在原子结合成分子时,相邻的原子之间强烈的相互作用称为化学键,属于分子内部的作用力,根据其作用方式的不同将其分为离子键和共价键等。其实分子与分子之间还存在着作用力,根据其强弱又将其分为范德华力和氢键。
一、分子间作用力——范德华力
分子之间的作用力称为分子间力,又叫范德华力,气态、液态或固态的分子型物质是由许多分子构成的。在分子与分子之间存在着一种较弱的作用力即分子间作用力,其大小与化学键相比要弱得多。分子间作用力本质上是静电作用,只有在分子充分接近时才有显著作用,当分子间距离稍远时,分子间力就迅速减弱。分子间力比化学键能小1~2个数量级,一般来说,分子的极性越大,范德华力越大,组成和结构相似的物质,相对分子质量越大,范德华力也就越强,该物质的熔沸点就越高。如:在卤素和稀有气体单质中的熔沸点存在如下关系:I2>Br2>Cl2>F2 ;Rn>Xe>Kr>Ne>He。
当液体汽化或当固体液化时都要克服分子间的引力,所以分子间的作用力是决定物质熔沸点、汽化热以及溶解度性质的重要因素。
二、较强的分子间作用力——氢键
某些原子的原子半径较小,但电负性较大且具有孤电子对,如N、O、F能和氢原子形成氢键。氢键是一种即可存在于分子之间又可存在于分子内部的作用力。氢键比化学键弱得多,但比范德华力稍强的一种特殊作用力,氢键不是于化学键。其特点如下:
1.具有方向性和饱和性:本质上与共价键的方向性和饱和性不同。氢键的方向性指得是由于X-H与Y的相互作用,只有当X-H和Y在同一条直线上的时候氢键的作用力最为强烈,因此分子间氢键的方向一般是直线型。原因是这样的直线方向成键,两原子电子云之间的斥力最小,形成的氢键最强,体系更稳定。氢键的饱和性指得是X-H只能再和一个Y原子结合,即一个氢原子不可能形成两个氢键,每一个X-H只能与一个Y原子形成氢键,原因是H原子半径很小,再有一个原子接近时,会受到X、Y原子电子云的排斥。
2.氢键分为分子间氢键和分子内氢键:分子中能形成氢键的原子相邻比较接近时,一般形成分子内氢键,例如邻硝基苯酚;而形成氢键的原子比较远时,一般形成分子间氢键,如对硝基苯酚。
3.氢键的形成对物质性质的影响:
分子间有氢键,必修额外提供一份能量来破坏分子间氢键,一般物质的熔沸点、熔化热、黏度等都会增大。例如在同族元素的氢化物中沸点存在如下反常关系:H2O>H2Te>H2Se>H2S; HF>HI>HBr>HCl; SbH3>NH3>AsH3>PH3;分子间氢键还是分子间缔合的主要原因:如水结冰时体积膨胀、密度减少,氨极易溶于水极易液化等。
分子内氢键则使物质的熔沸点、熔化热、黏度等都会减小,还会影响溶解度。例如邻硝基苯酚比其间位、对位更不易溶于水,更易溶于苯中。
【例题1】下列变化中,不需要破坏化学键的是
A. 加热氯化铵 B. 干冰汽化 C. 石油裂化 D. 氯化氢溶液水
解析:化学键主要影响化学性质,范德华力主要影响物理性质,A项加热NH4Cl,分解为NH3和HCl,其中的离子键和共价键被破坏;C项中石油裂化时,碳原子数较多的烃断裂为相对分子质量小的烃,有共价键的平衡;D选项中HCl溶于水后电离为H+ 和Cl-,共价键被破坏;只有B选项破坏的是范德华力,没有破坏化学键。
答案:B
【例题2】下列说法正确的是
A.沸点大小:HI>HBr>HCl>HF; B.干冰汽化克服的是分子间作用力
C.HF稳定性很强,是因为分子间能形成氢键 D.冰、水和水蒸汽中都存在氢键
解析:组成和结构相似的物质,相对分子质量越大,分子间作用力越强,物质的熔沸点越高,故HI>HBr>HCl,但由于HF分子间存在氢键,使得HF的沸点相对较高,A选项错误;HF分子很稳定是与H-F键有关,与氢键无关,因此C选项错误;干冰汽化仅是CO2分子间的距离发生改变,因此克服的是分子间作用力,B选项正确;正是因为水蒸气分子间的距离很大,因此水蒸气中不存在氢键,D选项错误。
答案:B
【例题3】下列物质性质的变化规律,与共价键的键能大小有关的是:
A. F2、Cl2、Br2、I2的熔点、沸点逐渐升高
B. HF、HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱
C. 金刚石的硬度、熔点、沸点都高于晶体硅
D. NaF、NaCl、NaBr、NaI的熔点依次降低
解析:F2、Cl2、Br2、I2形成的晶体属于分子晶体。它们的熔沸点高低决定于分子间的作用力,与共价键的键能无关,A错;HF、HCl、HBr、HI的分子内存在共价键,它们的热稳定性与它们内部存在的共价键的强弱有关,B正确;金刚石和晶体硅都是原子间通过共价键结合而成的原子晶体,其熔沸点的高低决定于共价键的键能,C正确;NaF、NaCl、NaBr、NaI都是由离子键形成的离子晶体,其内部没有共价键,D错。
答案:B、C
【例题4】下图中每条折线表示周期表ⅣA~ⅦA中的某一族元素氢化物的沸点变化,每个小黑点代表一种氢化物,其中a点代表的是:
A. H2S B. HCl C. PH3 D. SiH4
解析:一般来说,对于结构和组成相同的分子,随着相对分子质量的增大,沸点增大,但NH3、H2O、HF分子间存在氢键,它们的沸点出现反常,即沸点高低关系为:NH3>PH3、H2O>H2S、HF>HCl,对应图中上三条折线。只有第IVA族元素的氢化物不存在氢键,没有反常现象,所以a点所在折线对应第IVA族元素的气态氢化物,且a点对应第三周期,所以a表示SiH4。
答案:D
在解决实际问题时,化学键、范德华力和氢键往往同时存在,在研究物质的性质时,常常是侧重于某一个方面,例如在研究冰为什么会浮在水面时,主要是受氢键的影响;在比较H2O和H2S的稳定性时,则主要是化学键的强弱等。
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