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2.4 分子间作用力
【学习目标】
1.结合实例说明化学键和分子间作用力的区别。
2.了解分子间作用力对物质的状态等方面的影响。
3.了解含有氢键的物质,知道氢键的存在对物质性质的影响。　
【自主预习】
一、范德华力及其影响因素
1.分子间作用力
(1)概念
分子间存在的一类弱的　　　　　　。
(2)分类
2.范德华力
(1)概念:　　　　之间普遍存在的一种　　　,它使许多物质能以一定的凝聚态(固态和液态)存在。
(2)特点:比化学键的键能　　　　得多。
(3)实质:　　　　　　,没有饱和性和方向性。
3.范德华力与物质性质
(1)范德华力对物质性质的影响
范德华力主要影响物质的　　　　、沸点等物理性质。范德华力越强,物质的熔点、沸点　　　　,如F2、Cl2、Br2、I2的熔点、沸点依次　　　　。
(2)影响范德华力的因素
a.分子结构和组成相似的物质,　　　　越大,范德华力越强。
b.分子的　　　　越强,范德华力越强。
二、氢键及其影响因素
1.氢键的概念
当氢原子与　　　　　大的原子X以共价键结合时,H原子与另一个　　　　大的原子Y之间的　　　　相互作用和一定程度的轨道　　 　作用。
2.氢键的表示形式
(1)通常用　　　　　表示氢键,其中X—H表示氢原子和X原子以　　　　　相结合。
(2)氢键的键长是指　　　　　间的距离,氢键的作用能是指X—H…Y分解为　　　　和　　　　所需要的能量。
3.氢键的形成条件
(1)氢原子位于X原子和Y原子之间。
(2)X、Y原子所属元素具有较大的　　　　　和较小的　　　　　　。一般是　　　　　原子、　　　　原子和　　　　原子。
4.氢键的类型
氢键
5.氢键的特征
(1)氢键的键能比范德华力的作用能　　　　　,比化学键的键能　　　　　。
(2)氢键具有一定的　　　　　和　　　　　。
6.氢键对物质性质的影响
(1)当形成分子间氢键时,物质的熔、沸点将　　　　。
(2)氢键也影响物质的　　　　、　　　　等过程。
【参考答案】一、1.相互作用　范德华力　氢键　2.分子　相互作用力　小　电性作用　3.熔点　越高　升高　相对分子质量　极性
二、1.电负性　电负性　静电　重叠　2.X—H…Y　共价键　X和Y　X—H　Y　3.电负性　原子半径　氮
氧　氟　4.分子内　分子间　5.大　小得多　方向性
饱和性　6.升高　电离　溶解
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)分子间作用力就是范德华力。 (　　)
(2)范德华力存在于任何物质中。 (　　)
(3)范德华力比化学键弱得多。 (　　)
(4)CH4、C2H6、C3H8的熔点、沸点依次升高。 (　　)
(5)HF、HCl、HBr、HI的稳定性依次减弱,是因为分子间作用力依次减弱。 (　　)
(6)H2O分子间在任何情况下都存在氢键。 (　　)
(7)氢键的作用比范德华力大,氢键是化学键。 (　　)
(8)水分子易与NH3分子形成氢键,增大了NH3的溶解度。 (　　)
(9)沸点:H2O>H2S,是因为相对分子质量:H2O【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×　(6)×　(7)×　(8)√　(9)×
2.影响范德华力的因素有哪些 有什么规律
【答案】相对分子质量、分子的极性等。一般来说,对于组成和结构相似的物质,相对分子质量越大,范德华力越大;对于相对分子质量相近的分子,分子的极性越强,范德华力越大。
3.甲醛、甲醇和甲酸均易溶于水的主要原因是什么
【答案】它们都能和H2O形成分子间氢键;三者均为极性分子,易溶于极性溶剂。
4.Cl2、Br2、I2三者的组成和化学性质均相似,但在常温常压下,三者的状态却分别为气态、液态、固态,为什么
【答案】Cl2、Br2、I2的组成和结构相似,但由于三者的相对分子质量逐渐增大,所以范德华力逐渐增大,熔、沸点逐渐升高,故状态分别为气态、液态、固态。
【合作探究】
任务1：范德华力与物质性质
情境导入　壁虎是我们非常熟悉的一种生物,它能够在墙上随意行走。那么它是如何实现这个操作的呢 壁虎脚掌上的刚毛的主要成分是蛋白质,这些刚毛非常细小,刚毛的末端还分叉出很多更加细小的纤毛,达到纳米的级别。当壁虎的脚爬在墙面上时,这些纤毛末端会非常贴近墙面上的分子,从而产生“范德华力”。因此,壁虎无论是在光滑的玻璃还是在粗糙的树干上都能够行走自如。
1.某些分子间的范德华力如下表,回答下列问题。
分子 Ar CO HI HBr HCl
相对分子质量 40 28 128 81 36.5
范德华力/(kJ·mol-1) 8.50 8.75 26.00 23.11 21.14
(1)为什么范德华力:HI>HBr>HCl
(2)为什么范德华力:CO>Ar
【答案】(1)组成和结构相似,相对分子质量越大,范德华力越大。
(2)分子极性越强,范德华力越大。
2.对于由分子构成的物质,所有分子间都存在范德华力吗
【答案】由分子构成的液态和固态物质,范德华力存在于相邻的分子之间;由分子构成的气态物质,只有分子间充分接近时才存在范德华力。
【核心归纳】
范德华力对物质性质的影响
(1)一般来说,组成和结构相似的分子构成的物质,相对分子质量越大,分子间作用力越大,物质的熔、沸点越高。例如,熔、沸点:F2(2)分子组成相同的物质(互为同分异构体),分子对称性越好,范德华力越小,物质的熔、沸点越低。例如,熔、沸点:新戊烷<异戊烷<正戊烷;沸点:对二甲苯<间二甲苯<邻二甲苯。
(3)相对分子质量相近的物质,分子的极性越弱,范德华力越小,物质的熔、沸点通常越低。例如,熔、沸点:N2【典型例题】
【例1】下列叙述与范德华力无关的是(　　)。
A.气态物质在加压或降温时能凝结或凝固
B.干冰易升华
C.氟、氯、溴、碘单质的熔、沸点依次升高
D.氯化钠的熔点较高
【答案】D
【解析】一般来说,由分子构成的物质,其物理性质通常与范德华力密切相关。A、B、C三项中涉及的物质都是由分子构成的,故其表现的物理性质与范德华力有关。D项中的NaCl是离子化合物,不存在分子,故其物理性质与范德华力无关。
【例2】有下列两组命题:
A组 B组
Ⅰ.H—I键的键能大于H—Cl键的键能 Ⅱ.H—I键的键能小于H—Cl键的键能 Ⅲ.HI的分子间作用力大于HCl的分子间作用力 Ⅳ.HI的分子间作用力小于HCl的分子间作用力 a.HI比HCl稳定 b.HCl比HI稳定 c.HI的沸点比HCl高 d.HI的沸点比HCl低
B组命题正确且能用A组命题进行解释的是(　　)。
①Ⅰ　a　②Ⅱ　b　③Ⅲ　c　④Ⅳ　d
A.①③　　　B.②③　　　C.①④　　　D.②④
【答案】B
【解析】键能的大小决定物质的热稳定性,键能越大,物质越稳定,H—Cl键的键能比H—I键的键能大,HCl比HI稳定;分子间作用力影响物质沸点的高低,分子间作用力越大,沸点越高,HI的分子间作用力大于HCl的分子间作用力,HI的沸点比HCl高。
任务2：氢键与物质性质
【实验探究】
1.水是生命之源,具有很多奇特的性质。结合图中信息思考并分析有关问题。
ⅥA族元素的氢化物的熔点和沸点
(1)根据氢键的相关知识分析为什么冰浮在水面上
(2)为什么测定接近沸点的水蒸气的相对分子质量比用化学式H2O计算出来的大
(3)在ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素的氢化物中,为什么NH3、H2O、HF三者的相对分子质量分别小于同主族其他元素的氢化物,但熔、沸点却比其他元素的氢化物高
(4)范德华力、氢键、共价键的强弱都能影响分子的稳定性吗
【答案】(1)由于水分子之间存在氢键,水凝结为冰时,体积变大,密度变小;冰融化为水时,体积减小,密度变大。
(2)因在接近沸点时,水分子通过氢键形成“缔合”分子,所以水蒸气的相对分子质量比用化学式H2O计算出来的大。
(3)氢键作用能比范德华力作用能大,NH3、H2O、HF三者的分子间能形成氢键,同主族其他元素的氢化物不能形成氢键,所以NH3、H2O、HF的熔点和沸点高于同主族其他元素的氢化物。
(4)范德华力、氢键不影响分子的稳定性;共价键的强弱影响分子的稳定性。
2.乙醇和二甲醚的沸点分别为78.3℃、-24.9℃。乙醇和二甲醚互为同分异构体,相对分子质量相同,为什么沸点相差这么多
【答案】乙醇能形成分子间氢键,导致乙醇沸点偏高,二甲醚不能形成分子间氢键。
3.为什么邻羟基苯甲醛的沸点低于对羟基苯甲醛
【答案】对羟基苯甲醛可以形成分子间氢键,沸腾时需破坏氢键;邻羟基苯甲醛形成分子内氢键,不能形成分子间氢键,沸腾时只需破坏范德华力。氢键的强度大于范德华力的强度,所以邻羟基苯甲醛的沸点低于对羟基苯甲醛。
4.为什么NH3极易溶于水
【答案】NH3与H2O之间形成分子间氢键;NH3和H2O均是极性分子,极性溶质一般能溶于极性溶剂。
5.乙醇、戊醇都有羟基,都可以与水形成分子间氢键,为什么在水中的溶解度:戊醇<乙醇
【答案】乙醇的化学式为CH3CH2OH,其中的—OH与水分子的—OH相近,因而乙醇能与水互溶;而戊醇CH3CH2CH2CH2CH2OH中的烃基较大,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显减小。相似相溶还适用于分子结构的相似性。
【核心归纳】
范德华力、氢键、共价键的比较
作用力 范德华力 氢键 共价键
概念 物质分子之间普遍存在的一种相互作用力 由已经与电负性很大的原子形成共价键的氢原子与另一个分子中电负性很大的原子之间的作用力 原子间通过共用电子对所形成的相互作用
分类 - 分子内氢键、分子间氢键 极性共价键、非极性共价键
特征 无方向性、无饱和性 有方向性、有饱和性 有方向性、有饱和性
强度 比较 共价键>氢键>范德华力
影响强 度的 因素 ①随着分子极性和相对分子质量的增大而增强;②组成和结构相似的物质,相对分子质量越大,范德华力越强 对于X—H…Y,X、Y的电负性越大,X、Y原子的半径越小,键能越大 成键原子半径越小,键长越短,键能越大,共价键越稳定
对物质 性质的 影响 影响物质的熔、沸点及溶解度等物理性质,如熔、沸点:F2H2S,HF>HCl,NH3>PH3 ①影响分子的稳定性; ②共价键键能越大,分子稳定性越强
特别提醒：1.氢键和范德华力都属于分子间作用力,不能把氢键当成是化学键。
2.分子间氢键和范德华力可以同时存在。
3.分子间作用力主要影响由分子构成的物质的物理性质,而化学键决定分子的稳定性。
4.只有分子间距离接近到一定程度时才有分子间作用力(包括范德华力和氢键)。
5.某些分子间作用力包括范德华力和氢键,所以分子间作用力不等价于范德华力。
【典型例题】
【例3】维生素B1可作为辅酶参与糖的代谢,并有保护神经系统的作用。该物质的结构简式如图,维生素B1晶体溶于水的过程要克服的微粒间作用力有(　　)。
A.只有离子键、共价键　 　 B.离子键、氢键、共价键
C.只有氢键、范德华力 D.离子键、氢键、范德华力
【答案】D
【解析】维生素B1分子中含有氨基和羟基,易形成氢键,故溶于水时要破坏离子键、氢键和范德华力,D项正确。
【例4】我国科学家对金(111)表面进行生长的二维双层冰的边缘结构实现了成像观察,二维冰层的AFM表征细节(图1)及其结构模型(图2)如图。下列说法正确的是(　　)。
A.受到能量激发时“准液体”的水分子与下层固态水分子脱离,使冰面变滑
B.固态水分子之间的化学键较强,“准液体”水分子之间的化学键较弱
C.由于水分子间的氢键比较牢固,使水分子很稳定,高温下也难分解
D.气相水分子、“准液体”水分子和固态水分子属于三种不同的化合物
【答案】A
【解析】受到能量激发时,“准液体”的水分子与下层固态水分子连接的氢键断裂,产生“流动性的水分子”,使冰面变滑,A项正确;水分子之间存在范德华力和氢键,不存在化学键,B项错误;氢键影响水的熔、沸点,与水分子的稳定性无关,水分子很稳定是因为分子内H—O键的键能较大,C项错误;气相水分子、“准液体”水分子和固态水分子为H2O的不同存在形式,为同一种物质,D项错误。
【随堂检测】
1.下列物质的性质与氢键无关的是(　　)。
A.冰的密度比液态水的密度小
B.NH3易液化
C.NH3分子比PH3分子稳定
D.在相同条件下,H2O的沸点比H2S的沸点高
【答案】C
【解析】NH3分子比PH3分子更稳定,因为键能:N—H键>P—H键。
2.下列现象能说明分子间存在作用力的是(　　)。
A.HCl与NH3在空气中相遇时的冒烟现象
B.气体能液化
C.稀有气体的灯管通电后发出有颜色的光
D.HI受热分解
【答案】B
【解析】HCl与NH3在空气中相遇冒烟是因为生成了NH4Cl;稀有气体通电发出有颜色的光是因为其电子受激发释放出光能;HI受热分解是因为生成了H2和I2,这些均不能说明分子间存在作用力。
3.在“固体氯→液氯→氯气→氯原子”的变化过程中,被破坏的作用力依次是(　　)。
A.范德华力、范德华力、范德华力
B.共价键、共价键、共价键
C.范德华力、共价键、共价键
D.范德华力、范德华力、共价键
【答案】D
【解析】固体氯→液氯→氯气属于物质的三态变化,属于物理变化,破坏了范德华力,氯气→氯原子破坏了共价键。
4.2022年2月20日晚,第24届冬奥会在北京国家体育场胜利闭幕。下列关于“冰”与“雪”的说法正确的是(　　)。
A.冰中氢键的键能为18.8 kJ·mol-1,即融化含1 mol氢键的冰需要吸收18.8 kJ的热量
B.ρ(干冰)>ρ(水)>ρ(冰)的原因是分子间作用力大小不同
C.雪花的六角形形状与氢键的方向性有关
D.可燃冰是甲烷分子与水分子之间通过氢键形成的
【答案】C
【解析】冰中不仅存在氢键还有范德华力,故融化含1 mol氢键的冰需要吸收的热量大于18.8 kJ,A项错误;冰和水分子之间的作用力相等,ρ(水)>ρ(冰)是因为氢键作用,B项错误;氢键具有方向性和饱和性,故雪花都是六角形形状,C项正确;甲烷分子与水分子之间不存在氢键,D项错误。
5.(1)甲醇的沸点(64.7 ℃)介于水(100 ℃)和甲硫醇(CH3SH,7.6 ℃)之间,其原因是　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)NH3的沸点比PH3的　　　　,原因是　　　　　　　。
(3)H2S、CH4、H2O的沸点由高到低的顺序为　　　　　。
【答案】(1)甲硫醇不能形成分子间氢键,而水和甲醇均能,且水比甲醇的氢键多
(2)高　NH3分子间形成了氢键
(3)H2O>H2S>CH4
【解析】(1)氧的非金属性强于硫,甲醇含有O—H,可形成分子间氢键,水分子间氢键数目较多,甲硫醇分子间不含氢键,所以水的沸点最高,甲硫醇的沸点最低。
(2)NH3分子间形成了氢键,而PH3分子间不能形成氢键,氢键使物质的沸点升高,所以NH3的沸点比PH3的高。
(3)CH4、H2S分子间只有范德华力,H2O分子间还存在氢键,所以H2O的沸点最大,H2S的相对分子质量大于CH4,范德华力大于CH4,故沸点排序为H2O>H2S>CH4。
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