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mydow123銅蟲 (初入文壇)
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[求助]
關(guān)于不可混溶組分的分子間作用力
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本人非物理相關(guān)專業(yè)，基礎(chǔ)比較差，有個簡單的問題請教各位： 現(xiàn)有兩種不可混溶組分的液體--水和柴油，將兩者摻混后會發(fā)生組分分離，比如將兩者倒入燒杯會發(fā)生分層。然而，如果一個水和柴油的液滴碰撞后，兩者有可能會聚合成一個大液滴（如圖所示），當(dāng)然兩種組分在新產(chǎn)生的大液滴中不會摻混，但形成的大液滴不會因為兩種組分的排斥再發(fā)生破碎。 對于單組分分子而言，分子間作用力是遠距離吸引力-近距離斥力，請問不同組分之間的分子間作用力是什么樣的呢？是比單組分之間的引力弱呢，還是斥力強呢，還是其他情形呢？ |
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ChemiAndy
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zh1987hs(金幣+8): 謝謝 2011-06-17 10:14:14
mydow123(金幣+10): 2011-06-17 11:13:11
mydow123(金幣+5): 2011-06-21 09:50:40
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首先，對于任意兩個中性分子，其作用曲線（勢能曲線）都是相同的，和你說的單組分分子間作用的曲線形狀類似，都是近了排斥，遠了吸引。只有2個同號的離子才會是始終排斥。 那么，互不溶組分混合為什么會分成兩個液滴呢？化學(xué)熱力學(xué)告訴我們，相分離并非由于組分相互排斥，而是由于總自由能比混合時更低。舉個簡單的例子即可知道，比如A, B組分。A-A作用能-5kcal/mol B-B間作用能-4kcal/mol 但A-B間作用能-3kcal/mol，這樣，體系就不采取A-B-A-B這樣的方式混合了，而是采取A-A-B-B。你可以算算，相分離后體系總勢能最低。 需要提醒的是，體系相分離并非由焓H(H=U+kT, 勢能加動能)單一決定的，熵能(-TΔS)也起作用。他們的和就是自由能ΔG=ΔH-TΔS。如果相分離后自由能降低的話，相分離就會自動發(fā)生。在你這個油水分離這個過程中，其實熵是減小的，但由于焓的勢能部分降的很大，所以總自由能還是降低的。所以分離會自動發(fā)生。 |
2樓2011-06-17 10:01:04
mydow123
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5樓2011-06-18 15:52:52
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6樓2011-06-18 16:14:56
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7樓2011-06-18 16:29:07
8樓2011-06-23 12:41:57
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zh1987hs(金幣+8): 謝謝 2011-06-24 08:43:46
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1.要想模擬相分離，僅作能量最小化是不行的。要做MD或MC，讓分子動起來，分子才有可能分離或混合。 2. 你說的問題涉及到兩個基本問題， 第一個問題是溶不溶的問題，即你的體系是傾向于待在分離態(tài)，還是待在混合態(tài)。這個是熱力學(xué)問題。熱力學(xué)說，體系待在某個狀態(tài)的概率是由該狀態(tài)的自由能決定的。哪個狀態(tài)自由能低，體系待在那個狀態(tài)的傾向就大。（摩爾自由能稱為化學(xué)勢，化學(xué)勢的高低決定體系是否能從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)向另一個狀態(tài)。） 第二個問題是，假設(shè)你搭了個盒子跑MD，那么你的模擬能不能看到相分離或相混合的問題。這個是動力學(xué)問題。動力學(xué)過程所需的時間，是由兩種狀態(tài)之間的自由能壘決定的。也就是說，假定你的體系會自動向另外一個狀態(tài)演進，那么它所需的時間取決于這個過程所要翻越的自由能壘。（阿倫尼烏斯公式）問題是，這個過程可能需要很長的時間，比如毫秒級，或者很快。動力學(xué)能壘很大程度取決于你的盒子的初始構(gòu)型。也就是說，如果體系傾向于混合，而你搭的盒子也是混合分子構(gòu)型，那么體系很快落入到混合態(tài)。如果你的體系傾向于分離，而你搭了個混合構(gòu)型的盒子，恰好自由能壘很大，那么可能你的模擬一直都看不到相分離。你還誤以為體系傾向于混合呢。一句話，動力學(xué)模擬相分離有很大的不確定性。 這正是為什么我們不會用跑MD的方法來考察溶不溶的原因。而是采用Widom插入法。Widom插入法嚴(yán)格地基于熱力學(xué)定義的溶劑化自由能。 |
9樓2011-06-24 06:09:46
ChemiAndy
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10樓2011-06-24 06:11:52
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