第4节 分子间作用力
基础课时10 分子间作用力
学 习 任 务 1.认识分子间存在相互作用，知道范德华力和氢键是两种常见的分子间作用。培养宏观辨识与微观探析的核心素养。 2.了解分子内氢键和分子间氢键在自然界中的广泛存在及重要作用。认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动，培养科学探究与创新意识的核心素养。
一、范德华力与物质性质
1．分子间作用力
(1)概念
分子之间存在着多种相互作用，人们将这些作用统称为分子间作用力。
(2)分类
任何物质的分子之间都一定存在作用力吗？
提示：一定存在。
2．范德华力及其对物质性质的影响
(1)概念及实质：范德华力是分子之间普遍存在的一种相互作用力，其实质是电性作用。
(2)特征
①范德华力的作用能通常比化学键的键能小得多。
②范德华力无方向性，无饱和性。
(3)影响因素
①分子结构和组成相似的物质，随着相对分子质量的增加，分子间的范德华力逐渐增强。
②分子的极性越大，分子间的范德华力越大。
(4)对物质性质的影响：范德华力主要影响物质的物理性质，范德华力越强，物质的熔点、沸点越高。
(1)分子间作用力是化学键的一种。 ( )
(2)水分解以及水的三态变化水分子中的化学键都被破坏。 ( )
(3)Cl2、Br2、I2在常温常压下分别为气态、液态和固态，是因为分子间作用力逐渐增大。( )
[答案] (1)× (2)× (3)√
二、氢键与物质性质
1．氢键
(1)概念
在水分子中，氧元素的电负性很大，使得——，当一个水分子中的带部分正电荷的氢原子和另一个水分子中带部分负电荷的氧原子充分接近时，产生静电作用形成氢键。
(2)表示形式
①通常用X—H…Y表示氢键，其中X—H表示氢原子和X原子以共价键相结合。
②H和Y原子核间的距离比范德华半径之和小，但比共价键键长(共价半径之和)大得多。
③氢键的作用能是指X—H…Y分解为X—H和Y所需要的能量。
2．氢键形成的条件
(1)氢原子位于X原子和Y原子之间。
(2)X、Y原子所属元素通常具有较大的电负性和较小的原子半径，主要是N、O、F。
3．氢键对物质性质的影响
(1)氢键的分类
分为分子间氢键和分子内氢键。
(2)氢键对物质性质的影响
①当形成分子间氢键时，物质的熔、沸点将升高。
②当形成分子内氢键时，物质的熔、沸点将降低。
③氢键也影响物质的电离、溶解等过程。
水结冰时为什么会体积膨胀，密度减小？
提示：冰的密度比水小是由于氢键的存在造成的。氢键使冰中水分子间形成孔穴造成冰晶体的微观空间存在空隙，而使得冰的体积膨胀、密度变小。
范德华力、氢键与共价键的比较
尿素(60)、醋酸(60)、硝酸(63)是相对分子质量相近的三种分子，但这三种物质的熔点和沸点相差较大。尿素熔点在200 ℃以上，常温下是固体；醋酸的熔点为16.6 ℃，在温度低于16.6 ℃时即凝结成冰状的固体；硝酸的熔点为－41.59 ℃，常温下硝酸是一种具有挥发性的液体。
1．以上三种物质中都存在氢键，为什么硝酸的熔沸点很低？
提示：尿素、醋酸能形成分子间氢键，而硝酸能形成分子内氢键(如图所示)，使其熔沸点较低。
2．尿素和醋酸比较，尿素常温下是固体，说明了什么？分子间作用力的强弱与分子中可形成氢键的氢原子个数有何关系？
提示：尿素CO(NH2)2中4个氢原子均可形成氢键，而醋酸分子中只有羧基上的一个氢原子形成氢键，分子中可形成氢键的氢原子个数越多，形成的氢键越多，分子间作用力就越强。
范德华力 氢键 共价键
特征 无方向性，无饱和性 有一定的方向性和饱和性 有方向性，有饱和性
强度 共价键>氢键>范德华力
影响强度的因素 ①随着分子极性增大而增大②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X—H…Y，X、Y的电负性越大，Y原子的半径越小，氢键越强 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 ①影响物质的熔、沸点，溶解度等物理性质②组成和结构相似的物质，随着相对分子质量的增大，物质的熔、沸点升高，如F2H2S，溶解性：NH3>PH3②分子内氢键的存在，使物质的熔、沸点降低，如熔、沸点： ①影响分子的稳定性②共价键键能越大，分子稳定性越强
(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)。
1．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、范德华力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
A [氢键不是化学键，本质上是一种分子间作用力，氢键要比化学键弱得多，一般只有电负性很强，半径很小的原子才能形成氢键，故A错，B、C、D正确。]
2．(双选)下列说法正确的是( )
A．H2O的沸点比HF高，是由于每摩尔分子中水分子形成的氢键数目多
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
AC [1个水分子能形成4个氢键，1个HF分子能形成2个氢键，A项正确；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项错误；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项正确，D项错误。]
3．(2021·山东滕州一中月考)中科院国家纳米科学中心的科研人员在国际上首次“拍到”氢键的“照片”，实现了氢键的实空间成像，为“氢键的本质”这一化学界争论了80多年的问题提供了直观证据。下列说法不正确的是( )
A．由于氢键的存在，冰能浮在水面上
B．由于氢键的存在，乙醇比甲醚更易溶于水
C．由于氢键的存在，沸点的大小顺序为：HF>HCl>HBr>HI
D．蛋白质中存在氢键
C [由于氢键具有方向性，在结冰时，水分子之间形成的孔穴造成冰晶体的微观空间存在空隙，导致冰的密度比水的小，浮于水面上，A项正确；乙醇中的羟基氢原子与水分子中的氧原子可形成分子间氢键，乙醇的羟基氧原子与水分子中的氢原子之间也可以形成氢键，致使其与水混溶，而甲醚中的O与H不相连，无法形成氢键，难溶于水，B项正确；HF分子间能形成氢键，故沸点大小顺序为：HF>HI>HBr>HCl，C项错误；蛋白质分子中，氨基和羧基中分别存在N与H相连和O与H相连，可形成氢键，D项正确。]
1．下列关于范德华力的叙述中，正确的是( )
A．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
B．范德华力与化学键的强弱不同
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 [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，化学键是强烈的相互作用，故范德华力不是化学键，A错误，B正确；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，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．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
B [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的结构相似，随着相对分子质量的增加，范德华力逐渐增强，熔沸点升高，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。]
3．关于氢键的下列说法中正确的是( )
A．每个水分子内含有两个氢键
B．在水蒸气、水和冰中都含有氢键
C．分子间能形成氢键使物质的熔点和沸点升高
D．HF的稳定性很强，是因为其分子间能形成氢键
C [水分子间存在氢键，水分子内不存在氢键，A错误；水蒸气中水分子距离较大，不能形成氢键，B错误；氢键较一般的分子间作用力强，含有氢键的物质具有较高的熔、沸点，C正确；HF的稳定性很强，是由于H—F键键能较大的原因，与氢键无关，D错误。]
4．(2021·宁夏石嘴山三中高二期中考试)人们熟悉的影片《蜘蛛侠》为我们塑造了一个能飞檐走壁、过高楼如履平地的蜘蛛侠，现实中的蜘蛛也能在天花板等比较滑的板面上爬行，蜘蛛之所以不会从天花板上掉下的主要原因是( )
A．蜘蛛的脚尖端锋利，能抓住天花板
B．蜘蛛的脚上有“胶水”，从而能使蜘蛛粘在天花板上
C．蜘蛛脚上的大量细毛与天花板之间存在范德华力，这一“黏力”使蜘蛛不致坠落
D．蜘蛛有特异功能，能抓住任何物体
C [蜘蛛不会掉下的主要原因是蜘蛛脚上的大量细毛与天花板之间存在范德华力。]
5．水分子间由于氢键的作用而彼此结合形成(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(H2O)5，由无限个这样的变形四面体通过氢键相互连成一个庞大的分子晶体——冰，其结构如图所示。试回答下列问题：
(1)下列叙述中正确的是______(填字母)。
A．1 mol冰中有4 mol氢键
B．平均每个水分子有2个氢键
C．冰中的氢键没有方向性
(2)在冰的结构中，分子间除氢键外，还存在范德华力，已知范德华力的能量为7 kJ·mol－1，冰的升华热(1 mol冰变成气态水时所吸收的能量)为51 kJ·mol－1，则冰中氢键的能量是______________________。
(3)在液态水中，水以多种微粒的形式存在，试画出如下微粒的结构式：H5O、H9O。
[解析] (1)每个水分子形成4个氢键，但每个氢键为2个水分子所共有，所以每个水分子只有2个氢键，即1 mol冰中有2 mol氢键。氢键和共价键一样具有方向性和饱和性。(2)氢键的能量为(51－7)kJ·mol－1×＝22 kJ·mol－1。(3)H5O为2个水分子结合1个氢离子，H9O为4个水分子结合1个氢离子，这些微粒内含有共价键、配位键，还含有氢键。
[答案] (1)B (2)22 kJ·mol－1
(3)
1能力课时3 化学键、范德华力和氢键的判断与应用
探 究 任 务 1.掌握化学键的本质，认识各类化学键的形成条件，提升宏观辨识与微观探析的核心素养。 2.掌握分子间作用力的形成条件，认识形成各类晶体的作用力，提升证据推理与模型认知的核心素养。
1．根据物质类别判断化学键类型
(1)离子化合物中一定有离子键，可能有共价键。由简单离子构成的离子化合物中只有离子键，如MgO、NaCl等；由复杂离子(原子团)构成的离子化合物中既有离子键又有共价键，如(NH4)2SO4、KNO3、NaOH、Na2O2等。
(2)共价化合物中只能有共价键，一定没有离子键。这是因为共价化合物中原子间都是通过共用电子形成化学键，不存在带电荷的阴、阳离子，如HCl、CO2、CH4等。
(3)金属单质中一般只存在金属键。
(4)非金属单质(除稀有气体外)一般只存在非极性键。
2．常见物质中的化学键
(1)只含有非极性共价键的物质：非金属单质，如H2、O2、N2、金刚石、单晶硅、P4、S2、S4等。
(2)只含有极性共价键的物质：一般是由不同种元素组成的共价化合物，如HX(X＝F、Cl、Br、I)、CO、NO、CS2、BF3等。
(3)既含有极性共价键，又含有非极性共价键的物质：H2O2、CH3CH3、CH≡CH、等。
(4)只含有离子键的物质：由活泼金属元素与活泼非金属元素形成的化合物，如CsCl、NaCl、Na2O、K2O等。
(5)既含有离子键，又含有极性共价键的物质：Na2CO3、MgSO4等。
(6)既含有离子键，又含有非极性共价键的物质：Na2O2、FeS2、CaC2等。
(7)含有离子键、共价键、配位键的物质：铵盐等。
(8)既含有共价键，又含有配位键的离子：NH、H3O＋等。
(9)不含化学键的物质：稀有气体。
3．范德华力与化学键的区别
化学键 范德华力
存在 分子内原子之间、阴阳离子之间、金属阳离子和“自由电子”之间 分子之间，且只有分子充分接近时才有范德华力
强弱 强烈(100～600 kJ·mol－1) 微弱(2～20 kJ·mol－1)
对物质性质的影响 主要影响物质的化学性质 主要影响物质的熔、沸点等物理性质
4.分子间作用力、范德华力与氢键的区别
(1)范德华力是分子间作用力的一种，不能把范德华力等同于分子间作用力。
(2)氢键是一种特殊的分子间作用力，不属于化学键。分子中存在电负性较大的元素，才可能形成氢键。
(3)通常情况下，氢键比范德华力强。
T、X、Y、Z、Q、R、W为周期表前四周期元素，原子序数依次增大。已知：
①W的原子序数为29，其余的均为短周期主族元素；
②T原子所处的周期数、族序数均与其原子序数相等；
③X的基态原子中电子占据三种能量不同的原子轨道，且每种轨道中的电子数相同；
④Z的基态原子价电子排布式为ns2npn＋2；
⑤在Q元素所在周期中，Q的基态原子的第一电离能最小；
⑥R的单质在常温常压下是气体，其基态原子的M层上有1个未成对的p电子。
(1)X、Y、Q三种元素的电负性由大到小的顺序是______(用元素符号表示)。
(2)Y的简单氢化物分子间能形成氢键，R的氢化物分子间不易形成氢键，原因是______________________________________________________。
(3)W的基态原子的核外电子排布式为________，该元素与元素X、Y形成的配离子[W(XY)4]2－中，含有的化学键是________。
a．离子键 b．极性键 c．非极性键 d．配位键
(4)T、X、Z三种元素组成的一种化合物M是新装修居室中常见的有害气体，它的分子式为XT2Z，分子空间构型为平面三角形，则该分子中中心原子采用________杂化，1 mol M分子中σ键和π键的个数比为________。
[解析] 由①可知W为Cu；由②可知T为H；由③可知X为C，其基态原子的核外电子排布式为1s22s22p2；由④可知Z可能为O或Cl；由⑤可知Q可能为Li或Na；由⑥可知R为Cl。再结合原子序数依次增大可以确定T、X、Y、Z、Q、R分别为H、C、N、O、Na、Cl。(1)元素的非金属性越强，电负性越大，故电负性：N>C>Na。(2)元素的电负性越大、原子半径越小，则越易形成氢键，因为Cl的原子半径比N大，二者电负性基本一致，则HCl分子间不易形成氢键。(3)书写Cu的基态原子的核外电子排布式时，要注意其d能级为全充满稳定状态，为1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1；在配离子[Cu(CN)4]2－中，含有配位键和极性共价键。(4)由题意可知M为HCHO，分子中含有碳氧双键，中心原子C采用sp2杂化，1个HCHO分子中含有3个σ键和1个π键，故分子中σ键和π键的个数比为3∶1。
[答案] (1)N>C>Na (2)Cl的原子半径比N大，二者电负性基本一致 (3)1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1 bd (4)sp2 3∶1
1．某化合物的分子结构如图所示，其分子内不含有( )
A．离子键 B．共价键 C．极性键 D．配位键
A [由题图可知，N原子与Ni原子之间为配位键；共价键中C—C键为非极性键，C—H键、N—O键、C===N键、O—H键为极性键，故选A。]
2．有关物质结构的下列说法中正确的是( )
A．碘升华时破坏了共价键
B．含极性键的共价化合物一定是电解质
C．氯化钠固体中的离子键在溶于水时被破坏
D．HF的分子间作用力大于HCl，故HF比HCl更稳定
C [A项，碘升华破坏分子间作用力；B项，含极性键的共价化合物不一定是电解质，如CH4；D项，分子的稳定性是由键能和键长决定的。]
3．N2的结构可以表示为，CO的结构可以表示为，其中椭圆框表示π键，下列说法中不正确的是( )
A．N2分子与CO分子中都含有三键
B．CO分子中有一个π键是配位键
C．N2与CO互为等电子体
D．N2与CO的化学性质相同
D [由题意可知N2分子中N原子之间、CO分子中C、O原子之间均通过2个π键，一个σ键，即三键结合，其中，CO分子中1个π键由O原子单方面提供孤电子对，C原子提供空轨道通过配位键形成。N2化学性质相对稳定，CO具有比较强的还原性，两者化学性质不同。]
氮、磷、硫、氯的化合物种类繁多，应用广泛：
一些常见的杀虫剂
1．工业中可用POF3合成杀虫农药，组成该物质的三种元素的电负性大小关系是什么？
提示：F>O>P
2．普鲁士蓝的化学式是Fe4[Fe(CN)6]3，该物质存在的化学键有哪些？
提示：离子键、共价键、配位键。
3．KCN可被H2O2氧化为KOCN
(1)KOCN可作为制药原料，其晶体类型是离子晶体，碳原子采取sp杂化，1 mol 该物质中含有的π键数目是多少？
提示：2NA或1.204×1024个。
(2)H2O2常温下是液体，沸点较高(150 ℃)其主要原因是什么？
提示：H2O2分子之间存在氢键。
4．SO3和O3的混合气体经光解作用，可生成一种结构，如图所示的物质，该物质中S原子采用哪种类型的杂化方式？该分子是否有极性？
提示：由图可知S形成了4个共价键，即含有4个价层电子对，所以硫原子的轨道杂化方式是sp3杂化；由于分子的空间结构不对称，因此该分子是极性分子。
通过本情境素材中电负性的比较，化学键类型的判断、共价键类型的认知以及化学键的极性与分子极性的关系的应用等提升了宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等核心素养。
1．下列几种氢键：①O—H…O；②N—H…N；③F—H…F；④O—H…N。氢键从强到弱的顺序正确的是( )
A．③＞①＞④＞② B．①＞②＞③＞④
C．③＞②＞①＞④ D．①＞④＞③＞②
A [F、O、N的电负性依次降低，F—H、O—H、N—H键的极性依次降低，故F—H…F中的氢键最强，其次是O—H…O，再次是O—H…N，最弱是N—H…N。]
2．若不断地升高温度，实现“雪花→水→水蒸气→氧气和氢气”的变化。在变化的各阶段被破坏的微粒间的主要相互作用依次是( )
A．氢键、分子间作用力、非极性键
B．氢键、氢键、极性键
C．氢键、极性键、分子间作用力
D．分子间作用力、氢键、非极性键
B [因为O的电负性较大，在雪花、水中存在O—H…O氢键，故在实现雪花→水→水蒸气的变化阶段主要破坏水分子间的氢键，而由水蒸气→氧气和氢气的过程中则破坏了O—H极性共价键。]
3．氧氰[(OCN)2]的性质与卤素类似，被称为拟卤素。氧氰[(OCN)2]中不可能存在的化学键类型有( )
A．非极性共价键 B．极性共价键
C．共价三键 D．离子键
D [根据信息氧氰的性质与卤素类似，结构上有相似之处，则根据化合价和成键原则，可知氧氰的结构式为，故应选D。]
4．(2021·山东枣庄三中高二下月考)BF3与一定量的水形成(H2O)2·BF3晶体Q，Q在一定条件下可转化为R：
反应过程中新形成的化学键中无( )
A．离子键 B．配位键
C．非极性共价键 D．氢键
C [Q在一定条件下可转化为R，由图可知，晶体Q中O—H键断裂，而R中出现离子键和[H3O]＋中H与O间的配位键，则新形成的化学键包括离子键和配位键，新形成的化学键中不包括非极性共价键，氢键为一种分子间作用力。故选C。]
5．氯吡苯脲是一种西瓜膨大剂(植物生长调节剂)，其组成结构和物理性质见下表。
分子式 结构简式 外观 熔点 溶解性
C12H10ClN3O 白色结晶粉末 170～172℃ 易溶于水
回答下列问题：
(1)氯吡苯脲晶体中，氮原子的杂化轨道类型为______。
(2)氯吡苯脲晶体中，微粒间的作用力类型有________。
A．离子键 B．金属键 C．极性键
D．非极性键 E．配位键 F．氢键
(3)查文献可知，可用2 氯 4 氨吡啶与异氰酸苯酯反应，生成氯吡苯脲。
反应过程中，每生成1 mol氯吡苯脲，断裂________个σ键、断裂________个π键。
[解析] (1)氮原子在氯吡苯脲中以2种形式出现，一是C—N，另一是C===N，前者是sp3杂化，后者是sp2杂化。(3)反应过程中，异氰酸苯酯断裂的C===N中1个π键，2 氯 4 氨吡啶断裂的是1个σ键。
[答案] (1)sp2、sp3 (2)CDF
(3)NA或6.02×1023 NA或6.02×1023
1
