生物分子的相互作用
生物分子的相互作用
生物分子的相互作用生物分子的相互作用是生物体内发生各种生物化学反应和生物过程的基础。
这些相互作用可以是物理性质的，也可以是化学性质的。
它们决定了生物分子的结构、功能以及生理活动的发生和进行。
本文将从分子间相互作用的类型、作用机制以及应用展开讨论。
一、分子间相互作用的类型1. 静电相互作用：生物分子中带电荷的官和偶极子之间的相互作用，如静电力、电荷转移以及电偶极作用。
2. 氢键：质子与氮、氧以及氟等原子之间的作用力，是生物分子自组装和细胞内高度有序结构形成的重要方式。
3. 范德华力：分子间的吸引力，其大小取决于分子之间的极性、偶极子和电荷分布。
4. 疏水作用：不喜水性分子相互间的相互作用，驱使水相聚一起，使非极性物质以及疏水性分子能形成有序的结构。
5. 弱键：包括范德华力、氢键以及疏水作用在内的一系列较弱的相互作用。
6. 共价键：共享电子对，生物体内主要是由于分子结构的稳定而存在。
二、分子间相互作用的作用机制1. 形成生物分子的结构特性：分子间相互作用决定了生物分子的结构特性，包括分子的形状、构象以及空间排列等。
这些结构特性直接影响着生物分子的功能和相互作用。
2. 保持生物体的稳定：分子间的相互作用能够维持生物体内的稳定性。
例如，水分子的氢键网络保持了液体水的凝聚性和高比热容。
3. 调节酶的催化作用：酶与底物之间的相互作用能够提供基于亲和性和专一性的催化条件，实现特定化学反应的高效发生。
4. 蛋白质和配体的结合：蛋白质与其配体之间的相互作用决定了信号传导、细胞识别、基因调控以及药物活性。
三、分子间相互作用的应用1. 药物研发：了解分子间相互作用有助于设计和合成药物分子，通过与靶标分子的相互作用发挥治疗作用。
2. 酶活性调控：研究酶与底物、辅因子等之间的相互作用，以调控酶的活性和功能，为酶工程和催化剂设计提供指导。
3. 蛋白质折叠和蛋白质-蛋白质相互作用：分析分子间相互作用有助于解析蛋白质折叠及其动力学、蛋白质复合物的形成和功能。
生物分子的相互作用和信号传导
生物分子的相互作用和信号传导生命是由无数分子相互作用而构成的。
在生物体内，分子之间的相互作用不仅决定着生命的存在和运行，还直接或间接地参与了生物体内的信号传导过程。
因此，生物分子的相互作用和信号传导是生命活动不可或缺的组成部分。
一、分子之间的相互作用生物分子之间的相互作用常常是通过氢键、离子键、范德华力等相互作用力所发生的。
其中氢键是最常见的作用力之一。
氢键是建立在两个不同分子之间的相互作用力。
当氢键形成时，一个与氢原子直接相连的原子与第二个分子的某个原子之间会产生一个化学键。
在生物体内，乙酸、核苷酸、蛋白质、碳水化合物等许多分子之间都是通过氢键相互作用的。
例如氢键可以支撑蛋白质的二级结构（如α螺旋和β折叠）的稳定性。
离子键则是电荷之间的相互作用力。
离子键的建立是在一对经常互相牵引的离子之间生成，其中电子转移从一方向另一方发生。
在生物体内，一些设有电荷的离子可以通过电荷吸引相互吸附。
例如nAChR，离子通道，离子催化器等都是由离子键相互作用所构建的。
范德华力是由于产生了短暂的电荷而产生的吸引和排斥，是所有相互作用力中最弱的作用力之一。
许多生物分子之间的相互作用也是通过范德华力相互作用的。
如水、肌红蛋白和酵素等就都是被吸引在一起的。
二、生物分子的信号传导生物分子之间的相互作用在信号传导中也发挥了重要作用。
一些生物分子和受体蛋白质之间的相互作用就构成了一个完整的信号传递链路。
此时，生物分子在一个信号传递流程中起到了不可或缺的作用。
举例来说，神经元和其它细胞也是通过与化学物质相互作用来传递信号的。
当神经元在完成动作前收到了化学信号，这个信号将被转化成神经元内部化学分子的形式，并继续传递到神经元的细胞膜。
这个化学分子然后与挂在神经元细胞膜上的受体蛋白质相互作用。
这些受体分子将通过这种途径来激活细胞内的信号途径，最后控制细胞的行为。
在细胞外信号传递中，细胞上有大量不同类型的受体蛋白质。
许多激素和生长因子都与这些受体蛋白质结合并启动下游信号传导。
生物大分子如何进行相互作用
生物大分子如何进行相互作用在我们的生命世界中，生物大分子扮演着至关重要的角色。
它们相互作用，共同构建了细胞的复杂结构和功能，维持着生命活动的正常进行。
那么，这些生物大分子究竟是如何相互作用的呢？生物大分子主要包括蛋白质、核酸、多糖和脂质等。
它们之间的相互作用方式多种多样，有的是短暂的、可逆的，有的则是持久的、稳定的。
蛋白质与蛋白质之间的相互作用是最为常见和复杂的一种。
这种相互作用可以通过多种方式实现。
一种是通过静电相互作用，也就是正电荷与负电荷之间的吸引或排斥。
例如，在某些蛋白质的表面，带有正电荷的氨基酸残基可能会与带有负电荷的氨基酸残基相互吸引，从而促使蛋白质之间发生结合。
另一种常见的方式是氢键的形成。
氢原子与电负性较大的原子（如氧、氮等）之间形成的氢键，可以在蛋白质之间起到稳定结合的作用。
除了静电相互作用和氢键，疏水相互作用在蛋白质相互作用中也非常重要。
蛋白质内部的一些氨基酸残基是疏水的，它们倾向于避开水而聚集在一起。
当两个蛋白质相互靠近时，这些疏水区域可能会相互接触，从而促进蛋白质之间的结合。
此外，范德华力虽然相对较弱，但在蛋白质相互作用中也能起到一定的辅助作用。
蛋白质与核酸之间的相互作用同样具有重要意义。
例如，在基因表达过程中，某些蛋白质会与 DNA 结合，调控基因的转录。
这种结合通常是通过特定的结构域与 DNA 上的特定序列相互识别和结合来实现的。
蛋白质可以通过氢键、静电相互作用以及范德华力等与 DNA 相互作用。
同时，蛋白质还可以与 RNA 发生相互作用，参与 RNA 的加工、运输和翻译等过程。
多糖虽然在生物大分子中相对较少被提及，但它们与其他大分子的相互作用也不容忽视。
例如，在细胞表面，多糖可以与蛋白质结合形成糖蛋白，这些糖蛋白在细胞识别、信号传导等方面发挥着重要作用。
多糖与蛋白质之间的相互作用通常是通过氢键和范德华力等实现的。
脂质与其他生物大分子的相互作用也具有一定的特点。
脂质双分子层构成了细胞膜的基本结构，蛋白质可以镶嵌在脂质双分子层中，通过疏水相互作用与脂质分子的疏水尾部相结合。
生物分子相互作用
生物分子相互作用生物分子相互作用是生物学中一个重要的研究领域，涉及到细胞内各种生化反应的发生和细胞功能的实现。
在细胞内部，各种生物分子通过相互作用，实现了信号传递、代谢调控、细胞运动等生命活动，对于维持生命的正常进行起着关键作用。
一、蛋白质与蛋白质相互作用蛋白质是生物体内最重要的分子之一，参与了几乎所有的生命过程。
蛋白质与蛋白质之间的相互作用形式多种多样，例如蛋白质与蛋白质之间的结合、酶促反应等。
这些相互作用通常通过蛋白质的结构域和功能位点来实现。
例如，酶与底物之间的特异性结合是通过酶的活性中心实现的；抗体与抗原之间的结合是通过抗体的亚基来实现的。
二、核酸与蛋白质相互作用核酸与蛋白质之间的相互作用在细胞核酸合成、RNA的翻译调节等方面起着重要作用。
蛋白质可以通过识别和结合DNA或RNA的特定序列或结构域来实现这种相互作用。
例如，转录因子是一类特殊的蛋白质，它们能够通过与DNA结合，调控基因的转录过程。
三、蛋白质与小分子相互作用除了与其他蛋白质或核酸相互作用外，蛋白质还可以与许多小分子相互作用，包括激素、药物等。
这些小分子通常通过与蛋白质的结合，影响蛋白质的功能和结构。
例如，药物与蛋白质之间的相互作用可以导致药物的药效或毒性。
四、膜蛋白与膜脂相互作用膜蛋白是细胞膜的主要组成部分，它们通过与膜脂相互作用，参与了细胞膜的形成和功能的实现。
通过与膜脂的疏水作用，蛋白质可以嵌入到细胞膜中，形成不同功能的通道、受体等结构。
同时，膜蛋白还可以通过与膜脂的相互作用来调节膜的流动性和稳定性。
五、生物分子与金属离子相互作用金属离子是生物体内许多生物分子的催化剂，与蛋白质、核酸等相互作用，对于调控细胞内各种生化反应发挥重要作用。
例如，铁离子参与了血红蛋白和氧分子的结合与释放过程；锌、镁等离子是许多酶的辅助因子。
六、药物与生物分子的相互作用药物与生物分子之间的相互作用是药物在体内发挥药效的基础。
正是通过与生物分子的相互作用，药物可以调节相关的生物过程，治疗疾病。
生物分子间相互作用的研究及模拟
生物分子间相互作用的研究及模拟生物分子是指生物体内的各种生化大分子，如蛋白质、核酸、糖等。
生物分子之间的相互作用是维持生命机体的重要基础。
因此，研究生物分子间的相互作用对于深入理解生命现象具有重要意义。
1. 相互作用类型生物分子之间的相互作用包括非共价键和共价键两种类型。
非共价键包括氢键、疏水作用和离子作用等。
氢键是最常见的分子间相互作用类型。
当两个分子中的氢原子与另外两个分子中的氮、氧、氟原子形成键时，就构成了氢键。
疏水作用涉及到当一个分子是极性分子时，其他的非极性分子就会沿着它的周围聚合。
离子作用涉及到带电荷的离子之间的互相吸引和排斥。
2. 相互作用对蛋白质结构的影响生物分子间的相互作用对蛋白质结构具有决定性的影响。
在蛋白质的折叠和稳定中，非共价键相互作用是至关重要的因素。
氢键和疏水作用常常交叉作用，两种相互作用都会促进蛋白质折叠。
通常，蛋白质内部的氢键比表层的要多，表层上的疏水作用要比内部上的要多。
离子作用则通常出现在蛋白质的表面，起到与水分子相互作用的作用。
3. 相互作用的模拟生物分子之间的相互作用的研究不仅可以通过实验，还可以通过计算机模拟的方式来完成。
在计算机模拟过程中，不仅需要对分子进行建模，还需要根据相互作用类型构建相互作用模型。
通过计算机程序预测相互作用，可以获得分子之间的相对强度和性质，还可以预测分子折叠后的一些性质与热力学量。
在现代计算机技术的发展下，计算机模拟和分子动力学等方面的技术得到了快速的发展与应用。
现代的计算机模拟可以对数百万分子进行模拟，给我们提供一个非常方便的模拟环境，让我们能够更深入地了解分子相互作用的性质和过程。
4. 应用研究生物分子间的相互作用，在很大程度上是应用在新药研制领域上的。
随着计算机模拟技术的不断发展，许多药物研发公司逐渐从传统的实验室研究向计算机模拟研究转型。
这种模拟研究能够更快地预测候选物质的作用和安全性，节省研发时间和资金，甚至可以在实验室之前预测电子的相互作用实现分子之间的新功能组合。
生物分子间的相互作用力分析
生物分子间的相互作用力分析生物分子是生命存在和运转的基本单位，它们的相互作用力直接影响着生物体的生长发育和正常的生理活动。
生物分子之间的相互作用力主要分为四种：静电相互作用力、范德华力、氢键以及疏水作用力。
在生物分子的研究和应用领域中，对这些相互作用力的深入研究具有重要的意义。
一、静电相互作用力静电相互作用力是两个带有正负电荷的物体之间产生的相互作用力。
生物分子中的静电相互作用力主要表现为分子之间的离子-电荷相互作用和电偶极-电偶极相互作用。
这种相互作用力对于向两个具有异性或多义性的分子中引出物质的去向，确立分子的结构和功能以及介导分子在生命活动中的相互作用，有着重要的作用。
二、范德华力范德华力是分子中非共价结构产生的相互作用力。
它又分为吸引性的范德华力和排斥性的范德华力。
吸引性的范德华力会导致分子之间的相互吸引，从而促进生理功能的实现，排斥性的范德华力则会产生互斥作用，使分子无法相互靠近。
生物分子中的范德华力对于构建蛋白质和核酸的空间结构、稳定其立体构象和调节其功能，都起到至关重要的作用。
三、氢键氢键是分子间非均相性的化学键，包括氢原子、氮原子、氧原子或氟原子、硫原子等原子间的相互作用力。
氢键的强度介于离子键和共价键之间，在生物有机分子中，可用来稳定蛋白质、核酸等生物大分子的三维结构，以及介导酶类催化反应、激素与受体的结合等过程。
四、疏水作用力疏水作用力是指水相邻分子内部的排斥作用。
在生物分子中，由于疏水作用力可导致蛋白质、核酸等物质形成稳定的结构，因此研究疏水作用力对于理解生物大分子的折叠、相互作用和分子间反应有着重要的意义。
总之，生物分子之间的相互作用力在生命体内扮演着至关重要的作用。
我们通过对生物分子间的相互作用力的深入研究，可以不断优化生物材料的制备和生物治疗的应用，从而为人类健康事业做出更大的贡献。
生物分子的功能和相互作用
生物分子的功能和相互作用生物分子是构成生命体的基本组成部分。
它们包括碳水化合物、脂类、核酸和蛋白质等，每一种分子都具有特定的功能，同时也会相互作用。
下面就让我们具体探究一下生物分子的功能和相互作用。
一、碳水化合物碳水化合物是所有生物体内的重要分子之一，可提供能量和形成细胞壁等。
碳水化合物的主要功能就是作为生物体的主要能源，比如葡萄糖、果糖等，它们在进入细胞后被逐步代谢，释放出能量，并进一步转化为细胞可以利用的ATP。
此外，碳水化合物也可以形成细胞壁，维持细胞结构和稳定性。
比如植物细胞壁就主要由纤维素构成。
二、脂类脂类是由脂肪酸和甘油等组成的生物分子，主要起储存能量、保护和支持细胞的功能。
脂类的重要性在于它们能在体内便捷地分解为产生能量的酸，皂和甘油分子。
这些酸和甘油通常通过血液转移，以在整个身体传递和提供能量。
此外，脂类也可以形成细胞膜，维持细胞的完整性和功能。
细胞膜主要由磷脂与蛋白质组成，脂质双层可防止细胞内外物质的不恰当扩散，同时也是许多生物反应的场所。
三、核酸核酸是存储和传递遗传信息的分子，包括DNA和RNA。
DNA作为图纸，详细记录了生物体内的全部信息，而RNA则胁迫DNA转录和翻译成蛋白质。
DNA和RNA在表现机制上肯定不一样，但作用都是在生物细胞的生理历程里提供相应的数据，参与那种复杂反应。
比如DNA的氨基酸序列决定了蛋白质的合成方式，而RNA的形态和序列则可以影响生物的基因表达。
四、蛋白质蛋白质是细胞中最为重要的分子之一，有参与功能和催化反应的作用。
蛋白质可承担一系列生物学功能，包括运输、通讯、组织支撑、机械支撑、抗原性和酶活性等。
一个蛋白质分子能完成所有这些特点的意义在于其三级或四级结构。
草率地说，一个蛋白质分子有一套由氨基酸排列组成的一系列序列，在适当的条件下，这些氨基酸可以复杂地折叠成各种不同的结构。
给每个氨基酸涂上不同颜色的涂料，这个描绘就变成了一张明亮的艺术作品。
这也是为什么蛋白质能具备如此不同的性质和功能的原因。
生物分子的相互作用和识别
生物分子的相互作用和识别生物界中的分子与分子之间能够发生相互作用和识别，形成各种复杂的生命现象。
这些分子可以分为四类：蛋白质、核酸、多糖和脂质。
在生物体内，它们通过特定的形状和电荷相互作用，并依据特定的结构逐步发挥其生物学功能。
本文将着重介绍生物分子相互作用和识别的相关机制。
1. 蛋白质的相互作用和识别蛋白质是生物分子中最为复杂和功能最多样化的一类，同时也是分子间相互作用和识别最为显著的一类。
蛋白质通过所具有的特定立体构型和化学性质，与其他生物分子建立相互作用，实现其特定的生物学功能。
其相互作用和识别机制包括离子对、氢键、范德华力和羧基酯酸酸（ASA）效应等。
离子对是蛋白质与其他分子的最常见相互作用，例如阴离子和阳离子之间的相互作用。
此外，蛋白质中所含的大量极性侧链也能与其它分子之间形成离子对，通过这种离子对相互吸引的方式，实现催化、传递信息或充当信号识别分子的功能。
氢键是蛋白质分子间的另一种相互作用，其稳定性比离子对稍弱。
氢键是由氢原子与氮或氧原子之间的相互作用形成的。
氢键在蛋白质分子之间的相互作用中体现得尤为明显，例如骨架上的酰胺共振结构、螺旋与螺旋之间的氢键、磷酸二酯键与蛋白质分子之间的氢键等都是常见的氢键相互作用方式。
范德华力是分子中最常见的相互作用力之一，用于描述分子间的非共价相互作用。
这种力通常的体现形式是两个分子间的电子云之间的相互感应。
在生物大分子中，范德华力的主要作用是维持分子间较短的距离，从而使分子具有特定的形态和结构。
羧基酯酸（ASA）效应则是由极性侧链上的氢键、离子对、范德华力等非共价相互作用力导致的剪切应力。
羧基酯酸（ASA）效应能够促进蛋白质分子因造型受限，形成特定的立体构形，这对于实现其特定的生物学功能具有十分重要的作用。
2. 核酸的相互作用和识别核酸是生物大分子的另一类，主要包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。
在生物体内，核酸能够实现信息的传递和表达。
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中性分子或基团在电场E的作用下，产生的诱 导偶极矩μi为： μi ＝αE 诱导偶极子在电场中具有的电势能为：
U= －μi· E＝－αE2
α为介质的极化率
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§4.2.5 短程排斥相互作用 前面我们讨论的电相互作用可以形成稳定 化势能或去稳定化势能。而短程排斥作用总是 去稳定性的。 原子中心为带正电荷的原子核，在其周围 环绕着轨道电子云。当原子结合成分子后，无 论其结构如何复杂，总存在一个带负电的电子 外壳。当两个分子过分接近时，则围绕着分子 的电子云相互作用，产生斥力，这个斥力来自 库仑力。
广义的范德华力：偶极相互作用、诱导相互 作用、色散相互作用 狭义的范德华力：色散相互作用
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两个非极性分子之间也存在相互的吸引，这 种吸引主要是色散相互作用。 一个非极性分子没有永久偶极矩，但由于电 子的运动，他可以有一个瞬时非零的偶极矩，但 在测量的时间间隔内平均偶极矩为零。这种瞬时 偶极矩诱导相邻分子产生诱导偶极矩，从而在分 之间产生相互吸引。 London推出，两分子将色散相互作用的近似 表达式：
q U 3 ( r ) r
y q r θ +q’ -q’
x
μ
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§4.2.3 偶极—偶极相互作用
1 3( 1 r )( 2 r ) U 3 [ 1 2 ], 2 r r
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§4.5.2 疏水相互作用
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当分子距离很近时，总相互作用能为：
B A Ut b a r r
对r求微分并致结果为0，得到分子的平衡位置
bB r0 ( ) aA A a U t 0 a (1 ) r0 b
1 ba
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UB
0 U
r0
Ut
U0
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通过求解Schrodinger方程，可知不同的原子轨道 可用一组量子数表示： 主量子数n: n=1, 2, 3, ……
K,L,M, ……
角量子数l: l=0, 1, 2, 3,…… s, p, d, f, …… 轨道磁量子数ml: ml=-l, -l+1, …, 0 , …, l-1, l 自旋量子数s: s=1/2 自旋磁量子数ms: ms=-1/2, 1/2
l r
பைடு நூலகம்r μ1
μ2
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§4.2.4 电场诱导相互作用 以上讨论的相互作用，都涉及电荷的非对称分 布，即正、负电荷的重心不重合，由于正负电荷吸 引而在电场中储存能量。 正负电荷重心重合的中性分子或基团，在外电 场的诱导下，亦会出现极化现象，从而形成诱导偶 极子。诱导偶极子与电场相互作用而储存能量，这 种相互作用称为电场的诱导相互作用。 电场的诱导相互作用包括电荷－诱导偶极相 互作用和偶极－诱导偶极相互作用。
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§4.1.2 δ键与π键
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§4.1.3 共轭分子与离域π键 共轭分子是有机分子中一类最为重要的的分子， 其特征为分子中有离域的π键（大π键） 共轭分子的特点： 1. 交替排列的单键和双键
2. 整体性
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§4.4 氢键
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氢键相对强度比较弱，一般在40kJ/mol以 下，而共价键一般都是数百kJ/mol。单个氢键 很容易被热扰动所破坏，但它们数量很大，故 在稳定水结构和蛋白、核酸结构方面都有极其 重要的意义。
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§4.1 共价键
原子通过共有电子对而结合的化学键，叫共价键。 由于电子的微观属性，共价键的形成不能简单的 用库仑静电相互作用来说明，只有用量子力学处理， 才能给出合理解释。
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§4.1.1 原子轨道
量子力学中，我们采取一个函数表示描写 粒子的波，称为波函数。 处于原子核的中心对称势场中的电子稳态 波函数，或电子波函数的空间分布ψ称为原子 轨道。 |ψ|2dτ表示电子在体元dτ内的出现几率， 故|ψ|2为几率密度，或称电子云密度。
3 I1I 2 1 U 1 2 6 2 I1 I 2 r
I1, I2为两个分子的电离能，α1, α2为两个分子的极化 率
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色散力一般比较弱，但在非极性分子间，这种相互作 用占主导地位。 以下两个效应可以使色散相互作用得到加强： 1. 累加效应：一个分子可以有多个瞬时偶极矩，他 们都可以诱导另一个分子产生一个偶极矩，总的 相互作用是一种累加效应。 2. 位相效应：当两个分子相同时，具有相同的固有 频率，故瞬时偶极矩能够精确的同位相，从而产 生最大的相互作用。即，色散相互作用倾向于把 类似的分子拉到一起，产生稳定由相同亚单位组 成的大分子。
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第四章 生物分子的相互作用
生物分子中原子或基团间、分子与分子间存在各 种相互作用，用化学语言说，就是存在各种主键（共 价键）和次级键（库仑力、极化力、氢键和疏水键）， 对确定生物分子的结构和功能产生影响。
主键：强相互作用，热稳定
次级键：弱相互作用，单独或少数次级键将由热 运动而被破坏。但大量次级键决定生物大分子的空间 结构，既可保持稳定性，又有较大的灵活易变性。
3. “键的平均化“ 4. 稳定性 5. pπ轨道彼此平行
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§4.2 静电相互作用
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§4.2.1 电荷—电荷相互作用
q1q2 q1q2 F 3 r , U= r r
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§4.2.2 电荷—偶极相互作用
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由于分子的形状和大小各不相同，还没有全 面的理论来处理短程相互作用。但讨论几个一般 性的特征还是可能的。
上面讨论的各种吸引相互作用都可以写成依 赖于距离的相互作用能的形式： UA= －A/ra 是中A、a为取决于不同相互作用的特定常数，根 据前面讨论，a在1－6之间，而A则包含由介电系 数和极化率等。 类似的，可以写出短程相互作用能为： UB＝+B/rb 式中B和b为常数，b可用分子束散射实验测 定，B由原子或基团的半径和确定。
§4.5 水化作用和疏水相互作用
§4.5.1 离子的水化作用
盐溶于水后发生了明显的物理变化。 •CaCl2溶于水后，盐溶液的比热比水小 •NaCl2溶于水后，总体积缩小 离子水化模型：
•I区：初级水化层，与阳离子结合在一起作 整体移动，数目取决于阳离子种类
•II区：无结构水，结构程度最小
•III区：体积水，正常的微晶结构水
UA
Ut=UA+UB
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在平衡位置，考虑短程排斥后， 原来的UA乘以一个修正系数（1-a/b） 就可以得到修正。 上面假定只有一个吸引作用，若 有两个或更多的吸引力，则UA= －A/ra 有更多的项。
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§4.3 色散相互作用
早在1873年，Van der Waals就注意到在物质 的聚集态中，分子间存在一种远比化学键弱的吸 引力，这种引力是导致实际气体不完全符合理想 气体定律的原因之一，后人因此把分子间的引力 称为范德华力。