基礎:碳、化學鍵與軌道

分子間作用力

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水在 100 度沸騰,丁烷在室溫下卻是氣體,儘管兩者都是小分子。差別不在每個分子內部的鍵,而在不同分子之間的吸引——正是這些力決定了一種物質是氣、是液還是固,沸點有多高,又能溶於什麼。這些分子之間的吸引就是分子間作用力,雖然每一種都遠比真正的化學鍵弱,但合起來幾乎支配了你看得見、摸得著的全部物理性質。

主要有三類,強度由弱到強。倫敦色散力最弱也最普遍:即便非極性分子,其電子雲也會閃爍不定,產生轉瞬即逝的瞬時偶極去吸引鄰居,而分子越大、可相貼的表面越多,這種力就越強——這正是更大的烷烴更油、沸點更高的原因。偶極-偶極力作用於帶永久極性的分子之間,讓正端對著負端排列起來。氫鍵是這三者中最強的,一種特別強的偶極吸引,只在一個連著 N、O 或 F 的氫被另一個 N、O 或 F 上的孤對電子吸引時才發生——正是它把水維繫在一起、把 DNA 的兩條鏈配成對、把蛋白質折疊成形。

分子間作用力之所以重要,是因為決定有機化合物物理行為的,是它們而非共價鍵:沸點和熔點、黏度、表面張力,尤其是溶解度——一句「相似相溶」便可概括(極性溶極性,非極性溶非極性)。有一點值得釘牢:氫鍵是一種分子間吸引,而不是真正的共價鍵,它要弱上約十到一百倍——強到足以組織起液體和生物大分子,又弱到能不斷斷裂、重組。把液體煮沸克服的是這些力,並不會打斷分子內部的鍵。

乙醇(CH3-CH2-OH)沸點為 78 度,而與它分子量相當的二甲醚(CH3-O-CH3)沸點為 -24 度:乙醇的 O-H 讓它能形成氫鍵,而缺少 O-H 的醚只能靠較弱的偶極-偶極力和色散力。

分子量相同,沸點卻天差地別——區別全在氫鍵。

氫鍵是分子間的吸引,而非共價鍵,約弱 10 到 100 倍。把液體煮沸克服的是分子間作用力,並不會打斷分子內部的鍵。

又稱
IMFsvan der Waals forces范德华力范德華力