分子間的引力和斥力

毛卓飛

物體是由一個個分子組成的，分子在永不停息地做無規則運動.為什么折斷一根木條、拉斷一根棉線也要費相當大的力氣呢？原來分子之間存在著相互作用的吸引力.要把物體的一部分跟另一部分分開，就必須克服分子之間的吸引力.分子間的吸引力，使我們很難將固體拉長，就連伸長了的橡皮筋，一松開手就要恢復原來的長度.有了分子間的吸引力，兩塊鉛壓緊后就能連在一起，難以分開；兩滴水銀靠近后就會自動地融合成一大滴水銀.由于分子的引力作用，露珠總是圓的、量筒中的水面總是凹形的，往水杯中倒水，可以倒到稍稍高出杯沿，也不會溢出.如果沒有分子間的引力，老師用粉筆在黑板上板書時就不會留下字跡，用膠水也不能將兩張紙黏合在一起.

細心的同學也許會發現，在一滿杯開水中，慢慢地倒入一匙奶粉，水不會溢出，這是為什么呢？科學家做過這樣一個實驗：在一根1米長的細玻璃管中放一半水，再放一半的酒精，用手堵住管口，來回倒置幾次，總的高度下降1厘米多.這一實驗說明了水分子、酒精分子之間有空隙.在酒精與水混合的過程中，部分酒精分子進入了水分子的空隙中，也有部分水分子進入到了酒精分子的空隙中，使得水和酒精的總體積減小.用高分辨率的電子顯微鏡拍攝的三硫化二鈦（Ti2S3）晶體內部結構的圖像，也證實了分子間空隙的存在.奶粉慢慢倒入奶瓶，水不溢出，就是因為牛奶分子運動到水分子間隙中的緣故.

既然分子間有空隙，在分子之間的引力作用下，物體的體積應該越來越小才對，可是，生活中固體、液體的體積不僅不會自動縮小，連用力壓縮它們也非常困難.原來物體分子存在著相互作用的引力的同時，也存在著相互作用的斥力.固體和液體很難被壓縮，正是由于分子間存在斥力的緣故.給自行車打氣時，氣筒活塞剛開始往下壓時，比較輕松，越往下壓，所需的壓力就越大.這一現象說明氣體分子間也存在斥力，且大小都隨著分子間的距離的減小而增大.

在我們的周圍，有許多現象可以說明分子間作用力與分子間距離的關系.棉線一拉即斷，而金屬絲卻不容易拉斷，就是因為棉線分子間距離比金屬絲分子間的距離大，棉線分子間作用力比金屬絲分子間的作用力小.分子之間可以發生相互作用的距離很短，是一種短程力.一般說來，當分子間的距離超過它們的直徑10倍以上時，相互作用就變得十分微弱，可以認為分子力等于零.打碎的玻璃不能“破鏡重圓”，其原因是玻璃打碎后拼在一起，分子間的距離遠大于分子直徑的10倍以上，分子間的作用力變得非常微弱.如果把玻璃片的裂開處燒熔，然后再對接在一起，玻璃分子間的距離縮小，達到產生引力的距離，那么“破鏡重圓”將變為可能.郵票剛貼在信封上時容易揭下，等膠水干了以后就很難直接把郵票完整地從信封上揭下來，就是由于膠水干了以后，郵票和信封的紙分子間距離減小到進入分子作用力的范圍，所以直接把郵票完整地從信封上揭下來就很困難了.

物質所處的狀態其實也與分子間的作用力有關，固態物質的分子排列比較緊密，分子間間隙也比較小，分子間作用力大，分子只能在固定的位置附近振動，因而固體具有固定的形狀和固定的體積；液態物質的分子排列密度較小，分子間的間隙較大，分子間引力比固體分子間的引力小些，它們的分子比較容易離開原來的位置在其他分子之間運動，因此，液體雖有固定的體積，但無固定的形狀；氣態物質分子間的距離很大，分子間的引力幾乎為零，每個分子可以在任意的空間內自由活動，因而氣體既無固定的形狀，也無固定的體積.

分子間的引力和斥力是同時存在的，物體分子間表現出來的作用力，其實是分子引力和斥力的合力.分子間的距離等于某一數值時，它們之間的引力和斥力恰好相等，分子處于平衡狀態，分子間作用力表現為零.分子間的距離發生變化時，引力和斥力的大小都隨著變化，但分子間距離的變化對斥力的影響要比對引力的影響大些，當物體被壓縮時，分子間的引力和斥力都增大，但斥力比引力增加得更快，使得斥力大于引力，表現為斥力，阻礙物體的壓縮；但當物體受到拉伸時，分子間的斥力和引力都減小，但斥力比引力減小得快，使得引力大于斥力，表現為引力，阻礙物體的拉伸.

要把彈簧拉長，需要消耗能量.同樣要克服分子間的作用力，使分子間的距離不斷加大；要實現物態的變化，也需要消耗能量，這就是熔化、汽化、升華需要吸熱的根本原因.你也許曾有這樣的疑問：晶體熔化時或液體沸騰時既然溫度不升高，但為什么仍需吸熱呢？我想你現在一定能解釋這一現象了吧.大家都知道液體蒸發的快慢跟液體的溫度、液體的表面積、液體表面的氣流速度有關.但你是否發現在液體的溫度、表面積、液體表面的氣流速度相同時，汽油或酒精的蒸發明顯比水的蒸發快得多，其中的原因也應該與分子間的引力有關.