資源簡介

2.4 分子間作用力
【學習目標】
1.結合實例說明化學鍵和分子間作用力的區別。
2.了解分子間作用力對物質的狀態等方面的影響。
3.了解含有氫鍵的物質,知道氫鍵的存在對物質性質的影響?！?br/>【自主預習】
一、范德華力及其影響因素
1.分子間作用力
(1)概念
分子間存在的一類弱的　　　　　　。
(2)分類
2.范德華力
(1)概念:　　　　之間普遍存在的一種　　　,它使許多物質能以一定的凝聚態(固態和液態)存在。
(2)特點:比化學鍵的鍵能　　　　得多。
(3)實質:　　　　　　,沒有飽和性和方向性。
3.范德華力與物質性質
(1)范德華力對物質性質的影響
范德華力主要影響物質的　　　　、沸點等物理性質。范德華力越強,物質的熔點、沸點　　　　,如F2、Cl2、Br2、I2的熔點、沸點依次　　　　。
(2)影響范德華力的因素
a.分子結構和組成相似的物質,　　　　越大,范德華力越強。
b.分子的　　　　越強,范德華力越強。
二、氫鍵及其影響因素
1.氫鍵的概念
當氫原子與　　　　　大的原子X以共價鍵結合時,H原子與另一個　　　　大的原子Y之間的　　　　相互作用和一定程度的軌道　　 　作用。
2.氫鍵的表示形式
(1)通常用　　　　　表示氫鍵,其中X—H表示氫原子和X原子以　　　　　相結合。
(2)氫鍵的鍵長是指　　　　　間的距離,氫鍵的作用能是指X—H…Y分解為　　　　和　　　　所需要的能量。
3.氫鍵的形成條件
(1)氫原子位于X原子和Y原子之間。
(2)X、Y原子所屬元素具有較大的　　　　　和較小的　　　　　　。一般是　　　　　原子、　　　　原子和　　　　原子。
4.氫鍵的類型
氫鍵
5.氫鍵的特征
(1)氫鍵的鍵能比范德華力的作用能　　　　　,比化學鍵的鍵能　　　　　。
(2)氫鍵具有一定的　　　　　和　　　　　。
6.氫鍵對物質性質的影響
(1)當形成分子間氫鍵時,物質的熔、沸點將　　　　。
(2)氫鍵也影響物質的　　　　、　　　　等過程。
【參考答案】一、1.相互作用　范德華力　氫鍵　2.分子　相互作用力　小　電性作用　3.熔點　越高　升高　相對分子質量　極性
二、1.電負性　電負性　靜電　重疊　2.X—H…Y　共價鍵　X和Y　X—H　Y　3.電負性　原子半徑　氮
氧　氟　4.分子內　分子間　5.大　小得多　方向性
飽和性　6.升高　電離　溶解
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)分子間作用力就是范德華力。 (　　)
(2)范德華力存在于任何物質中。 (　　)
(3)范德華力比化學鍵弱得多。 (　　)
(4)CH4、C2H6、C3H8的熔點、沸點依次升高。 (　　)
(5)HF、HCl、HBr、HI的穩定性依次減弱,是因為分子間作用力依次減弱。 (　　)
(6)H2O分子間在任何情況下都存在氫鍵。 (　　)
(7)氫鍵的作用比范德華力大,氫鍵是化學鍵。 (　　)
(8)水分子易與NH3分子形成氫鍵,增大了NH3的溶解度。 (　　)
(9)沸點:H2O>H2S,是因為相對分子質量:H2O【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×　(6)×　(7)×　(8)√　(9)×
2.影響范德華力的因素有哪些 有什么規律
【答案】相對分子質量、分子的極性等。一般來說,對于組成和結構相似的物質,相對分子質量越大,范德華力越大;對于相對分子質量相近的分子,分子的極性越強,范德華力越大。
3.甲醛、甲醇和甲酸均易溶于水的主要原因是什么
【答案】它們都能和H2O形成分子間氫鍵;三者均為極性分子,易溶于極性溶劑。
4.Cl2、Br2、I2三者的組成和化學性質均相似,但在常溫常壓下,三者的狀態卻分別為氣態、液態、固態,為什么
【答案】Cl2、Br2、I2的組成和結構相似,但由于三者的相對分子質量逐漸增大,所以范德華力逐漸增大,熔、沸點逐漸升高,故狀態分別為氣態、液態、固態。
【合作探究】
任務1：范德華力與物質性質
情境導入　壁虎是我們非常熟悉的一種生物,它能夠在墻上隨意行走。那么它是如何實現這個操作的呢 壁虎腳掌上的剛毛的主要成分是蛋白質,這些剛毛非常細小,剛毛的末端還分叉出很多更加細小的纖毛,達到納米的級別。當壁虎的腳爬在墻面上時,這些纖毛末端會非常貼近墻面上的分子,從而產生“范德華力”。因此,壁虎無論是在光滑的玻璃還是在粗糙的樹干上都能夠行走自如。
1.某些分子間的范德華力如下表,回答下列問題。
分子 Ar CO HI HBr HCl
相對分子質量 40 28 128 81 36.5
范德華力/(kJ·mol-1) 8.50 8.75 26.00 23.11 21.14
(1)為什么范德華力:HI>HBr>HCl
(2)為什么范德華力:CO>Ar
【答案】(1)組成和結構相似,相對分子質量越大,范德華力越大。
(2)分子極性越強,范德華力越大。
2.對于由分子構成的物質,所有分子間都存在范德華力嗎
【答案】由分子構成的液態和固態物質,范德華力存在于相鄰的分子之間;由分子構成的氣態物質,只有分子間充分接近時才存在范德華力。
【核心歸納】
范德華力對物質性質的影響
(1)一般來說,組成和結構相似的分子構成的物質,相對分子質量越大,分子間作用力越大,物質的熔、沸點越高。例如,熔、沸點:F2(2)分子組成相同的物質(互為同分異構體),分子對稱性越好,范德華力越小,物質的熔、沸點越低。例如,熔、沸點:新戊烷<異戊烷<正戊烷;沸點:對二甲苯<間二甲苯<鄰二甲苯。
(3)相對分子質量相近的物質,分子的極性越弱,范德華力越小,物質的熔、沸點通常越低。例如,熔、沸點:N2【典型例題】
【例1】下列敘述與范德華力無關的是(　　)。
A.氣態物質在加壓或降溫時能凝結或凝固
B.干冰易升華
C.氟、氯、溴、碘單質的熔、沸點依次升高
D.氯化鈉的熔點較高
【答案】D
【解析】一般來說,由分子構成的物質,其物理性質通常與范德華力密切相關。A、B、C三項中涉及的物質都是由分子構成的,故其表現的物理性質與范德華力有關。D項中的NaCl是離子化合物,不存在分子,故其物理性質與范德華力無關。
【例2】有下列兩組命題:
A組 B組
Ⅰ.H—I鍵的鍵能大于H—Cl鍵的鍵能 Ⅱ.H—I鍵的鍵能小于H—Cl鍵的鍵能 Ⅲ.HI的分子間作用力大于HCl的分子間作用力 Ⅳ.HI的分子間作用力小于HCl的分子間作用力 a.HI比HCl穩定 b.HCl比HI穩定 c.HI的沸點比HCl高 d.HI的沸點比HCl低
B組命題正確且能用A組命題進行解釋的是(　　)。
①Ⅰ　a?、冖颉　③Ⅲ　c?、堍簟
A.①③　　　B.②③　　　C.①④　　　D.②④
【答案】B
【解析】鍵能的大小決定物質的熱穩定性,鍵能越大,物質越穩定,H—Cl鍵的鍵能比H—I鍵的鍵能大,HCl比HI穩定;分子間作用力影響物質沸點的高低,分子間作用力越大,沸點越高,HI的分子間作用力大于HCl的分子間作用力,HI的沸點比HCl高。
任務2：氫鍵與物質性質
【實驗探究】
1.水是生命之源,具有很多奇特的性質。結合圖中信息思考并分析有關問題。
ⅥA族元素的氫化物的熔點和沸點
(1)根據氫鍵的相關知識分析為什么冰浮在水面上
(2)為什么測定接近沸點的水蒸氣的相對分子質量比用化學式H2O計算出來的大
(3)在ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素的氫化物中,為什么NH3、H2O、HF三者的相對分子質量分別小于同主族其他元素的氫化物,但熔、沸點卻比其他元素的氫化物高
(4)范德華力、氫鍵、共價鍵的強弱都能影響分子的穩定性嗎
【答案】(1)由于水分子之間存在氫鍵,水凝結為冰時,體積變大,密度變小;冰融化為水時,體積減小,密度變大。
(2)因在接近沸點時,水分子通過氫鍵形成“締合”分子,所以水蒸氣的相對分子質量比用化學式H2O計算出來的大。
(3)氫鍵作用能比范德華力作用能大,NH3、H2O、HF三者的分子間能形成氫鍵,同主族其他元素的氫化物不能形成氫鍵,所以NH3、H2O、HF的熔點和沸點高于同主族其他元素的氫化物。
(4)范德華力、氫鍵不影響分子的穩定性;共價鍵的強弱影響分子的穩定性。
2.乙醇和二甲醚的沸點分別為78.3℃、-24.9℃。乙醇和二甲醚互為同分異構體,相對分子質量相同,為什么沸點相差這么多
【答案】乙醇能形成分子間氫鍵,導致乙醇沸點偏高,二甲醚不能形成分子間氫鍵。
3.為什么鄰羥基苯甲醛的沸點低于對羥基苯甲醛
【答案】對羥基苯甲醛可以形成分子間氫鍵,沸騰時需破壞氫鍵;鄰羥基苯甲醛形成分子內氫鍵,不能形成分子間氫鍵,沸騰時只需破壞范德華力。氫鍵的強度大于范德華力的強度,所以鄰羥基苯甲醛的沸點低于對羥基苯甲醛。
4.為什么NH3極易溶于水
【答案】NH3與H2O之間形成分子間氫鍵;NH3和H2O均是極性分子,極性溶質一般能溶于極性溶劑。
5.乙醇、戊醇都有羥基,都可以與水形成分子間氫鍵,為什么在水中的溶解度:戊醇<乙醇
【答案】乙醇的化學式為CH3CH2OH,其中的—OH與水分子的—OH相近,因而乙醇能與水互溶;而戊醇CH3CH2CH2CH2CH2OH中的烴基較大,其中的—OH跟水分子的—OH的相似因素小得多了,因而它在水中的溶解度明顯減小。相似相溶還適用于分子結構的相似性。
【核心歸納】
范德華力、氫鍵、共價鍵的比較
作用力 范德華力 氫鍵 共價鍵
概念 物質分子之間普遍存在的一種相互作用力 由已經與電負性很大的原子形成共價鍵的氫原子與另一個分子中電負性很大的原子之間的作用力 原子間通過共用電子對所形成的相互作用
分類 - 分子內氫鍵、分子間氫鍵 極性共價鍵、非極性共價鍵
特征 無方向性、無飽和性 有方向性、有飽和性 有方向性、有飽和性
強度 比較 共價鍵>氫鍵>范德華力
影響強 度的 因素 ①隨著分子極性和相對分子質量的增大而增強;②組成和結構相似的物質,相對分子質量越大,范德華力越強 對于X—H…Y,X、Y的電負性越大,X、Y原子的半徑越小,鍵能越大 成鍵原子半徑越小,鍵長越短,鍵能越大,共價鍵越穩定
對物質 性質的 影響 影響物質的熔、沸點及溶解度等物理性質,如熔、沸點:F2H2S,HF>HCl,NH3>PH3 ①影響分子的穩定性; ②共價鍵鍵能越大,分子穩定性越強
特別提醒：1.氫鍵和范德華力都屬于分子間作用力,不能把氫鍵當成是化學鍵。
2.分子間氫鍵和范德華力可以同時存在。
3.分子間作用力主要影響由分子構成的物質的物理性質,而化學鍵決定分子的穩定性。
4.只有分子間距離接近到一定程度時才有分子間作用力(包括范德華力和氫鍵)。
5.某些分子間作用力包括范德華力和氫鍵,所以分子間作用力不等價于范德華力。
【典型例題】
【例3】維生素B1可作為輔酶參與糖的代謝,并有保護神經系統的作用。該物質的結構簡式如圖,維生素B1晶體溶于水的過程要克服的微粒間作用力有(　　)。
A.只有離子鍵、共價鍵　 　 B.離子鍵、氫鍵、共價鍵
C.只有氫鍵、范德華力 D.離子鍵、氫鍵、范德華力
【答案】D
【解析】維生素B1分子中含有氨基和羥基,易形成氫鍵,故溶于水時要破壞離子鍵、氫鍵和范德華力,D項正確。
【例4】我國科學家對金(111)表面進行生長的二維雙層冰的邊緣結構實現了成像觀察,二維冰層的AFM表征細節(圖1)及其結構模型(圖2)如圖。下列說法正確的是(　　)。
A.受到能量激發時“準液體”的水分子與下層固態水分子脫離,使冰面變滑
B.固態水分子之間的化學鍵較強,“準液體”水分子之間的化學鍵較弱
C.由于水分子間的氫鍵比較牢固,使水分子很穩定,高溫下也難分解
D.氣相水分子、“準液體”水分子和固態水分子屬于三種不同的化合物
【答案】A
【解析】受到能量激發時,“準液體”的水分子與下層固態水分子連接的氫鍵斷裂,產生“流動性的水分子”,使冰面變滑,A項正確;水分子之間存在范德華力和氫鍵,不存在化學鍵,B項錯誤;氫鍵影響水的熔、沸點,與水分子的穩定性無關,水分子很穩定是因為分子內H—O鍵的鍵能較大,C項錯誤;氣相水分子、“準液體”水分子和固態水分子為H2O的不同存在形式,為同一種物質,D項錯誤。
【隨堂檢測】
1.下列物質的性質與氫鍵無關的是(　　)。
A.冰的密度比液態水的密度小
B.NH3易液化
C.NH3分子比PH3分子穩定
D.在相同條件下,H2O的沸點比H2S的沸點高
【答案】C
【解析】NH3分子比PH3分子更穩定,因為鍵能:N—H鍵>P—H鍵。
2.下列現象能說明分子間存在作用力的是(　　)。
A.HCl與NH3在空氣中相遇時的冒煙現象
B.氣體能液化
C.稀有氣體的燈管通電后發出有顏色的光
D.HI受熱分解
【答案】B
【解析】HCl與NH3在空氣中相遇冒煙是因為生成了NH4Cl;稀有氣體通電發出有顏色的光是因為其電子受激發釋放出光能;HI受熱分解是因為生成了H2和I2,這些均不能說明分子間存在作用力。
3.在“固體氯→液氯→氯氣→氯原子”的變化過程中,被破壞的作用力依次是(　　)。
A.范德華力、范德華力、范德華力
B.共價鍵、共價鍵、共價鍵
C.范德華力、共價鍵、共價鍵
D.范德華力、范德華力、共價鍵
【答案】D
【解析】固體氯→液氯→氯氣屬于物質的三態變化,屬于物理變化,破壞了范德華力,氯氣→氯原子破壞了共價鍵。
4.2022年2月20日晚,第24屆冬奧會在北京國家體育場勝利閉幕。下列關于“冰”與“雪”的說法正確的是(　　)。
A.冰中氫鍵的鍵能為18.8 kJ·mol-1,即融化含1 mol氫鍵的冰需要吸收18.8 kJ的熱量
B.ρ(干冰)>ρ(水)>ρ(冰)的原因是分子間作用力大小不同
C.雪花的六角形形狀與氫鍵的方向性有關
D.可燃冰是甲烷分子與水分子之間通過氫鍵形成的
【答案】C
【解析】冰中不僅存在氫鍵還有范德華力,故融化含1 mol氫鍵的冰需要吸收的熱量大于18.8 kJ,A項錯誤;冰和水分子之間的作用力相等,ρ(水)>ρ(冰)是因為氫鍵作用,B項錯誤;氫鍵具有方向性和飽和性,故雪花都是六角形形狀,C項正確;甲烷分子與水分子之間不存在氫鍵,D項錯誤。
5.(1)甲醇的沸點(64.7 ℃)介于水(100 ℃)和甲硫醇(CH3SH,7.6 ℃)之間,其原因是　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)NH3的沸點比PH3的　　　　,原因是　　　　　　　。
(3)H2S、CH4、H2O的沸點由高到低的順序為　　　　　。
【答案】(1)甲硫醇不能形成分子間氫鍵,而水和甲醇均能,且水比甲醇的氫鍵多
(2)高　NH3分子間形成了氫鍵
(3)H2O>H2S>CH4
【解析】(1)氧的非金屬性強于硫,甲醇含有O—H,可形成分子間氫鍵,水分子間氫鍵數目較多,甲硫醇分子間不含氫鍵,所以水的沸點最高,甲硫醇的沸點最低。
(2)NH3分子間形成了氫鍵,而PH3分子間不能形成氫鍵,氫鍵使物質的沸點升高,所以NH3的沸點比PH3的高。
(3)CH4、H2S分子間只有范德華力,H2O分子間還存在氫鍵,所以H2O的沸點最大,H2S的相對分子質量大于CH4,范德華力大于CH4,故沸點排序為H2O>H2S>CH4。
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