藏在一杯水裡的謎題
有一個問題平凡到幾乎沒人會問：世界上為什麼會有液態的水？一個水分子小得很——兩個氫原子接在一個氧原子上。如果這些分子彼此完全不理會，它們就會四散飛開，水在任何溫度下都會是氣體，就像房間裡的空氣一樣。可現實裡，數以億計的水分子卻抱成一團，成了你能倒出來的一汪水。一定有某種東西在把它們往彼此身邊拉。
那種東西，就是分子間作用力——一種作用在整個分子之間、而不是分子內部的吸引力。名字本身就說得很直白：*inter* 是「之間」，*molecular* 是「分子」。正是這些力，決定了一種物質在室溫下是氣體、液體還是固體；而它們，就是這一級階梯的全部主題。
分子內部 與 分子之間
把兩種很不一樣的「膠水」分開來看，會很有幫助。在分子內部，原子靠共價鍵結合在一起——原子共用電子，彼此抓得很緊。正是它把兩個氫牢牢拴在水分子的氧上。這種鍵很強；要打斷它，就是一場真正的化學反應，需要很多能量。
分子間作用力是另一回事，溫柔得多。它們跨過分子之間的空隙，從一個分子伸向下一個分子，而且弱得多——常常比共價鍵弱十倍到一百倍。當你把水煮開時，你並沒有打斷任何共價鍵；氫和氧仍然連在一起。你只是把一個個完整的水分子從彼此身邊拉開，戰勝了分子間作用力。這正是為什麼蒸氣依然是由水分子構成的，分子本身沒有變。
歸根結底，都是電荷在起作用
每一種分子間作用力，無論名字多麼花俏，歸根結底都源於同一個根本原因：電荷。分子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成。異性電荷相吸，同性電荷相斥——當兩個分子飄到足夠近時，它們的電荷便能感受到彼此。如果這本帳算下來淨結果是相互吸引，分子就被拉到一起。這一級階梯裡的一切，不過是在仔細盤點正電荷與負電荷各自待在哪裡。
有時電荷的不均衡是永久的：分子的一端略帶負電，另一端略帶正電。我們用偶極矩這個量來衡量這種不均衡，你會在接下來的幾篇裡好好認識它。另一些時候，這種不均衡只是轉瞬即逝的，隨著電子的抖動忽明忽滅。兩種情況都會帶來吸引力，我們會一種一種把它們理清楚。
作用力決定了物質的狀態
把它想成一場拔河。一邊，分子間作用力把分子拉到一起，擠成一團整齊緊湊的人群；另一邊，熱讓分子抖動、亂竄，想把它們打散。哪一邊贏，就決定了物質的狀態。當吸引力佔上風，分子被鎖在原位：固體。當熱佔上風，分子四散飛開：氣體。而液體，是介於兩者之間的停戰狀態——分子仍彼此挨著，卻能相互滑過。
這正是為什麼沸點是個特別有用的線索。分子間作用力強的物質，需要大量的熱才能把分子撕開，所以它沸點高——水在100℃沸騰。作用力弱的物質則輕易就沸騰；空氣裡的那些氣體，要冷卻到零下幾百度才肯凝結。讀一個沸點，你讀到的就是分子之間那層膠水的強度。
一個力的大家族，共用一個姓
分子間作用力不是單獨的一種東西，而是一個小小的家族。其中最常見的三位成員，共用一個「姓」——范德華力，得名於一位荷蘭科學家，是他最早把這些力寫進了氣體定律。此外還有一個格外強的特例，叫做氫鍵，以及一個涉及離子、力道特別大的成員。在接下來的四篇裡，我們會逐一認識它們。