第4章 范德瓦尔斯力

物体是物质形成的体系。按照当今人们认识水平所形成的物质结构的原子分子学说，物质是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的。原子之所以能以一定的比例结合成具有确定几何形状的、相对稳定和相对独立的，性质与其组成原子完全不同的分子，靠的是化学键。而分子型物质之所以能存在不同的形态，且能由气态转变为液态，由液态转变为固态，就说明分子间也存在着某种相互作用力。这种分子间存在的吸引力较弱，作用能的大小一般只有每摩尔几千焦至几十千焦，比化学键的键能小1～2个数量级，作用范围在几百个皮米之间，没有方向性和饱和性，所以不算是化学键，但它影响物质的性质，中性分子和惰性气体原子就是靠这种力凝聚成液体或固体的。它对物质的沸点、熔点、汽化热、熔化热、溶解度、表面张力、黏度等物理化学性质有决定性的影响。由于最先发现并阐明这种力的是范德瓦尔斯（van der Waals,1837—1923），因此一般称此力为范德瓦尔斯力（van der Waals force）。既然组成物质（物体）的分子间存在这样的力，那么，两个物体间也应该存在这样的力。对于宏观尺寸的物体来说，由于其间距较大，而范德瓦尔斯力随距离衰减得很快，因此这种力是可以忽略的。但对于微米尺度的物体来说，由于其间距较小，大量分子累积产生的物体间的范德瓦尔斯力是值得考虑的。这种物体间的作用力也都是以分子间的作用力为基础的。因此，探讨分子间的范德瓦尔斯力是必要的。

范德瓦尔斯力是存在于分子间的一种弱的电性吸引力，也叫分子间力。在物质的聚集态中，一般来说，某物质的范德瓦尔斯力越大，则它的熔点、沸点就越高。对于组成和结构相似的物质，范德瓦尔斯力一般随着相对分子质量的增大而增强。范德瓦尔斯力由三部分作用力组成，即色散力、诱导力和取向力。色散力是分子的瞬时偶极间的作用力，它的大小与分子的变形性等因素有关。一般分子量越大，分子内所含的电子数越多，分子的变形性越大，色散力也越大。诱导力是分子的固有偶极与诱导偶极间的作用力，它的大小与分子的极性和变形性等有关。取向力是分子的固有偶极间的作用力，它的大小与分子的极性和温度有关。极性分子的偶极矩越大，取向力越大；温度越高，取向力越小。在极性分子间有色散力、诱导力和取向力；在极性分子与非极性分子间有色散力和诱导力；在非极性分子间只有色散力。实验证明，对大多数分子来说，色散力是主要的；只有偶极矩很大的分子（如水分子），取向力才是主要的；而诱导力通常是很小的。色散力对总的范德瓦尔斯力贡献最大。这种力也称为London-范德瓦尔斯力，或者London-色散力，这是因为虽然1873年由范德瓦尔斯提出理论基础，但是1930年才由London实际解释。鉴于存在于分子间的范德瓦尔斯力是一种弱的电性吸引力，而这种电性吸引力又都是指分子偶极矩间的吸引力，因此，有必要从偶极矩的特性、偶极矩产生的电场、偶极矩与离子之间的相互作用、偶极矩与偶极矩之间的相互作用等方面，来介绍这三种力的形成及特征。