許多人都有(you)這(zhe)樣的(de)經驗(yan)，在常溫狀(zhuang)態下(xia)，無論(lun)是(shi)(shi)(shi)(shi)你將(jiang)油倒(dao)入水(shui)里，還是(shi)(shi)(shi)(shi)把(ba)水(shui)倒(dao)進(jin)油中，它(ta)們并不會互相融合成(cheng)為(wei)某(mou)種(zhong)稀釋的(de)溶(rong)液，而是(shi)(shi)(shi)(shi)很快(kuai)地分開，形成(cheng)一個明顯的(de)界面。這(zhe)究竟是(shi)(shi)(shi)(shi)為(wei)什(shen)么(me)呢？

有人(ren)說，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)油(you)比水(shui)輕呀！所以油(you)就浮在水(shui)的上面。這(zhe)顯然站不(bu)住(zhu)腳(jiao)，因(yin)為(wei)酒精也比水(shui)輕，但它(ta)能與水(shui)完全(quan)溶合；同時盡管絕(jue)大多數的油(you)密(mi)度低于(yu)水(shui)，但這(zhe)卻不(bu)是(shi)二者互(hu)不(bu)相(xiang)(xiang)溶的真正(zheng)原因(yin)。從科學(xue)的角度來看，兩種液體是(shi)否相(xiang)(xiang)溶與它(ta)們的比重無關(guan)，而與它(ta)們的分子(zi)極性密(mi)切相(xiang)(xiang)關(guan)。

利(li)用水油分層制成的液體“沙漏”，有顏色(se)的是(shi)水

分子之(zhi)間的力(li)

液體分(fen)子之(zhi)間通常存(cun)在兩(liang)種(zhong)相互(hu)作(zuo)用力(li)(li)：范德華(hua)力(li)(li)和氫鍵(jian)，這兩(liang)種(zhong)力(li)(li)使分(fen)子之(zhi)間相互(hu)吸引又保持一定的(de)(de)距離(li)，它們是由分(fen)子的(de)(de)化學電性質(zhi)決(jue)定的(de)(de)。

我(wo)們知道(dao)分(fen)子(zi)(zi)(zi)內部各(ge)原子(zi)(zi)(zi)之間通常(chang)以共(gong)(gong)價(jia)鍵或離(li)子(zi)(zi)(zi)鍵相結合，這是由原子(zi)(zi)(zi)之間電子(zi)(zi)(zi)的(de)共(gong)(gong)享與(yu)交換引(yin)起的(de)力，這種電磁(ci)力通常(chang)比(bi)較強、作用(yong)距(ju)離(li)也(ye)很短(duan)，你要(yao)是想把一個(ge)分(fen)子(zi)(zi)(zi)拆開來(lai)需要(yao)消耗(hao)比(bi)較大的(de)能量。

分子(zi)與(yu)分子(zi)之間(jian)(jian)的(de)范德華力(li)是弱化學力(li)中最(zui)弱的(de)一種，其(qi)強度在0.4~4kJ/mol之間(jian)(jian)。當兩(liang)個(ge)原子(zi)間(jian)(jian)距離大于(yu)0.6nm時，我們不足以觀察到(dao)范德華力(li)；同樣，當原子(zi)間(jian)(jian)距離小于(yu)0.4nm時，力(li)就會排斥。

壁虎是(shi)依靠范德華力在墻壁上爬行的

水由氫和氧原子(zi)(zi)(zi)(zi)組(zu)成(cheng)。當氫（H）原子(zi)(zi)(zi)(zi)與氧（O）、氮（N）或(huo)氟（F）結合時，氫唯一(yi)的(de)一(yi)個電子(zi)(zi)(zi)(zi)會(hui)與它們形成(cheng)共價鍵，這時候(hou)氫原子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)電子(zi)(zi)(zi)(zi)由于被O、N或(huo)F吸引(yin)(yin)而稍稍“跑偏”，導致(zhi)氫原子(zi)(zi)(zi)(zi)這一(yi)端呈(cheng)現更多的(de)正電性(xing)（氫原子(zi)(zi)(zi)(zi)核帶正電）；與之相對(dui)應地，分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)另一(yi)端會(hui)因(yin)(yin)為(wei)吸引(yin)(yin)電子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)能力更強而顯示(shi)(shi)出負電。分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)對(dui)外顯示(shi)(shi)出比較強的(de)電極(ji)性(xing)，分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)與分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)之間會(hui)因(yin)(yin)為(wei)電極(ji)性(xing)的(de)不(bu)同(tong)而相互吸引(yin)(yin)。

水分子間通過強大的氫鍵連(lian)接

氫(qing)鍵的(de)極性很強，當分子之間通(tong)過氫(qing)鍵相互吸引時，它的(de)能量通(tong)常(chang)比范德(de)華力(li)要大許(xu)多倍。這(zhe)正是(shi)水相比于其(qi)它液(ye)體擁有(you)多種(zhong)獨特性質的(de)原因。

氫(qing)鍵是水表面張力(li)的重要(yao)原因

分子的極性

每一(yi)(yi)種原(yuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)核吸引電子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)能力(li)都不相(xiang)同，當這(zhe)(zhe)些原(yuan)子(zi)(zi)(zi)通(tong)過(guo)共價鍵相(xiang)互結合成分子(zi)(zi)(zi)時(shi)，電子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)運動(dong)軌跡會(hui)更偏向于那些吸引力(li)更強的(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)，這(zhe)(zhe)就造成了(le)分子(zi)(zi)(zi)擁有一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)極性。分子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)極性是分子(zi)(zi)(zi)間相(xiang)互作(zuo)用力(li)的(de)(de)(de)重要因素之一(yi)(yi)。

元素(su)的電(dian)負性(xing)用來確定(ding)共價鍵的極性(xing)

上圖是元素(su)周期表中部分元素(su)電(dian)負性的標量，電(dian)負性是一個無單位數，數字越(yue)(yue)高，原子吸(xi)引電(dian)子的能力越(yue)(yue)強(qiang)。我們(men)可以通過確(que)定參與共價鍵(jian)的兩個原子的電(dian)負性的差異來判斷共價鍵(jian)的極性：

當(dang)分子中(zhong)兩(liang)個(ge)原子電負性的(de)差異(yi)為(wei)0時，原子之(zhi)間(jian)為(wei)非極(ji)性共(gong)價；

氯分子的非極(ji)性共價

當電負性(xing)差異的(de)值為0~0.4之間，共價是弱(ruo)極(ji)性(xing)的(de)，分(fen)子對外依然(ran)顯示(shi)非(fei)極(ji)性(xing)的(de)特(te)征(zheng)；

當(dang)電(dian)負性(xing)差(cha)異(yi)的(de)值為0.5~2.0之間，原子間為絕對極性(xing)共價；

氟化氫分子有很強的極(ji)性(xing)

而當這個值(zhi)&;gt;2.0時，原子之間就是(shi)離(li)子鍵合而非(fei)共(gong)價鍵了(le)。食(shi)鹽(yan)（NaCl）就是(shi)離(li)子鍵，因為Na的電(dian)負性為0.9，而Cl的電(dian)負性是(shi)3.0，二者的差值(zhi)3.0-0.9=2.1>2.0，因此食(shi)鹽(yan)很容易溶于水(shui)。

當兩個原子間由極性共價關(guan)系相(xiang)結合(he)時，分(fen)子的一(yi)端會(hui)稍(shao)稍(shao)顯示出(chu)正電荷，而另一(yi)端相(xiang)應帶負電荷，這種分(fen)子有兩個相(xiang)反的電“極”，因此我們稱(cheng)之為偶極子。

液體偶(ou)極子(zi)之(zhi)間力的平衡關系

如果分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)是由兩個以上原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)組成，在確定(ding)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)是極(ji)(ji)(ji)性還是非極(ji)(ji)(ji)性時，還必須考(kao)慮(lv)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)幾何(he)形狀。下圖顯示了二(er)氧化(hua)碳分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)與(yu)水分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)之間(jian)的(de)比(bi)較，二(er)氧化(hua)碳是線(xian)性分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)，偶極(ji)(ji)(ji)子(zi)(zi)(zi)(zi)因(yin)強度相(xiang)同方向相(xiang)反(fan)而互相(xiang)抵消(xiao)，對外顯示整體分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)極(ji)(ji)(ji)性為零；水分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)兩個極(ji)(ji)(ji)性鍵有夾(jia)角，因(yin)此整體對外顯示出(chu)極(ji)(ji)(ji)性。

二氧化碳與水分子的極性

非極性分子間的力(li)

非極性分(fen)子(zi)之間沒有強大的(de)氫(qing)鍵(jian)結合，那么它們是(shi)如何相互影響的(de)呢(ni)？

前節介紹了氯氣(qi)分子(zi)和二氧(yang)化碳分子(zi)，它(ta)(ta)們(men)(men)都(dou)是(shi)非極(ji)(ji)性的(de)。對于由更多原子(zi)組成的(de)一(yi)些分子(zi)，由于組合幾何結構(gou)的(de)關系，它(ta)(ta)們(men)(men)也往(wang)往(wang)對外顯示出極(ji)(ji)性或非極(ji)(ji)性。比如三角(jiao)形平面排(pai)列(lie)的(de)三氟化硼和四面體排(pai)列(lie)的(de)甲烷，它(ta)(ta)們(men)(men)都(dou)是(shi)非極(ji)(ji)性分子(zi)，因此(ci)不會產生整體偶(ou)極(ji)(ji)子(zi)。

對稱(cheng)排列不(bu)會產生整體偶極子

非(fei)極(ji)性(xing)分(fen)子是通(tong)過(guo)倫敦(dun)分(fen)散(san)(san)力進行結合的(de)(de)。倫敦(dun)分(fen)散(san)(san)力簡稱“倫敦(dun)力”，它(ta)是指(zhi)非(fei)極(ji)性(xing)分(fen)子內部由于(yu)電(dian)子移動產生(sheng)的(de)(de)瞬時偶極(ji)誘導的(de)(de)偶極(ji)力。倫敦(dun)力是范德華(hua)力的(de)(de)一部分(fen)，因此它(ta)并不(bu)與范德華(hua)力相矛盾。

非(fei)極(ji)性(xing)(xing)分(fen)子(zi)盡管整(zheng)(zheng)體上對外(wai)不(bu)顯示極(ji)性(xing)(xing)，但(dan)它內(nei)部電(dian)子(zi)在運(yun)動(dong)的(de)(de)(de)過程(cheng)中會(hui)因為移(yi)動(dong)位置(zhi)的(de)(de)(de)原因產生(sheng)某些瞬(shun)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)不(bu)平衡(heng)，這種內(nei)部電(dian)荷的(de)(de)(de)不(bu)平衡(heng)狀(zhuang)態反應(ying)到整(zheng)(zheng)個分(fen)子(zi)上，就使得分(fen)子(zi)在某些瞬(shun)間(jian)(jian)產生(sheng)整(zheng)(zheng)體的(de)(de)(de)偶極(ji)性(xing)(xing)。當一個分(fen)子(zi)出現(xian)瞬(shun)間(jian)(jian)極(ji)性(xing)(xing)時，它會(hui)感應(ying)附近的(de)(de)(de)分(fen)子(zi)，使之(zhi)電(dian)荷相(xiang)反，從(cong)而實(shi)現(xian)互相(xiang)吸引。由(you)于(yu)倫敦(dun)力的(de)(de)(de)相(xiang)互吸引作(zuo)用很弱(ruo)，導致非(fei)極(ji)性(xing)(xing)分(fen)子(zi)的(de)(de)(de)間(jian)(jian)距(ju)較大，油大多由(you)非(fei)極(ji)性(xing)(xing)分(fen)子(zi)組成，因此油的(de)(de)(de)密(mi)度普(pu)遍比(bi)水低，它會(hui)浮在水的(de)(de)(de)上方。

非極(ji)性分子感應(ying)偶極(ji)子產生倫敦(dun)力

水(shui)油不混溶(rong)的原(yuan)因

通過(guo)前(qian)面的介紹，我們(men)了解(jie)了：

水(shui)分子(zi)(zi)由于氫(qing)氧共(gong)價鍵是偶極子(zi)(zi)，同時(shi)兩個氫(qing)氧鍵之間存在夾角，所以水(shui)分子(zi)(zi)是偶極子(zi)(zi)。

乙醇含有(you)一(yi)個羥基（OH）因此它(ta)溶于水

水分(fen)子(zi)(zi)通過(guo)氫(qing)(qing)鍵(jian)互相(xiang)連接(jie)(jie)形(xing)成大的水分(fen)子(zi)(zi)團(tuan)，氫(qing)(qing)鍵(jian)比范德華力(li)更強大，所(suo)以水分(fen)子(zi)(zi)會首先與相(xiang)鄰的極(ji)性(xing)分(fen)子(zi)(zi)相(xiang)互吸(xi)引并結合，從而形(xing)成表面張力(li)。水可以接(jie)(jie)納其它(ta)同樣極(ji)性(xing)分(fen)子(zi)(zi)基團(tuan)（例(li)如(ru)OH、NH基團(tuan)），但(dan)對非(fei)極(ji)性(xing)基團(tuan)具(ju)有(you)排斥性(xing)，它(ta)會拒絕其它(ta)分(fen)子(zi)(zi)特別(bie)是非(fei)極(ji)性(xing)分(fen)子(zi)(zi)加入，因此(ci)水顯示出(chu)對非(fei)極(ji)性(xing)物質（例(li)如(ru)油）的排斥力(li)。

將染色(se)的油(you)倒入水中，它們會很(hen)快分離

油(you)(you)大多(duo)含有(you)CH鍵(jian)，CH鍵(jian)極性很(hen)弱(ruo)（<0.4），因此它是疏(shu)水(shui)(shui)性的(de)(de)(de)。水(shui)(shui)分(fen)(fen)子會首先與(yu)附近其(qi)它親水(shui)(shui)基(ji)團(tuan)相(xiang)結合形成氫鍵(jian)或離(li)子鍵(jian)，而在水(shui)(shui)分(fen)(fen)子與(yu)油(you)(you)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)子之(zhi)間僅存在微(wei)弱(ruo)的(de)(de)(de)感應電荷(he)和范(fan)德華(hua)力(li)，加(jia)之(zhi)二者的(de)(de)(de)密度不(bu)(bu)同，水(shui)(shui)與(yu)油(you)(you)不(bu)(bu)僅不(bu)(bu)會相(xiang)互溶(rong)合，還會出現分(fen)(fen)層現象，我們可以(yi)很(hen)容易將其(qi)分(fen)(fen)離(li)開(kai)來。

分(fen)液漏斗是實(shi)驗室中(zhong)常見(jian)的油水分(fen)離裝置