高中化学分子间力专题讲义

高中化学分子间力专题讲义一、引言：为什么要研究分子间力？我们身边的许多现象都与分子间的相互作用有关：为什么常温下水是液态，而二氧化碳是气态？为什么冰的密度比水小，能浮在水面上？为什么碘单质易溶于四氯化碳，却难溶于水？这些问题的答案都指向分子间力（IntermolecularForces）——分子与分子之间的弱相互作用。它决定了物质的物理性质（如沸点、熔点、溶解度、粘度等），是理解分子晶体行为的关键。二、分子间力的定义与分类分子间力是分子与分子之间的相互作用，区别于分子内化学键（如共价键、离子键）的强烈作用（键能：____kJ/mol），分子间力的能量很小（范德华力：2-20kJ/mol；氢键：10-50kJ/mol），仅影响物质的物理性质。根据作用机制，分子间力可分为两类：范德华力（VanderWaalsForces）和氢键（HydrogenBond）。（一）范德华力：普遍存在的分子间力范德华力是所有分子（包括非极性分子）之间都存在的弱相互作用，分为色散力、诱导力、取向力三种，其中色散力是最主要的成分（占范德华力的80%-90%）。1.色散力（DispersionForce）：非极性分子的“瞬时吸引”定义：非极性分子（如H₂、O₂、CCl₄）之间通过瞬时偶极（InstantaneousDipole）产生的相互作用。产生原因：非极性分子的电子云是对称的（如H₂的电子云均匀分布在两个H原子之间），但电子的运动是随机的——某一时刻，电子可能偏向分子的一侧，导致分子产生瞬时偶极（暂时的极性）。这个瞬时偶极会诱导相邻分子产生相反的瞬时偶极，从而相互吸引（如图1所示）。特点：所有分子（无论极性与否）都存在色散力；色散力的大小取决于分子的电子数（或分子量）：电子数越多，电子云越容易变形，瞬时偶极越强，色散力越大；分子的形状也影响色散力：形状越舒展（如正丁烷），分子间接触面积越大，色散力越大；形状越紧凑（如异丁烷），接触面积越小，色散力越小。例子：卤素单质（F₂、Cl₂、Br₂、I₂）的状态随分子量增大而变化：F₂（气）→Cl₂（气）→Br₂（液）→I₂（固）。原因是分子量增大，色散力增强，分子间结合更紧密。2.诱导力（InducedForce）：极性分子与非极性分子的“诱导吸引”定义：极性分子的固有偶极（永久极性）会诱导非极性分子的电子云变形，产生诱导偶极，从而相互吸引（如图2所示）。特点：存在于极性分子与非极性分子之间（如HCl与Ar、H₂O与CCl₄）；诱导力的大小取决于：①极性分子的极性强弱（固有偶极越大，诱导力越大）；②非极性分子的电子云变形性（电子数越多，变形性越大，诱导力越大）。例子：HCl（极性）与Ar（非极性）之间存在诱导力，因此Ar能少量溶解于HCl溶液中。3.取向力（OrientationForce）：极性分子之间的“定向吸引”定义：极性分子的固有偶极会沿着相反方向排列（取向），从而产生相互吸引（如图3所示）。特点：仅存在于极性分子之间（如H₂O与H₂O、NH₃与NH₃）；取向力的大小取决于极性分子的极性强弱：极性越大（如H₂O的极性比NH₃大），取向力越大。范德华力的总结类型存在范围产生原因影响因素色散力所有分子瞬时偶极的相互作用分子量、分子形状诱导力极性分子与非极性分子固有偶极诱导瞬时偶极极性分子的极性、非极性分子的变形性取向力极性分子之间固有偶极的定向排列极性分子的极性大小顺序：对于极性分子，范德华力的主要贡献是色散力>取向力>诱导力（如HCl分子之间，色散力约占75%，取向力约占24%，诱导力约占1%）。（二）氢键：特殊的分子间力定义：当H原子与电负性大、半径小的原子（如F、O、N）相连时，H原子的正电荷被强烈吸引，与另一分子中F、O、N的孤电子对形成氢键（表示为“X-H…Y”，其中X、Y为F、O、N）。形成条件：1.存在X-H键（X为F、O、N，电负性大，使H原子带部分正电荷）；2.存在Y原子（Y为F、O、N，有孤电子对，能吸引H原子的正电荷）。特点：方向性：X-H…Y中的三个原子尽量在同一直线上（Y的孤电子对与X-H的σ键方向一致），以增强吸引力；饱和性：每个X-H键只能与一个Y原子形成氢键（因为H原子的半径小，无法同时吸引多个Y原子）；强度：氢键的能量（10-50kJ/mol）比范德华力（2-20kJ/mol）大，但远小于化学键（____kJ/mol），因此属于分子间力的特殊类型。例子：HF分子之间：H-F…H-F（每个HF分子可形成1个氢键）；H₂O分子之间：每个O原子有2个孤电子对，可与2个H原子形成氢键（O-H…O），因此H₂O分子之间形成网状结构（如图4所示）；NH₃分子之间：每个N原子有1个孤电子对，可与1个H原子形成氢键（N-H…N）。氢键对物质性质的特殊影响1.沸点异常：对于同族氢化物（如HF、HCl、HBr、HI），通常分子量越大，沸点越高，但HF的沸点（19.5℃）远高于HCl（-85.1℃）、HBr（-66.7℃）、HI（-35.4℃）。原因是HF分子间存在氢键，增强了分子间作用力，需要更多能量破坏氢键，因此沸点升高。同理，H₂O的沸点（100℃）远高于H₂S（-60.7℃）、H₂Se（-41.5℃），也是因为H₂O分子间存在氢键。2.冰的密度比水小：冰中每个H₂O分子通过氢键与4个相邻分子形成四面体结构（如图5所示），这种结构存在较大的空隙，导致冰的密度（0.917g/cm³）比水（1.00g/cm³）小。当冰融化成水时，部分氢键断裂，空隙减小，密度增大；当水温超过4℃时，分子的热运动加剧，分子间距离增大，密度又开始减小。3.溶解度：极性分子（如H₂O）易溶于能形成氢键的溶剂（如乙醇、甲醇），因为溶质与溶剂之间可形成氢键（如H₂O与乙醇的O-H…O氢键），增强了溶解性。而非极性分子（如I₂）难溶于水，但易溶于非极性溶剂（如CCl₄），这就是“相似相溶”原理的体现。三、分子间力的影响因素分子间力的大小主要受以下因素影响：1.分子的极性极性越大（如H₂O>NH₃>CH₄），取向力和诱导力越大；非极性分子（如CH₄、CCl₄）仅存在色散力。2.分子量（或电子数）分子量越大（如I₂>Br₂>Cl₂>F₂），电子数越多，电子云越容易变形，色散力越大；对于同系物（如CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀），分子量增大，色散力增强，沸点逐渐升高。3.分子的形状形状越舒展（如正丁烷：CH₃CH₂CH₂CH₃），分子间接触面积越大，色散力越大，沸点越高；形状越紧凑（如异丁烷：(CH₃)₂CHCH₃），接触面积越小，色散力越小，沸点越低（正丁烷的沸点：-0.5℃；异丁烷的沸点：-11.7℃）。4.氢键的存在若分子间存在氢键（如HF、H₂O、NH₃），分子间力会显著增强，导致沸点、熔点升高，溶解度增大。四、分子间力对物质性质的影响分子间力主要影响物质的物理性质，以下是具体表现：1.沸点与熔点分子间力越大，物质的沸点、熔点越高；对于非极性分子（如CH₄、SiH₄、GeH₄、SnH₄），沸点随分子量增大而升高（CH₄：-161.5℃→SnH₄：-52.8℃）；对于极性分子（如HCl、HBr、HI），沸点随分子量增大而升高（HCl：-85.1℃→HI：-35.4℃），但HF因存在氢键，沸点异常高（19.5℃）；对于同分异构体（如正丁烷与异丁烷），形状舒展的分子沸点更高。2.溶解度“相似相溶”：极性分子（如H₂O）易溶于极性溶剂（如乙醇），非极性分子（如I₂）易溶于非极性溶剂（如CCl₄）；能形成氢键的溶质（如NH₃）易溶于能形成氢键的溶剂（如H₂O），因为溶质与溶剂之间的氢键增强了溶解性（NH₃在水中的溶解度：700体积/1体积水）。3.表面张力与粘度分子间力越大，表面张力越大（如H₂O的表面张力比CCl₄大，因为H₂O分子间存在氢键）；分子间力越大，粘度越大（如甘油（丙三醇）的粘度比水大，因为甘油分子中有多个羟基（-OH），可形成大量氢键，分子间作用力强）。五、典型例题解析例题1：判断分子间作用力的类型指出下列分子间存在的作用力（填“色散力”、“诱导力”、“取向力”、“氢键”）：（1）H₂与O₂；（2）HCl与H₂O；（3）NH₃与NH₃；（4）CCl₄与I₂。解析：（1）H₂和O₂都是非极性分子，仅存在色散力；（2）HCl是极性分子，H₂O是极性分子，但HCl与H₂O之间无氢键（HCl中的Cl电负性大，但H₂O中的O与HCl中的H无法形成强氢键），因此存在色散力、诱导力（HCl的固有偶极诱导H₂O产生诱导偶极）；（3）NH₃是极性分子，且NH₃中的N与相邻NH₃中的H可形成氢键，因此存在色散力、取向力、氢键；（4）CCl₄和I₂都是非极性分子，仅存在色散力。答案：（1）色散力；（2）色散力、诱导力；（3）色散力、取向力、氢键；（4）色散力。例题2：比较沸点高低按沸点由高到低的顺序排列下列物质：（1）CH₃CH₂CH₂CH₃（正丁烷）、(CH₃)₂CHCH₃（异丁烷）；（2）HF、HCl、HBr、HI；（3）H₂O、H₂S、H₂Se、H₂Te。解析：（1）正丁烷与异丁烷是同分异构体，分子量相同，但正丁烷的形状更舒展，接触面积大，色散力大，因此沸点正丁烷>异丁烷；（2）HF分子间存在氢键，沸点最高；HCl、HBr、HI的分子量依次增大，色散力依次增强，沸点依次升高，因此顺序HF>HI>HBr>HCl；（3）H₂O分子间存在氢键，沸点最高；H₂S、H₂Se、H₂Te的分子量依次增大，色散力依次增强，沸点依次升高，因此顺序H₂O>H₂Te>H₂Se>H₂S。答案：（1）正丁烷>异丁烷；（2）HF>HI>HBr>HCl；（3）H₂O>H₂Te>H₂Se>H₂S。例题3：解释现象为什么冰的密度比水小？解析：冰中每个H₂O分子通过氢键与4个相邻分子形成四面体结构，这种结构存在较大的空隙，导致冰的密度比水小。当冰融化成水时，部分氢键断裂，空隙减小，密度增大。六、总结分子间力是分子与分子之间的弱相互作用，包括范德华力（色散力、诱导力、取向力）和氢键。其大小受分子的极性、分子量、形状等因素影响，主要决定物质的物理性质（如沸点、熔点、溶解度、表面张力等）。关键点回顾：所有分子都存在色散力，色散力是范德华力的主要成分；氢键是特殊的分子间力，仅存在于含F、O、N的氢化物中，对物质的沸点、密度等有显著影响；分子间力与化学键的区别：化学键影响化学性质（如稳定性），分子间力影响物理性质（如沸点）。七、课后练习1.下列分子中，不存在氢键的是（）A.HFB.H₂OC.NH₃D.CH₄2.比较下列物质的熔点高低：NaCl（离子晶体）、HCl（分子晶体）、H₂O（分子晶体），并说明原因。3.为什么乙醇（CH₃CH₂OH）易溶于水，而乙烷（CH₃CH₃）难溶于水？答案：1.D（CH₄中的C电负性小，无法