化学人教版选修3学案：2-3-2 范德华力和氢键 Word版含解析
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第二课时 范德华力和氢键
[学习目标] 1.了解范德华力的实质及对物质性质的影响。
2．了解氢键的实质、特点、形成条件及其对物质性质的影响。
一、范德华力及其对物质性质的影响
1．含义
范德华力是分子之间普遍存在的相互作用力，它使得许多物质能以一定的凝聚态(固态液态)存在。
2．特征
(1)范德华力约比化学键能小1～2个数量级。
(2)无方向性和饱和性。
3．影响因素
(1)分子的极性越大，范德华力越大。
(2)结构和组成相似的物质，相对分子质量越大，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，如熔点、沸点；化学键主要影响物质的化学性质。范德华力越大，物质熔沸点越高。
二、氢键及其对物质性质的影响
1．概念
氢键是一种分子间作用力。它是由已经与电负性很强的原子(如N、F、O)形成共价键的氢原子与另一个分子中或同一分子中电负性很强的原子之间的作用力。
2．表示方法
氢键通常用A—H…B—表示，其中A、B为N、O、F中的一种，“—”表示共价键“…”表示形成的氢键。
3．特征
(1)氢键不属于化学键，是一种分子间作用力。氢键键能较小，约为化学键的十分之几，但比范德华力强。
(2)氢键具有一定的方向性和饱和性。
4．类型
5．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、沸点将下降。
(3)氢键也影响物质的电离、溶解等过程。
6．水中的氢键对水的性质的影响
(1)水分子间形成氢键，增大了水分子间的作用力，使水的熔沸点比同主族元素中H2S的熔沸点高。
(2)氢键与水分子的性质
①水结冰时，体积膨胀，密度减小。
②接近沸点时形成“缔合”分子水蒸气的相对分子质量比用化学式H2O计算出来的相对分子质量大。
知识点一 范德华力与物质的性质
分子间作用力：分子和分子之间存在着一种把分子聚集在一起的相互作用称为分子间作用力。范德华力和氢键是两种常见的分子间作用力，是比化学键弱得多的作用力。
1．范德华力及特点
(1)范德华力的存在：
由气体在降低温度、增大压强时能够凝结成液态或固态(在这个过程中，气体分子间的距离不断缩小，并由不规则运动的混乱状态转变成为有规则的排列状态)的事实可以证明分子间存在着相互作用，即分子间存在范德华力。
(2)范德华力的强弱：
范德华力是分子间的一种微弱的相互作用力，约比化学键键能小1～2个数量级。如Ar、CO、HI、HBr、HCl分子间的范德华力如下表：
比较：C—O、H—I、H—Br、H—Cl键的键能分别是351 kJ/mol、299 kJ/mol、366 kJ/mol、432 kJ/mol，可见范德华力很弱，比化学键的键能小得多。
(3)范德华力的特点：
没有饱和性和方向性，只要分子周围空间允许，分子总是尽可能多地吸引其他分子。
2．影响范德华力的因素：主要因素为分子的相对分子质量和分子的极性等。
(1)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。
(2)分子的极性越强，分子间作用力越大。
例如，分子间作用力的大小关系：F2
Br2>Cl2>F2，HClN2(CO为极性分子)；又如有机物的同分异构体中，通常支链越多，分子对称性越好，分子极性越小，物质的熔、沸点越低(沸点：正戊烷>异戊烷>新戊烷)。
(2)溶质分子与溶剂分子间的范德华力越大，则溶质分子的溶解度越大。如CH4和HCl在水中的溶解情况，由于CH4与H2O分子间的作用力很小，故CH4几乎不溶于水，而HCl与H2O分子间的作用力较大，故HCl极易溶于水；同理，Br2、I2与苯分子间的作用力较大，故Br2、I2易溶于苯中，而H2O与苯分子间的作用力很小，故H2O很难溶于苯中。
Cl2、Br2、I2三者的组成和化学性质均相似，但常温下状态却为气、液、固，其原因是什么？
【点拨】 Cl2、Br2、I2的组成和结构相似，由于相对分子质量逐渐增大，所以范德华力逐渐增大，故熔、沸点升高，常温下状态依次为气态、液态、固态。
【例1】 下列叙述与范德华力无关的是( )
A．气态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．H2O、H2S、H2Se的热稳定性逐渐减弱
【提示】 由分子构成的物质在汽化时，随着分子间距离的增大，范德华力逐渐减弱直到完全被破坏，但变化过程中分子未被破坏。
【解析】 一般由分子构成的物质，其物理性质通常与范德华力的大小密切相关。A、B、C三个选项与分子间作用力的大小有关，只有D选项中涉及的是分子的化学性质，而分子的化学性质与范德华力无关。
【答案】 D
下列关于范德华力的有关叙述中正确的是( B )
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．范德华力是决定由分子构成的物质熔沸点高低的唯一因素
D．范德华力能够影响物质的化学性质和物理性质
解析：范德华力是分子与分子之间的一种相互作用，其实质与化学键类似，也是一种电性作用，但两者的区别是作用力的强弱不同，化学键必须是强烈的相互作用(100～600 kJ·mol－1)，范德华力的作用一般只有2～20 kJ·mol－1，故范德华力不是化学键；物质熔沸点的高低，由多种因素决定；范德华力只影响物质的物理性质。
知识点二 氢键与物质的性质
1．氢键的形成
当氢原子与非金属性很强的氟、氧、氮原子形成共价键时，由于氟、氧、氮的电负性比氢大得多，所以它们的共用电子对就强烈地偏向氟、氧、氮原子，而使氢原子核几乎“裸露”出来。这样带正电的核就能与另一个分子(HF、H2O、NH3)中的原子(氟、氧、氮)的孤对电子相互吸引并发生一定程度的轨道重叠作用，这种分子间的作用力就是氢键。
2．氢键的表示方法
分子间的氢键通常用“X—H…Y”来表示，式中X、Y为N、O、F，“—”表示共价键，“…”表示氢键。例如，HF分子间的氢键可以表示为“F—H…F—H…”，即：
3．氢键的饱和性和方向性
在“X—H…Y”
所表示的氢键中，一个H原子只能与一个Y原子(O、N、F)结合，这就是氢键的饱和性。Y原子以负电荷分布得最多的部分(一般是孤电子对)接近H原子，并在可能范围内使孤电子对轨道的对称轴尽量跟氢键方向一致，这样成键能力最强，这就是氢键的方向性。
归纳：①每个水分子最多与4个水分子形成氢键。②表示氢键的三个原子在一条直线上。
4．氢键的键参数
(1)键长：一般定义为“X—H…Y”的长度。显然它与X—H键的键长和Y的原子半径有关，X—H键的键长越小，Y的原子半径越小，则氢键的键长越小。F—H…F、O—H…O、N—H…N的氢键键长依次增大。
(2)键能：氢键的键能一般不超过40 kJ/mol，比共价键的键能小得多而比范德华力略强。
氢键键能的大小，与X和Y的电负性大小有关，电负性越大，则氢键越强，键能也越大；氢键键能也与Y原子的半径大小有关，半径越小，则越能接近X—H键，氢键越强，键能越大。例如键能：F—H…F>O—H…O>N—H…N。
易错提示：氢键不属于化学键。强度：化学键≫氢键>范德华力。
5．氢键的类型
氢键可分为分子间氢键与分子内氢键两大类。
(1)一个分子的X—H键与另一个分子的Y相结合而成的氢键，称为分子间氢键。例如，水、甲酸、乙酸等缔合体就是通过分子间氢键形成的，如甲酸可以形成二聚物：
(2)在某些分子里，一个分子的X—H键与它内部的Y相结合而成的氢键称为分子内氢键。例如，硝酸分子中可能出现分子内氢键。
6．氢键对物质性质的影响
(1)氢键对物质熔沸点的影响：同种分子间形成氢键可以使该物质的熔沸点升高。例如：①H2O、HF、NH3的沸点比同主族其他相邻元素氢化物的沸点高，主要是因为HF分子之间、H2O分子之间、NH3分子之间存在分子间氢键，导致HF的沸点比同主族的HCl、HBr、HI高；H2O的沸点比H2S、H2Se、H2Te高；NH3的沸点比PH3等高。可见氢键的存在大大增强了分子间作用力。C2H5OH与C3H8的相对分子质量接近，但C2H5OH的沸点远比C3H8高，这也是因为C2H5OH分子之间存在氢键的缘故。②形成分子内氢键减小了分子间作用力，形成分子间氢键增大了分子间作用力，故对羟基苯甲醛的熔、沸点比邻羟基苯甲醛高。
(2)氢键对物质溶解度的影响：氢键的存在使物质的溶解性增大。例如，NH3极易溶解于水，主要是由于氨分子和水分子之间形成了氢键，彼此互相缔合，因而加大了溶解。再如乙醇、低级醛易溶于水，也是因为它们能与水分子间形成氢键。
(3)氢键对水的密度的影响：水结冰时体积会膨胀、密度减小也是水的反常现象，这一性质也可用氢键解释。在水蒸气中水以单个的水分子形式存在；在液态水中，通常是几个水分子通过氢键结合，形成(H2O)n分子；在固态水(冰)中，水分子大范围地以氢键互相连接，成为疏松的晶体，因此在冰的结构中有许多空隙，造成体积膨胀，密度减小。
形成氢键还能增大物质的硬度(如水变为冰)；HF分子通过氢键形成缔合分子(HF)n，测量HF分子的相对分子质量时，测量结果会偏高等。
1.氢键的形成需要什么条件？
【点拨】 (1)要有一个与电负性很大的元素X形成强极性键的氢原子，如H2O中的氢原子。
(2)要有一个电负性很大、含有孤电子对并带有部分负电荷的原子Y，如H2O中的氧原子。
(3)X和Y的原子半径要小，这样空间位阻较小。一般来说，能形成氢键的元素有N、O、F等。
2．为什么干冰的熔、沸点比冰的低，密度却比冰的大？
【点拨】 因为冰中除了存在范德华力外还存在氢键，破坏分子间作用力较难，所以冰的熔、沸点比干冰的高。由于冰中的水分子间作用力特别是氢键具有方向性，导致冰晶体中有相当大的空隙，所以相同状况下体积较大，又因为CO2分子的相对分子质量比H2O分子的大，所以干冰的密度比冰的大。
【例2】 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．分子间形成氢键能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
【提示】 氢键只影响物质的物理性质，化学性质与氢键无关。
【解析】
氢键属于分子间作用力，它主要影响物质的物理性质。水分子内只有共价键而无氢键，A中说法不对；B中水蒸气分子间距离太大，不能形成氢键；D中HF稳定性很强与氢键无关。
【答案】 C
下列关于氢键的说法正确的是( C )
A．每个水分子内含有两个氢键
B．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
C．只有电负性很大、半径很小的原子(如F、O、N)才能形成氢键
D．H2O是一种非常稳定的化合物，这是因为水分子间存在氢键
解析：水分子间存在氢键，水分子内仅含有共价键，而不存在氢键，A项错误；并不是所有含氢元素的化合物中都存在氢键，氢键不是化学键，是一种分子间作用力，B项错误；物质的稳定性由化学键决定，而氢键只能影响物质的物理性质，如熔、沸点等，D项错误。
知识点三 范德华力、氢键与共价键的比较
【例3】 将Na、Na2O、NaOH、Na2S、Na2SO4分别加热熔化，需要克服相同类型作用力的物质有( )
A．2种 B．3种
C．4种 D．5种
【提示】 解决这类问题，首先要分析清楚物质内存在的多种关系，即各种作用力，再分析题中发生变化的项与哪种作用力有关，就会得出正确结论。
【解析】 Na是金属晶体，熔化破坏的是金属键；Na2O是离子晶体，熔化时破坏的是离子键；NaOH、Na2S、Na2SO4都是离子化合物，熔化时断裂的都是离子键。故上述五种物质分别加热熔化，需要克服相同类型作用力的物质有4种。
【答案】 C
下列现象与化学键有关的是( C )
A．F2、Cl2、Br2、I2单质的熔点依次升高
B．H2O的沸点远高于H2S的沸点
C．H2O在高温下也难分解
D．干冰升华
解析：在A项中，卤素单质分子间存在分子间作用力，且相对分子质量越大，分子间作用力越强，单质的熔点也就越高；D项，在干冰中，CO2分子间通过范德华力结合在一起，在升华时需要克服范德华力，而CO2分子内的化学键并没有断裂；B项中由于H2O分子间存在氢键，使分子间作用力增强，所以H2O的沸点要比H2
S的高；C项中由于H—O键的键能很大，在较高温度下也难打开，所以H2O分子很稳定，与共价键有关。故选C。
1．下列关于范德华力与氢键的叙述中正确的是( B )
A．任何物质中都存在范德华力，而氢键只存在于含有N、O、F的物质中
B．范德华力比氢键的作用还要弱
C．范德华力与氢键共同决定物质的物理性质
D．范德华力与氢键的强弱都只与相对分子质量有关
解析：只有由分子组成的物质中才存在范德华力，A项错误；范德华力弱于氢键，B项正确；只有由分子组成且分子之间存在氢键的物质，其物理性质才由范德华力和氢键共同决定，C项错误；氢键的强弱主要与形成氢键的原子的电负性有关，D项错误。
2．下列事实不能用氢键来解释的是( D )
A．冰的密度比水小，能浮在水面上
B．NH3的沸点比PH3高
C．邻羟基苯甲醛的沸点低于对羟基苯甲醛
D．H2O的分解温度比H2S高得多
解析：氢键使冰晶体中的水分子呈一定规则排列，空间利用率低，密度小；由于NH3分子间有氢键，所以其沸点比PH3高；邻羟基苯甲醛存在分子内氢键，而对羟基苯甲醛存在分子间氢键，故后者沸点较高。H2O比H2S分解温度高是因为H—O共价键比H—S共价键的键能大。
3．下列物质性质的变化规律与分子间作用力无关的是( B )
A．在相同条件下，N2在水中的溶解度小于O2
B．HF、HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱
C．F2、Cl2、Br2、I2的熔、沸点逐渐升高
D．CH3CH3、CH3CH2CH3、(CH3)2CHCH3、CH3CH2CH2CH3的沸点逐渐升高
解析：A项，N2和O2都是非极性分子，在水中的溶解度都不大，但在相同条件下，O2分子与水分子之间的作用力比N2分子与水分子之间的作用力大，故O2在水中的溶解度大于N2。B项，HF、HCl、HBr、HI的热稳定性与其分子中的极性键的强弱有关，而与分子间作用力无关。C项，F2、Cl2、Br2、I2的组成和结构相似，分子间作用力随相对分子质量的增大而增大，故其熔、沸点逐渐升高。D项，烷烃分子之间的作用力随相对分子质量的增大而增大，故乙烷、丙烷、丁烷的沸点逐渐升高，在烷烃的同分异构体中，支链越多，分子间作用力越小，熔、沸点越低，故异丁烷的沸点低于正丁烷。
4．下列说法不正确的是( D )
A．分子间作用力是分子间静电作用的总称
B．分子间氢键的形成除使物质的熔、沸点升高外，对物质的溶解、电离等也都有影响
C．范德华力与氢键可同时存在于分子之间
D．氢键是一种特殊的化学键，它广泛存在于自然界中
解析：分子间作用力是分子间静电作用的总称，它包括氢键与范德华力，它的作用弱于化学键，但不属于化学键，它对物质熔、沸点，物质的溶解和电离等均有影响。
5．下列说法正确的是( B )
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，所以水的熔沸点比H2S的高
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
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，物质的熔沸点与其相对分子质量成正比，所以随着卤素原子电子层数的增加，卤化物CX4的分子间作用力逐渐增大，所以它们相应的熔沸点也逐渐升高，B项正确；物质的熔沸点与化学键无关，水的熔沸点比H2
S的高是因为水分子间存在氢键，C项错误；物质的稳定性与化学键有关，与范德华力无关，D项错误。
6．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粒子间的主要作用依次是( B )
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
解析：雪花―→水―→水蒸气三者的变化是水的三种状态的变化，主要是氢键起作用，水蒸气―→氧气和氢气，发生了化学变化，水分子中的化学键被破坏。
7．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)，使水分子彼此结合而形成(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”相互连接成庞大的分子晶体——冰。其结构示意图如下图所示。则：
(1)1 mol 冰中有2 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：2H2OH3O＋＋OH－。
(3)用x、y、z分别表示H2O、H2S、H2Se的沸点(℃)，则x、y、z的大小关系为x>z>y，判断的依据是水中存在氢键，其沸点最高，Mr(H2Se)>Mr(H2S)，故H2Se的分子间作用力大于H2
S，其沸点高于H2S。
解析：由冰的结构示意图可观察到每个水分子与周围4个水分子形成氢键，而每个氢键为两个水分子共有，所以1 mol 冰中含有的氢键为：4×＝2(mol)；水电离产生OH－(含有10个电子)，则与其电子数相同的粒子为H3O＋(含有10个电子)，电离方程式为：2H2OH3O＋＋OH－。因为H2O中存在氢键，其熔、沸点最高。
8．下图中A、B、C、D四条曲线分别表示ⅣA、ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素的气态氢化物的沸点，其中表示ⅥA族元素气态氢化物沸点的是曲线A；表示ⅣA族元素气态氢化物沸点的是曲线D；同一族中第3、4、5周期元素的气态氢化物沸点依次升高，其原因是组成和结构相似，相对分子质量越大，范德华力越大，沸点升高。A、B、C曲线中第2周期元素的气态氢化物的沸点显著高于第3周期元素气态氢化物的沸点，其原因是H2O、HF、NH3分子间存在氢键，如果把这些氢化物分子间存在的主要影响沸点的相互作用表示为A—H…B，则A元素一般具有的特点是电负性大，原子半径小。
解析：ⅣA、ⅤA、ⅥA、ⅦA族第2周期元素的气态氢化物沸点最高的是水，最低的是甲烷；由图可知，A、B、C、D曲线中表示ⅥA族元素气态氢化物沸点的是曲线A；表示ⅣA族元素气态氢化物沸点的是曲线D。同一族中第3、4、5周期元素的气态氢化物中分子间的范德华力依次增大，所以沸点依次升高。A、B、C曲线中第2周期元素的气态氢化物中都存在氢键，所以它们的沸点显著高于第3周期元素气态氢化物的沸点。
