許多人都有這樣的經(jīng)驗(yàn)，在常溫狀態(tài)下，無(wú)論是你將油倒入水里，還是把水倒進(jìn)油中，它們并不會(huì)互相融合成為某種稀釋的溶液，而是很快地分開，形成一個(gè)明顯的界面。這究竟是為什么呢？

有人說(shuō)，這是因?yàn)橛捅人p呀！所以油就浮在水的上面。這顯然站不住腳，因?yàn)榫凭脖人p，但它能與水完全溶合；同時(shí)盡管絕大多數(shù)的油密度低于水，但這卻不是二者互不相溶的真正原因。從科學(xué)的角度來(lái)看，兩種液體是否相溶與它們的比重?zé)o關(guān)，而與它們的分子極性密切相關(guān)。

利用水油分層制成的液體“沙漏”，有顏色的是水

分子之間的力

液體分子之間通常存在兩種相互作用力：范德華力和氫鍵，這兩種力使分子之間相互吸引又保持一定的距離，它們是由分子的化學(xué)電性質(zhì)決定的。

我們知道分子內(nèi)部各原子之間通常以共價(jià)鍵或離子鍵相結(jié)合，這是由原子之間電子的共享與交換引起的力，這種電磁力通常比較強(qiáng)、作用距離也很短，你要是想把一個(gè)分子拆開來(lái)需要消耗比較大的能量。

分子與分子之間的范德華力是弱化學(xué)力中最弱的一種，其強(qiáng)度在0.4~4kJ/mol之間。當(dāng)兩個(gè)原子間距離大于0.6nm時(shí)，我們不足以觀察到范德華力；同樣，當(dāng)原子間距離小于0.4nm時(shí)，力就會(huì)排斥。

壁虎是依靠范德華力在墻壁上爬行的

水由氫和氧原子組成。當(dāng)氫（H）原子與氧（O）、氮（N）或氟（F）結(jié)合時(shí)，氫唯一的一個(gè)電子會(huì)與它們形成共價(jià)鍵，這時(shí)候氫原子的電子由于被O、N或F吸引而稍稍“跑偏”，導(dǎo)致氫原子這一端呈現(xiàn)更多的正電性（氫原子核帶正電）；與之相對(duì)應(yīng)地，分子的另一端會(huì)因?yàn)槲娮拥哪芰Ω鼜?qiáng)而顯示出負(fù)電。分子對(duì)外顯示出比較強(qiáng)的電極性，分子與分子之間會(huì)因?yàn)殡姌O性的不同而相互吸引。

水分子間通過(guò)強(qiáng)大的氫鍵連接

氫鍵的極性很強(qiáng)，當(dāng)分子之間通過(guò)氫鍵相互吸引時(shí)，它的能量通常比范德華力要大許多倍。這正是水相比于其它液體擁有多種獨(dú)特性質(zhì)的原因。

氫鍵是水表面張力的重要原因

分子的極性

每一種原子的原子核吸引電子的能力都不相同，當(dāng)這些原子通過(guò)共價(jià)鍵相互結(jié)合成分子時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)更偏向于那些吸引力更強(qiáng)的原子，這就造成了分子擁有一定的極性。分子的極性是分子間相互作用力的重要因素之一。

元素的電負(fù)性用來(lái)確定共價(jià)鍵的極性

上圖是元素周期表中部分元素電負(fù)性的標(biāo)量，電負(fù)性是一個(gè)無(wú)單位數(shù)，數(shù)字越高，原子吸引電子的能力越強(qiáng)。我們可以通過(guò)確定參與共價(jià)鍵的兩個(gè)原子的電負(fù)性的差異來(lái)判斷共價(jià)鍵的極性：

當(dāng)分子中兩個(gè)原子電負(fù)性的差異為0時(shí)，原子之間為非極性共價(jià)；

氯分子的非極性共價(jià)

當(dāng)電負(fù)性差異的值為0~0.4之間，共價(jià)是弱極性的，分子對(duì)外依然顯示非極性的特征；

當(dāng)電負(fù)性差異的值為0.5~2.0之間，原子間為絕對(duì)極性共價(jià)；

氟化氫分子有很強(qiáng)的極性

而當(dāng)這個(gè)值>2.0時(shí)，原子之間就是離子鍵合而非共價(jià)鍵了。食鹽（NaCl）就是離子鍵，因?yàn)镹a的電負(fù)性為0.9，而Cl的電負(fù)性是3.0，二者的差值3.0-0.9=2.1>2.0，因此食鹽很容易溶于水。

當(dāng)兩個(gè)原子間由極性共價(jià)關(guān)系相結(jié)合時(shí)，分子的一端會(huì)稍稍顯示出正電荷，而另一端相應(yīng)帶負(fù)電荷，這種分子有兩個(gè)相反的電“極”，因此我們稱之為偶極子。

液體偶極子之間力的平衡關(guān)系

如果分子是由兩個(gè)以上原子組成，在確定分子是極性還是非極性時(shí)，還必須考慮分子的幾何形狀。下圖顯示了二氧化碳分子與水分子之間的比較，二氧化碳是線性分子，偶極子因強(qiáng)度相同方向相反而互相抵消，對(duì)外顯示整體分子的極性為零；水分子的兩個(gè)極性鍵有夾角，因此整體對(duì)外顯示出極性。

二氧化碳與水分子的極性

非極性分子間的力

非極性分子之間沒有強(qiáng)大的氫鍵結(jié)合，那么它們是如何相互影響的呢？

前節(jié)介紹了氯氣分子和二氧化碳分子，它們都是非極性的。對(duì)于由更多原子組成的一些分子，由于組合幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系，它們也往往對(duì)外顯示出極性或非極性。比如三角形平面排列的三氟化硼和四面體排列的甲烷，它們都是非極性分子，因此不會(huì)產(chǎn)生整體偶極子。

對(duì)稱排列不會(huì)產(chǎn)生整體偶極子

非極性分子是通過(guò)倫敦分散力進(jìn)行結(jié)合的。倫敦分散力簡(jiǎn)稱“倫敦力”，它是指非極性分子內(nèi)部由于電子移動(dòng)產(chǎn)生的瞬時(shí)偶極誘導(dǎo)的偶極力。倫敦力是范德華力的一部分，因此它并不與范德華力相矛盾。

非極性分子盡管整體上對(duì)外不顯示極性，但它內(nèi)部電子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)因?yàn)橐苿?dòng)位置的原因產(chǎn)生某些瞬間的不平衡，這種內(nèi)部電荷的不平衡狀態(tài)反應(yīng)到整個(gè)分子上，就使得分子在某些瞬間產(chǎn)生整體的偶極性。當(dāng)一個(gè)分子出現(xiàn)瞬間極性時(shí)，它會(huì)感應(yīng)附近的分子，使之電荷相反，從而實(shí)現(xiàn)互相吸引。由于倫敦力的相互吸引作用很弱，導(dǎo)致非極性分子的間距較大，油大多由非極性分子組成，因此油的密度普遍比水低，它會(huì)浮在水的上方。

非極性分子感應(yīng)偶極子產(chǎn)生倫敦力

水油不混溶的原因

通過(guò)前面的介紹，我們了解了：

水分子由于氫氧共價(jià)鍵是偶極子，同時(shí)兩個(gè)氫氧鍵之間存在夾角，所以水分子是偶極子。

乙醇含有一個(gè)羥基（OH）因此它溶于水

水分子通過(guò)氫鍵互相連接形成大的水分子團(tuán)，氫鍵比范德華力更強(qiáng)大，所以水分子會(huì)首先與相鄰的極性分子相互吸引并結(jié)合，從而形成表面張力。水可以接納其它同樣極性分子基團(tuán)（例如OH、NH基團(tuán)），但對(duì)非極性基團(tuán)具有排斥性，它會(huì)拒絕其它分子特別是非極性分子加入，因此水顯示出對(duì)非極性物質(zhì)（例如油）的排斥力。

將染色的油倒入水中，它們會(huì)很快分離

油大多含有CH鍵，CH鍵極性很弱（<0.4），因此它是疏水性的。水分子會(huì)首先與附近其它親水基團(tuán)相結(jié)合形成氫鍵或離子鍵，而在水分子與油的分子之間僅存在微弱的感應(yīng)電荷和范德華力，加之二者的密度不同，水與油不僅不會(huì)相互溶合，還會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，我們可以很容易將其分離開來(lái)。

分液漏斗是實(shí)驗(yàn)室中常見的油水分離裝置