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第4節(jié) 分子間作用力與物質(zhì)性質(zhì)
[學習目標定位] 1.熟知常見的分子間作用力(范德華力和氫鍵)的本質(zhì)及其對物質(zhì)性質(zhì)的影響。2.會比較判斷范德華力的大小，會分析氫鍵的形成。
一 范德華力與物質(zhì)的性質(zhì)
1．分析討論，回答下列問題：
(1)液態(tài)苯、汽油等發(fā)生汽化時，為何需要加熱？
答案 液態(tài)苯、汽油等發(fā)生汽化是物理變化，需要吸收能量克服其分子間的相互作用。
(2)降低氯氣的溫度，為什么能使氯氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)或固態(tài)？
答案 降低氯氣的溫度時，氯氣分子的平均動能逐漸減小。隨著溫度降低，當分子靠自身的動能不足以克服分子間相互作用力時，分子就會凝聚在一起，形成液體或固體。
(3)鹵素單質(zhì)F2、Cl2、Br2、I2，按其相對分子質(zhì)量增大的順序，物理性質(zhì)(如顏色、狀態(tài)、熔點、沸點)有何變化規(guī)律？
答案 顏色逐漸加深；由氣態(tài)到液態(tài)、固態(tài)；熔、沸點逐漸升高。
2．上述事實能夠說明：
(1)固體、液體和氣體中分子之間的相互作用力叫范德華力。
(2)一般來說，相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大。
(3)范德華力沒有方向性和飽和性，只要分子周圍空間允許，當氣體分子凝聚時，它總是盡可能多的吸引其他分子。
3．范德華力對物質(zhì)性質(zhì)的影響
(1)對物質(zhì)熔、沸點的影響
①組成和結(jié)構(gòu)相似的分子，相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大，物質(zhì)的熔、沸點就越高。例如熔、沸點：CF4
N2。
③在同分異構(gòu)體中，一般來說，支鏈數(shù)越多，熔、沸點就越低，如沸點：正戊烷>異戊烷>新戊烷。
(2)對物質(zhì)溶解性的影響
溶質(zhì)分子與溶劑分子之間的范德華力越大，溶解度越大。
[歸納總結(jié)]
1．范德華力普遍存在于固體、液體和氣體分子之間。
2．影響范德華力的因素：主要包括分子的大小、分子的空間構(gòu)型以及分子中電荷分布是否均勻等。
3．范德華力越大，物質(zhì)的熔、沸點越高，溶解度越大。
[活學活用]
1．下列有關范德華力的敘述正確的是( )
A．范德華力的實質(zhì)也是一種電性作用，所以范德華力是一種特殊化學鍵
B．范德華力與化學鍵的區(qū)別是作用力的強弱問題
C．任何分子間在任意情況下都會產(chǎn)生范德華力
D．范德華力非常微弱，故破壞范德華力不需要消耗能量
答案 B
解析 范德華力是分子與分子之間的一種相互作用，其實質(zhì)與化學鍵類似，也是一種電性作用，但兩者的區(qū)別是作用力的強弱不同，化學鍵必須是強烈的相互作用，范德華力只有幾到十幾千焦每摩爾，故范德華力不是化學??；雖然范德華力非常微弱，但破壞它時也要消耗能量；范德華力普遍存在于分子之間，但也必須滿足一定的距離要求，若分子間的距離足夠大，分子之間也難產(chǎn)生相互作用。
2．有下列物質(zhì)及它們各自的沸點：
Cl2：239K O2：90.1K
N2：75.1K H2：20.3K
I2：454.3K Br2：331.9K
(1)據(jù)此判斷，它們分子間的范德華力由大到小的順序是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)這一順序與相對分子質(zhì)量的大小有何關系？
答案 (1)I2>Br2>Cl2>O2>N2>H2
(2)相對分子質(zhì)量越大，分子間范德華力越大，沸點越高。按上述順序相對分子質(zhì)量漸小，分子間范德華力逐漸減小，物質(zhì)沸點逐漸減小。二 氫鍵與物質(zhì)的性質(zhì)
1．比較H2O和H2S的分子組成、空間構(gòu)型及其物理性質(zhì)，分析H2O的熔、沸點比H2S高的原因是什么？
答案 H2O和H2S分子組成相似，都是V形結(jié)構(gòu)，常溫下H2O為液態(tài)，熔、沸點比H2S高。在水分子中，氫原子與非金屬性很強的氧原子形成共價鍵時，由于氧的電負性比氫大得多，所以它們的共用電子對就強烈地偏向氧原子，而使氫原子核幾乎“裸露”出來。這樣帶正電的氫原子核就能與另一個水分子中的氧原子的孤對電子發(fā)生一定程度的軌道重疊作用，使水分子之間作用力增強，這種分子間的作用力就是氫鍵，比范德華力大。硫化氫分子不能形成氫鍵，故水的熔、沸點比硫化氫高。
2．氫鍵的概念與形成條件
(1)氫鍵的概念是一種特殊的分子間作用力，它是由已經(jīng)與電負性很強的原子形成共價鍵的氫原子與另一分子中電負性很強的原子之間的作用力。
(2)氫鍵的通式可用X—H…Y表示。式中X和Y代表F、O、N，“—”代表共價鍵，“…”代表氫鍵。
(3)氫鍵的形成條件：
①要有一個與電負性很大的元素X形成強極性鍵的氫原子，如H2O中的氫原子。
②要有一個電負性很大，含有孤對電子并帶有部分負電荷的原子Y，如H2O中的氧原子。
③X和Y的原子半徑要小，這樣空間位阻較小。
3．氫鍵對物質(zhì)物理性質(zhì)的影響
(1)對物質(zhì)熔、沸點的影響：組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，當分子間存在氫鍵時，熔、沸點較高，如HF、H2O、NH3等；而分子內(nèi)存在氫鍵時，使熔、沸點降低。
(2)對物質(zhì)溶解度的影響：溶劑和溶質(zhì)分子間存在氫鍵時，物質(zhì)的溶解度增大，如NH3、C2H5OH、CH3COOH等分子均與水分子間存在氫鍵，有利于物質(zhì)溶解在水中。
4．氫鍵的存在
氫鍵廣泛存在。研究證明，氫鍵普遍存在于已經(jīng)與N、O、F等電負性很大的元素原子形成共價鍵的氫原子或與另外的N、O、F等電負性很大的元素原子之間。例如，不僅氟化氫分子之間以及氨分子之間存在氫鍵，而且它們跟水分子之間也存在氫鍵。
此外，實驗還證實，氫鍵既可以存在于分子之間，也可以存在于分子內(nèi)部的原子團之間，如圖。分子間氫鍵能增加物質(zhì)的溶、沸點，但分子內(nèi)氫鍵則不能。
[歸納總結(jié)]
1．氫鍵比化學鍵弱，比范德華力強。既可以存在于分子之間又可以存在于分子內(nèi)部。
2．氫鍵有飽和性、方向性。一般X—H…Y中三原子在同一直線上。如水結(jié)冰體積膨脹，是因為冰中所有水分子以有方向性和飽和性的氫鍵互相聯(lián)結(jié)成晶體，而液態(tài)水中只有多個水分子以氫鍵結(jié)合成為(H2O)n。
3．氫鍵的存在大大增強了分子間作用力，引起物質(zhì)的熔、沸點反常。如H2O、HF、NH3的沸點分別比ⅥA、ⅦA、ⅤA族其他元素的氫化物的沸點高出許多。
[活學活用]
3．下列物質(zhì)中不存在氫鍵的是( )
A．冰醋酸中醋酸分子之間
B．液態(tài)氟化氫中氟化氫分子之間
C．一水合氨分子中的氨分子與水分子之間
D．可燃冰(CH48H2O)中甲烷分子與水分子之間
答案 D
解析 只有非金屬性很強的元素與氫元素形成強極性的共價鍵之間才可能形成氫鍵(如N、O、F)。C—H不是強極性共價鍵，故選D。
4．下列說法中錯誤的是( )
A．鹵化氫中，以HF沸點最高，是由于HF分子間存在氫鍵
B．H2O的沸點比HF的高，可能與氫鍵有關
C．氨水中含有分子間氫鍵
D．氫鍵X—H…Y的三個原子總在一條直線上
答案 D
解析 因氟化氫分子之間存在氫鍵，所以HF是鹵化氫中沸點最高的；氨水中除NH3分子之間存在氫鍵，NH3與H2O，H2O與H2O之間都存在氫鍵，C正確；氫鍵中的X—H…Y三原子應盡可能的在一條直線上，但在特定條件下，如空間位置的影響下，也可能不在一條直線上，故D錯。
化學鍵、范德華力、氫鍵的比較
化學鍵
范德華力
氫鍵
概念
相鄰的兩個或多個原子之間強烈的相互作用
物質(zhì)的分子間存在的微弱相互作用力
是已經(jīng)與電負性很大的原子形成共價鍵的氫原子與另一個分子中電負性很大的原子之間的作用力
大小
鍵能一般在100～600kJmol－1
幾至十幾kJmol－1
一般不超過40kJmol－1
性質(zhì)影響
主要影響分子的化學性質(zhì)
主要影響物質(zhì)的物理性質(zhì)
主要影響物質(zhì)的物理性質(zhì)
大小關系
化學鍵>氫鍵>范德華力
當堂檢測
1．下列敘述與范德華力無關的是( )
A．氣體物質(zhì)加壓或降溫時能凝結(jié)或凝固
B．通常狀況下氯化氫為氣體
C．氟、氯、溴、碘單質(zhì)的熔沸點依次升高
D．氯化鈉的熔點較高
答案 D
解析 范德華力主要影響物質(zhì)的熔點、沸點等物理性質(zhì)。A項，氣體物質(zhì)加壓時，范德華力增大；降溫時，氣體分子的平均動能減小，兩種情況下，分子靠自身的動能不足以克服范德華力，從而聚集在一起形成液體甚至固體；B項，HCl分子之間的作用力是很弱的范德華力，因此通常狀況下氯化氫為氣體；C項，一般來說，組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，隨著相對分子質(zhì)量的增加，范德華力逐漸增大，物質(zhì)的熔沸點逐漸升高；D項，NaCl中將Na＋和Cl－維系在固體中的作用力是很強的離子鍵，所以NaCl的熔點較高，與范德華力無關。
2．下列關于氫鍵的說法中正確的是( )
A．氫鍵屬于共價鍵
B．氫鍵只存在于分子之間
C．氫鍵的形成使物質(zhì)體系的能量降低
D．氫鍵在物質(zhì)內(nèi)部一旦形成，就不會再斷裂
答案 C
解析 氫鍵是一種特殊的分子間作用力，可以存在于分子內(nèi)部也可以存在于分子之間。氫鍵在一定條件下會斷裂，如當發(fā)生化學反應時，就可以破壞分子內(nèi)的氫鍵。
3．下列事實與氫鍵無關的是( )
A．液態(tài)氟化氫中有三聚氟化氫(HF)3分子存在
B．冰的密度比液態(tài)水的密度小
C．乙醇能與水以任意比混溶而甲醚(CH3—O—CH3)難溶于水
D．NH3比PH3穩(wěn)定
答案 D
解析 氫鍵是已經(jīng)與電負性很強的原子形成共價鍵的氫原子與另一個分子中電負性很強的原子之間的作用力，它只影響物質(zhì)的物理性質(zhì)，故只有D與氫鍵無關。
4．下列分子或離子中，能形成分子內(nèi)氫鍵的有________，不能形成分子間氫鍵的有________。
①NH3 ②H2O?、跦F?、躈H?、軴HCHO
答案 ③⑤?、邰?
解析 NH3中的三個氫原子都連在同一個氮原子上，氮原子上有孤對電子，可以與其他NH3中的氫原子形成分子間氫鍵，但不能與分子內(nèi)的氫原子再形成氫鍵；與NH3類似的還有H2O；在HF[(F—H…F)－]中，已經(jīng)存在分子內(nèi)氫鍵，所以沒有可以形成分子間氫鍵的氫原子；NH中氮原子上沒有孤對電子，不能形成氫鍵；OHCHO既可以形成分子內(nèi)氫鍵，又可以形成分子間氫鍵。
5．氧是地殼中含量最多的元素。
(1)氧元素基態(tài)原子核外未成對電子數(shù)為________個。
(2)H2O分子內(nèi)的O—H鍵、分子間的范德華力和氫鍵從強到弱依次為________________________________________________________________________。
HOCHO的沸點比OHCHO高，原因是___________________________________。
(3)H＋可與H2O形成H3O＋，H3O＋中O原子采用________雜化。H3O＋中H—O—H鍵角比H2O中H—O—H鍵角大，原因為_________________________________________。
答案 (1)2 (2)O—H鍵、氫鍵、范德華力 OHCHO形成分子內(nèi)氫鍵，而HOCHO形成分子間氫鍵，分子間氫鍵使分子間作用力增大 (3)sp3 H2O中O原子上有2對孤電子對，H3O＋中O原子上只有1對孤電子對，排斥力較小
解析 (1)氧元素基態(tài)原子的核外電子軌道表示式為，故未成對電子數(shù)為2個。
(2)水分子內(nèi)的O—H鍵為化學鍵，氫鍵為分子間作用力；HOCHO存在分子間氫鍵，而OHCHO存在分子內(nèi)氫鍵，而分子間氫鍵主要影響物質(zhì)的熔、沸點(升高)。
(3)H2O、H3O＋中的O原子均采取sp3雜化，孤電子對對成鍵電子對具有排斥作用，而孤電子對數(shù)多的H2O中排斥力大，鍵角小。
40分鐘課時作業(yè)
[基礎過關]
一、范德華力及其對物質(zhì)性質(zhì)的影響
1．某化學科研小組對范德華力提出了以下幾種觀點，你認為正確的是( )
A．范德華力存在于所有分子之間
B．范德華力是影響所有物質(zhì)物理性質(zhì)的因素
C．Cl2相對于其他氣體來說，是易液化的氣體，由此可以得出結(jié)論，范德華力屬于一種強作用力
D．范德華力比較弱，但范德華力越強，物質(zhì)的熔點和沸點越高
答案 D
解析 范德華力其實質(zhì)也是一種分子之間的電性作用，由于分子本身不顯電性，因此范德華力比較弱，作用力較小。隨著分子間距的增大，范德華力迅速減弱，所以范德華力作用范圍很小，只有幾個pm。即只有當分子間距符合幾個pm時才能存在范德華力；范德華力只是影響由分子構(gòu)成的物質(zhì)的某些物理性質(zhì)(如熔、沸點以及溶解度等)的因素之一；在常見氣體中Cl2的相對分子質(zhì)量較大，分子間范德華力較強，所以易液化，但相對于化學鍵，仍屬于弱作用力。
2．在解釋下列物質(zhì)性質(zhì)的變化規(guī)律與物質(zhì)結(jié)構(gòu)間的因果關系時，可用范德華力的大小來解釋的是( )
A．HF、HCl、HBr、HI的熱穩(wěn)定性依次減弱
B．F2、Cl2、Br2、I2的熔、沸點依次升高
C．H—O—H、C2H5—OH、OH中—OH上氫原子的活潑性依次減弱
D．CH3—O—CH3、C2H5OH的沸點依次升高
答案 B
解析 F2、Cl2、Br2、I2的相對分子質(zhì)量依次增大，分子間的范德華力也依次增大，所以其熔、沸點也依次增大，B項符合題意；CH3—O—CH3的沸點比C2H5OH的低是由于C2H5OH分子間形成氫鍵而增大了分子間作用力；HF、HCl、HBr、HI的熱穩(wěn)定性依次減弱是由于H—X鍵能依次減小。
3．鹵素單質(zhì)從F2到I2，在常溫、常壓下的聚集狀態(tài)由氣態(tài)、液態(tài)到固態(tài)的原因是( )
A．原子間的化學鍵鍵能逐漸減小
B．范德華力逐漸增大
C．原子半徑逐漸增大
D．氧化性逐漸減弱
答案 B
解析 鹵素單質(zhì)結(jié)構(gòu)相似，相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大。
二、氫鍵的形成及其對物質(zhì)性質(zhì)的影響
4．氨氣溶于水時，大部分NH3與H2O通過氫鍵結(jié)合形成NH3H2O分子。根據(jù)氨水的性質(zhì)可推知NH3H2O的結(jié)構(gòu)式為( )
A．NHHHOHH B．NHHHHOH
C．NHHHOHH D．NHHHHOH
答案 B
解析 從氫鍵的形成原理上講，A、B都成立；但從空間構(gòu)型上講，由于氨分子是三角錐形，易于提供孤對電子，所以，以B方式結(jié)合空間位阻最小，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定；從事實上講，依據(jù)NH3H2ONH＋OH－，可知答案為B。
5．下列關于氫鍵的說法正確的是( )
A．由于氫鍵的作用，使NH3、H2O、HF的沸點反常，且沸點高低順序為HF>H2O>NH3
B．氫鍵只能存在于分子間，不能存在于分子內(nèi)
C．沒有氫鍵，就沒有生命
D．相同量的水在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)時均有氫鍵，且氫鍵的數(shù)目依次增多
答案 C
解析 A項，“反常”是指它們在與其同族氫化物沸點排序中的現(xiàn)象，它們的沸點順序可由實際看出，只有水是液體，應該水的沸點最高；B項，氫鍵存在于不直接相連但相鄰的H與電負性比較大原子間，所以，分子內(nèi)可以存在氫鍵；C項正確，因為氫鍵造成了常溫、常壓下水是液態(tài)，而水的液態(tài)是生物體營養(yǎng)傳遞的基礎；D項，在氣態(tài)時，分子間距離大，分子之間沒有氫鍵。
6．下列各組物質(zhì)中，熔點由高到低的是( )
A．HI、HBr、HCl、HF
B．CI4、CBr4、CCl4、CF4
C．Rb、K、Na、Li
D．CCH3CH3CH3CH3、CH3CH2CHCH3CH3、
答案 B
三、化學鍵、氫鍵、范德華力的比較及應用
7．下列關于范德華力的敘述正確的是( )
A．是一種較弱的化學鍵
B．分子間存在的較強的電性作用
C．直接影響物質(zhì)的熔、沸點
D．稀有氣體的原子間存在范德華力
答案 D
解析 范德華力是分子間存在的較弱的電性作用，它不是化學鍵且比化學鍵弱得多，只能影響由分子構(gòu)成的物質(zhì)的熔、沸點；稀有氣體為單原子分子，分子之間靠范德華力相結(jié)合。
8．下列說法不正確的是( )
A．分子間作用力是分子間相互作用力的總稱
B．分子間氫鍵的形成除使物質(zhì)的熔、沸點升高，對物質(zhì)的溶解度等也都有影響
C．分子間作用力與氫鍵可同時存在于分子之間
D．氫鍵是一種特殊化學鍵，它廣泛地存在于自然界中
答案 D
9．下列物質(zhì)的變化過程中有共價鍵明顯被破壞的是( )
①I2升華?、诼然c溶于水 ③氯化氫溶于水?、芴妓釟滗@中聞到了刺激性氣味
A．①②B．①③C．②③D．③④
答案 D
解析 碘升華共價鍵沒被破壞。氯化鈉溶于水破壞的是離子鍵。氯化氫溶于水破壞的是共價鍵。碳酸氫銨分解既有離子鍵被破壞，又有共價鍵被破壞。
[能力提升]
10．右圖中每條折線表示周期表ⅣA族～ⅦA族中的某一族元素氫化物的沸點變化，每個小黑點代表一種氫化物，其中a點代表的是( )
A．H2S B．HCl
C．PH3 D．SiH4
答案 D
解析 在ⅣA～ⅦA族中的氫化物中，NH3、H2O、HF分子間因存在氫鍵，故沸點高于同主族相鄰元素氫化物的沸點，只有ⅣA族元素氫化物沸點不存在反?，F(xiàn)象，故a點代表的應是SiH4。
11．下列化合物的沸點比較，前者低于后者的是( )
A．乙醇與氯乙烷
B．鄰羥基苯甲酸與對羥基苯甲酸
C．對羥基苯甲醛與鄰羥基苯甲醛
D．H2O與H2Te
答案 B
解析 鄰羥基苯甲酸、鄰羥基苯甲醛等容易形成分子內(nèi)氫鍵，沸點較低；而對羥基苯甲酸、對羥基苯甲醛則容易形成分子間氫鍵，沸點較高，所以B選項正確。對于A選項，由于乙醇分子間存在分子間氫鍵，而氯乙烷分子間不存在氫鍵，所以乙醇的沸點(78.5℃)高于氯乙烷的沸點(12.3℃)；同理，D選項中H2O的沸點高于H2Te的沸點。
12．氧族元素的單質(zhì)及其化合物對人類的生活、生產(chǎn)有著舉足輕重的影響。如氧氣、水、臭氧、二氧化硫等。
(1)在氧、硫、硒、碲元素原子形成的簡單陰離子中，其離子半徑由大到小的順序為________________(用離子符號表示)。與硫元素同周期且在本周期中非金屬性最強的元素在周期表中的位置是__________。
(2)氧族元素的單質(zhì)及其化合物的性質(zhì)存在著相似性和遞變性。下列有關說法正確的是________(填序號)。
A．氧族元素氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性按H2O、H2S、H2Se、H2Te的順序依次減弱
B．其氫化物中的鍵長按O—H、S—H、Se—H、Te—H的順序依次減小
C．其陰離子的還原性按O2－、S2－、Se2－、Te2－的順序依次增強
D．其最高價氧化物的水化物酸性按H2SO4、H2SeO4、H2TeO4順序依次增強
(3)火山噴發(fā)時會釋放出許多H2S氣體，請寫出H2S分子的電子式____________。
(4)從下圖可知氧族元素氫化物的沸點變化規(guī)律是____________________________。
答案 (1)Te2－＞Se2－＞S2－＞O2－ 第3周期第ⅦA族
(2)AC (3)HH
(4)除水外，隨著原子序數(shù)遞增，氧族元素氫化物的沸點遞增
解析 (1)根據(jù)離子半徑的遞變規(guī)律可知四種離子半徑由大到小的順序是Te2－、Se2－、S2－、O2－。與硫在同周期且非金屬性最強的元素是氯，它在第3周期第ⅦA族
(2)根據(jù)元素周期律，同主族氫化物的穩(wěn)定性從上到下逐漸減弱，陰離子的還原性從上到下依次增強，A、C正確。
(3)考查含有極性鍵化合物電子式的書寫方法。
(4)由圖像可知，氧族元素氫化物沸點變化規(guī)律是除水外，隨著原子序數(shù)遞增，氧族元素氫化物的沸點遞增。
[拓展探究]
13．水是自然界中普遍存在的一種物質(zhì)，也是維持生命活動所必需的一種物質(zhì)。
信息一：水的性質(zhì)存在許多反?，F(xiàn)象，如固態(tài)密度小于液態(tài)密度使冰浮在水面上，沸點相對較高使水在常溫常壓下呈液態(tài)等。
信息二：在20℃、1個大氣壓下，水可以結(jié)成冰，稱為“熱冰”(如圖)：
試根據(jù)以上信息回答下列問題：
(1)s軌道與s軌道重疊形成的共價鍵可用符號表示為δs－s，p軌道以“頭碰頭”方式重疊形成的共價鍵可用符號表示為δp－p，則H2O分子中含有的共價鍵用符號表示為____________。
(2)下列物質(zhì)熔化時，所克服的微粒間的作用與“熱冰”熔化時所克服的作用類型完全相同的是____________(填序號，下同)。
A．金剛石B．干冰
C．食鹽D．固態(tài)氨
(3)已知：2H2OH3O＋＋OH－，在OH－、H2O、H3O＋、H2O2中均含有的化學鍵是________。
A．極性鍵B．非極性鍵
C．配位鍵D．氫鍵
(4)寫出短周期元素原子形成的與H3O＋具有相同電子數(shù)和原子數(shù)的分子或離子____________。
(5)水的分解溫度遠高于其沸點的原因是__________________________________
________________________________________________________________________。
答案 (1)δs－p (2)D (3)A (4)NH3
(5)水分解必須破壞O—H共價鍵，而水沸騰只需破壞氫鍵和分子間作用力
2018-2019學年高中化學 第2章 化學鍵與分子間作用力 第4節(jié)分子間作用力與物質(zhì)性質(zhì)學案 魯科版選修3.docx
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