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第四单元　分子间作用力　分子晶体
第1课时　范德华力与氢键
1.了解范德华力的实质及对物质性质的影响。2.了解氢键的实质、特点、形成条件及对物质性质的影响。
范德华力
学习任务一
1.分子间作用力
(1)概念:将分子聚集在一起的作用力称为分子间作用力。
(2)范围:共价分子间都存在分子间作用力。
(3)特点:分子间作用力本质上是一种静电作用,比化学键弱得多。
(4)分类: 和 是两种最常见的分子间作用力。
范德华力
氢键
2.范德华力
(1)范围:范德华力是一种普遍存在于固体、液体和气体分子之间的作用力。
(2)特点:与共价键相比,范德华力较小,一般没有饱和性和方向性。
(3)影响因素。
①分子的大小、 以及分子中电荷分布是否均匀等。
②组成和结构相似的分子,其范德华力一般随着相对分子质量的增大而增大。
空间构型
(4)对物质性质的影响。
主要影响物质的 、 、 等物理性质。
①分子间范德华力越大,物质的熔、沸点 。
②溶质与溶剂分子间的范德华力越大,物质的溶解度 。
熔点
沸点
溶解度
越高
越大
为了研究气体分子的运动规律,科学家提出了一种理想气体模型,假设气体分子不具有体积,并且气体分子之间不存在相互作用。根据这种模型提出的理想气体状态方程对气体分子运动规律的描述与实验事实出现了偏差。荷兰物理学家范德华修正了关于气体分子运动的以上假设,指出气体分子本身具有体积,并且分子间存在引力。由此,范德华提出了描述实际气体行为的真实气体状态方程,根据这个方程计算的结果与实验事实十分吻合。由于是范德华首次将分子间作用力的概念引入气体状态方程,人们便将分子间作用力称为范德华力。
探究　范德华力与物质性质
问题1:范德华力与化学键有什么不同
提示:化学键存在于原子、离子之间,而范德华力存在于分子之间。
问题2:液态苯、汽油等发生汽化时,为何需要加热
提示:液态苯、汽油等发生汽化需要吸收能量,克服其分子间的相互作用。
问题3:卤族元素单质F2、Cl2、Br2、I2的熔点、沸点逐渐升高的原因是什么
提示:分子结构和组成相似的物质,相对分子质量越大,范德华力越大,克服范德华力使物质熔化和汽化就需要越多的能量,熔点、沸点越高。
问题4:试比较HCl、HBr、HI三者的熔、沸点高低及稳定性。
提示:熔、沸点按照HCl、HBr、HI顺序依次升高;稳定性按照HCl、HBr、HI顺序依次降低。
归纳拓展
范德华力对物质性质的影响
1.组成和结构相似的分子,相对分子质量越大,范德华力越大,物质的熔、沸点就越高。如熔、沸点:CF42.组成相似且相对分子质量相近的物质,分子的电荷分布越不均匀,范德华力越大,其熔、沸点就越高,如熔、沸点:CO>N2。
3.在同分异构体中,一般来说,支链越多,熔、沸点就越低,如沸点:正戊烷>异戊烷>新戊烷。
4.范德华力主要影响物质的物理性质如熔沸点、溶解性等,物质的稳定性等化学性质与物质中存在的化学键有关。
1.下列有关范德华力的叙述正确的是(　　)
A.范德华力的实质是一种静电作用,所以范德华力是一种特殊的化学键
B.范德华力与化学键的区别是作用力的强弱不同
C.任何分子间在任意情况下都会产生范德华力
D.范德华力非常微弱,故破坏范德华力不需要消耗能量
B
【解析】 范德华力的实质是一种静电作用,但范德华力是分子间较弱的作用力,不是化学键,A错误;化学键是微粒间强烈的相互作用,范德华力是分子间较弱的作用力,B正确;若分子间的距离足够远,则分子间没有范德华力,C错误;虽然范德华力非常微弱,但破坏它时也要消耗能量,D错误。
2.北京冬奥会首次使用CO2跨临界直冷新型环保制冰技术。下列有关说法不正确的是(　　)
A.CO2是由极性键构成的分子
B.干冰中CO2分子间只存在范德华力
C.干冰升华是物理变化
D.此技术制冰的过程中发生的是化学变化
D
3.下列叙述与范德华力无关的是(　　)
A.NH3的热稳定性大于PH3
B.通常状况下氯化氢为气体
C.氟、氯、溴、碘单质的熔、沸点依次升高
D.邻二甲苯的沸点高于对二甲苯的沸点
A
【解析】 范德华力主要影响物质的熔、沸点等物理性质。NH3的热稳定性大于PH3,与化学键的键能有关,A错误;氯化氢分子之间的作用力是很弱的范德华力,因此通常状况下氯化氢为气体,B正确;一般来说,组成和结构相似的物质,随着相对分子质量的增加,范德华力逐渐增大,物质的熔、沸点逐渐升高,C正确;对二甲苯比邻二甲苯的对称性高,范德华力小,沸点低,D正确。
氢键
学习任务二
1.氢键的形成和表示
当氢原子与 、 的原子X以共价键结合时,氢原子能够跟另一个 、 的原子Y之间形成氢键,通常用 表示。上述X、Y通常指 等。
2.氢键的特点
(1)氢键具有一定的 性和 性。
(2)氢键比化学键 ,比范德华力 。
(3)氢键有 氢键和 氢键两种。
电负性大
半径较小
电负性大
半径较小
X—H…Y
N、O、F
方向
饱和
弱
强
分子内
分子间
3.氢键对物质性质的影响
(1)含有 氢键的物质具有较高的熔、沸点。如氟化氢的熔、沸点比氯化氢的 。
(2)含有 氢键的液体一般黏度较大。如甘油、硫酸等。
(3) 氢键的存在使溶质在水中的溶解度比较大。如氨 溶于水,乙醇和水能以任意比 等。
分子间
高
分子间
分子间
极易
互溶
(4)含有 氢键的物质具有较低的熔、沸点。如对羟基苯甲醛的熔点
邻羟基苯甲醛( )的;醋酸和硝酸的相对分子质量接近,
但这两种物质的熔点和沸点相差较大,因为醋酸分子形成了 氢键,而硝酸分子形成了 氢键。
分子内
高于
分子间
分子内
(5)对物质密度的影响:氢键的存在会使某些物质的密度反常。如水的密度比冰的密度 。
大
物质由液态变为固态,通常是体积变小,但水结冰后体积却变大,如果是密闭容器里的水结成冰,甚至可能将容器撑破。另外,在氧族元素的氢化物中,常温、常压下硫化氢、硒化氢、碲化氢都是气体,只有水以液态存在。按照一般规律,水的沸点应该低于硫化氢的沸点,但事实却相反。
探究　氢键与物质性质的关系
问题1:为什么H2O的熔、沸点比H2S的高很多
提示:水分子间容易形成氢键,使它的熔、沸点反常地高。
问题2:从氨合成塔的气体中分离出NH3采用什么方法 为什么
提示:加压使NH3液化从而分离出NH3;因为氨分子间易形成氢键。
问题3:乙醇、乙酸等与水可以互溶,而乙烷不溶于水,其主要原因是什么
提示:乙醇、乙酸与水分子间能形成氢键,而乙烷与水分子间不能形成氢键。
问题4:为什么冰的密度小于水的
提示:冰的密度比水的小是由氢键的存在造成的。冰中所有水分子中的氢原子都参与形成氢键,使水分子之间的间隙增大,由此形成一个有很多“孔洞”的结构,使冰的密度小于水的。
问题5:氟化氢分子间氢键比水分子间氢键更强,为什么液体氟化氢的蒸发热比水的蒸发热低
提示:水分子之间形成的氢键的个数与氟化氢分子不同,折算下来,1个水分子可以形成2个氢键,但是1个氟化氢分子只形成1个氢键,所以总的作用力,水分子间的氢键强。
范德华力、氢键、共价键的比较
归纳拓展
项目 范德华力 氢键 共价键
概念 物质分子之间普遍存在的一种作用力 已经与电负性很大的原子形成共价键的氢原子与另一个电负性很大的原子之间的静电作用 原子间通过共用电子对所形成的相互作用
作用
微粒 分子 H与N、O、F等 原子
归纳拓展
特征 无方向性和饱和性 有方向性和饱和性 有方向性和饱和性
强度 共价键>氢键>范德华力
影响强度的因素　 组成和结构相似的分子构成的物质,一般相对分子质量越大,范德华力越大 对于X—H…Y,X、Y的电负性越大,Y原子的半径越小,作用越强 成键原子半径和共用电子对数目。键长越短,键能越大,共价键越稳定
归纳拓展
对物
质性
质的
影响 ①影响物质的熔点、沸点、溶解度等物理性质;
②组成和结构相似的物质,一般随相对分子质量的增大,物质的熔、沸点升高,如熔、沸点:CF4H2S;
②分子内氢键的存在,降低物质的熔、沸点 共价键键能越大,分子稳定性越强
题点一　氢键的理解与判断
1.关于氢键,下列说法正确的是(　　)
A.氢键比范德华力强,所以它属于化学键
B.冰中存在氢键,水中不存在氢键
C.分子间和分子内均可形成氢键
D.H2O是一种非常稳定的化合物,这是由于氢键所致
C
【解析】 氢键属于分子间作用力,其大小介于范德华力和化学键之间,不属于化学键,A错误;分子间和分子内均可形成氢键,C正确;在冰和水中都存在氢键,而H2O的稳定性主要是由分子内O—H键的键能决定,B、D错误。
2.下列物质中,分子内和分子间均可形成氢键的是(　　)
A.NH3 B.
C.H2O D.C2H5OH
B
题点二　氢键对物质性质的影响
3.物质的下列性质或数据与氢键无关的是(　　)
D
【解析】 甲酸分子间形成氢键,形成缔合分子[(HCOOH)n],在不同温度下,缔合分子的数目不同,因此密度不同,温度升高,缔合分子数减少,密度减小,
A不符合题意;邻羟基苯甲酸能形成分子内氢键,因此熔点较低,B不符合题意;乙醇能与水形成分子间氢键,因此在水中的溶解度很大,C不符合题意;
HF和HCl分解要破坏共价键,与氢键无关,D符合题意。
4.水分子间存在一种叫“氢键”的作用使彼此结合而形成(H2O)n。在冰中每个水分子被4个水分子包围形成变形的四面体,通过“氢键”相互连接成庞大的分子晶体。
(1)1 mol冰中有　　　　 mol “氢键”。
2
【解析】 (1)在冰晶体中,1个水分子与周围4个水分子形成四面体结构,1个水分子可以形成4个“氢键”,而1个“氢键”为两个水分子所共有,所以 1 mol 冰中含有2 mol “氢键”。
(2)水分子可电离生成两种含有相同电子数的微粒,其电离方程式为
　。
已知在相同条件下过氧化氢的沸点明显高于水的沸点,其可能的原因是 　。
过氧化氢分子之间存在更多的氢键
(3)氨气极易溶于水的原因之一也与氢键有关。请判断NH3溶于水后,形成的NH3·H2O的合理结构是如图的　　　　(填“a”或“b”)。
b
知识整合
一定条件下,CH4、CO2都能与H2O形成笼状结构的水合物晶体(如图所示),其相关参数如下表。CH4与H2O形成的水合物晶体俗称可燃冰。
分子 分子直径/nm 分子与H2O的结合能E/(kJ·mol-1)
CH4 0.436 16.40
CO2 0.512 29.91
(1)可燃冰中分子间存在的两种作用力是　 。
氢键、范德华力
【解析】 (1)可燃冰分子中存在的两种作用力是氢键和范德华力。
(2)为开采深海海底的可燃冰,有科学家提出用CO2置换CH4的设想。已知图中笼状结构的空腔直径为0.586 nm,结合上表,从物质结构及性质的角度分析,该设想的依据是
　 。
二氧化碳分子的直径小于笼状结构的空腔直径,且与
水的结合能大于甲烷的
【解析】 (2)根据题给数据可知,笼状结构的空腔直径是0.586 nm,而二氧化碳分子的直径是0.512 nm,笼状结构的空腔直径大于二氧化碳分子的直径,而且CO2与水分子之间的结合能大于甲烷的,因此可以实现用CO2置换CH4的设想。
(3)H2O与CH3CH2OH可以任意比例互溶,主要原因是
　。
水与乙醇之间可以
形成分子间氢键
【解析】 (3)水可以与乙醇互溶,是因为水与乙醇之间可以形成分子间氢键。
命题解密与解题指导
情境解读:以CH4、CO2能与H2O形成笼状结构的水合物晶体为载体,考查分子间作用力。
素养立意:借助对CH4、CO2与H2O形成笼状结构及作用力强弱的分析,探索开采可燃冰的可行方案,强化科学探究与创新意识、证据推理与模型认知素养。
思维建模:

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