分子内的原子之间因电子的共享或给予所形成的相互作用即为化学作用,又称为化学键,它决定了物质的化学性质。当物质呈现各种聚集状态时,分子之间还存在一种比化学键弱的吸引力,即分子间力,这种力决定着物质的物理性质,如熔点、沸点、黏度、表面张力等。一般来说化学键的作用范围是0.1~0.2nm,通常又称为短程力,而分子间力的作用范围就大得多,可达数十纳米,且没有方向性,通常又称为长程力。对于生物大分子或聚合物高分子而言,分子内也存在这种有利于化学键力的物理作用——长程力。正是这种分子间和分子内的长程力,形成了许多重要的体系和过程,如蛋白质的二次结构和三次结构,就是由于长程力作用的范围大于化学键的作用范围,从而使得不同分子以合适的能量分布在合适的距离,并成功地执行其生理功能。
早在1873年,范德瓦尔斯在研究气体的热力学性质时,就注意到实验气体的p-V-T关系与理想气体状态方程之间存在偏差,并由此提出了分子间力的概念,故分子间力又称为范德瓦尔斯力。他认为,由于气体分子之间存在相互作用力,气体状态方程中的体积项和压力项均需要加以修正,并由此导出了著名的范德瓦尔斯方程。然而人们对分子间力的实质并不清楚,其认识过程经历了半个世纪。
范德瓦尔斯虽然提出了分子间力的概念,但并未阐明该力产生的原因,也未给出其估算方法,而且关于范德瓦尔斯力,人们一直处于不断的探索之中,至今仍有许多未解之谜,这里介绍几个经典理论。
许多分子是电中性的,不带正规的电荷,分子之间自然就不存在正、负电荷之间所谓的库仑力,但若仔细分析这些化合物的分子结构,不难发现,包括聚合物、蛋白质在内的许多物质,其分子结构通常包括一些键,它们会以永久偶极形式赋予分子极性,这就是所谓的极性分子;另一些物质虽然不存在永久偶极,但其中的键会受附近电场影响而被极化并形成偶极。也就是说,有些分子的偶极来自键合原子间的电负性差别,如羰基化合物;有些分子中存在电子密度的不对称分布,便产生偶极,例如氨基酸、水和乙醇等。有些分子虽然没有永久偶极,也能在外界电场的作用下产生电子云变形而极化,形成诱导偶极参与静电作用。原则上所有的原子和分子都是可极化的,其对称电子云可能被畸变的难易程度用极化率来表示,通常将因极化产生的偶极称为诱导偶极。永久偶极或诱导偶极的存在,使得分子间产生相互作用力。下述的静电力和德拜力就涉及这两种偶极。表1-2列出了一些物质分子的偶极矩数据。表1-3列出了一些分子的极化率数据。(www.daowen.com)
表1-2 一些物质分子的偶极矩 单位:D
表1-3 一些分子的极化率α 单位:10﹣25cm2
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