2013年7月20日 星期六

倫敦分散力 London Dispersion Forces

化學原理啟迪402-3
Men's Fall-Winter 2013/2014 Runway-Bottega Veneta
1.     即使分子沒有偶極矩,它們彼此之間也有作用力;我們確實知道這是真的,因為所有的物質在特定條件下進入液態和固態後,分子間確實出現了作用力,連鈍氣也不例外。
2.     鈍氣原子之間與非極性分子之間較弱的作用力,稱為倫敦分散力London dispersion forces。我們將以一對鈍氣分子為例,說明分子間的倫敦分散力的起源。
3.     雖然我們通常假設原子的電子雲是均勻分佈在原子核表面,然而,這並不是真的。原子的電子雲會瞬間分佈不均,產生短暫的偶極。當一個原子身上出現瞬間偶極矩,就會引發鄰近的原子也跟著出現類似的偶極矩。
4.     上述現象使原子間產生一股引力,稱為倫敦分散力,倫敦分散力的十分微弱,並且時間短暫,但是對大型原子來說卻成為十分顯著的力量。
5.     原子們的動能必須大大降低,倫敦作用力的強度才足以使原子們鍵結成固體,這就是為什麼鈍氣元素的凝固點那麼低。
6.     同一行的鈍氣族元素由上而下,隨著原子量增加,凝固點也跟著升高;這個趨勢的起源是,隨著原子量增加,電子數也跟著增加,連帶使得原子出現暫時性偶極的機率也增加
7.     大型原子表面的電子更多,展現出來的極性也更強,隨著原子的體積增加,倫敦分散力的重要性也跟著增加。
8.     同樣的觀念也可套用在非極性分子H2CH4CCl4CO2上;因為這些分子都沒有恆定的偶極矩,因此它們互相吸引的重要力量來源是倫敦分散力。

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles》;圖片來源/Vias.org/genchemEncyclopedia.lubopitko-bg.comWps.prenhall.com2012books.lardbucket.org

3 則留言:

  1. 請問6的原因是甚麼? 偶極增加和凝固點增加的關西在!?

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  2. 回應化學原理啟迪403-2倫敦分散力
    「請問6:『同一行的鈍氣族元素由上而下,隨著原子量增加,凝固點也跟著升高;這個趨勢的起源是,隨著原子量增加,電子數也跟著增加,連帶使得原子出現暫時性偶極的機率也增加。』的原因是甚麼? 偶極增加和凝固點增加的關西(關係)在!?」
    1. 在德莫克利德的概念裏,物質是由粒子(原子、分子……)與空間組成,除此之外,沒有別的東西。依據他的觀點,我們來定義氣體、液體和固體。
    2. 如果某一種物質內的構造是,粒子彼此之間距離遠,或者因為質量很小,彼此的引力極小、甚至沒有什麼引力,粒子們不太受引力的控制,可以自由地旋轉、活動、移動、碰撞,這種組成粒子鬆散、活潑、自由的物質,稱為氣體。
    3. 如果物質內的粒子,因為彼此之間的距離比較近或者因為質量較大的關係,彼此存在些微的引力,使得粒子活動有點自由,卻又不完全自由,受到部分的拘束力,雖然粒子同樣可以旋轉、移動、碰撞,但是與氣態粒子相比,移動速度較慢,這種物質,稱為液體。
    4. 如果物質內的粒子,彼此之間的距離很近,或者因為質量較大的關係,彼此存在強大的引力,使得粒子只能在原地旋轉、震動,完全不可能移動,這樣的物質,稱為固體。
    5. 用德謨克利德的角度來看,物質的三相轉換,就是物質彼此引力的改變、彼此的空間距離改變。如果是同一種物質的三相轉換,當然就沒有粒子質量改變的問題,只有粒子彼此的距離改變,因此導致引力改變。
    6. 舉例來說,液體變成固體的變化,或說液體凝固成固體的過程,就是指物質的組成粒子,彼此之間的引力變強,使得粒子從半自由的活動狀態-較緩慢地移動、旋轉,變成不自由的狀態-只能在原地小幅度地震動、打轉。註解:在這裡說液體的粒子移動較緩慢,是跟氣體相比。
    7. 什麼是凝固點呢?凝固點就是粒子之間的引力強度,大到可以讓物質從液體的狀態變成固體的那一點。不過,引力對一般人來說是抽象、跟生活經驗沒關,所以,一般而言,我們用溫度來說明,溫度也是力的一種展現。凝固點指的就是液體變成固體瞬間的溫度,其實這個溫度反映的就是粒子之間的引力;凝固點的溫度就是,讓液體變成固體的那一瞬間的引力強度。
    8. 什麼是偶極力呢?偶極力是一種粒子之間的引力。因為原子是中央原子核帶正電,四周遍布帶負電的電子,因此原子以及原子組成的分子,有部分區域是帶正電,另一部分區域是帶負電。
    9. 包覆在原子或分子外的電子,會周遭其他原子的引力、或原子/分子本身的運動,而分布得不太均勻。
    10. 為什麼分子本身的運動會造成電子雲的分布不均?
    舉例來說,當火車往前開的時候,人會感受到一個後座力,同樣地,當分子往前跑的時候,也會有一股後座力使電子雲往後退,這造成分子的前端只有稀薄的電子雲包覆帶強烈正電的原子核,分子的後端則有大量的電子雲。
    除此之外,碰撞、搖擺、旋轉等活動,都會導致電子雲的分布不均。所以,活動中的分子或原子,電子雲分布不均是很正常的現象。
    11. 什麼是極性分子呢?分子有一端比較帶正電、另一端比較帶負電,這種分子稱為極性分子。
    12. 什麼是偶極矩呢?從正電端到負電端的引力,以“┼→”表示,稱為偶極矩。分子的偶極矩大,表示分子的正電端強、負電端也強,因此從正電端到負電端的電位差很大,電流很強,這稱為偶極矩大。
    13. 什麼是偶極-偶極力呢?極性分子互相靠近時,一個分子的正電端與另一個分子的負電端相互吸引,或者,一個分子的負電端與另一個分子的正電端相互吸引,這種作用力稱為偶極-偶極力。
    14. 什麼是分散力呢?分散力,又稱為倫敦力,是一種瞬間「偶極-偶極力」。有許多分子本來是中性的,但是在靠近另一個中性分子的時候,會自然而然地極化,產生瞬間偶極,讓彼此互相吸引,這種瞬間引力稱為分散力。
    15. 分散力這個名詞給人一種誤解,好像這是會讓分子分散開來的力量,其實,這是分子互相吸引、團結起來的力量。那為什麼叫分散力呢?分散力的「分散」,指的是電子從均勻的狀態,分散集中到部分區域,造成分子某部分帶負電,某部分帶正電,產生極性,或說產生偶極-偶極力。
    16. 為什麼兩個中性的分子互相靠近,會自然極化,產生瞬間偶極力呢?因為分子的外面都是包覆負電子,裡面都是正電原子核;兩個分子互相靠近、碰撞,自然而然依據同性相斥、異性相吸的原理,調整自己的電子分布,使正電能夠盡量吸引到負電,使負電則能夠盡量吸引到正電,這樣的調整使中性的分子極化、產生偶極力。
    17. 關於你的問題,「偶極增加和凝固點增加的關西(關係)在?」我幫你補充一下,這個問題應該是:「隨著原子量增加,連帶使得原子出現暫時性偶極的機率也增加,凝固點也跟著升高,為什麼會出現這樣的連動關係?」
    18. 首先解釋,「原子量增加,使得原子間出現暫時性偶極的機率增加」的原因。
    一、 依據牛頓的萬有引力,物質世界的質點,質量增加,必然使彼此的引力增加;因此,液態物質的原子,如果質量較大(原子量大或分子量大),他們偶然碰撞,互相吸引的力量必然較強,也因此產生暫時性偶極-偶極力的機率增加。
    二、 原子量增加,代表這個原子帶正電的原子核大,負電子的數量也大,因此,一旦這種原子或由這種原子組成的分子互相碰撞,以正負相吸原理產生的暫時性偶極-偶極力,力量也比較強大,這當然會顯現在分子們碰撞之後產生暫時性偶極-偶極力的機率增加。
    19. 其次解釋,「原子量增加,出現暫時性偶極的機率增加」,為什麼會導致凝固點也跟著升高?
    20. 液體物質,如果出現「暫時性偶極-偶極力」的力量強、機率高,代表這個液態物質有很大的潛力讓其內部的粒子互相吸引,只要稍微降低溫度、削減一些熱能,就能讓粒子活動力下降,彼此之間靠近,發揮其潛力互相吸引,因此這種物質的凝固點較高,也就是不需要大幅降低溫度,就可以讓物質從液態凝固成固態。
    21. 以上是我的說明。你在閱讀的時候有很多的困難,是因為現在的國際科學原文教科書,習慣直接將研究成果展現,沒有將科學觀念的來源與演變重建起來,所以,每一個句子聽起來都好像是突然蹦出來、看不懂、也連不起來,這並不是你在科學方面的不行,而是教科書本身的缺陷。
    22. 絕大部分寫科學教科書的人,沒有學過歷史,所以撰寫的內容缺乏科學史觀。再加上學科學的人大多專注於實驗,沒有接受語言學、文學、新聞的訓練,所以,無法用白話文表達他們內心的意思。
    23. 所以,我花比較多的時間重新解釋物質世界的基本概念,以及各科學名詞的定義,然後再建立因果關係,補充教科書的不足,此外,我認為,按照亞里斯多德的方式重新整理一次內容,這樣思考比較周全,才能建立一個完整的科學思想體系。
    24. 你如果讀了頭暈,不要急,分幾天、幾個星期慢慢想,因為我的學習過程也是一直頭暈。學習必須漸進,學習是不能速成的,只有死背才會速成,但是那樣基礎不紮實,很快就會江郎才盡。
    25. 就像我解釋的速度很慢一樣,我學習科學的速度比一般人還要慢很多,因為我要確定每一個名詞的定義、每一個科學家的思考體系,比對不同科學家的思考體系,然後還要看各種客觀數據驗證。
    26. 因為這樣會花很多時間,因此我剛開始學習的時候,常常被老師、父母、長輩、長官和權貴當成白癡修理惡整,但是我確信,有恆心毅力地反覆練習,白癡也會變專家,等我想清楚每一個環節之後,就能建立一套更完整的體系,那時,那些喜歡踐踏弱勢者的人就會了解自己,學會尊重處在弱勢堅持好學不倦的人。
    27. 你也應該有這種信心,知識就是力量,繼續讀教科書,慢慢地思考,持續實驗,保持良好的運動習慣,用音樂增強意志力;我信心缺乏的時候就讀牛頓、愛默生、梭羅、盧梭……這些人的箴言,努力將自己的內心調整成跟他們一樣,也努力照他們的話去生活。
    28. 我最近因為在研究紐約時報和華盛頓郵報,因此耽誤一些時間才回覆,感謝你的問題,讓我重新複習與整合過去所學的科學知識。
    徐弘毅2015.12.23.


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  3. 聽完您的想法與經歷十分感動,希望您能多分享有關學習方面更多的見解與體驗

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