +v12所以到此色散作用勢(shì)能的普遍形式就已經(jīng)給出來(lái)了。在實(shí)際自然界中色散力 為主，而取向力和誘導(dǎo)力作用相對(duì)較小，但范德瓦爾斯力對(duì)物質(zhì)的一些性質(zhì)有很 大影響。一是對(duì)物質(zhì)

7、沸點(diǎn)，熔點(diǎn)的影響。惰性氣體和一些簡(jiǎn)單對(duì)稱分子的沸點(diǎn)、 熔點(diǎn)隨原子量或分子量增大而升高；若無(wú)其它因素影響，極性分子的沸點(diǎn)，熔點(diǎn) 隨分子量增大而升高；同系物的沸點(diǎn)，熔點(diǎn)隨分子量增大而升高；同分異構(gòu)體中， 直鏈化合物比支鏈化合物沸點(diǎn)，熔點(diǎn)高。二是對(duì)物質(zhì)溶解度的影響。物質(zhì)的溶解 與分子間作用力有密切的關(guān)系，在溶解過(guò)程中自由能減少，因此當(dāng)溶質(zhì)和溶劑相 似，即溶質(zhì)內(nèi)部分子間相互作用能與溶劑分子間相互作用能接近，它們混合后的 相互作用能與他們單獨(dú)存在時(shí)的作用能相差不大，故自由能容易小于0，故能互 溶。三是對(duì)物質(zhì)吸附能力的影響。固體對(duì)氣、液的吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附， 物理吸附的作用力是范德瓦爾斯力。極性吸附劑易吸附極性分子，這里取向力、 誘導(dǎo)力和色散力