量子化学：什么是偶极矩？

偶极矩是描述分子中电荷分布不对称性的物理量，其计算和分析是量子化学的核心内容之一。量子化学通过理论方法（如DFT、HF）精确计算偶极矩，并研究其与分子结构、电子跃迁的关联。

一、定义

偶极矩是描述一个系统中正、负电荷中心分离程度与方向的物理量。它是一个具有方向的矢量，其大小等于所带电荷量与正、负电荷中心间距离的乘积，其方向规定为从负电荷中心指向正电荷中心。

在微观分子尺度上，偶极矩是判断分子极性的根本依据。若分子中正、负电荷中心不重合，则其偶极矩不为零，该分子即为极性分子，其极性强度由偶极矩的数值直接度量；反之，若分子结构高度对称导致正、负电荷中心重合，则偶极矩为零，该分子为非极性分子。例如，水分子的正负电荷中心不重合，所以水分子是极性分子。

二、偶极矩的应用

偶极矩的概念在化学中至关重要，它不仅能够解释分子间相互作用力的强弱，从而关联物质的沸点、熔点和溶解度等物理性质，还可作为推断分子空间几何构型的实验依据。并且分子的极性能够直接影响分子间作用力的类型和强度。

例如，极性分子间的偶极-偶极相互作用是一种比范德华力更强的吸引力。这直接导致了诸如沸点、熔点的差异：例如，氯化氢（HCl，极性分子）的沸点（-85°C）远高于分子量相近的氩气（Ar，非极性分子，沸点 -186°C）。

同样，“相似相溶” 经验规则也源于此——极性溶质易溶于极性溶剂（如食盐溶于水），非极性溶质易溶于非极性溶剂（如油脂溶于苯），其本质是极性分子间强大的偶极相互作用（以及氢键）在起作用。

三、总结

综上所述，偶极矩作为一个连接微观电荷分布与宏观物理化学性质的桥梁性概念，其深刻内涵和广泛应用使其成为理解和探索物质世界不可或缺的重要工具。