2020版高中化学 第2章 第4节 分子间作用力与物质性质学案 鲁科版选修3
第4节 分子间作用力与物质性质
[学习目标定位] 1.了解分子间作用力的广泛存在及对物质性质的影响。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的影响。
一、范德华力与物质性质
1．分析讨论，回答下列问题：
(1)液态苯、汽油等发生汽化时，为何需要加热？
答案 液态苯、汽油等发生汽化需要吸收能量克服其分子间的相互作用。
(2)降低氯气的温度，为什么能使氯气转化为液态或固态？
答案 降低氯气的温度时，氯气分子的平均动能逐渐减小。当分子靠自身的动能不足以克服分子间相互作用力时，分子就会凝聚在一起，形成液体或固体。
(3)卤素单质F2、Cl2、Br2、I2，按其相对分子质量增大的顺序，物理性质(如颜色、状态、熔点、沸点)有何变化规律？
答案 颜色逐渐加深；由气态到液态、固态；熔、沸点逐渐升高。
2．根据上述事实总结范德华力的概念及影响因素
(1)概念：物质的分子之间存在一种相互作用力叫分子间作用力，又叫范德华力。
(2)影响因素：一般来说，相对分子质量越大，范德华力越大；分子的极性越大，范德华力越大。
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1.范德华力
(1)实质：电性作用。
(2)大小：范德华力的作用能通常比化学键的键能小得多，化学键的键能一般为100～600 kJ·mol－1，而范德华力的作用能一般只有2～20 kJ·mol－1。
(3)特征：范德华力没有方向性和饱和性，只要分子周围空间允许，当气体分子凝聚时，它总是尽可能多的吸引其他分子。
(4)影响因素：主要包括相对分子质量的大小、分子的空间构型以及分子中电荷分布是否均匀等。
2．范德华力对物质性质的影响
(1)对物质熔、沸点的影响
①组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大，物质的熔、沸点就越高。例如熔、沸点：CF4
N2。
③在同分异构体中，一般来说，支链数越多，熔、沸点就越低，如沸点：正戊烷>异戊烷>新戊烷。
(2)对物质溶解性的影响
溶质分子与溶剂分子之间的范德华力越大，溶解度越大。
例1 下列有关范德华力的叙述正确的是( )
A．范德华力的实质是一种电性作用，所以范德华力是一种较弱的化学键
B．范德华力与化学键的区别是作用力的强弱不同
C．稀有气体固态时原子间不存在范德华力
D．范德华力非常微弱，故破坏范德华力不需要消耗能量
答案 B
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)，范德华力只有 2～20 kJ·mol－1，故范德华力不是化学键；虽然范德华力非常微弱，但破坏它时也要消耗能量；范德华力普遍存在于分子之间，稀有气体固态时存在范德华力。
规律总结
(1)范德华力是分子之间普遍存在的一种相互作用力，作用微弱，只影响物理性质；化学键是相邻的原子之间强烈的相互作用，作用强烈，主要影响化学性质。
(2)范德华力的作用能远小于化学键的键能，范德华力不属于化学键。
例2 下列叙述与范德华力无关的是( )
A．气体物质加压或降温时能凝结或凝固
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B．熔、沸点高低：CH3CH3PH3；同分异构体分子间形成氢键的物质比分子内形成氢键的物质熔、沸点高，如邻羟基苯甲酸<对羟基苯甲酸。
(2)对物质溶解度的影响：溶剂和溶质之间形成氢键使溶质的溶解度增大，如NH3、甲醇、甲酸等易溶于水。
(3)对物质密度的影响：氢键的存在会使某些物质的密度反常，如水的密度比冰的密度大。
(4)氢键对物质电离性质的影响：如邻苯二甲酸的电离平衡常数Ka1比对苯二甲酸的电离平衡常数Ka1小很多。
(1)氢键比化学键弱，比范德华力强。既可以存在于分子之间又可以存在于分子内部。
(2)氢键有饱和性、方向性。一般X—H…Y中三原子在同一直线上。如水结冰体积膨胀，是因为冰中所有水分子通过有方向性和饱和性的氢键互相联结成晶体，而液态水中只有大部分水分子以氢键结合成为(H2O)n。
(3)氢键的存在大大增强了分子间作用力，引起物质的熔、沸点反常。如H2O、HF、NH3的沸点分别比ⅥA、ⅦA、ⅤA族其他元素的氢化物的沸点高出许多。
例3 下列每组物质都能形成分子间氢键的是( )
A．HClO4和H2SO4
B．CH3COOH和H2Se
C．C2H5OH和NaOH
D．H2O2和HNO3
答案 A
解析 HClO4和H2SO4可形成分子间氢键，A正确；Se的非金属性较弱，H2Se不能形成分子间氢键，B错误；NaOH是离子化合物，不能形成分子间氢键，C错误；HNO3主要形成的是分子内氢键，D错误。
例4 下列物质的性质可用氢键来解释的是( )
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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．、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
答案 D
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。
方法规律
比较由分子构成的物质熔、沸点大小时，首先应考虑分子间是否存在氢键。
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化学键、范德华力、氢键的比较
化学键
范德华力
氢键
概念
相邻的两个或多个原子之间强烈的相互作用
物质的分子间存在的微弱相互作用力
是已经与电负性很大的原子形成共价键的氢原子与另一个分子中电负性很大的原子之间的作用力
大小
键能一般在100～600 kJ·mol－1
一般只有2～20 kJ·mol－1
一般不超过40 kJ·mol－1
性质
影响
主要影响物质的化学性质
主要影响物质的物理性质
主要影响物质的物理性质
大小
关系
化学键>氢键>范德华力
1．下列关于范德华力影响物质性质的叙述中，正确的是( )
A．范德华力是决定由分子构成的物质的熔、沸点高低的唯一因素
B．范德华力与物质的性质没有必然的联系
C．范德华力能够影响物质的化学性质和物理性质
D．范德华力仅是影响物质部分物理性质的一种因素
答案 D
解析 范德华力不能影响物质的化学性质，仅能影响由分子构成的物质的部分物理性质，如熔、沸点及溶解性，并且不是唯一的影响因素。例如氢键也影响物质的物理性质。
2．下列叙述与范德华力无关的是( )
A．CO2加压时形成干冰
B．通常状况下氯化氢为气体
C．氟、氯、溴、碘单质的熔、沸点依次升高
D．氯化钾的熔点较高
答案 D
3．下列物质中不存在氢键的是( )
A．冰醋酸中醋酸分子之间
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B．液态氟化氢中氟化氢分子之间
C．NH3·H2O中的NH3与H2O分子之间
D．可燃冰(CH4·8H2O)中甲烷分子与水分子之间
答案 D
解析 只有非金属性很强的元素与氢元素形成强极性的共价键之间才可能形成氢键(如N、O、F)。C—H键不是强极性共价键，CH4与H2O分子间不存在氢键。
4．下列现象不能用氢键知识解释的是( )
A．葡萄糖易溶于水 B．在4 ℃时水的密度最大
C．硫酸是一种强酸 D．水通常情况下为液态
答案 C
解析 葡萄糖易溶于水是因为葡萄糖分子和水分子间可以形成氢键，A正确；水通常情况下为液态，在4 ℃时水的密度最大，是因为水分子之间形成氢键，降温时，水分子间形成的氢键数目增多，水分子排列比较松，使密度减小，B正确；硫酸是一种强酸，在水中能全部电离，与氢键无关，C不正确；水分子间形成氢键，因此水的熔点较高，所以水通常情况下为液态。
5．(1)我国科学家最近成功合成了世界上首个五氮阴离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl(用R代表)。回答下列问题：
经X射线衍射测得化合物R的晶体结构，其局部结构如图所示。
图中虚线代表氢键，其表示式为(NH)N—H…Cl、________、________。
(2)在CO2低压合成甲醇反应(CO2＋3H2===CH3OH＋H2O)所涉及的4种物质中，沸点从高到低的顺序为______________________，原因是____________________________________
________________________________________________________________________。
答案 (1)(H3O＋)O—H…N(N) (NH)N—H…N(N)
(2)H2O＞CH3OH＞CO2＞H2 H2O与CH3OH均为极性分子，H2O中氢键比甲醇多；CO2与H2均为非极性分子，CO2分子量较大、范德华力较大
解析 (1)结合题图可知，N与H3O＋中的H原子，与NH中的H原子间均存在氢键。(2)比较分子晶体的沸点时注意考虑范德华力和氢键。
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[对点训练]
题组1 范德华力及其对物质性质的影响
1．下列关于范德华力的叙述正确的是( )
A．是一种较弱的化学键
B．分子间存在的较强的电性作用
C．直接影响物质的熔、沸点
D．稀有气体的原子间存在范德华力
答案 D
解析 范德华力是分子间存在的较弱的相互作用，它不是化学键且比化学键弱得多，只能影响由分子构成的物质的熔、沸点；稀有气体为单原子分子，分子之间靠范德华力相结合。
2．卤素单质从F2到I2，在常温、常压下的聚集状态由气态、液态到固态的原因是( )
A．原子间的化学键键能逐渐减小
B．范德华力逐渐增大
C．原子半径逐渐增大
D．氧化性逐渐减弱
答案 B
解析 卤素单质结构相似，相对分子质量越大，范德华力越大。
3．下列物质发生状态变化时，克服了范德华力的是( )
A．食盐熔化 B．晶体硅熔化
C．碘升华 D．氢氧化钠熔化
答案 C
解析 氯化钠、氢氧化钠均是离子化合物，熔化时离子键断裂，A、D项错误；晶体硅熔化时克服的是共价键，B项错误；碘升华时克服的是范德华力，C项正确。
题组2 氢键的形成及其对物质性质的影响
4．氨气溶于水中，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的结构式为( )
A． B．
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C． D．
答案 B
解析 从氢键的成键原理上讲，A、B都成立；但从空间构型上讲，由于氨分子是三角锥形，易于提供孤电子对，所以以B方式结合空间阻碍最小，结构最稳定；从事实上讲，依据NH3·H2ONH＋OH－可知答案是B。
5．下列物质中含有氢键，且氢键最强的是( )
A．甲醇 B．NH3
C．冰 D．(HF)n
答案 D
解析 氢键可表示为X—H…Y—(X、Y可相同也可不同，一般为N、O、F)，当X、Y原子半径越小、电负性越大时，在分子间H与Y产生的静电吸引作用越强，形成的氢键越牢固。
6．在硼酸[B(OH)3]分子中，B原子与3个羟基相连，其晶体具有与石墨相似的层状结构。则分子中B原子杂化轨道的类型及同层分子间的主要作用力分别是( )
A．sp，范德华力 B．sp2，范德华力
C．sp2，氢键 D．sp3，氢键
答案 C
解析 石墨晶体中C原子为sp2杂化，层与层之间以范德华力结合，在硼酸[B(OH)3]分子中，B原子也为sp2杂化，但由于B(OH)3中B原子与3个羟基相连，羟基间能形成氢键，故同层分子间的主要作用力为氢键。
7．下列有关氢键的说法中错误的是( )
A．通常说氢键是较强的分子间作用力
B．因为水分子间存在氢键，所以冰能浮在水面上
C．氢键比范德华力强，所以氢键是一种相对较弱的化学键
D．氢键是由氢原子与非金属性极强的原子相互作用而形成的
答案 C
解析 氢键比范德华力强，比化学键弱，属于较强的分子间作用力，不属于化学键。氢键是由带正电荷的H原子与强极性的非金属原子间发生相互作用而形成的，对物质的熔、沸点和溶解度等物理性质有明显的影响。
8．下列与氢键有关的说法中错误的是( )
A．氨水中存在分子间氢键
B．形成氢键A—H…B—的三个原子总在一条直线上
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C．卤化氢中HF沸点较高，是由于HF分子间存在氢键
D．邻羟基苯甲醛()的熔、沸点比对羟基苯甲醛()的熔、沸点低
答案 B
解析 氨水中氨分子之间、水分子之间以及氨分子与水分子之间都存在氢键，A正确；氢键具有一定的方向性，但不是一定在一条直线上，如，故B错误。HF分子间存在氢键A—H…B—，使氟化氢分子间作用力增大，所以氟化氢的沸点较高，C正确；邻羟基苯甲醛可形成分子内氢键，而对羟基苯甲醛可形成分子间氢键，所以邻羟基苯甲醛的熔、沸点比对羟基苯甲醛的熔、沸点低，D正确。
题组3 化学键、范德华力、氢键的综合
9．下列关于范德华力与氢键的叙述中正确的是( )
A．范德华力比氢键的作用还要弱
B．范德华力与氢键共同决定物质的物理性质
C．范德华力与氢键的强弱都只与相对分子质量有关
D．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
答案 A
解析 范德华力弱于氢键，A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，B项错误；氢键的强弱主要与形成氢键的原子的电负性有关，C项错误；只有由分子组成的物质中才存在范德华力，D项错误。
10．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
答案 B
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H2S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。
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11．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主要的相互作用依次是( )
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
答案 B
解析 固态的水与液态的水分子间的作用力种类相同，均为氢键和范德华力，区别在于氢键的数目，故由固态水―→液态水破坏氢键，同样，由液态水变为水蒸气时，破坏的也是氢键，而由H2O(气)―→H2(气)＋O2(气)时破坏的是极性键，故选B。
12．关于氢键 ，下列说法正确的是( )
A．由于冰中的水分子间存在氢键，所以其密度大于液态水
B．可以用氢键解释接近沸点的水蒸气的相对分子质量测定值比用化学式(H2O)计算出来的相对分子质量大
C．分子间氢键和分子内氢键都会使熔、沸点升高
D．每个水分子内平均含有两个氢键
答案 B
解析 由于冰中的水分子间的氢键多于液态水中的氢键，分子间的距离较大，所以其密度小于液态水，A项错误；由于水分子之间存在氢键，水分子通常以几个分子聚合的形式存在，所以接近沸点的水蒸气的相对分子质量测定值比用化学式(H2O)计算出来的相对分子质量大，B项正确；分子间氢键可使物质的熔、沸点升高，分子内氢键可使物质的熔、沸点降低，C项错误；水分子内不含氢键，水中的氢键只存在于水分子之间，D项错误。
[综合强化]
13．(1)一定条件下，CH4、CO2都能与H2O形成笼状结构(如下图所示)的水合物晶体，其相关参数见下表。CH4与H2O形成的水合物晶体俗称“可燃冰”。
参数
分子
分子直径/nm
分子与H2O的结合能E/kJ·mol－1
CH4
0.436
16.40
CO2
0.512
29.91
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①“可燃冰”中分子间存在的两种作用力是___________________________________。
②为开采深海海底的“可燃冰”，有科学家提出用CO2置换CH4的设想。已知上图中笼状结构的空腔直径为0.586 nm，根据上述图表，从物质结构及性质的角度分析，该设想的依据是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)H2O与CH3CH2OH可以任意比例互溶，除因为它们都是极性分子外，还因为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案 (1)①氢键、范德华力 ②CO2的分子直径小于笼状空腔直径，且与H2O的结合能大于CH4
(2)H2O与CH3CH2OH之间可以形成氢键
解析 (1)②根据题给数据可知，笼状空腔的直径是0.586 nm，而CO2分子的直径是0.512 nm，笼状空腔直径大于CO2分子的直径，而且CO2与水分子之间的结合能大于CH4，因此可以实现用CO2置换CH4的设想。(2)水可以与乙醇互溶，是因为H2O与CH3CH2OH之间可以形成分子间氢键。
14．水是自然界中普遍存在的一种物质，也是维持生命活动所必需的一种物质。
信息一：水的性质存在许多反常现象，如固态密度小于液态密度使冰浮在水面上，沸点相对较高使水在常温常压下呈液态等。
信息二：在20 ℃、1个大气压下，水可以结成冰，称为“热冰”(如图)：
试根据以上信息回答下列问题：
(1)s轨道与s轨道重叠形成的共价键可用符号表示为δss，p轨道以“头碰头”方式重叠形成的共价键可用符号表示为δpp，则H2O分子中含有的共价键用符号表示为__________________________。
(2)下列物质熔化时，所克服的微粒间的作用与“热冰”熔化时所克服的作用类型完全相同的是______________(填字母)。
A．金刚石 B．干冰
C．食盐 D．固态氨
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(3)已知：2H2OH3O＋＋OH－，H3O＋的立体构型是______________，在OH－、H2O、H3O＋、H2O2中均含有的化学键是________(填字母)。
A．极性键 B．非极性键
C．配位键 D．氢键
(4)根据等电子原理，写出短周期元素原子形成的与H3O＋互为等电子体的分子或离子________________________________________________________________________。
(5)水的分解温度远高于其沸点的原因是_______________________________________
________________________________________________________________________。
答案 (1)δsp (2)D (3)三角锥形 A (4)NH3 (5)水分解必须破坏分子内部O—H共价键，而水沸腾只需破坏分子间作用力
15．短周期的5种非金属元素，其中A、B、C的特征电子排布可表示为A：asa，B：bsbbpb，C：csccp2c，D与B同主族，E在C的下一周期，且是同周期元素中电负性最大的元素。
回答下列问题：
(1)由A、B、C、E四种元素中的两种元素可形成多种分子，下列分子：①BC2 ②BA4 ③A2C2 ④BE4，其中属于极性分子的是________(填序号)。
(2)C的氢化物比下周期同族元素的氢化物沸点还要高，其原因是_______________________
________________________________________________________________________。
(3)B、C两元素都能和A元素组成两种常见的溶剂，其分子式分别为____________、____________。DE4在前者中的溶解性________(填“大于”或“小于”)在后者中的溶解性。
(4)BA4、BE4和DE4的沸点从高到低的顺序为___________________________________
_____________________________________________________________(用化学式表示)。
答案 (1)③ (2)H2O分子间形成氢键 (3)C6H6 H2O 大于 (4)SiCl4>CCl4>CH4
解析 由s轨道最多可容纳2个电子可得：a＝1，b＝c＝2，即A为H元素，B为C元素，C为O元素。由D与B同主族，且为非金属元素得D为Si元素；由E在C的下一周期且E为同周期电负性最大的元素可知E为Cl元素。
(1)①、②、③、④分别为CO2、CH4、H2O2、CCl4，其中H2O2为极性分子，其他为非极性分子。
(2)C的氢化物为H2O，H2O分子间可形成氢键是其沸点较高的重要原因。
(3)B、A两元素组成苯，C、A两元素组成水，两者都为常见的溶剂，SiCl4为非极性分子，易溶于非极性溶剂苯中。
(4)BA4、BE4、DE4分别为CH4、CCl4、SiCl4，三者结构相似，相对分子质量逐渐增大，分子间作用力逐渐增强，故它们的沸点顺序为SiCl4>CCl4>CH4。
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