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第四節(jié) 分子間作用力 分子晶體
課時(shí)1 范德華力 氫鍵
第三章 微粒間作用力與物質(zhì)性質(zhì)
授課人：
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1．從微觀角度認(rèn)識(shí)分子間存在相互作用力，能舉例說(shuō)明不同類型分子間作用力的特征和實(shí)質(zhì)。
2．能運(yùn)用范德華力和氫鍵解釋、預(yù)測(cè)物質(zhì)的物理性質(zhì)，了解分子間作用力對(duì)物質(zhì)熔、沸點(diǎn)的影響。
3．能列舉生活中常見物質(zhì)中存在的氫鍵，認(rèn)識(shí)氫鍵在生命活動(dòng)中扮演的重要角色。
氣體分子能夠凝聚成相應(yīng)的固體或液體，表明分子之間存在著分子間作用力。
分子間作用力實(shí)質(zhì)上是一種靜電作用，它比化學(xué)鍵弱得多。
范德華力和氫鍵是兩種最常見的分子間作用力。
共價(jià)分子之間都存在著分子間作用力。
一、范德華力
是一種普遍存在于固體、液體和氣體中分子間的作用力。
范德華(1837-1923)
荷蘭物理學(xué)家，提出了范德華方程，研究了毛細(xì)作用，對(duì)附著力進(jìn)行了計(jì)算，推導(dǎo)出物體氣、液、固三相相互轉(zhuǎn)化條件下的臨界點(diǎn)計(jì)算公式。1910年因研究氣態(tài)和液態(tài)方程獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
范德華力及特點(diǎn)
一、范德華力
幾種類型的范德華力
范德華力包含三種不同的作用力：
1. 電荷分布不均勻的分子（如HCl、H2O等）之間以其帶異號(hào)電荷的一端互相吸引，產(chǎn)生的靜電作用使分子按一定的取向排列，從而使體系處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。
一、范德華力
大多數(shù)共價(jià)化合物，例如：
1. CO2、H2SO4、HF, H2O, AlCl3、各種有機(jī)化合物等；
2. 大多數(shù)非金屬單質(zhì)，例如： H2、P4、S8、C60等。
3. 各種稀有氣體（例如Ar、Kr）等。
范德華力存在：
一、范德華力
2. 電荷分布均勻的分子（如O2、N2、CO2等），由于核外電子的不斷運(yùn)動(dòng)，分子中電子產(chǎn)生的負(fù)電荷重心與原子核產(chǎn)生的正電荷重心瞬時(shí)不重合，使分子的電荷分布不均勻，其帶異號(hào)電荷的一端也互相吸引，這樣分子間也會(huì)產(chǎn)生靜電作用力。
幾種類型的范德華力
一、范德華力
3. 電荷分布均勻的分子在電荷分布不均勻的分子的作用下，導(dǎo)致電荷分布均勻的分子的負(fù)電荷重心和正電荷重心不重合，其帶異號(hào)電荷的一端也互相吸引，產(chǎn)生靜電作用力。
幾種類型的范德華力
一、范德華力
1、范德華力很弱，比化學(xué)鍵的鍵能小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。
范德華力有什么特點(diǎn)？
2、對(duì)于組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，范德華力一般隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增大而增大。
鹵化氫分子的范德華力和化學(xué)鍵的比較
一、范德華力
范德華力有什么特點(diǎn)？
3、范德華力一般沒(méi)有飽和性和方向性，只要分子周圍空間允許，當(dāng)氣體分子凝聚時(shí)，它總是盡可能多地吸引其他分子。
一、范德華力
范德華力對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響
加熱過(guò)程中物質(zhì)的狀態(tài)變化的微觀模擬過(guò)程
固體→液體→氣體的過(guò)程，熵值增大，分子間的距離不斷被拉開，這個(gè)過(guò)程是分子吸收外界能量，克服范德華力；
某分子的范德華力如果越大，克服它就需要吸收外界更多的能量，因此只有外界溫度較高時(shí)，分子才能順利克服范德華力，實(shí)現(xiàn)固體→液體→氣體的三態(tài)變化。
一、范德華力
鹵素單質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量和熔、沸點(diǎn)
分子間的范德華力越大，物質(zhì)的熔、沸點(diǎn)越高
熔、沸點(diǎn)依次升高
范德華力依次增大
Cl2、Br2 、I2的相對(duì)分子質(zhì)量依次增大
Br2
I2
氣態(tài)
液態(tài)
固態(tài)
常溫下
Cl2
一、范德華力
烷烴（CnH2n＋2）的熔、沸點(diǎn)隨著其相對(duì)分子質(zhì)量的增加而增加，也是由于烷烴分子之間的范德華力增加所造成的。
將下列物質(zhì)按熔沸點(diǎn)由高到低的順序排列：
D2O_____H2O I2_____Br2 CO_____N2 CH4_____SiH4
>
>
>
<
101.4℃
100℃
184.35℃
58.76℃
-190℃
-195.8℃
-161.5℃
-111.9℃
共價(jià)鍵成鍵原子的電負(fù)性差異（越大）→范德華力（越大）
→熔沸點(diǎn)（越高）
思考：如果兩物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量相近，怎么比較熔沸點(diǎn)高低？
一、范德華力
可以影響物質(zhì)的溶解度
范德華力對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響
273 K、101 kPa時(shí)，氧氣在水中的溶解量（49 cm3·L－1）比氮?dú)庠谒械娜芙饬浚?4 cm3·L－1）大，就是O2與水分子之間的作用力比N2與水分子之間的作用力大所導(dǎo)致的。
溶質(zhì)與溶劑分子間的范德華力越大，物質(zhì)的溶解度越大。
一、范德華力
一些氫化物的沸點(diǎn)
氧和硫同為ⅥA族元素，H2O和H2S的結(jié)構(gòu)也很相似。
從相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)分子間作用力和物質(zhì)性質(zhì)影響的角度分析，應(yīng)該是H2S的沸點(diǎn)高于H2O，但通常情況下，H2O是液體（沸點(diǎn)為100℃），H2S是氣體（沸點(diǎn)為－61℃）。
你知道導(dǎo)致H2O沸點(diǎn)“反常”的原因嗎？
典例解析
例1．下列敘述與分子間作用力無(wú)關(guān)的是(　　)A．氣體物質(zhì)加壓或降溫時(shí)能凝結(jié)或凝固B．干冰易升華C．氟、氯、溴、碘單質(zhì)的熔沸點(diǎn)依次升高D．氯化鈉的熔點(diǎn)較高
D
二、氫鍵
水分子中的O—H鍵是極性共價(jià)鍵，氧原子與氫原子共用的電子對(duì)強(qiáng)烈地偏向氧原子，使H原子幾乎成了“裸露”的質(zhì)子。
一個(gè)水分子中相對(duì)顯正電性的氫原子，就能與另一個(gè)水分子中相對(duì)顯負(fù)電性的氧原子的孤電子對(duì)接近并產(chǎn)生相互作用，這種相互作用叫做氫鍵。
氫鍵是由已經(jīng)與電負(fù)性很大的原子(如N、F、O)形成共價(jià)鍵的氫原子與另一分子中電負(fù)性很大的原子之間的作用力。
二、氫鍵
水分子之間形成氫鍵的示意圖
2、氫鍵通常是物質(zhì)在液態(tài)時(shí)形成的，但有時(shí)也存在于某些晶體或氣態(tài)物質(zhì)中，如氟化氫在三種狀態(tài)下均存在氫鍵。
氫鍵的存在：
1、氫鍵是一種既可以存在于分子之間又可以存在于分子內(nèi)部的作用力。
鄰羥基苯甲醛分子內(nèi)的氫鍵
二、氫鍵
當(dāng)H原子與電負(fù)性大、半徑較小的原子X以共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，H原子能夠跟另一個(gè)電負(fù)性大、半徑較小的原子Y之間形成氫鍵。
氫鍵形成條件
分子中一定要有N、O、F這三種原子中的一種，或者含有N—H鍵、O—H鍵、F—H鍵中的一種，所以氫鍵一般存在于含N—H、H—O、H—F的物質(zhì)中，或有機(jī)化合物中的醇類和羧酸類等物質(zhì)中。
沸點(diǎn)/℃
周期
二、氫鍵
氫鍵的表示
H
F
H
F
H
F
H
F
氫鍵通常用X—H…Y 表示。
其中X和Y代表電負(fù)性大而原子半徑較小的非金屬原子，如氟、氧、氮等。
共價(jià)鍵
氫鍵
二、氫鍵
X—H----Y強(qiáng)弱 與X和Y的電負(fù)性有關(guān).
電負(fù)性越大，則氫鍵越強(qiáng)
如F原子電負(fù)性最大，因而F-H…F是最強(qiáng)的氫鍵;
原子吸引電子能力不同，所以氫鍵強(qiáng)弱變化順序?yàn)椋?br/>F-H…F > O-H…O > O-H…N > N-H…N
C原子吸引電子能力較弱，一般不形成氫鍵。
氫鍵強(qiáng)弱
二、氫鍵
467 11 18.8
1、氫鍵比化學(xué)鍵的鍵能小，但比范德華力強(qiáng)，不屬于化學(xué)鍵，是除范德華力外的另一種分子間的作用力。
力
冰晶體中
氫鍵特點(diǎn)
氫鍵
鍵長(zhǎng)： A—H···B ，指A B之間的距離。
鍵能： A—H···B 分解為A—H和B所需要的能量。
二、氫鍵
氫鍵對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響
沸點(diǎn)/℃
周期
1、氫鍵主要影響物質(zhì)的熔、沸點(diǎn)。
熔、沸點(diǎn)：
HF>HCl
H2O>H2Te>H2Se>H2S
①當(dāng)分子間存在氫鍵時(shí)，若要使相應(yīng)的物質(zhì)熔化或汽化，由于破壞分子間氫鍵需要消耗較多的能量，所以這些物質(zhì)有較高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。
二、氫鍵
氫鍵特點(diǎn)
2、飽和性：
由于H原子半徑比A，B的原子半徑小得多，當(dāng)H與一個(gè)B原子形成氫鍵A—H···B 后，H周圍的空間被占據(jù)，A，B的電子云排斥作用將阻礙另一個(gè)B原子與H靠近成鍵，即H只能與一個(gè)B形成氫鍵，氫鍵具有飽和性。
H 的體積小，1 個(gè) H 只能形成1個(gè)氫鍵。
二、氫鍵
3、方向性：
A—H與B形成分子間氫鍵時(shí)，3個(gè)原子總是盡可能沿直線分布，使A、B盡量遠(yuǎn)離，這樣電子云排斥作用最小，體系能量最低，氫鍵最強(qiáng)，最穩(wěn)定，所以氫鍵具有方向性。
氫鍵特點(diǎn)
二、氫鍵
鄰羥基苯甲醛（熔點(diǎn)-7 ℃）
對(duì)羥基苯甲醛（熔點(diǎn)115 ℃）
分
子
內(nèi)
氫
鍵
分
子
間氫
鍵
分子間氫鍵使物質(zhì)熔、沸點(diǎn)升高,分子內(nèi)氫鍵使物質(zhì)熔、沸點(diǎn)降低。
②因?yàn)槲镔|(zhì)的熔沸點(diǎn)與分子間作用力有關(guān)，當(dāng)分子內(nèi)存在氫鍵時(shí)，相應(yīng)的分子間的作用力就會(huì)減少, 從而使物質(zhì)熔沸點(diǎn)降低。
分子間氫鍵
二、氫鍵
不同種分子之間不僅同種分子之間可以存在氫鍵，某些不同種分子之間也可能形成氫鍵。溶劑和溶質(zhì)之間的氫鍵作用力越大,溶解性越好。
氫鍵對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響
2、氫鍵可影響物質(zhì)的溶解度。
例如 NH3與H2O之間，所以這就導(dǎo)致了氨氣在水中的驚人溶解度：1體積水中可溶解700體積氨氣；
乙醇和水能以任意比例互溶等。
二、氫鍵
氫鍵對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響
3、氫鍵可影響液體的黏度。
甘油、磷酸、濃硫酸等多羥基化合物，由于分子間可形成眾多的氫鍵，這些物質(zhì)通常為黏稠狀液體。
氫鍵的有無(wú)和多少會(huì)顯著的影響到分子間的作用關(guān)系，繼而在機(jī)械性能上影響其黏度。
加入其他會(huì)增加氫鍵作用的物質(zhì)如糖、淀粉等作為溶質(zhì)時(shí)，則會(huì)更進(jìn)一步地通過(guò)增加氫鍵的強(qiáng)度來(lái)提升液體的粘性。
二、氫鍵
水分子間的氫鍵
水的沸點(diǎn)較高，水結(jié)冰時(shí)體積膨脹、密度減小。水的這些特殊物理性質(zhì)與水分子之間形成的氫鍵有關(guān)。
水蒸氣中水分子主要以單個(gè)分子的形式存在，液態(tài)水中多個(gè)水分子通過(guò)氫鍵結(jié)合在一起，形成(H2O)n。
冰中所有水分子中的氫原子都參與形成氫鍵，使水分子之間的間隙增大，由此形成一個(gè)有很多“孔洞”的結(jié)構(gòu)，使冰的密度小于水，所以冰浮于水上。
二、氫鍵
大多數(shù)物質(zhì)在固態(tài)時(shí)的密度要比液態(tài)時(shí)大，而水是一個(gè)例外。正是由于氫鍵存在，冬季江河、湖泊中魚類等生物才免遭凍死的災(zāi)難，人們也可以在冰上開展冰球、滑冰等運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。
二、氫鍵
生命分子中的氫鍵
蛋白質(zhì)中的氫鍵
DNA中的氫鍵
DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)
DNA堿基對(duì)是通過(guò)氫鍵相互識(shí)別并結(jié)合的。
二、氫鍵
超分子
超分子是由兩種或兩種以上的分子（或離子）通過(guò)分子間相互作用形成的分子聚集體。
“超分子”被稱為共價(jià)鍵分子化學(xué)的一次升華，超分子化學(xué)被稱為“超越分子概念的化學(xué)”。在形成超分子的各種分子間相互作用中，氫鍵尤為特殊，被稱作為“超分子化學(xué)中的萬(wàn)能相互作用”。
氫鍵
DNA堿基配對(duì)
二、氫鍵
超分子的特征之一：分子識(shí)別
冠醚與金屬陽(yáng)離子通過(guò)配位作用相結(jié)合
杯酚與C60通過(guò)范德華力相結(jié)合，通過(guò)尺寸匹配實(shí)現(xiàn)分子識(shí)別
二、氫鍵
超分子的特征之二：自組裝
純水 洗滌靈 膠束
二、氫鍵
范德華力、氫鍵、化學(xué)鍵的比較
概念 范德華力 氫鍵 共價(jià)鍵
定義 物質(zhì)分子之間普遍存在的一種作用力 已經(jīng)與電負(fù)性很大的原子形成共價(jià)鍵的氫原子與另一個(gè)電負(fù)性很大的原子之間的靜電作用 原子間通過(guò)共用電子對(duì)所形成的相互作用
作用微粒 分子 H與N、O、F 原子
特征 無(wú)方向性和飽和性 有方向性和飽和性 有方向性和飽和性
強(qiáng)度 共價(jià)鍵>氫鍵>范德華力 二、氫鍵
概念 范德華力 氫鍵 共價(jià)鍵
影響 強(qiáng)度的 因素 ①隨分子極性的增大而增大 ②分子組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì),相對(duì)分子質(zhì)量越大,范德華力越大 對(duì)于X—H…Y,X、Y的電負(fù)性越大,Y原子的半徑越小,作用越強(qiáng) 成鍵原子半徑和共用電子對(duì)數(shù)目。鍵長(zhǎng)越小,鍵能越大,共價(jià)鍵越穩(wěn)定
對(duì)物質(zhì) 性質(zhì)的 影響 ①影響物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度等物理性質(zhì) ②組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì),隨相對(duì)分子質(zhì)量的增大,物質(zhì)的熔、沸點(diǎn)升高,如CF4H2S ②分子內(nèi)氫鍵降低物質(zhì)的熔、沸點(diǎn) 共價(jià)鍵鍵能越大,分子穩(wěn)定性越強(qiáng)
典例解析
例2．下列說(shuō)法中，錯(cuò)誤的是(　　)A．鹵化氫中，HF的沸點(diǎn)最高，是由于HF分子間存在氫鍵B．鄰羥基苯甲醛的沸點(diǎn)比對(duì)羥基苯甲醛的沸點(diǎn)低C．H2O的沸點(diǎn)比HF的沸點(diǎn)高，是由于水分子間存在氫鍵而HF分子間不存在氫鍵D．氨氣極易溶于水與氨氣分子和水分子間形成氫鍵有關(guān)
C
課堂小結(jié)
范德華力
氫鍵
不良反應(yīng)
存在
特點(diǎn)
影響因素
對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響
形成和表示
特點(diǎn)
對(duì)物質(zhì)物理性質(zhì)的影響
隨堂練習(xí)
1、下列關(guān)于范德華力的敘述中，正確的是(　　)A．范德華力的實(shí)質(zhì)也是一種電性作用，所以范德華力是一種特殊的化學(xué)鍵B．范德華力與化學(xué)鍵的區(qū)別是作用力的強(qiáng)弱問(wèn)題C．任何分子間在任意情況下都會(huì)產(chǎn)生范德華力D．范德華力非常微弱，故破壞分子間的范德華力不需要消耗能量
B
隨堂練習(xí)
2．下列說(shuō)法正確的是(　　)A．H2O的沸點(diǎn)比HF高，是由于每摩爾分子中水分子形成的氫鍵數(shù)目多B．液態(tài)氟化氫中氟化氫分子之間形成氫鍵，可寫為(HF)n，則NO2分子間也是因氫鍵而聚合形成N2O4C．HCl極易溶于水，原因是HCl分子與水分子之間形成了氫鍵D．可燃冰(CH4·8H2O)的形成是由于甲烷分子與水分子之間存在氫鍵
A
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