范德华力(范德华力是什么意思)
中学阶段学过物质有固态、液态和气态三种。
似乎我们已经习惯了所有物质都有这三态，都可以通过加热从固态变为气态，那么类似橡胶和塑料这样的高聚物也可以吗？
水可以变成气态，再变成小水珠冷凝成液态，但是壶把上的橡胶套就不行
答案是不行，因为橡胶和塑料分子间的范德华力不给他们这个自由。 在他们变成气态前就已经不能被称作高聚物了。
为了说明范德华力不让高聚物变成气态的原因，本文将先介绍什么是范德华力和气态，再说明固态怎样才能变成气态，最后讨论为何橡胶和塑料难以实现这个相变。
最后的最后，为了好玩儿会挑战一下这个公认的事实。 严谨起见，也会进行一些补充说明。
本文会辅以大量生动的例子，比如拿相亲类比范德华力等，不会过多涉及量子力学等艰深内容，请放心食用。
Johannes Diderik van der Waals，范德华老爷子在上
范德华力必须先明确我们要研究的对象：
力力是物体与物体间的相互作用。 目前这种作用可以被分为四类：强相互作用力、弱相互作用力、引力以及电磁力。
强力和弱力所能掌控的尺度很小，主要是质子和中子等粒子内的相互作用，比如质子中子组成原子核就是强力的结果。
但是由于它们过于微观，在固态气态相变，物体有没有气态这件事上一般不会参与讨论。
β衰变过程，弱相互作用力领导
引力虽然在星宇之间起着重要作用，但是因为在微观世界中，原子核和核外电子的质量太小，这时引力小到可以忽略不计。
黑洞这么“黑”就是因为引力太大
电磁力就是唯一被剩下的了，简单地说，电磁力是带电粒子与电磁场的相互作用以及带电粒子之间通过电磁场传递的相互作用。
在化学中，对电磁力的讨论主要集中在带正电的原子核和带负电的核外电子，这点在下面的讨论中会很重要。
电磁力是比较接地气的一种力，从DNA的转录复制到敲在屏幕上的一串串代码，可以说电磁力是主宰我们触手可及的世界的根本，在化学和生物的世界中几乎不会考虑除了电磁力以外的另外三种力。
兴奋的传递究其原因也是电磁力
范德华力正是电磁力的一种。
范德华力是什么？范德华力（van der Waals force）是分子间作用力。 而共价键等是分子内作用力。
分子内作用力负责塑造一个分子长啥样，分子间作用力负责让这些分子相互吸引搭建起来特定的结构。
比如T细胞膜受体在对多肽的识别时就需要让多肽别太轻易溜走，范德华力此时就参与帮助受体和多肽的结合。
图中有很多黑色虚线，这个过程中范德华力十分重要
范德华力具体有哪些范德华力产生的原因主要有三种：取向力，诱导力和色散力。 为了方便读者理解，下面将用相亲来描述这三种相互作用。
取向力：两个分子内正负电荷中心不重合的极性分子相互靠近后产生的相互吸引的力。
这可以被理解为是两个都已有相亲需求（极化）的人相遇后相互吸引。
诱导力：非极性分子被极性分子诱导，正负电荷重新分布，非极性分子电子云重新分布，非极性分子变成极性的了，从而与极性分子相互吸引。
放到相亲这一场景下，一个想结婚，一个被父母催着来，对寻找另一半没有任何兴趣。 但是，这个本身没有兴趣的看到对方的优秀和热情，被诱惑到了，动心了，想来一场轰轰烈烈的爱情了，被极化了。 结果就是两者相互吸引。
色散力：两个非极性分子的瞬间偶极矩。 因为分子内部的电子是不断“闪烁”的，而原子核是相对固定的，在不同时刻电子和原子核相对位置不同，那么分子内就会出现瞬时的极性，当两个分子的瞬时偶极矩匹配时，就会产生吸引力。
再从相亲看，两个对谈恋爱没有任何兴趣的人被逼着去参加群体相亲。 男士绅士地帮女士端盘子时不小心把汤撒到自己衣服上，此时女士马上掏出纸巾擦干净，四目相对两人瞬间有了好感，相互吸引。
但是也只是一瞬间的事儿。 下一秒男士可能帮另一个女士端盘子，女士也可能帮另一个撒汤的擦衣服，毕竟它们对相亲没啥兴趣。
值得一提的是色散力普适性极高，可以说任何有相互作用的分子间都有色散力，在高分子中，色散力甚至可以占到范德华力的80%-100%。
差不多现在可以在脑海中建立起范德华力的模型了，那么这种力的独特属性是什么呢？
范德华力的特点和本文相关的主要有两个，一是力很弱，二是力可累加。
范德华力所成键的键能只有共价键的0.01-0.1倍左右，这点从力的形成机制上大概可以推测出。
另外，相比共价键等，两个分子间的范德华作用力可以叠加，意思是想把两个分子分开就需要克服两个分子间的所有范德华力的和。 这点十分重要。
气态物质怎么来的？什么是气态固态分子间有范德华力，氢键等分子间作用力，正是这些力塑造了“钢铁直男”们的外貌。
气态的关键特征就是分子间几乎不存在这些力，它们自由了，是近似独立的个体，只不过把这些独立的个体圈起来，叫一团气体。
变成气态的关键正如之前所述，气态和固液的本质区别就是分子间作用力的大小。
所以让一个物体变成气态的关键就是让它克服分子间作用力。 就像把相亲看对眼的俩人强行拉开，毫无疑问是要做功的。
比如说给水慢慢加热变成水蒸气，煤气灶输入的能量很大一部分都用来克服分子间作用力。
橡胶和塑料之殇相比上面提到的水这种小分子，橡胶和塑料是高分子材料，也叫高聚物，说大分子也行。
菠菜的PSII-LHCII，分子量巨大，约110000g/mol，水只有18g/mol
高聚物的独特性之一就是他们一个分子上有大量的原子，有些高聚物一个分子链就串了几十万颗“珍珠”。 还记得刚才说范德华力有加和性吗？
想让两个水分子变成气态只需要把它们中间的一两个氢键破坏掉就行，但要让两个高聚物分子分开，就要把几十万个原子所可能具有的所有范德华力全部破坏。
此时，假设给橡胶加热（或者用力拽），能量会先达到分子链主链上共价键断开的大小，主链上的键会断开，分子间的范德华力也会慢慢破坏。 但是此时，橡胶分子已经不是原来的它了，因为主链上的共价键断了。
可降解塑料袋也是这个原理，断主链，成为低分子量的聚合物或者小分子
这个过程就像用面条卷的绳子去拉地上的卡车一样。 卡车和地面的摩擦力很大，面条很弱，结果就是面条扯断了，卡车纹丝不动。 断了的面条继续扯，早晚扯成小面块，它们不再是面条了。
开脑洞：把高聚物变成气态的方法在此提供两种思路：从小到大和从大到小。
从大到小先用良溶剂（比如二氯甲烷）把橡胶充分溶胀，高聚物里的分子链会和溶剂形成氢键或者范德华力作用，这样有利于屏蔽掉高聚物分子间的范德华力。 溶剂是小分子， 分子间相互作用较弱，容易带着高分子一起分离。
溶胀示意图
不过一般溶胀还不够把橡胶足够稀释，一小滴溶液可能有上万个分子链，取出烘干的话还是固体。 可以使用高速离心法，让分子链沉下去，上层的会稀一些。 此时想办法把分子链“拎”出来就行，比如用原子力显微镜或者光镊系统。
光镊的原理
另一种从大到小的思路是借鉴石墨烯的制备方法，人类首次获得石墨烯是通过拿胶带反复粘石墨，把片层状的石墨烯剥离下来。
我们也可以试试拿胶带粘橡胶，不过最好还是“稀释”一下之后再操作。
剥离石墨烯
从小到大先把一定数量的高聚物单体精确称量，精准加入引发剂，完美地控制反应条件，让这一堆高聚物单体只生成一根分子链，多舱室反应，把这些反应后的分子链挨个收集起来就行。
构思的每个舱室里的反应机制
这部分看个乐呵一下就行，深究起来几乎没有实现的可能。
补充说明“范德华力”和“分子间作用力”的定义仍存在不小的争议。
一是由于范德华力的提出并非理论推导，而是来自于实验现象的归纳总结。
二是中学阶段直接把范德华力叫做分子间作用力，但是如果只看“分子间作用力”几个字，实际上分子间的作用远不止如此简单，还有氢键，卤键，芳环堆叠等。
凯夫拉纤维的分子式，虚线是氢键，也是一种“分子间作用力”
考虑到范德华力是一种更普适的力，尤其是色散力，几乎一切分子和原子间都有色散力的存在。 所以中学阶段可能习惯把范德华力叫分子间作用力。
本文使用的范德华力定义来自于International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)的goldbook，这个公认度较高，排除了很多字面上理解的“分子间作用力”。
没有计算的物理不是真的物理，之前提到的那一堆范德华力是不是真的比共价键大最好还要算一算：
简化起见，我们选聚乙烯（PE）作为研究对象，它结构简单，分子间没有氢键等干扰项，只考虑范德华力作为所有分子间作用力较为合理。
很多塑料都是PE做的
PE分子链上主链是C-C单键，键能大概347kJ/mol，单个结构单元的取向力，诱导力和色散力分别为：12-21kJ/mol，6-12kJ/mol和0.8-8.4kJ/mol。
考虑到色散力才是非极性高分子链间的主要矛盾，而且相比取向力和诱导力，色散力最小。 本着给高分子找事儿的心态，不如假设PE分子间的相互作用全由色散力提供。
但是考虑到PE结构单元十分简单，色散力也不会太大，就假设一个结构单元的所有色散力是2kJ/mol，PE分子间的所有作用力只可能比这个大，可以看出这个数据比共价键少了2个数量级左右。
我国WJUD-2头盔主要靠里面的超高分子量聚乙烯纤维，分子量基本都是几十万几百万
关键来了，PE有几十万甚至上百万的分子量，不往多了说，就假设每条分子链上有10000个PE结构单元，只有50%的结构单元能和其余分子产生范德华力的作用。
10000*0.5*2kJ/mol=10000kJ/mol，这远远大于C-C单键的键能。 即分子间作用力远大于分子内作用力。
而如果只是把乙烯小分子分开呢，差不多只需要2kJ/mol，远远小于C=C双键的键能。
这就像离间一对刚认识的小情侣可能比较容易，那点儿经历吃几顿烧烤就全忘光了，马上找下一个分子结合。
但是让一对相濡以沫几十年，经历过无数事情的人彻底忘掉对方去找下一个“分子”结合，这要做多大功啊，至少在微观世界，nearly impossible！
无论发生的事儿是舒心还是憋屈，是忠诚还是背叛，是范德华力，氢键还是π-π堆叠，这些都成了人与人之间的联系，正是这些电磁场使我们密不可分，互相铭记！
我是生物材料小小虫，我将持续带来接地气又严肃的科普。 点一下关注，让我们把瞬时的色散力变成稳定的共价键吧！ 下一篇：鱼刺卡喉咙自救有妙招(鱼刺卡在喉咙里最快的消除方法)上一篇：冯蘅