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第四节 分子间作用力 分子晶体
课时1 范德华力 氢键
第三章 微粒间作用力与物质性质
授课人：
学习目标
1．从微观角度认识分子间存在相互作用力，能举例说明不同类型分子间作用力的特征和实质。
2．能运用范德华力和氢键解释、预测物质的物理性质，了解分子间作用力对物质熔、沸点的影响。
3．能列举生活中常见物质中存在的氢键，认识氢键在生命活动中扮演的重要角色。
气体分子能够凝聚成相应的固体或液体，表明分子之间存在着分子间作用力。
分子间作用力实质上是一种静电作用，它比化学键弱得多。
范德华力和氢键是两种最常见的分子间作用力。
共价分子之间都存在着分子间作用力。
一、范德华力
是一种普遍存在于固体、液体和气体中分子间的作用力。
范德华(1837-1923)
荷兰物理学家，提出了范德华方程，研究了毛细作用，对附着力进行了计算，推导出物体气、液、固三相相互转化条件下的临界点计算公式。1910年因研究气态和液态方程获诺贝尔物理学奖。
范德华力及特点
一、范德华力
几种类型的范德华力
范德华力包含三种不同的作用力：
1. 电荷分布不均匀的分子（如HCl、H2O等）之间以其带异号电荷的一端互相吸引，产生的静电作用使分子按一定的取向排列，从而使体系处于比较稳定的状态。
一、范德华力
大多数共价化合物，例如：
1. CO2、H2SO4、HF, H2O, AlCl3、各种有机化合物等；
2. 大多数非金属单质，例如： H2、P4、S8、C60等。
3. 各种稀有气体（例如Ar、Kr）等。
范德华力存在：
一、范德华力
2. 电荷分布均匀的分子（如O2、N2、CO2等），由于核外电子的不断运动，分子中电子产生的负电荷重心与原子核产生的正电荷重心瞬时不重合，使分子的电荷分布不均匀，其带异号电荷的一端也互相吸引，这样分子间也会产生静电作用力。
几种类型的范德华力
一、范德华力
3. 电荷分布均匀的分子在电荷分布不均匀的分子的作用下，导致电荷分布均匀的分子的负电荷重心和正电荷重心不重合，其带异号电荷的一端也互相吸引，产生静电作用力。
几种类型的范德华力
一、范德华力
1、范德华力很弱，比化学键的键能小1～2个数量级。
范德华力有什么特点？
2、对于组成和结构相似的物质，范德华力一般随着相对分子质量的增大而增大。
卤化氢分子的范德华力和化学键的比较
一、范德华力
范德华力有什么特点？
3、范德华力一般没有饱和性和方向性，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。
一、范德华力
范德华力对物质性质的影响
加热过程中物质的状态变化的微观模拟过程
固体→液体→气体的过程，熵值增大，分子间的距离不断被拉开，这个过程是分子吸收外界能量，克服范德华力；
某分子的范德华力如果越大，克服它就需要吸收外界更多的能量，因此只有外界温度较高时，分子才能顺利克服范德华力，实现固体→液体→气体的三态变化。
一、范德华力
卤素单质的相对分子质量和熔、沸点
分子间的范德华力越大，物质的熔、沸点越高
熔、沸点依次升高
范德华力依次增大
Cl2、Br2 、I2的相对分子质量依次增大
Br2
I2
气态
液态
固态
常温下
Cl2
一、范德华力
烷烃（CnH2n＋2）的熔、沸点随着其相对分子质量的增加而增加，也是由于烷烃分子之间的范德华力增加所造成的。
将下列物质按熔沸点由高到低的顺序排列：
D2O_____H2O I2_____Br2 CO_____N2 CH4_____SiH4
>
>
>
<
101.4℃
100℃
184.35℃
58.76℃
-190℃
-195.8℃
-161.5℃
-111.9℃
共价键成键原子的电负性差异（越大）→范德华力（越大）
→熔沸点（越高）
思考：如果两物质的相对分子质量相近，怎么比较熔沸点高低？
一、范德华力
可以影响物质的溶解度
范德华力对物质性质的影响
273 K、101 kPa时，氧气在水中的溶解量（49 cm3·L－1）比氮气在水中的溶解量（24 cm3·L－1）大，就是O2与水分子之间的作用力比N2与水分子之间的作用力大所导致的。
溶质与溶剂分子间的范德华力越大，物质的溶解度越大。
一、范德华力
一些氢化物的沸点
氧和硫同为ⅥA族元素，H2O和H2S的结构也很相似。
从相对分子质量对分子间作用力和物质性质影响的角度分析，应该是H2S的沸点高于H2O，但通常情况下，H2O是液体（沸点为100℃），H2S是气体（沸点为－61℃）。
你知道导致H2O沸点“反常”的原因吗？
典例解析
例1．下列叙述与分子间作用力无关的是( )A．气体物质加压或降温时能凝结或凝固B．干冰易升华C．氟、氯、溴、碘单质的熔沸点依次升高D．氯化钠的熔点较高
D
二、氢键
水分子中的O—H键是极性共价键，氧原子与氢原子共用的电子对强烈地偏向氧原子，使H原子几乎成了“裸露”的质子。
一个水分子中相对显正电性的氢原子，就能与另一个水分子中相对显负电性的氧原子的孤电子对接近并产生相互作用，这种相互作用叫做氢键。
氢键是由已经与电负性很大的原子(如N、F、O)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。
二、氢键
水分子之间形成氢键的示意图
2、氢键通常是物质在液态时形成的，但有时也存在于某些晶体或气态物质中，如氟化氢在三种状态下均存在氢键。
氢键的存在：
1、氢键是一种既可以存在于分子之间又可以存在于分子内部的作用力。
邻羟基苯甲醛分子内的氢键
二、氢键
当H原子与电负性大、半径较小的原子X以共价键结合时，H原子能够跟另一个电负性大、半径较小的原子Y之间形成氢键。
氢键形成条件
分子中一定要有N、O、F这三种原子中的一种，或者含有N—H键、O—H键、F—H键中的一种，所以氢键一般存在于含N—H、H—O、H—F的物质中，或有机化合物中的醇类和羧酸类等物质中。
沸点/℃
周期
二、氢键
氢键的表示
H
F
H
F
H
F
H
F
氢键通常用X—H…Y 表示。
其中X和Y代表电负性大而原子半径较小的非金属原子，如氟、氧、氮等。
共价键
氢键
二、氢键
X—H----Y强弱 与X和Y的电负性有关.
电负性越大，则氢键越强
如F原子电负性最大，因而F-H…F是最强的氢键;
原子吸引电子能力不同，所以氢键强弱变化顺序为：
F-H…F > O-H…O > O-H…N > N-H…N
C原子吸引电子能力较弱，一般不形成氢键。
氢键强弱
二、氢键
467 11 18.8
1、氢键比化学键的键能小，但比范德华力强，不属于化学键，是除范德华力外的另一种分子间的作用力。
力
冰晶体中
氢键特点
氢键
键长： A—H···B ，指A B之间的距离。
键能： A—H···B 分解为A—H和B所需要的能量。
二、氢键
氢键对物质性质的影响
沸点/℃
周期
1、氢键主要影响物质的熔、沸点。
熔、沸点：
HF>HCl
H2O>H2Te>H2Se>H2S
①当分子间存在氢键时，若要使相应的物质熔化或汽化，由于破坏分子间氢键需要消耗较多的能量，所以这些物质有较高的熔点和沸点。
二、氢键
氢键特点
2、饱和性：
由于H原子半径比A，B的原子半径小得多，当H与一个B原子形成氢键A—H···B 后，H周围的空间被占据，A，B的电子云排斥作用将阻碍另一个B原子与H靠近成键，即H只能与一个B形成氢键，氢键具有饱和性。
H 的体积小，1 个 H 只能形成1个氢键。
二、氢键
3、方向性：
A—H与B形成分子间氢键时，3个原子总是尽可能沿直线分布，使A、B尽量远离，这样电子云排斥作用最小，体系能量最低，氢键最强，最稳定，所以氢键具有方向性。
氢键特点
二、氢键
邻羟基苯甲醛（熔点-7 ℃）
对羟基苯甲醛（熔点115 ℃）
分
子
内
氢
键
分
子
间氢
键
分子间氢键使物质熔、沸点升高,分子内氢键使物质熔、沸点降低。
②因为物质的熔沸点与分子间作用力有关，当分子内存在氢键时，相应的分子间的作用力就会减少, 从而使物质熔沸点降低。
分子间氢键
二、氢键
不同种分子之间不仅同种分子之间可以存在氢键，某些不同种分子之间也可能形成氢键。溶剂和溶质之间的氢键作用力越大,溶解性越好。
氢键对物质性质的影响
2、氢键可影响物质的溶解度。
例如 NH3与H2O之间，所以这就导致了氨气在水中的惊人溶解度：1体积水中可溶解700体积氨气；
乙醇和水能以任意比例互溶等。
二、氢键
氢键对物质性质的影响
3、氢键可影响液体的黏度。
甘油、磷酸、浓硫酸等多羟基化合物，由于分子间可形成众多的氢键，这些物质通常为黏稠状液体。
氢键的有无和多少会显著的影响到分子间的作用关系，继而在机械性能上影响其黏度。
加入其他会增加氢键作用的物质如糖、淀粉等作为溶质时，则会更进一步地通过增加氢键的强度来提升液体的粘性。
二、氢键
水分子间的氢键
水的沸点较高，水结冰时体积膨胀、密度减小。水的这些特殊物理性质与水分子之间形成的氢键有关。
水蒸气中水分子主要以单个分子的形式存在，液态水中多个水分子通过氢键结合在一起，形成(H2O)n。
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，所以冰浮于水上。
二、氢键
大多数物质在固态时的密度要比液态时大，而水是一个例外。正是由于氢键存在，冬季江河、湖泊中鱼类等生物才免遭冻死的灾难，人们也可以在冰上开展冰球、滑冰等运动项目。
二、氢键
生命分子中的氢键
蛋白质中的氢键
DNA中的氢键
DNA的双螺旋结构
DNA碱基对是通过氢键相互识别并结合的。
二、氢键
超分子
超分子是由两种或两种以上的分子（或离子）通过分子间相互作用形成的分子聚集体。
“超分子”被称为共价键分子化学的一次升华，超分子化学被称为“超越分子概念的化学”。在形成超分子的各种分子间相互作用中，氢键尤为特殊，被称作为“超分子化学中的万能相互作用”。
氢键
DNA碱基配对
二、氢键
超分子的特征之一：分子识别
冠醚与金属阳离子通过配位作用相结合
杯酚与C60通过范德华力相结合，通过尺寸匹配实现分子识别
二、氢键
超分子的特征之二：自组装
纯水 洗涤灵 胶束
二、氢键
范德华力、氢键、化学键的比较
概念 范德华力 氢键 共价键
定义 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 原子
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 二、氢键
概念 范德华力 氢键 共价键
影响 强度的 因素 ①随分子极性的增大而增大 ②分子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,作用越强 成键原子半径和共用电子对数目。键长越小,键能越大,共价键越稳定
对物质 性质的 影响 ①影响物质的熔点、沸点、溶解度等物理性质 ②组成和结构相似的物质,随相对分子质量的增大,物质的熔、沸点升高,如CF4H2S ②分子内氢键降低物质的熔、沸点 共价键键能越大,分子稳定性越强
典例解析
例2．下列说法中，错误的是( )A．卤化氢中，HF的沸点最高，是由于HF分子间存在氢键B．邻羟基苯甲醛的沸点比对羟基苯甲醛的沸点低C．H2O的沸点比HF的沸点高，是由于水分子间存在氢键而HF分子间不存在氢键D．氨气极易溶于水与氨气分子和水分子间形成氢键有关
C
课堂小结
范德华力
氢键
不良反应
存在
特点
影响因素
对物质性质的影响
形成和表示
特点
对物质物理性质的影响
随堂练习
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的化学键B．范德华力与化学键的区别是作用力的强弱问题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，故破坏分子间的范德华力不需要消耗能量
B
随堂练习
2．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分子间也是因氢键而聚合形成N2O4C．HCl极易溶于水，原因是HCl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
A
谢谢观看
THANKS
