科学网—杂说油和脂（1）分子间的作用力
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2026-8-15 07:44
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杂说油和脂（1）分子间的作用力
油脂是日常用语，其化学成分是脂肪。如果分开来说，油是在常温下呈液体的脂肪，而脂是常温下凝固的脂肪。
脂肪，从化学上说，是三脂肪酸甘油酯，也就是体检报告上经常看到的甘油三酯。甘油是俗名，化学名称是丙三醇。其碳链由三个碳原子构成，每一个碳原子上又有一个羟基，所以称丙三醇。
丙三醇上的三个羟基各与一个脂肪酸作用，失去一分子水，成为脂肪酸的酯，所以称三脂肪酸甘油酯。也可以把它视为甘油的取代物，称为三酰基甘油。
不管称三脂肪酸甘油酯也好，称三酰基甘油也好，它都表示一大类化合物。一般而言，我们所见到的脂肪并不是纯净物，它都是许多种三酰基甘油组成的混合物。
先来看看甘油吧，这是一种比较简单的化合物，结构如下图
图中最中间那个碳原子，连着两个羟甲基，一个羟基和一个氢原子，当然也是四面体结构的。四面体结构的四个键，不可能在一个平面上，但是我们一定要画在纸（平）面上，于是有一个规定，称为费歇尔（Fisher）规则，该规则为" 横前竖后 " ：水平键指向纸面前方，垂直键指向纸面后方 。
当甘油的三个羟基分别与三个脂肪酸发生酯化反应，就能够生成一种三脂肪酸甘油酯。
这三个脂肪酸可以说相同的，但是在更多的情况下是不同的。
如果是相同的三个脂肪酸，比如月桂酸（十二酸），那就生成三月桂酸甘油酯，或者三月桂酸酰甘油。如下图，其中黑点表示碳原子，空心点表示氧原子，氢原子按惯例省略了。
如果三个脂肪酸不同，例如上面连接的是硬脂酸，中间连接的是油酸，下面连接的是肉豆蔻酸，那么就生成的产物就如下图所示的结构。
实际上，各种油脂中含有的脂肪酸都很复杂，都是复杂的混合物，所以，我们在市场上买来的油脂都没有固定的熔点和沸点。通常情况下，都只能看到有的油流动性大，有的有些凝结，还有的则凝结得很牢固。
为什么有的油是很好的液体，有的油会凝结起来呢？这与油脂分子之间的相互作用力有关。相互作用力大就容易凝结。而相互作用力的大小，则与油脂中所含有的脂肪酸中碳链的长度和饱和程度有关。
我们周围的物质都是由原子构成的。原子之间有相互作用，相互作用大的就可以结合成为分子或者晶体，这种相互作用就是化学键。
通常情况下，晶体是固体。例如金属是由金属键组成的晶体，食盐（氯化钠）是由带负电荷的氯离子和带正电荷的钠离子经正负电荷相互吸引的静电作用（离子键）组成的晶体，石英是由硅原子和氧原子经共价键组成的晶体。
要注意的是：氯化钠晶体中并不存在氯化钠分子，石英中也不存在二氧化硅分子。我们平时写NaCl和SiO2只是表示氯化钠晶体中钠离子数与氯离子数的比例是1：1，二氧化硅晶体中氧原子数与硅原子数之比是2：1。这就是说，在晶体中，相邻原子间的相互作用是化学键，这种相互作用很大，原子无法自由流动，所以它们是固体。
由原子组成的分子，是固体和液体或气体，就要看分子之间的相互作用了。也就是说，要看分子之间原子的相互作用了。这种作用再也不是化学键，只是比较弱的静电作用。
例如，两个氧原子经由化学键组成氧分子，这两个氧原子的电子带有的负电荷的中心和原子核带有的正电荷的中心是重合的。也就是说，从外部远处看，氧分子是电中性的，不带电荷。这样，两个氧分子之间基本上没有什么静电引力。但是，由于原子中电子在不断运动，因此，氧分子中的正负电荷中心在瞬间会不完全重合。两个氧分子之间也还是会有一些瞬间的很弱的相互作用。这造成了在很低的温度下（约-183℃），氧气还是会液化成液体，温度再低些 （约-219℃）也会形成固体。
氯化氢，是由氢原子和氯原子以共价键组成的双原子分子。但是氯原子的电负性也就是吸引电子的能力大于氢原子。所以形成共价键的电子对更靠近氯原子。这样，氯化氢分子中，氯原子一端呈负性，而氢原子一端呈正性。人们把这样电荷的正负中心不重合的分子称为极性分子。
上面所说的正负电荷中心重合的氧气一类的分子则称为非极性分子。
在极性分子之间，一个分子的呈正性的一端与另一分子呈负性的一端就会相互吸引。也就是说，与非极性分子相比，极性分子之间的作用力就比较大了。
氯化氢分子的熔点为约-114℃ ，而沸点约 -85 ℃ 。这样，同样是双原子分子，极性分子氯化氢的熔点和沸点都比非极性分子的氧气高很多 。也就是说，氯化氢气体比氧气容易液化，也容易成为固体。
直链烷烃都是非极性分子。但是，如上面所说氧气的情况相类似，非极性分子之间也有一定的相互作用。一般而言，分子越大，就是含有的原子个数越多，分子之间的相互作用也越大。分子也就不容易分开，即不容易气化成为气体。
例如，在一个大气压下，只有一个碳原子的甲烷的 熔点为 -182.5 ℃ ， 沸点为 -161.5 ℃ 。 甲烷就是天然气的主要成分，很难液化。
有四个碳原子的正丁烷 熔点 -138 ℃ 、沸点 -0.5 ℃ 。 这是燃料液化气的主要成分之一，加一点压力，就液化了 。
有八个碳原子的正辛烷，熔点为 -57 ℃ ，沸点为 126 ℃ 。 这是汽油的代表，通常情况下就是液体了 。
正十六烷可以作为柴油的代表，熔点为 18.2 ℃ ，沸点为 286.8 ℃ 。它更难以气化，而温度一低就凝固了 。
非极性分子，分子越大就越容易成为液体和固体。这是一个规律。
这些分子之间的相互作用，也与分子的形状有关。例如，同样大小的分子，线性分子（长条形）与有枝岔的分子相比，线性分子容易靠得近，这样，分子间相互作用就强一些。
例如，上面说到，有四个碳原子的正丁烷 是线性分子，熔点 -138 ℃ 、沸点 -0.5 ℃ 。 而同样成分而有支链的异丁烷 ，其熔点 -159.6 ℃ 、沸点 -11.8 ℃ 。相对正丁烷，异丁烷气体就不容易液化，而低温下，液体的异丁烷也更难以凝固成为固体 。
搞清楚了分子的组成（是否有极性）、大小（组成分子的原子数量）以及形状，以及它们与分子之间相互作用大小的关系，我们就容易谈论油和脂的液体和固体问题了。下一篇就讨论这个问题。
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