高中化学鲁科版 (2019)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

课程标准

1．了解分子间作用力的广泛存在及对物质性质(如熔点、沸点)的影响。

2．了解氢键的形成条件、类型和特点。

3．列举含有氢键的物质，知道氢键对物质性质(如熔点、沸点、溶解度)的影响。

学法指导

1.通过对常见物质三态的转化和熔、沸点的分析，了解范德华力及其对物质性质的影响。

2．通过对水分子和其他氧族元素的氢化物的性质比较，结合教材中的图示，了解氢键的形成及其对物质性质的影响。

3．通过阅读教材，了解氢键与水的特殊性质之间的相互关联。

必备知识·自主学习——新知全解一遍过

知识点一范德华力与物质性质

1.分子间作用力

2．范德华力

(1)范德华力

(2)特征：

①范德华力的作用通常比化学键的键能________得多，化学键的键能一般为100～600 kJ·mol－1，而范德华力的作用一般只有2～20 kJ·mol－1。

②范德华力没有________________。

(3)影响因素：

①相对分子质量

一般来说，组成和结构相似的物质，随着相对分子质量的增加，范德华力逐渐________。

②分子的极性

一般来说，分子的极性越大，范德华力越________。

(4)对物质性质的影响：主要影响物质的物理性质。范德华力越大，物质的熔点、沸点越高。

微点拨

(1)离子化合物中只存在化学键，不存在范德华力。

(2)范德华力只存在于由共价键形成的多数共价化合物和绝大多数非金属单质分子之间及稀有气体分子之间。但像二氧化硅、金刚石等由共价键形成的物质的微粒之间不存在范德华力。

学思用

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(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。(　　)

(4)所有物质中都存在分子间作用力。(　　)

(5)分子间作用力就是范德华力。(　　)

2．下列叙述与范德华力无关的是(　　)

A．气体物质在加压或降温时能凝结或凝固

B．干冰易于升华

C．氟、氯、溴、碘单质的熔点、沸点依次升高

D．氯化钠的熔点较高

知识点二氢键与物质性质

1.氢键

(1)概念：当氢原子与电负性大的原子X以共价键结合时，H原子与另一个电负性大的原子Y之间的静电作用。

(2)表示形式

①通常用X—H…Y表示氢键，其中X—H表示H原子和____原子以共价键相结合，与____原子形成氢键。X、Y为N、O、F。

②氢键的键长是指X和Y之间的距离；氢键的作用能是指X—H…Y分解为X—H和Y所需要的能量。

(3)类型

①________氢键，如：(邻羟基苯甲醛)。

②________氢键，如：(对羟基苯甲醛)。

(4)特征

①氢键的作用能比范德华力的作用能________，比化学键的键能________。

②氢键具有一定的________性和________性。

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________。

(2)当形成分子内氢键时，物质的熔、沸点将________。

(3)氢键也影响物质的________、________等过程。氢键的存在使物质的溶解度________。

(4)氢键对水的性质的影响

水结成冰时，体积膨胀，密度________。

微点拨

(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。

学思用

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)氢键有键能、键长，因此氢键属于化学键。(　　)

(2)氢键和共价键一样有方向性和饱和性。(　　)

(3)分子间作用力包括范德华力和氢键。(　　)

(4)水是一种非常稳定的化合物，这是由于水中存在氢键。(　　)

(5)氢键比范德华力强，所以它属于化学键。(　　)

2．下列说法正确的是(　　)

A．HF具有弱酸性，与HF分子间存在氢键有关

B．邻硝基苯酚与对硝基苯酚的沸点相同

C．NH3在水中的溶解度较大，与氢键无关

D．H2O的沸点低于H2S的沸点

关键能力·课堂探究——学科素养全通关

提升点一  范德华力、氢键和共价键的比较

互动探究

如图所示每条折线表示元素周期表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。

问题1　曲线a属于哪一主族的元素的氢化物的递变规律？其氢化物的沸点为什么逐渐增大？

问题2　B点对应的物质是哪一种元素的氢化物？其沸点比同周期的元素的沸点高，原因是什么？

典例示范

[典例1]　下列两组命题中，乙组中命题正确，且能用甲组中的命题加以解释的是(　　)

素养训练

[训练1]　脱氧核糖核苷酸(DNA)是生物细胞内含有的四种生物大分子之一核酸的一种。DNA携带有合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息，是生物体发育和正常运作必不可少的生物大分子。

已知，在DNA分子碱基对之间存在的氢键共5个，是G和C之间的三个氢键和A和T之间的两个氢键。据此回答下列问题：

(1)图中脱氧核糖核苷酸中，能够形成氢键的原子有哪些？为什么？

(2)氨气中的N原子和水分子中的O原子均易形成氢键，故当氨溶于水时，大部分NH3与H2O以氢键(用“…”表示)结合形成NH3·H2O分子。根据氨水的性质可推知NH3·H2O的结构式是什么？

(3)在元素周期表中氟的电负性最大，用氢键表示式写出氟的氢化物溶液中存在的所有氢键。

提升点二范德华力、氢键对物质性质的影响

1.范德华力对物质性质的影响

(1)对物质熔点、沸点的影响：一般来说，组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，分子间作用力越大，物质的熔点、沸点通常越高。如熔点、沸点：I2>Br2>Cl2>F2，Rn>Xe>Kr>Ar>Ne>He。

(2)对物质溶解性的影响：如在273 K、101 kPa时，氧气在水中的溶解度比氮气在水中的溶解度大，就是因为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。

(3)“相似相溶”原理：极性分子易溶于极性溶剂中(如HCl易溶于水中)，非极性分子易溶于非极性溶剂中(如I2易溶于CCl4中，S易溶于CS2中)。

2．氢键对物质性质的影响

(1)对物质熔点、沸点的影响。

①某些氢化物分子间存在氢键，如H2O、NH3、HF等，会使同族氢化物沸点反常，如H2O>H2Te>H2Se>H2S。

②当氢键存在于分子内时，它对物质性质的影响与分子间氢键对物质性质产生的影响是不同的。邻羟基苯甲醛的氢键存在于分子内部，对羟基苯甲醛的氢键存在于分子间，因此对羟基苯甲醛的熔点、沸点分别比邻羟基苯甲醛的熔点、沸点高。

(2)对物质密度的影响：氢键的存在，会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：溶剂和溶质之间存在氢键，溶解性好，溶质分子不能与水分子形成氢键，在水中溶解度就相对小。如NH3极易溶于水，甲醇、乙醇、乙酸等能与水以任意比混溶，就是因为它们与水形成了分子间氢键。

(4)氢键对物质结构的影响：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使体积膨胀。

互动探究

问题1　在ⅤA、ⅥA、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？

问题2　为什么氢键在自然界中能广泛存在？

问题3　马王堆古墓出土的帛画至今两千多年，上面的动物仍然栩栩如生。我们知道丝绸织物洗涤以后容易变形，知道什么原因吗？

典例示范

[典例2]　下列物质的性质可用范德华力的大小来解释的是(　　)

A．HF、HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱

B．F2、Cl2、Br2、I2的熔、沸点依次升高

C．、H—O—H、C2H5—OH中—OH上氢原子的活泼性依次减弱

D．CH3—O—CH3、C2H5OH的沸点依次升高

素养训练

[训练2]　

(1)NH3在水中的溶解度很大。下列说法与NH3的水溶性无关的是________(填标号)。

a．NH3和H2O都是极性分子

b．NH3在水中易形成氢键

c．NH3溶于水建立了平衡＋OH－

d．NH3是一种易液化的气体

(2)甲醛、甲醇和甲酸等碳原子数较少的醛、醇和羧酸均易溶于水的原因是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

课 堂 总 结

[知识导图]

[误区警示]

1．氢键与范德华力主要影响物质的物理性质，如熔点、沸点、溶解度等。化学键主要影响物质的化学性质，如物质的稳定性等。

2．氢键的作用力比范德华力的作用力大一些，比化学键的键能小得多。

3．分子间存在氢键的物质的熔、沸点不一定高于分子间没有氢键的物质的熔、沸点。如HF分子间存在氢键，熔点为－83.4 ℃，沸点为19.5 ℃，比I2的熔、沸点低得多。这是因为相对分子质量起了决定性的作用。

随堂检测·强化落实——基础知能练到位

1．下列有关范德华力的叙述中正确的是(　　)

A．范德华力是一种很强的作用力

B．范德华力是影响所有物质物理性质的因素

C．因为相对分子质量Mr(I2)＞Mr(Br2)，所以范德华力I2>Br2，I2比Br2稳定

D．范德华力比较弱，一般范德华力越大，物质的熔点和沸点越高

2．下列事实与氢键无关的是(　　)

A．液态氟化氢中有三聚氟化氢(HF)3分子存在

B．冰的密度比液态水的密度小

C．乙醇能与水以任意比混溶，而甲醚(CH3OCH3)难溶于水

D．NH3比PH3稳定

3．下列说法正确的是(　　)

A．极性溶质一定易溶于极性溶剂，非极性溶质一定易溶于非极性溶剂

B．Br2和H2O均是极性分子，CCl4是非极性分子，所以Br2难溶于水而易溶于CCl4

C．CS2和白磷均是非极性分子，H2O是极性分子，所以白磷难溶于水而易溶于CS2

D．H2O是极性分子，CO2可溶于水，因此CO2是极性分子

4．(双选)下列说法正确的是(　　)

A．冰融化时，分子中H—O键发生断裂

B．随着卤素原子电子层数的增加，卤化物CX4 (X为卤素原子)分子间作用力逐渐增大，所以它们的熔、沸点也逐渐升高

C．由于H—O键比H—S键牢固，所以水比H2S的稳定性高

D．在由分子构成的物质中，分子间作用力越大，该物质越稳定

5．水分子间存在一种叫“氢键”的作用(介于范德华力与化学键之间)彼此结合而形成(H2O)n。在冰中每个水分子被4个水分子包围形成变形的正四面体，通过氢键相互连接成庞大的固态冰。则：

(1)1 mol冰中有________ mol氢键。

(2)水分子可电离生成两种含有相同电子数的粒子，其电离方程式为________________。

(3)在冰的结构中，每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接。在冰晶体中除氢键外，还存在范德华力(11 kJ·mol－1)。已知冰的升华热是51 kJ·mol－1，则冰中氢键的作用能是________kJ·mol－1。

(4)用x、y、z分别表示H2O、H2S、H2Se的沸点(℃)，则x、y、z的大小关系________。其判断依据是____________________。

第4节　分子间作用力

必 备 知 识·自 主 学 习

[知识点一]

1．多种

2．(1)相互作用力　凝聚　电性　(2)小　方向性和饱和性　(3)增大　大

[学思用]

1．答案：(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×

2．解析：一般来说，由分子构成的物质，其物理性质通常与范德华力的大小密切相关。A、B、C三个选项中涉及的物质都是由分子构成，故其表现的物理性质与范德华力的大小有关系。只有D选项中的NaCl是离子化合物，不存在分子，故其物理性质与范德华力无关。

答案：D

[知识点二]

1．(2)X　Y　(3)分子内　分子间　(4)大一些　小得多　方向　饱和

2．(1)升高　(2)降低　(3)电离　溶解　增大　(4)减小

[学思用]

1．答案：(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)×

2．解析：由于氟原子电负性高，半径小，HF分子间存在氢键，在水中与水分子也形成氢键使其不易电离出H＋，呈弱酸性，A正确；前者主要形成分子内氢键，后者主要形成分子间氢键，故后者沸点高，B项错误；在极性溶剂中，若溶质分子与溶剂分子之间可以形成氢键，则溶质的溶解度会增大，C项错误；H2O分子间存在氢键，因此H2O的沸点高于H2S的沸点，D项错误。

答案：A

关 键 能 力·课 堂 探 究

提升点一

[互动探究]

提示1：由于只有a曲线中氢化物的沸点没有出现反常现象，因此曲线a是ⅣA族元素的氢化物的递变规律；由于其氢化物的组成和结构相似，且分子间不存在氢键，因此相对分子质量越大，分子间作用力越大，分子的沸点越高。

提示2：B点的沸点为100 ℃，因此B点为水，由于水分子之间存在氢键导致水的沸点反常的高。

[典例1]　解析：碘和氯属于同主族元素，碘的原子半径大于氯的原子半径，H—Cl键的键能大于H—I键的键能，故HCl比HI稳定，A项错误，B项正确。H2S、H2O的结构和组成相似，但由于H2O分子间存在较强的氢键，所以H2O的沸点高，C项错误。HCl、HI的结构和组成相似，HI的相对分子质量更大，HI分子间的范德华力强于HCl分子间的范德华力，故HI的沸点要高于HCl的沸点，D项错误。

答案：B

[训练1]　答案：(1)碱基中的N原子和O原子均可以形成氢键，因为二者电负性大，共用电子对的偏向较大，吸电子能力变强，导致带部分负电荷。

(2)由于H—O键的极性比H—N键的大，H—O键上氢原子的正电性更大，更容易与氮原子形成氢键，所以氢键主要存在于H2O分子中的H与NH3分子中的N之间。另外，可从熟知的性质加以分析。NH3·H2O能电离出和OH－，故结构式为

(3)HF在水溶液中形成的氢键可从HF和HF、H2O和H2O、HF和H2O(HF提供氢)、H2O和HF(H2O提供氢)四个方面来考虑。由此可以得出HF水溶液中存在的氢键为F—H…F，O—H…O、F—H…O、O—H…F。

提升点二

[互动探究]

提示1：因为NH3、H2O、HF三者的分子间能形成氢键，同族其他元素的氢化物中不能形成氢键，所以它们的熔点和沸点高于同族其他元素的氢化物。

提示2：只要具备形成氢键的条件，物质将倾向于尽可能多地形成氢键，以最大限度地降低体系的能量。氢键的形成和破坏所对应的能量变化比较小；氢键的形成不像共价键的形成对方向的要求那么高，在物质内部分子不断运动变化的情况下氢键仍能不断地断裂和形成。因此，氢键广泛存在于自然界中。

提示3：丝绸纤维是蛋白质组成的，蛋白质上氨基和羧基会形成氢键，丝绸在水洗和干燥的过程中氢键发生不可逆的改变，改变了蛋白质的结构。

[典例2]　解析：HF、HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱是由于H—X键能依次减小。F2、Cl2、Br2、I2的相对分子质量依次增大，分子间的范德华力也依次增大，所以其熔、沸点也依次增大。、H—O—H、C2H5—OH中—OH上氢原子的活泼性依次减弱，与O—H的极性有关。CH3—O—CH3的沸点比C2H5OH的低是由于C2H5OH分子间形成氢键而增大了分子间作用力。

答案：B

[训练2]　解析：NH3极易溶于水，主要原因有NH3分子与H2O分子间形成氢键；NH3和H2O都是极性分子，相似相溶；NH3和H2O能发生化学反应，a、b、c项不符合题意。NH3易液化是因为NH3分子之间易形成氢键，与其水溶性无关，d项符合题意。

答案：(1)d　(2)它们都是极性分子且都能与H2O分子形成分子间氢键

随 堂 检 测·强 化 落 实

1．解析：范德华力实质是一种分子之间的电性作用，由于分子本身不显电性，因此范德华力比较弱。范德华力只是影响由分子构成的物质的某些物理性质(如熔、沸点以及溶解度等)的因素之一；对于组成和结构相似的分子组成的物质，相对分子质量越大，范德华力越大，但分子的稳定性与范德华力无关，由于键能I—I<Br—Br，所以稳定性Br2>I2。

答案：D

2．解析：氢键是已经与电负性很强的原子形成共价键的氢原子与另一个分子中电负性很强的原子之间的作用力，它只影响物质的物理性质，与物质的稳定性无关。

答案：D

3．解析：“相似相溶”原理是经验规律，存在特殊情况。如CO、NO是极性分子，但难溶于水，H2、N2是非极性分子，但难溶于苯等，A项错误。Br2是非极性分子，B项错误。CS2和白磷均是非极性分子，H2O是极性分子，根据“相似相溶”原理，白磷难溶于水而易溶于CS2，C项正确。CO2是非极性分子，CO2溶于水时，部分与H2O反应生成H2CO3，不符合“相似相溶”原理，D项错误。

答案：C

4．解析：冰融化时发生物理变化，只破坏H2O分子间的分子间作用力而不破坏化学键，A项错误；结构相似的分子中，物质的熔、沸点随其相对分子质量增大而升高，B项正确；物质的稳定性与化学键有关，化学键越牢固，物质越稳定，与范德华力无关，C项正确、D项错误。

答案：BC

5．解析：H2O电离后形成的2种离子是H3O＋和OH－，氢键的作用能为＝20 kJ·mol－1。

答案：(1)2　(2)2H2O⇌H3O＋＋OH－

(3)20

(4)x>z>y　H2O中存在氢键，H2Se的相对分子质量大于H2S的相对分子质量，故H2Se的范德华力大于H2S的范德华力，则沸点由高到低的顺序为H2O>H2Se>H2S