范德華力是如何煉成的

在Structures & Bondings一課向大家簡介物質可簡單分為4種結構。其中一種為簡單分子結構Simple Molecular Structure，顧名思義即是一粒粒的簡單分子如二氧化碳或水的分子組成、分子之間由范德華力互相連結。

范德華力亦是靜電力(electrostatic force)的其中一種，分子的正負極就是來自上次講過的極性分子(polar molecule)︰知果分子中的原子來自不同元素就會產生極化(polarization)，電負性低一方原子帶微正電而電負性高一方帶微負電。在該物質中，某分子的微正極方就會和另一分子的微負極方產生吸引力。這就是范德華力︰

1 molecule	Numerous molecules

問題是非極性分子(non-polar molecule)沒有具微正負極，分子間又何來范德華力？那我們可以先想像，如果某物質的粒子之間沒有任何吸引力，它就不會組成固體及液體。

但仔細想想非金屬物質，某幾個由非極性分子組成的物質如溴(bromine)及碘(iodine)的溶點及沸點絕對不會是-273度(在常溫下前者為液體而後者為固體)。這證明分子間依然存在范德華力。

哪正負極又從何而來？細個大家冬天應該試過磨擦間尺來製作靜電、吸起紙碎。紙碎本身沒帶電荷，但在間尺靜電的影響之下就會感生出正負電荷。此現象稱為靜電感應 (electrostatic induction)︰

 

在非極性分子中一樣出現靜電感應。受到附近極性物質或電荷影響下，非極性物質會極化而出現正負極。當一粒非極性分子具微電荷，它就會感應其他非極性分子，造成骨牌效應︰

影響范德華力的因素主要有兩種。第一為分子大小(Molecular size)，分子越大意味著電子越多、越容易受外界影響而感生出正負電荷，所以越能和其他分子產生范德華力。

Noble gas		Relative molecular size	Boiling point (℃)
Helium	He		-245.7
Neon	Ne		-185.6
Argon	Ar		-157.2
Krypton	Kr		-111.3

  

第二為分子形狀(molecular shape)，這通常用於比較有機化學中具一樣分子式但不同砌法的分子(即是結構異構物structural isomer，這概念將於有機化學的部分再深入探討)。倒如C₅H₁₂一分子式可以衍生出兩種不同結構的分子︰

Chemical name	Pentane	Methylbutane	Dimethylpropane
Molecular formula	C5H12
Structural formula
Boiling point (℃)	36.0	27.8	9.5
Melting point (℃)	-129.8	-161	-16.6

分子形狀決定分子可和其他分子組成多少范德華力。而它對固體和液體都有不同影響︰ 

有機分子的結構簡單來說由直鏈(straight chain，上圖藍色部分)和支鏈(branch group，上圖紅色部分)組成。一個分子越多支鍵，表面積就相對較細，越難和周圍其他分子組范德華力。所以分子中較多支鏈的物質會有較低的沸點(Boiling point)。

但在固體的情況則有不同，越對稱的分子能堆疊得更有效率(effective packing)，所以Dimethylpropane的溶點比Pentane高。而methylbutane在三個分子中最不對稱，所以溶點(Melting point)最低。

或有同學認為Pentane的結構不是應該堆砌得更好嗎？如果單憑上圖的分子結構的確會覺得這說法成立，但我們需考慮分子的3D結構︰Pentane的分子具Z字形(Zig-zag shape)，而且其單鏈在液態或氣態的情況可以自由轉動(稱為bond rotation)。所以會出現以下結構︰

            

這些不同形式的Pentane分子就會妨礙互相堆砌的效率、組成的范德華力相對較少。而Dimethylpropane的碳鏈即使如何轉動亦不會影響其結構，所以堆砌得較好，溶點自然更高。

Substance	Pentane	Methylbutane	Dimethylpropane
Stacking in solid state
Melting point (℃)	-129.8	-161	-16.6

如果有同學還未太了解Pentane會出現bond rotation的問題就不妨想想Tetris。這個遊戲就是教大家如果做到effective packing。Pentane的結構就像黃色及紫色以外的其餘磚塊。它們嚴格上都屬於直鏈，但每個形狀都不同，自然難以砌到沒有任何空位，更何況在現實中這些分子並不懂自己補位，Packing effective 就只會更低。

(Source: Gamasutra)

總括分子形狀而言，表面積越大(沒有支鏈)分子的物質會有更高的沸點，而越對稱的分子其物質會有更高的溶點。