范德華力影響因素 范德華力

中學階段學過物質有固態、液態和氣態三種 。
似乎我們已經習慣了所有物質都有這三態,都可以通過加熱從固態變為氣態,那么類似橡膠和塑料這樣的高聚物也可以嗎?

范德華力影響因素  范德華力

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水可以變成氣態,再變成小水珠冷凝成液態,但是壺把上的橡膠套就不行
答案是不行,因為橡膠和塑料分子間的范德華力不給他們這個自由 。在他們變成氣態前就已經不能被稱作高聚物了 。
為了說明范德華力不讓高聚物變成氣態的原因,本文將先介紹什么是范德華力和氣態,再說明固態怎樣才能變成氣態,最后討論為何橡膠和塑料難以實現這個相變 。
最后的最后,為了好玩兒會挑戰一下這個公認的事實 。嚴謹起見,也會進行一些補充說明 。
本文會輔以大量生動的例子,比如拿相親類比范德華力等,不會過多涉及量子力學等艱深內容,請放心食用 。
范德華力影響因素  范德華力

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Johannes Diderik van der Waals,范德華老爺子在上
范德華力必須先明確我們要研究的對象:
力力是物體與物體間的相互作用 。目前這種作用可以被分為四類:強相互作用力、弱相互作用力、引力以及電磁力 。
強力和弱力所能掌控的尺度很小,主要是質子和中子等粒子內的相互作用,比如質子中子組成原子核就是強力的結果 。
但是由于它們過于微觀,在固態氣態相變,物體有沒有氣態這件事上一般不會參與討論 。
范德華力影響因素  范德華力

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β衰變過程,弱相互作用力領導
引力雖然在星宇之間起著重要作用,但是因為在微觀世界中,原子核和核外電子的質量太小,這時引力小到可以忽略不計 。
范德華力影響因素  范德華力

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黑洞這么“黑”就是因為引力太大
電磁力就是唯一被剩下的了,簡單地說,電磁力是帶電粒子與電磁場的相互作用以及帶電粒子之間通過電磁場傳遞的相互作用 。
在化學中,對電磁力的討論主要集中在帶正電的原子核和帶負電的核外電子,這點在下面的討論中會很重要 。
電磁力是比較接地氣的一種力,從DNA的轉錄復制到敲在屏幕上的一串串代碼,可以說電磁力是主宰我們觸手可及的世界的根本,在化學和生物的世界中幾乎不會考慮除了電磁力以外的另外三種力 。
范德華力影響因素  范德華力

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興奮的傳遞究其原因也是電磁力
范德華力正是電磁力的一種 。
范德華力是什么?范德華力(van der Waals force)是分子間作用力 。而共價鍵等是分子內作用力 。
分子內作用力負責塑造一個分子長啥樣,分子間作用力負責讓這些分子相互吸引搭建起來特定的結構 。
比如T細胞膜受體在對多肽的識別時就需要讓多肽別太輕易溜走,范德華力此時就參與幫助受體和多肽的結合 。
范德華力影響因素  范德華力

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圖中有很多黑色虛線,這個過程中范德華力十分重要
范德華力具體有哪些范德華力產生的原因主要有三種:取向力,誘導力和色散力 。為了方便讀者理解,下面將用相親來描述這三種相互作用 。
取向力:兩個分子內正負電荷中心不重合的極性分子相互靠近后產生的相互吸引的力 。
這可以被理解為是兩個都已有相親需求(極化)的人相遇后相互吸引 。
范德華力影響因素  范德華力

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誘導力:非極性分子被極性分子誘導,正負電荷重新分布,非極性分子電子云重新分布,非極性分子變成極性的了,從而與極性分子相互吸引 。
放到相親這一場景下,一個想結婚,一個被父母催著來,對尋找另一半沒有任何興趣 。但是,這個本身沒有興趣的看到對方的優秀和熱情,被誘惑到了,動心了,想來一場轟轟烈烈的愛情了,被極化了 。結果就是兩者相互吸引 。
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色散力:兩個非極性分子的瞬間偶極矩 。因為分子內部的電子是不斷“閃爍”的,而原子核是相對固定的,在不同時刻電子和原子核相對位置不同,那么分子內就會出現瞬時的極性,當兩個分子的瞬時偶極矩匹配時,就會產生吸引力 。
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