化学选择性必修2第4节 分子间作用力学案

第4节　分子间作用力

范德华力与物质性质

1．范德华力的概念：分子之间普遍存在的一种相互作用力。

2．对物质熔、沸点的影响：一般来说，分子结构和组成相似的物质，随着相对分子质量的增加，范德华力逐渐增强。范德华力越强，物质的熔点、沸点通常越高。如熔、沸点：I2>Br2>Cl2>F2。

氢键与物质性质

1．什么是氢键

(1)概念

氢键是已经与电负性很大的原子形成共价键的氢原子与另一分子中电负性很大的原子之间的作用力。

(2)表示方法

氢键通常用X—H…Y表示。其中“X—H”表示氢原子和X原子以共价键相结合。

2．氢键形成的条件

(1)在X—H…Y中，氢原子两边的X原子和Y原子所属元素通常具有较大的电负性和较小的原子半径，或者说，氢原子位于X原子和Y原子之间且X原子和Y原子具有强烈吸引电子的作用，氢键才能形成。

(2)当X原子和Y原子是位于元素周期表的右上角元素的原子时，更容易形成氢键，如氮原子、氧原子和氟原子等。

3．氢键对物质性质的影响

(1)氢键不是化学键，而是特殊的分子间作用力，其作用能比化学键的键能小得多，比范德华力的作用能大一些。

(2)氢键的类型

①分子间氢键，如O—H…O—。

②分子内氢键，如。

(3)氢键对物质物理性质的影响

①对物质熔、沸点的影响：分子间存在氢键的物质，物质的熔、沸点明显高，如NH3>PH3；同分异构体分子间形成氢键的物质比分子内形成氢键的物质熔、沸点高，如邻羟基苯甲醛<对羟基苯甲醛。

②对物质溶解度的影响：溶剂和溶质之间形成氢键使溶质的溶解度增大，如NH3、甲醇、甲酸等易溶于水。

③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。

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)范德华力的实质也是一种电性作用，所以范德华力是一种特殊化学键。(　　)

(2)任何分子间在任意情况下都会产生范德华力。(　　)

(3)范德华力非常微弱，故破坏范德华力不需要消耗能量。(　　)

(4)氢键是一种化学键。(　　)

(5)氢键使物质具有较高的熔、沸点。(　　)

(6)水结成冰体积膨胀与氢键有关。(　　)

答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√

解析　(1)范德华力是分子之间的一种相互作用，其实质也是一种电性作用，但比较微弱，化学键必须是强烈的相互作用，故范德华力不是化学键。

(2)范德华力普遍存在于分子之间，但也必须满足一定的距离要求，若分子间的距离足够大，分子之间很难产生相互作用。

(3)虽然范德华力非常微弱，但破坏它时也要消耗能量。

(4)氢键是一种分子间作用力，不是化学键。

(5)分子间的氢键可以使物质的熔、沸点升高，而分子内的氢键可以使物质的熔、沸点降低。

2．下列有关氢键的存在及类别的说法正确的是(　　)

A．氢键广泛存在于所有原子间

B．氢键是一种极弱的化学键

C．氢键是一种重要的范德华力

D．氢键既能存在于分子间，也能存在于分子内

答案　D

解析　氢键仅存在于电负性较大的几种元素原子与H原子之间，A错误；氢键与范德华力均属于分子间作用力，B、C错误。

3．下列说法不正确的是(　　)

A．分子间作用力是分子间相互作用力的总称，包括氢键与范德华力

B．分子间氢键的形成除使物质的熔点、沸点升高外，对物质的溶解、电离等都有影响

C．范德华力与氢键可同时存在于分子之间

D．氢键是一种特殊的化学键，它广泛存在于自然界中

答案　D

解析　分子间作用力是分子间相互作用力的总称，它包括氢键与范德华力，它不是化学键，作用能弱于化学键，需要满足一定的条件才存在，对物质熔点、沸点等有影响。

探究一　范德华力与物质性质

卤族元素单质溶、沸点发生这样变化的原因是什么？

提示：组成和分子结构相似的物质，相对分子质量越大，分子间作用力越大，克服分子间作用力使物质熔化和汽化就需要更多的能量，熔、沸点就越高。

1．范德华力

(1)实质：电性作用。

(2)大小：范德华力的作用能通常比化学键的键能小得多，化学键的键能一般为100～600 kJ·mol－1，而范德华力的作用能一般只有2～20 kJ·mol－1。

(3)特征：范德华力没有方向性和饱和性，只要分子周围空间允许，当气体分子凝聚时，它总是尽可能多地吸引其他分子。

(4)影响因素：主要包括相对分子质量的大小、分子的空间结构以及分子中电荷分布是否均匀等。

2．范德华力对物质性质的影响

(1)对物质熔、沸点的影响

①组成和分子结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大，物质的熔、沸点就越高。例如熔、沸点：CF4<CCl4<CBr4<CI4。

②组成相似且相对分子质量相近的物质，分子电荷分布越不均匀，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，支链数越多，熔、沸点就越低，如沸点：正戊烷>异戊烷>新戊烷。

(2)对物质溶解性的影响

溶质分子与溶剂分子之间的范德华力越大，溶解度越大。

共价化合物的热稳定性与共价化合物达到沸点汽化的理论解释容易混淆，共价化合物的热稳定性是讨论化学键强弱，因受热分解，破坏的是化学键；而共价化合物达到沸点汽化时，破坏的是分子间作用力(氢键或范德华力)。

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电性作用，所以范德华力是一种较弱的化学键

B．范德华力与化学键的区别是作用力的强弱不同

C．稀有气体固态时原子间不存在范德华力

D．范德华力非常微弱，故破坏范德华力不需要消耗能量

答案　B

解析　范德华力是分子与分子之间的一种相互作用，其实质与化学键类似，也是一种电性作用，但两者的区别是作用力的强弱不同，化学键是强烈的相互作用(100～600 kJ·mol－1)，范德华力只有2～20 kJ·mol－1，故范德华力不是化学键；虽然范德华力非常微弱，但破坏它时也要消耗能量；范德华力普遍存在于分子之间，稀有气体固态时存在范德华力。

2．下列叙述与范德华力无关的是(　　)

A．气体物质加压或降温时能凝结或凝固

B．熔、沸点高低：CH3CH3<CH3(CH2)2CH3

C．干冰易升华，SO2固体不易升华

D．氯化钠的熔点较高

答案　D

解析　A项，气体凝结或凝固时，范德华力增强，正确；B项，相对分子质量大的范德华力大，正确；C项，极性大的范德华力大，正确；D项，氯化钠中不存在分子，错误。

(1)范德华力是分子之间普遍存在的一种相互作用力，作用微弱，主要影响物质的物理性质；化学键是相邻的原子之间强烈的相互作用，主要影响物质的化学性质。

(2)范德华力的作用能远小于化学键的键能，范德华力不属于化学键。

探究二　氢键与物质性质

在ⅤA族、ⅥA族、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，但熔点、沸点却比其他元素的氢化物高？这是否与范德华力相矛盾？

提示：因为在NH3、H2O、HF三者的分子之间存在氢键，同族其他元素的氢化物中不存在氢键，只存在范德华力，所以NH3、H2O、HF的熔点、沸点分别高于同主族其他元素氢化物的熔点、沸点。这与范德华力不矛盾。

1．氢键

2．氢键对物质性质的影响

(1)对物质熔、沸点的影响

①某些氢化物分子间存在氢键，如H2O、NH3、HF等，会使其在同族氢化物中的沸点反常，如H2O>H2Te>H2Se>H2S。

②氢键分为分子间氢键和分子内氢键，其对物质熔、沸点的影响：形成分子间氢键的的熔、沸点大于形成分子内氢键的的熔、沸点。

(2)对物质密度的影响

氢键的存在，使一些物质具有一些特殊结构，如冰晶体的孔穴结构，进而使某些物质的密度出现反常，如液态水变为冰，密度会变小。

(3)对物质溶解度的影响

若溶剂和溶质之间存在氢键，则溶质在溶剂中的溶解度大，如NH3极易溶于水，甲醇、乙醇、乙酸等能与水以任意比混溶，因为它们与水分子形成了分子间氢键。

氢键具有一定的方向性和饱和性

X—H与Y形成分子间氢键时，氢原子只能与一个Y原子形成氢键，3个原子总是尽可能沿直线分布，这样可使X与Y尽量远离，使两原子间电子云的排斥作用力最小，体系能量最低，形成的氢键最强、最稳定(如下图)。

3．下列物质中不存在氢键的是(　　)

A．冰醋酸中醋酸分子之间

B．液态氟化氢中氟化氢分子之间

C．NH3·H2O中的NH3与H2O分子之间

D．可燃冰(CH4·8H2O)中甲烷分子与水分子之间

答案　D

解析　只有非金属性很强的元素与氢元素形成强极性的共价键之间才可能形成氢键(如N、O、F)。C—H键不是强极性共价键，CH4与H2O分子间不存在氢键。

4．下列现象不能用氢键知识解释的是(　　)

A．葡萄糖易溶于水

B．在4 ℃时水的密度最大

C．硫酸是一种强酸

D．水通常情况下为液态

答案　C

解析　硫酸是一种强酸，在水中能全部电离，与氢键无关，C符合题意。

(1)HF存在分子间氢键，故它是卤化氢中沸点最高的氢化物，HF在标准状况下呈液态，不是气体。

(2)氨气虽然存在分子间氢键，使其熔沸点偏高，但它不是第ⅤA族元素的氢化物中熔沸点最高的。

本课小结

课时作业

一、选择题(本题共8小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．下列有关范德华力的说法正确的是(　　)

A．范德华力尽管很弱，但这种作用力仍属于化学键

B．范德华力具有方向性和饱和性

C．分子结构和组成相似的物质，其相对分子质量越大，范德华力越大

D．范德华力越大，物质的熔沸点越低

答案　C

解析　范德华力不属于化学键，A错误；范德华力没有方向性和饱和性，B错误；一般情况下，范德华力越大，物质的熔、沸点越高，D错误。

2．下列关于范德华力对物质性质的影响的描述正确的是(　　)

A．范德华力是决定物质熔点和沸点高低的唯一因素

B．范德华力是影响物质部分物理性质的一种因素

C．范德华力能够影响物质的化学性质和物理性质

D．范德华力与物质的性质没有必然的联系

答案　B

解析　影响物质熔、沸点的因素有很多，A错误；范德华力不会影响物质的化学性质，能影响物质的部分物理性质，如物质的熔点、沸点以及溶解度，C、D错误，B正确。

3．下列说法正确的是(　　)

A．氢键是一种化学键

B．氢键使物质具有较高的熔、沸点

C．能与水分子形成氢键的物质易溶于水

D．水结成冰体积膨胀与氢键无关

答案　C

解析　氢键不是化学键，而是一种分子间作用力，A错误；分子间的氢键可以使物质的熔、沸点升高，而分子内的氢键可以使物质的熔、沸点降低，B错误；物质与水分子形成氢键，能使溶质更好地被水分子包围，并分散到水中，使溶质的溶解度增大，C正确；水结冰的过程中，形成更多的氢键，使晶体疏松、体积膨胀，D错误。

4．下列事实与氢键有关的是(　　)

A．水加热到很高的温度都难以分解

B．水结成冰体积膨胀，密度变小

C．CH4、SiH4、GeH4、SnH4的熔点随相对分子质量增大而升高

D．HF、HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱

答案　B

解析　水分解破坏的是化学键，不是氢键，A错误；氢键具有方向性，氢键的存在迫使四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引，这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙，所以水结成冰时，体积增大，密度变小，当冰刚刚融化为液态水时，热运动使冰的结构部分解体，水分子间的间隙减小，密度增大，B正确；CH4、SiH4、GeH4、SnH4的分子结构和组成相似，熔点随相对分子质量的增大而升高，与范德华力有关，四种物质分子间均不形成氢键，C错误；HF、HCl、HBr、HI的热稳定性与F、Cl、Br、I的非金属性有关，非金属性越强，其氢化物越稳定，同一主族元素，非金属性随着原子序数的增大而减小，所以其氢化物的热稳定性逐渐减弱，与氢键无关，D错误。

5．在常温、常压下卤素单质(从F2到I2)的聚集状态依次为气态、气态、液态、固态的原因是(　　)

A．原子间的化学键的键能逐渐减小

B．范德华力逐渐增大

C．原子半径逐渐增大

D．氧化性逐渐减弱

答案　B

解析　卤素单质的组成、结构相似，从F2到I2的相对分子质量逐渐增大，范德华力逐渐增大，对应物质的熔、沸点逐渐升高，聚集状态的变化为气态→液态→固态。

6．下列物质性质的变化规律与分子间作用力无关的是(　　)

A．在相同条件下，N2在水中的溶解度小于O2

B．HF、HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱

C．F2、Cl2、Br2、I2的熔、沸点逐渐升高

D．CH3CH3、CH3CH2CH3、(CH3)2CHCH3、

CH3CH2CH2CH3的沸点逐渐升高

答案　B

解析　A项，N2和O2都是非极性分子，在水中的溶解度都不大，但在相同条件下，O2分子与水分子之间的作用力比N2分子与水分子之间的作用力大，故O2在水中的溶解度大于N2。B项，HF、HCl、HBr、HI的热稳定性与其分子中的极性键的强弱有关，而与分子间作用力无关。C项，F2、Cl2、Br2、I2的组成和结构相似，分子间作用力随相对分子质量的增大而增大，故其熔、沸点逐渐升高。D项，烷烃分子之间的作用力随相对分子质量的增大而增大，故乙烷、丙烷、丁烷的沸点逐渐升高，在烷烃的同分异构体中，支链越多，分子间作用力越小，熔、沸点越低，故异丁烷的沸点低于正丁烷。

7．下列说法不正确的是(　　)

A．所有含氢元素的化合物中都存在氢键，氢键是一种类似于共价键的化学键

B．离子键、氢键本质上都是静电作用

C．只有电负性很强、半径很小的原子(如F、O、N)才可能形成氢键

D．氢键是一种分子间作用力，氢键比范德华力强

答案　A

解析　并不是所有含氢元素的化合物中都存在氢键，氢键不是化学键，是一种分子间作用力，本质上也是一种静电作用。

8．以下说法与分子间作用力或氢键无关的是(　　)

A．按H2、N2、O2、Cl2的顺序，单质的熔、沸点依次升高

B．NH3、PH3、AsH3的稳定性逐渐减弱

C．冰的密度小于液态水的密度，冰会浮在水面上

D．按CH4、NH3、H2O的顺序，物质的熔、沸点相应升高

答案　B

解析　按H2、N2、O2、Cl2的顺序，相对分子质量逐渐增大，分子间作用力逐渐增大，单质的熔、沸点依次升高，故A不符合题意；N、P、As氢化物的稳定性逐渐减弱，与元素的非金属性有关，与分子间作用力和氢键无关，故B符合题意；冰的密度小于液态水的密度，与氢键有关，故C不符合题意；按CH4、NH3、H2O的顺序，物质的熔、沸点相应升高，与分子间作用力和氢键有关，故D不符合题意。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

9．下列说法不正确的是(　　)

A．加热使碘升华是因为吸收的热量克服了分子间作用力

B．二氧化硅和干冰的化学键不同

C．H2O(l)===H2O(g)　ΔH＝＋44 kJ·mol－1，说明H—O键的键能为22 kJ·mol－1

D．冰醋酸晶体溶于水的过程中既破坏了分子间作用力，又破坏了部分化学键

答案　BC

解析　固体碘受热升华，是物理变化，碘分子本身没有变化，吸收的热量克服了分子间作用力，故A正确；二者化学键类型相同，都是共价键，故B错误；H2O(l)===H2O(g)克服的主要是分子间作用力，H—O键没有发生断裂，所以通过题干中所给热化学方程式，无法计算H—O键的键能，故C错误；冰醋酸晶体溶于水的过程中破坏了分子间作用力，部分CH3COOH电离产生CH3COO－和H＋，破坏部分共价键，故D正确。

10．下列物质发生变化时，所克服的粒子间相互作用属于同种类型的是(　　)

A．液溴和苯分别受热变为气体

B．干冰和氯化铵分别受热变为气体

C．二氧化硅和铁分别受热熔化

D．食盐和葡萄糖分别溶解在水中

答案　A

解析　液溴和苯分别受热变为气体都需克服分子间作用力，A符合题意；干冰受热变为气体克服分子间作用力，而氯化铵受热会发生分解反应，破坏的是化学键，故B不符合题意；二氧化硅受热熔化破坏共价键，铁受热熔化破坏金属键，故C不符合题意；食盐溶解在水中破坏的是离子键，葡萄糖溶解在水中，破坏的是分子间作用力，故D不符合题意。

11．下列说法正确的是(　　)

A．正是由于氢键的存在，冰能浮在水面上

B．氢键是自然界中最重要、存在最广泛的化学键之一

C．由于氢键的存在，沸点：HCl>HF

D．由于氢键的存在，水分子中氢氧键键角是104.5°

答案　A

解析　氢键不是化学键，B错误；HF分子间存在氢键，其沸点比HCl大，C错误；由于氧原子中孤电子对的影响，水分子中氢氧键键角为104.5°，D错误。

12．下列说法正确的是(　　)

A．H2O的沸点比H2S高，是因为水分子间可形成氢键

B．液态氟化氢中氟化氢分子之间形成氢键，可写为(HF)n，则NO2分子间也因氢键而聚合形成N2O4

C．氨气极易溶于水，原因之一是氨分子与水分子之间形成了氢键

D．可燃冰(CH4·8H2O)的形成是由于甲烷分子与水分子之间存在氢键

答案　AC

解析　分子间形成氢键可使物质熔、沸点升高，A正确；NO2分子间不存在氢键，NO2分子间因形成化学键而聚合成N2O4，B错误；只有非金属性很强的元素(如N、O、F)原子才能与氢原子形成极性较强的共价键，分子间才能形成氢键，C—H键不是极性较强的共价键，C正确，D错误。

三、非选择题(本题共3小题)

13．试用相关知识回答下列问题：

(1)有机物大多难溶于水，而乙醇和乙酸可与水互溶，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________。

(2)乙醚(C2H5OC2H5)的相对分子质量大于乙醇，但乙醇的沸点却比乙醚的高得多，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________。

(3)从氨合成塔里分离出NH3，通常采用的方法是________，原因是__________________________________。

(4)水在常温下的组成的化学式可用(H2O)m表示，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________。

答案　(1)乙醇、乙酸和水均为极性分子，且乙醇和乙酸均可与水形成分子间氢键　(2)乙醇分子间存在较强的氢键　(3)加压使NH3液化后，与H2、N2分离　NH3分子间存在氢键，易液化　(4)水分子间存在氢键，若干个水分子易缔合成较大的“分子”

解析　(2)乙醇分子间通过氢键结合产生的作用力比乙醚分子间的作用力要大，故乙醇的相对分子质量虽然比较小，但其分子间作用力较大，所以沸点较高。

(4)常温下，水分子不是以单个分子的形式存在的，而是依靠氢键缔合成较大的“分子”，所以用(H2O)m表示其存在更符合实际情况。

14．氧是地壳中含量最多的元素，氮是空气中含量最多的元素。

(1)H2O中的O—H键、分子间的范德华力和氢键由强到弱的顺序依次为________>________>________。

(2) 的沸点高于，其原因是_______________。

(3)N、P、As都属于第ⅤA族元素，形成简单氢化物的沸点由高到低的顺序为________(填分子式，下同)>________>________。

(4)如图1表示某种含氮有机化合物的结构简式，其分子内4个氮原子分别位于正四面体的4个顶点(见图2)。分子内存在空腔，能嵌入某种离子或分子并形成4个氢键予以识别。

下列分子或离子中，能被该有机化合物识别的是________(填标号)。

a．CF4   b．CH4

c．NH   d．H2O

答案　(1)O—H键　氢键　范德华力

(2)能形成分子间氢键，而能形成分子内氢键　(3)NH3　AsH3　PH3　(4)c

解析　(1)O—H键属于化学键，氢键和范德华力均属于分子间作用力，但氢键比范德华力强。

(2和分子间都存在范德华力，但前者存在分子间氢键，后者存在分子内氢键，分子间氢键使分子间作用力增大，故前者的沸点高于后者的沸点。

(3)N、P、As元素形成的简单氢化物分别为NH3、PH3、AsH3，NH3能形成分子间氢键，其沸点最高。AsH3的相对分子质量大于PH3，则AsH3的范德华力强于PH3的范德华力，故AsH3的沸点高于PH3的沸点。

(4)能被该有机物识别即能嵌入空腔形成4个氢键，则要求该分子或离子是正四面体结构且能形成4个氢键，只有NH符合要求。

15．(1)铜与类卤素(SCN)2反应生成Cu(SCN)2,1 mol (SCN)2中含有π键的数目为____________；类卤素(SCN)2对应的酸有两种，理论上硫氰酸(H—S—C≡N)的沸点低于异硫氰酸(H—N===C===S)的沸点，其原因是____________________

_________________________________________。

(2)H2O2与H2O可以任意比例互溶，除因为它们都是极性分子外，还因为____________________________________________________。

(3)乙二胺(H2N—CH2—CH2—NH2)与CaCl2溶液可形成配离子(结构如图)，乙二胺分子中氮原子的杂化类型为________________；乙二胺和三甲胺[N(CH3)3]均属于胺，但乙二胺比三甲胺的沸点高得多，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________。

答案　(1)4NA　异硫氰酸分子间可形成氢键，而硫氰酸不能　(2)H2O2与H2O分子之间可以形成氢键　(3)sp3杂化　乙二胺分子之间可以形成氢键，三甲胺分子之间不能形成氢键

解析　(1)(SCN)2的结构式为N≡C—S—S—C≡N，单键为σ键，三键含有1个σ键和2个π键，故1 mol(SCN)2中含有π键的数目为4NA；异硫氰酸分子中电负性较大的N与H直接相连，分子间可形成氢键，而硫氰酸不能，故异硫氰酸的沸点较高。

(2)H2O2与H2O分子之间可以形成氢键，溶解度增大，导致二者之间互溶。

(3)乙二胺(H2N—CH2—CH2—NH2)中N原子形成3个σ键，含1对孤电子对，价层电子对数为4，采取sp3杂化；乙二胺(H2N—CH2—CH2—NH2)分子之间可以形成氢键，三甲胺[N(CH3)3]分子之间不能形成氢键，故乙二胺的沸点较高。