理论教育 非极性分子间的黏附模型:界面现象中的新成果

非极性分子间的黏附模型:界面现象中的新成果

时间:2023-10-31 理论教育 版权反馈
【摘要】:非极性分子之间,由于组成分子的正、负微粒不断运动,产生瞬间正、负电荷重心不重合,而出现瞬时偶极。这可以从非极性分子在一定条件下的液化来证实。因此,谐振子之间可以存在相互吸引的作用。因此,称这种第三类的分子间作用力为色散力,也常称London力。以上分别讨论了分子间的三种分子作用力。极性分子与非极性分子间存在诱导力和色散力,而两个非极性分子间只有色散力。

非极性分子间的黏附模型:界面现象中的新成果

非极性分子之间,由于组成分子的正、负微粒不断运动,产生瞬间正、负电荷重心不重合,而出现瞬时偶极。非极性分子相互靠拢时,它们的瞬时偶极矩之间会产生很弱的吸引力,这种瞬时偶极之间的相互作用力,叫作色散力。相对分子质量越大,色散力越大。

由于分子中电子原子核在不停地运动,非极性分子的电子云的分布呈现有涨有落的状态,从而使它与原子核之间出现瞬时相对位移,产生了瞬时偶极,分子也因而发生变形。分子中电子数愈多,原子数愈多,原子半径愈大,分子愈易变形。瞬时偶极可使其相邻的另一非极性分子产生瞬时诱导偶极,且两个瞬时偶极总采取异极相邻状态,这种随时产生的分子瞬时偶极间的作用力为色散力(因其作用能表达式与光的色散公式相似而得名)。虽然瞬时偶极存在短暂,但异极相邻状态却此起彼伏,不断重复,因此分子间始终存在着色散力。无疑,色散力不仅存在于非极性分子间,也存在于极性分子间以及极性与非极性分子间。

色散力存在于一切分子之间。色散力与分子的变形性有关,变形性越强越易被极化,色散力也越强。这可以从非极性分子(如惰性气体和Cl2,N2,O2,CO2等对称的非极性分子气体)在一定条件下的液化来证实。聚合度低的聚乙烯热熔胶能黏附于聚丙烯表面上也是其证据之一。London采用量子力学近似计算法证明了它的存在。

按照London的假设,即将两个相互作用分子中的电子视为围绕其平衡位置做谐振动的粒子,而分子就成为量子力学中的谐振子系统。从概率平均而言,单独分子的偶极矩为零,但谐振子中的电子在振动,它可以产生瞬时偶极矩,则谐振子之间相互诱导,从而引起相邻谐振子的电子振动,且保持一定的位相关系。因此,谐振子之间可以存在相互吸引的作用。这种由于瞬时偶极相互共振极化而产生的分子相互作用的势能计算公式与光的色散作用表示式,都以量子力学中谐振子系统的谐振作为理论基础。因此,称这种第三类的分子间作用力为色散力,也常称London力。

由量子力学理论推导所得的两个极化率不同的非极性分子相互作用势能为

式中,I1,I2分别为相互作用的两个分子的电离能;α1,α2分别为它们的极化率。

若相互作用的是同种分子,则(www.daowen.com)

由此可知,分子色散力相互作用的势能是随分子的电离能和极化率的增大而增加,同时也随分子间距离的增大而急剧地减少。

列举聚乙烯为例,—CH2—的相对分子质量为14,密度为0.96g/cm3,则其摩尔体积=14.6cm3,光折射率n=1.51,R=4×10﹣8cm,电离能I=12.9eV。按照式(7-45)计算,极化率α=1.73×10﹣24cm3,于是得到两个分子的—CH2—基团间之色散力作用势能Ud=﹣1.12×10﹣21J,即0.67kJ/mol。由此可知,两个—CH2—间的作用能并不大。但一个聚乙烯分子中有许多个CH2—CH2链节,对于—[CH2—CH2]n—长链分子与周围—CH2—基团的作用能就具有相当可观的数值。所以,聚乙烯的抗张强度并不很低,现在常用它作为—种热熔胶的主要原料。

以上分别讨论了分子间的三种分子作用力。两个极性分子间同时存在色散力,取向力和诱导力这三种作用力,只有在较大偶极矩的情况下(如H2O),取向力才能成为主要的贡献。极性分子与非极性分子间存在诱导力和色散力,而两个非极性分子间只有色散力。因此,在通常情况下,同种极性分子间相互作用的总吸引势能为

若相互作用是两个不同的极性分子,设它们的偶极矩分别为μ1和μμ2,极化率依次为α1和α2,则

大多数胶黏剂与黏附体的黏结,主要依靠分子间的力作用,有时配价键或氢键也参与其作用,例如:

但是,分子间相互吸引势能与分子距离的六次方成反比,其数量级约为0.1~1kJ/mol。显然,它一般远比化学键能小。因此,它的黏结强度无法与生成化学键的相比,只能求助于黏结技术如包结、缠绕和锚钩等作用来提高其黏结强度。

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