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專題3 微粒間作用力與物質性質
范德華力與氫鍵
1．從微觀角度認識分子間存在相互作用力，能舉例說明不同類型分子間作用力的特征和實質。
2．能運用范德華力和氫鍵解釋、預測物質的物理性質，了解分子間作用力對物質熔、沸點的影響。
3．能列舉生活中常見物質中存在的氫鍵，認識氫鍵在生命活動中扮演的重要角色。
氣體分子能夠凝聚成相應的固體或液體，表明分子之間存在著分子間作用力。
分子間作用力實質上是一種靜電作用，它比化學鍵弱得多。
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。
大多數共價化合物，例如：
1. CO2、H2SO4、HF, H2O, AlCl3、各種有機化合物等；
2. 大多數非金屬單質，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：
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）之間以其帶異號電荷的一端互相吸引，產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定的狀態。
范德華力包含三種不同的作用力：
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動，分子中電子產生的負電荷重心與原子核產生的正電荷重心瞬時不重合，使分子的電荷分布不均勻，其帶異號電荷的一端也互相吸引，這樣分子間也會產生靜電作用力。
范德華力包含三種不同的作用力：
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，導致電荷分布均勻的分子的負電荷重心和正電荷重心不重合，其帶異號電荷的一端也互相吸引，產生靜電作用力。
范德華力的特點：
1、范德華力很弱，比化學鍵的鍵能小1～2個數量級。
2、對于組成和結構相似的物質，范德華力一般隨著相對分子質量的增大而增大。
范德華力的特點：
1、范德華力很弱，比化學鍵的鍵能小1～2個數量級。
2、對于組成和結構相似的物質，范德華力一般隨著相對分子質量的增大而增大。
3、范德華力一般沒有飽和性和方向性，只要分子周圍空間允許，當氣體分子凝聚時，它總是盡可能多地吸引其他分子。
范德華力對物質性質的影響
加熱過程中物質的狀態變化的微觀模擬過程
固體→液體→氣體的過程，熵值增大，分子間的距離不斷被拉開，這個過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，分子才能順利克服范德華力，實現固體→液體→氣體的三態變化。
分子間的范德華力越大，物質的熔、沸點越高
熔、沸點依次升高
范德華力依次增大
Cl2、Br2 、I2的相對分子質量依次增大
Br2
I2
氣態
液態
固態
常溫下
Cl2
烷烴（CnH2n＋2）的熔、沸點隨著其相對分子質量的增加而增加，也是由于烷烴分子之間的范德華力增加所造成的。
將下列物質按熔沸點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℃
共價鍵成鍵原子的電負性差異（越大）→范德華力（越大）→熔沸點（越高）
思考：如果兩物質的相對分子質量相近，怎么比較熔沸點高低？
可以影響物質的溶解度
范德華力對物質性質的影響
273 K、101 kPa時，氧氣在水中的溶解量（49 cm3·L－1）比氮氣在水中的溶解量（24 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致的。
溶質與溶劑分子間的范德華力越大，物質的溶解度越大。
一些氫化物的沸點
氧和硫同為ⅥA族元素，H2O和H2S的結構也很相似。
從相對分子質量對分子間作用力和物質性質影響的角度分析，應該是H2S的沸點高于H2O，但通常情況下，H2O是液體（沸點為100℃），H2S是氣體（沸點為－61℃）。
你知道導致H2O沸點“反常”的原因嗎？
二、氫鍵
水分子中的O—H鍵是極性共價鍵，氧原子與氫原子共用的電子對強烈地偏向氧原子，使H原子幾乎成了“裸露”的質子。
一個水分子中相對顯正電性的氫原子，就能與另一個水分子中相對顯負電性的氧原子的孤電子對接近并產生相互作用，這種相互作用叫做氫鍵。
氫鍵是由已經與電負性很大的原子(如N、F、O)形成共價鍵的氫原子與另一分子中電負性很大的原子之間的作用力。
2、氫鍵通常是物質在液態時形成的，但有時也存在于某些晶體或氣態物質中，如氟化氫在三種狀態下均存在氫鍵。
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部的作用力。
當H原子與電負性大、半徑較小的原子X以共價鍵結合時，H原子能夠跟另一個電負性大、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的物質中，或有機化合物中的醇類和羧酸類等物質中。
沸點/℃
周期
氫鍵的表示
X—H
…
Y
共價鍵
氫鍵
其中X和Y代表電負性大而原子半徑較小的非金屬原子，如氟、氧、氮等。
O—H
…
O
N—H
…
N
F—H
…
F
X—H…Y中H和Y原子核間的距離比范德華半徑之和小,但比共價鍵鍵長大得多。作用力的大小：化學鍵＞氫鍵＞范德華力
氫鍵特點
每個X—H只能與一個Y原子形成氫鍵。
①氫鍵具有方向性
②氫鍵具有飽和性
X—H…Y中的三個原子總是盡可能沿直線分布。使X，Y盡量遠離，這樣電子云排斥作用最小，體系能量最低，氫鍵最強，最穩定。
如1個水分子最多可與4個水分子形成4個氫鍵。
X—H----Y強弱 與X和Y的電負性有關.
電負性越大，則氫鍵越強
如F原子電負性最大，因而F-H…F是最強的氫鍵;
原子吸引電子能力不同，所以氫鍵強弱變化順序為：
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。
氫鍵強弱
1、氫鍵主要影響物質的熔、沸點。
熔、沸點：
H2O>H2Te>H2Se>H2S
①當分子間存在氫鍵時，若要使相應的物質熔化或汽化，由于破壞分子間氫鍵需要消耗較多的能量，所以這些物質有較高的熔點和沸點。
氫鍵對物質性質的影響
鄰羥基苯甲醛（熔點-7 ℃）
對羥基苯甲醛（熔點115 ℃）
分
子
內
氫
鍵
分
子
間氫
鍵
②因為物質的熔沸點與分子間作用力有關，當分子內存在氫鍵時，相應的分子間的作用力就會減少, 從而使物質熔沸點降低。
氫鍵對物質性質的影響
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。溶劑和溶質之間的氫鍵作用力越大,溶解性越好。
2、氫鍵可影響物質的溶解度。
例如 NH3與H2O之間，所以這就導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。
氫鍵對物質性質的影響
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，這些物質通常為黏稠狀液體。
氫鍵的有無和多少會顯著的影響到分子間的作用關系，繼而在機械性能上影響其黏度。
加入其他會增加氫鍵作用的物質如糖、淀粉等作為溶質時，則會更進一步地通過增加氫鍵的強度來提升液體的粘性。
水分子間的氫鍵
水的沸點較高，水結冰時體積膨脹、密度減小。水的這些特殊物理性質與水分子之間形成的氫鍵有關。
水蒸氣中水分子主要以單個分子的形式存在，液態水中多個水分子通過氫鍵結合在一起，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，由此形成一個有很多“孔洞”的結構，使冰的密度小于水，所以冰浮于水上。
大多數物質在固態時的密度要比液態時大，而水是一個例外。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難，人們也可以在冰上開展冰球、滑冰等運動項目。
生命分子中的氫鍵
蛋白質中的氫鍵
DNA中的氫鍵
DNA的雙螺旋結構
DNA堿基對是通過氫鍵相互識別并結合的。
超分子
超分子是由兩種或兩種以上的分子（或離子）通過分子間相互作用形成的分子聚集體。
“超分子”被稱為共價鍵分子化學的一次升華，超分子化學被稱為“超越分子概念的化學”。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“超分子化學中的萬能相互作用”。
氫鍵
DNA堿基配對
范德華力、氫鍵、化學鍵的比較
概念 范德華力 氫鍵 共價鍵
定義 物質分子之間普遍存在的一種作用力 已經與電負性很大的原子形成共價鍵的氫原子與另一個電負性很大的原子之間的靜電作用 原子間通過共用電子對所形成的相互作用
作用微粒 分子 H與N、O、F 原子
特征 無方向性和飽和性 有方向性和飽和性 有方向性和飽和性
強度 共價鍵>氫鍵>范德華力 概念 范德華力 氫鍵 共價鍵
影響 強度的 因素 ①隨分子極性的增大而增大 ②分子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X—H…Y,X、Y的電負性越大,Y原子的半徑越小,作用越強 成鍵原子半徑和共用電子對數目。鍵長越小,鍵能越大,共價鍵越穩定
對物質 性質的 影響 ①影響物質的熔點、沸點、溶解度等物理性質 ②組成和結構相似的物質,隨相對分子質量的增大,物質的熔、沸點升高,如CF4H2S ②分子內氫鍵降低物質的熔、沸點 共價鍵鍵能越大,分子穩定性越強
1.下列敘述與分子間作用力無關的是(　　)
A．氣體物質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
D
2.下列關于范德華力的敘述中，正確的是(　　)
A．范德華力的實質也是一種電性作用，所以范德華力是一種特殊的化學鍵
B．范德華力與化學鍵的區別是作用力的強弱問題
C．任何分子間在任意情況下都會產生范德華力
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
3.下列說法正確的是(　　)
A．H2O的沸點比HF高，是由于每摩爾分子中水分子形成的氫鍵數目多
B．液態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N2O4
C．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
4.下列說法中，錯誤的是(　　)
A．鹵化氫中，HF的沸點最高，是由于HF分子間存在氫鍵
B．鄰羥基苯甲醛的沸點比對羥基苯甲醛的沸點低
C．H2O的沸點比HF的沸點高，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
C

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