高三化学分子间作用力教案.pdf

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城东蜊市阳光实验学校分子间作用力

一、分子间作用力
1、极性分子与非极性分子
每个分子中正、负电荷总量相等，整个分子是电中性的。但对每一种电荷量来说，都可设想一个集中点，称
“电荷中心〞。在任何一个分子中都可以找到一个正电荷中心和一个负电荷中心。
⑴极性分子：假设正电荷中心和负电荷中心不互相重合的分子叫极性分子。
⑵非极性分子：假设正电荷中心和负电荷中心互相重合的分子叫非极性分子。
⑶在简单双原子分子中，假设是两个一样的原子，由于电负性一样，两原子所形成的化学键为非极性键，这
种分子是非极性分子。假设两个原子不一样，其电负性不等，所形成的化学键为极性键，分子中正负电荷中
心不重合，这种分子就为极性分子。
⑷复杂的多原子分子来说，假设组成的原子一样〔如 S8、P4 等〕，原子间的化学键一定是非极性键，这种分
子是非极性分子〔O3 除外，它有微弱的极性〕。假设组成的原子不一样〔如 CH4、SO2、CO2 等〕，其分子的极
性不仅取决于元素的电负性〔或者者键的极性〕，而且还决定于分子的空间构型。如 CO2 是非极性分子，SO2
是极性分子。
2、分子偶极矩〔μ〕：衡量分子极性的大小
⑴μ= 为偶极长〔正负电重心之间的间隔〕，d 为正负电荷中心上的电荷量，
μ 可用实验测定，单位是库·米〔C·m〕。
⑵应用： : .
①假设某分子 μ=O 那么为非极性分子，μ≠0 为极性分子。μ 越大，极性越强，因此可用 μ 比较分子极性
的强弱。如 μHCl＝0×10－30C·m，μH2O＝4×10－30C·m
②用 μ 验证或者者判断某些分子的几何构型。如 NH3 和 BeCl3 都是四原子分子。μNH3＝4×10－30C·m，
μBeCl3＝0C·m，说明 NH3 是极性分子为三角锥形，BeCl3 为非极性分子为平面三角形的构型。
⑶诱导偶极和瞬间偶极
①诱导偶极：外电场影响下所产生的偶极
②瞬间偶极：在某一瞬间，分子的正电荷重心和负电荷重心会发生不重合现象，这时所产生的偶极
〔范德华力〕
化学键的结合能一般在 102kJ·mol－1 数量级，而分子间力的能量只有几个 kJ·mol－1。
⑴取向力：极性分子之间的永久偶极而产生的互相作用力。它仅存在于极性分子之间。
【注意】取向力的本质是静电作用。分子的极性越大，取向力越大；温度越高，取向力越小。
⑵诱导力：诱导偶极同极性分子的永久偶极间的作用力
极性分子作为电场，使非极性分子产生诱导偶极或者者使极性分子的偶极增大〔也产生诱导偶极〕，这时诱导
偶极与永久偶极之间产生诱导力。因此诱导力存在于极性分子与非极性分子之间，也存在于极性分子与极性
分子之间。
【注意】诱导力的本质也是静电作用。一般来说，极性分子的极性越大，诱导力越大。分子的变形性越大，
诱导力也越大。诱导力与温度无关。
⑶色散力：由于存在“瞬间偶极〞而产生的互相作用力。 : .
由于各种分子均有瞬间偶极，故色散力存在于极性分和极性分子，极性分子和非极性分子及非极性分子和非
极性分子之间。
非极性分子 极性分子 极性分子 极性分子 非极性分子
_ _ + + _ _
+ + _+_+
_ +
诱导
产生瞬时偶极 产生诱导偶极
取向作用
_ _ _ _ _ _
+ + + + + +
+
色散力 取向力 诱导力
【注意】色散力的大小与分子的变形性有关。分子变形性越大，色散力就越大。
⑷分子间作用力的特点
①本质是一种电性作用力〔静电吸引〕，永远存在于分子之间。
②力的作用很小。一般只有几—几十千焦每摩，比化学键键能小 1-2 个数量级。
③无方向性和饱和性。
④作用范围：是短程力，作用范围仅几百库·米，当分子间间隔为分子本身直径的 4~5 倍时，作用力迅速减
弱。
⑤对大多数分子，色散力是主要的，一般相对大小，色散力＞取向力＞＞诱导力。
⑸影响分子间作用力的因素：
①分子间间隔，这是主要因素，间隔增大，作用力迅速减弱。
②取向力还与温度和分子的极性强弱有关：温度升高，取向难，取向力减弱，分子偶极矩越大，取向力越强。
③诱导力还与极性分子极性强弱和非极性分子的变形性大小有关：极性分子偶极矩越大，非极性分子极化率 : .
越大，诱导力越强。
④色散力主要与分子的变形性有关，即分子极化率越大，色散力越强。
⑹分子间力对物质物理性质的影响：主要影响熔、沸点、气化热、熔化热。
①液态物质分子间力越大，气化热越大，沸点越高。
②固态物质分子间力越大，熔化热越大，熔点越高。
③一般说：构造相似的同系列物质〔如 X2〕相对分子质量越大，分子变形性也越大，分子间力越强，物质的
熔、沸点就越高。
④相对分子质量相等〔如 H3PO4、H2SO4〕或者者近似而体积大的有较大变形性熔、沸点相对较高。
⑤溶质或者者溶剂〔假设它们是同系列，如有机物中〕的极化率 α 越大，分子变形性和分子间的力越大，溶
解度越大。
⑥分子极性小的〔如聚乙烯、聚异丁烯等〕分子间力小，硬度不大，含有极性基因的有机玻璃等物，分子间
力较大，具有一定的硬度。
二、氢键
在 HX 熔、沸点变化出现反常，这是因除分子间力外，还有氢键。
1、氢键的形成
氢键的生成，主要是由偶极与偶极之间的静电吸引作用。当氢原子与电负性甚强的原子(如 A)结合时，因极化
效应，其键间的电荷分布不均，氢原子变成近乎氢正离子状态。此时再与另一电负性甚强的原子(如 B)相遇时，
即发生静电吸引。因此结合可视为以 H 离子为桥梁而形成的，故称为氢键。 : .
⑴氢键的表示：A─H---B
其中 A、B 是氧、氮或者者氟等电负性大且原子半径比较小的原子。
生成氢键时，给出氢原子的 A—H 基叫做氢给予基，与氢原子配位的电负性较大的原子 B 或者者基叫氢承受基，
具有氢给予基的分子叫氢给予体。把氢键看作是由 B 给出电子向 H 配对，电子给予体 B 是氢承受体，电子承
受体 A─H 是氢给予体。
⑵强度用键能表示
⑶键能：指 A─H---B 分解成 A-H 和 B-H 所需的能量。
E 
OH
一般在 42kJ·mol-1 以下，比一一共价键键能小很多，而与分子间力更接近。例如 H2O 中，
=463kJ·mol-1，而氢键键能仅为 13kJ·mol-1。
H O H O
H
H
⑷键长：指 A 原子中心到 B 原子中心的间隔
氢键的形成，既可以是一个分子在其分子内形成，也可以是两个或者者多个分子在其分子间形成。例如:水扬
醛和 2—甲基—2—芳氧基丙酸分别在其分子内形成了氢键，而氟化氢和甲醇那么是在其分子之间形成氢键。
氢键并不限于在同类分子之间形成．不同类分子之间亦可形成氢键，如醇、醚、酮、胺等相混时，都能生成
类似 O 一 H…O 状的氢键。例如，醇与胺相混合即形成以下形式的氢键： : .
一般认为，在氢键 A—H…B 中，A—H 键根本上是一一共价键，而 H…B 键那么是一种较弱的有方向性的范德华
引力。因为原子 A 的电负性较大，所以 A—H 的偶极距比较大，使氢原子带有部分正电荷，而氢原于又没有内
层电子，同时原子半径(约 30pm)又很小，因此可以允许另一个带有部分负电何的原子 B 来充分接近它，从而
产生强烈的静电吸引作用，形成氢键。
2、氢键的特点
⑴氢键的饱和性
由于氢原子特别小而原子 A 和 B 比较大，所以 A—H 中的氢原子只能和一个 B 原子结合形成氢键。同时由于负
离子之间的互相排斥，另一个电负性大的原子 B′就难于再接近氢原子。这就是氢键的饱和性。
⑵氢键的方向性
氢键具有方向性那么是由于偶极矩 A—H 与原于 B 的互相作用，只有当 A—H…B 在同一条直线上时最强，同时
原子 B 一般含有未一一共用电子对，在可能范围内氢键的方向和未一一共用电子对的对称轴一致，这样可使
原子 B 中负电荷分布最多的部分最接近氢原子，这样形成的氢键最稳定。
⑶影响氢键的因素
①氢键的强弱与原子 A 与 B 的电负性大小有关，A、B 的电负性越大，那么氢键越强；
②与原子 B 的半径大小有关，即原子 B 的半径越小别越容易接近 H—A 中的氢原子，因此氢键越强，
例如，氟原子的电负性最大而半径很小，所以氢键中的 F—H…F 是最强的氢键。在 F—H、O—H、N—H、C—H
系列中，形成氢键的才能随着与氢原子相结合的原子的电负性的降低而递降。碳原子的电负性很小，C—H 一
般不能形成氢键，但在 H—C≡N 或者者 HCCl3 等中，由于氮原子和氯原子的影响，使碳原子的电负性增大， : .
这时也可以形成氢链。例如 HCN 的分子之间可以生成氢键，三氯甲烷和丙酮之间也能生成氢键：
3、分子间氢键和分子内氢键
⑴分子间氢键
一个分子的 A—H 基与另一个分子的原子 B 结合而成的氢键称为分子间氢键。分子间氢键按形成氢键的分子是
否一样，又分为一样分子间氢键和不同分子间氢键两类。
①一样分子间氢键
一样分子间氢键又可分为二聚分子中的氢键和多聚分子中的氢键两类。这里所说的二聚分子间的氢键，是指
两个一样分子通过氢键形成二聚体分子中的氢键；而多聚分子中的氢键，是指多个一样分子通过氢键结合而
成的分子中的氢键。
二聚分子中的氢键以二聚甲酸(COOH)2，中的氢键最典型。它是由一分子甲酸中的羟基氢原子和另一分子羧基
中羰基氧原子彼此结合而成的环状构造。
由于二聚体没有可供再缔台的氢原子，所以不能形成三聚体分子。一般如 CH3COOH、C6H5COOH 等都能借氢键
结合成二聚分子(RCOOH)2
一样分子通过氢键形成的多聚分子，其构造又有链状构造、环状构造、层状构造和立体构造之分。其中链状
构造以团体氟化氢比较典型。其构造式为： : .
多聚分子中氢键的立体构造
的典型例子是冰，如图 1—3
所示。在冰中，H2O 分子间互
相作用能为 51．04kJ/mol，
其中四分之一可归结于范德
华引力，余下的 37．64kJ 是
破坏氢键所需要的能量，所以
冰中氢键。一 H…O 的健能是
每摩尔镁 18．8kJ。
冰的晶体构造：(小球代表氢原子,大球代表氧原子,实线代表 H—O 键，虚线代表氢键)
②不同分子间氢键
在许多化合物中，不同分子之间也能形成氢键。例如，苯甲酸和丙酮可以形成分子间氢键。草酸二水合物是
草酸两个羟基中的氢原子分别与两个水分子的氧原子之间通过氢键形成的晶体。
不同分子之间的氢键在溶液中广泛存在，例如：乙醇水溶液中，乙醇和水分产通过氢键缔合在一起。
氢键在生物分子中也广泛存在，这些氢键的存在对生物体的生存起着重要作用。蛋白质是由许多氨基酸通过
肽键相连而成的高分子物质。这些肤键都是很强的一一共价键，键能较大，但是蛋白质的主链和侧链连有许
多的亚氨基( )、碳基( )和羟基，这些极性基因可形成次级键(主要是氢键)，使蛋白质形成一
定的构象。氢键键能虽小，但在蛋白质中它们为数很多，对蛋白质的空间构造起着重要作用。1951 年 Pauling : .
提出著名的 α—螺旋体。他认为蛋白质肽链象螺旋—样盘曲，位于主链和侧链的亚氨基、羰基、羧基等在螺
旋体内形成许多氢键。
另外．在 DNA 分子中，根据 DKA 钠盐结晶的 x 射线衍射研究和碱基摩尔比例规律，1953 年 Waston—Crick 提
出 DNA 的双螺旋构造学说。DNA 的双螺旋构造，是由两条多聚脱氧核糖核苷酸链组成，其中两条链中的碱基通
过氢键结合在一起。
⑵分子内氢键
一个分子的 A—H 键与其分子内部的原子 B 相结合而成的氢键称为分子内氢键。即分子内含有氢供基 A—H 和
氢受基 B 的化合物，在两个基的相对位置适宜时，能生成分于内氢控。例如，邻硝基苯酚中羟基上的氢原子
能与邻位上硝基中的一个氧原子生成强的氢键。由于官能团与苯环的一一共扼作用，使以下平面构型变得稳
定。由于受环状构造中其它原于镶角的限制，所以分子内氢键 A—H…B 不能在同一直线上，一般键角约为 150。
左右。
一个化合物生成分子内氢键时，虽然生成能不大，但就嫡而言是有利的，因此容易生成。在芳烃的二取代或
者者多取代衍生物中，除了一个必须是氢供基而另一个必须是氢受基外，这两个基还必须处于邻位，才能形
成分子内氢键。例如，在苯酚的邻位上有—COOH、—NO2：、—NO、—CONH2、—COCH3：和 Cl 等取代基的化合
物都能形成分子内氢键。如下式所示；
分子内氢键也存在于含氮的化合物中，例如：
另外，可以形成分子内氢键的化台物并不限于芳香族化台物脂肪族化台物亦可。例如：
总之，化台物形成分子内氢键后，通常具有环状构造。一般来说，通过氢键形成的螯形环内不含有双键或者 : .
者只含一个双键的，以五元环最稳定；当环内含有两个双键时，以六元环最稳定。另外，供氢基和受氢基相
隔较远时不能形成氢键。对于苯的衍生物，氢供基和氢受基处于邻位时，有利于生成分子内氢键，而间位和
对位异构体那么不能。成环的分子内氢键的键角可以稍偏离 180。，但偏离太多那么不稳定。因此，一般通过
分子内氢径形成六元环比五元环稳定。
除上述形成环状构造的分子内氢键外，还有一种分子内氢健，它是非环状构造，但这种分子内氢键与前者相
比为数极少。例如在 NH4OH 分子中，NH4+和 OH-基团是以氢键连接起来的。在氢氧化铵的水溶液中，存在着下
式所示的复杂平衡关系：
4、氢键对物质性质的影响
〔1〕熔、沸点，有氢键存在的物质比同系列中无氢键物质熔、沸点高，如 HX。分子内氢键，熔、沸点常降低，
如有分子内氢键的邻硝基酚熔点〔45℃〕比有分子间氢键的间位硝基苯酚〔以熔点定 96℃〕和对位硝基苯酚
的熔点〔114℃〕都低。
〔2〕溶解度：在极性溶剂中，假设溶液和溶剂分子间形成氢键，溶质的溶解度增大，如 HF 和 NH3 在水中溶
解度较大。
3〕粘度：分子间有氢键的液体，一般粘度较大，如甘油、H3PO4、浓硫酸等多羟基化合物。
〔4〕密度：液体分子间假设形成氢键，有可能发生缔合现象，如液态HF 中除简单 HF 分子外，还有通过氢键
缔合