大学化学(无机类)分子间力与氢键(授课讲义)

1、无无 机机 化化 学学 分子的结构和性质分子的结构和性质第六章第六章第五节第五节第六章第六章 分子的结构和性质分子的结构和性质分子间力和氢键分子间力和氢键6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键 气体液化成液体，液体凝固成固体气体液化成液体，液体凝固成固体。表明在物质分子间还存在着相互作用力，表明在物质分子间还存在着相互作用力，这种分子间力称为范德华力。这种分子间力称为范德华力。 分子间力是决定物质的熔点、沸点、分子间力是决定物质的熔点、沸点、气化热，熔化热、溶解度、表面张力、气化热，熔化热、溶解度、表面张力、黏度等性质的主要因素。黏度等性质的主要因素。 从本质上来说分子间力属于电学性质从本质上来

2、说分子间力属于电学性质的静电作用力。的静电作用力。6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性分子的极性分子的极性产生：产生： 每个分子都由带正电的原子核和带每个分子都由带正电的原子核和带负电的电子组成，正负电荷数量相等负电的电子组成，正负电荷数量相等, 整个分子是电中性的。整个分子是电中性的。 如果分子的正电荷中心和负电荷中如果分子的正电荷中心和负电荷中心不重合在同一点上心不重合在同一点上,那么分子就具有极那么分子就具有极性。性。6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性分子的极性分子的极性双原子分子双原子分子

3、两个相同原子组成的分子，正、负电荷两个相同原子组成的分子，正、负电荷中心重合，不具有极性，为非极性分子。中心重合，不具有极性，为非极性分子。 例例 H2+_HH6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性分子的极性分子的极性双原子分子双原子分子 HClHCl+_ 不同原子组成的分子不同原子组成的分子, 负电荷中心比正负电荷中心比正电荷中心更偏向电负性大的原子电荷中心更偏向电负性大的原子,正正、负电负电荷中心不重合荷中心不重合, 分子有极性分子有极性, 为极性分子为极性分子。即双原子分子的极性取决于键的极即双原子分子的极性取决于键的极性：含有极性键的分子一

4、定是极性性：含有极性键的分子一定是极性分子，极性分子一定含有极性键。分子，极性分子一定含有极性键。6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性分子的极性分子的极性多原子分子多原子分子 分子的极性分子的极性 键的极性键的极性分子的几何构型分子的几何构型 例例 H2O+_+_HHO极性分子极性分子6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性分子的极性分子的极性多原子分子多原子分子 分子的极性分子的极性 键的极性键的极性分子的几何构型分子的几何构型 CO2非极性分子非极性分子+_+_+_OOC6.5 分子间力和氢分子间力

5、和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性分子的极性分子的极性键的极性键的极性 取决于成键两原子共用电子对的偏离取决于成键两原子共用电子对的偏离分子的极性分子的极性 取决于分子中正取决于分子中正、负电荷中心是否重合负电荷中心是否重合6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性分子的极性分子的极性分子分子Br2NO H2SCS2BF3CHCl3键的极性键的极性 非极非极性性极性极性极性极性 极性极性极性极性极性极性几何构型几何构型 直线直线 直线直线 V形形 直线直线 正三角形正三角形四面体四面体分子极性分子极性 非极非极性性极性极性极性极性

6、 非极非极性性非极性非极性极性极性分子类型分子类型离子型离子型 极性极性 非极性非极性+_+6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性分子的极性分子的极性偶极矩偶极矩() 分子中电荷中心的电荷量分子中电荷中心的电荷量(q)与正、负与正、负电荷中心距离电荷中心距离(d)的乘积的乘积=q d的单位的单位: 库库米米(Cm)d+q_q= 0 非极性分子非极性分子 极性分子极性分子, ,越大越大, , 分子极性越强分子极性越强6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性分子的极性分子的极性依次减弱依次减弱分子极性分子极性

7、1.272.633.616.40/(10-30Cm)HIHBrHClHFHX越大越大, , 分子极性越强分子极性越强偶极矩偶极矩() 6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性分子的极性分子的极性根据根据可以推断某些分子的几何构型可以推断某些分子的几何构型直线形直线形 直线形直线形 三角锥形三角锥形 V字型字型几何构型几何构型5.334.3300/(10-30Cm)SO2NH3CS2CO2分子分子偶极矩偶极矩() 6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性分子的变形性分子的变形性非极性分子在电场作用下，电子云与

8、核发非极性分子在电场作用下，电子云与核发生相对位移，分子变形，出现偶极，这种生相对位移，分子变形，出现偶极，这种偶极称为偶极称为诱导偶极诱导偶极(诱导诱导) 。分子的形状发生变化，分子的这种性质叫分子的形状发生变化，分子的这种性质叫分子的分子的变形性变形性。这一变化过程叫这一变化过程叫分子极化分子极化。+_+ _+_6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性分子的变形性分子的变形性+_+ _+_(诱导诱导) E E 电场强度电场强度 极化率极化率越大，分子变形性越大越大，分子变形性越大6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分

9、子的极性和变形性分子的变形性分子的变形性极性分子在电场中的变形极化极性分子在电场中的变形极化取向取向 变形变形定向极化定向极化 变形极化变形极化固有偶极固有偶极 诱导偶极诱导偶极分子的偶极分子的偶极=固有偶极固有偶极+诱导偶极诱导偶极+_+_- -6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性分子的变形性分子的变形性极性分子本身是个微电场，因而，极性分极性分子本身是个微电场，因而，极性分子与极性分子之间、极性分子与非极性分子与极性分子之间、极性分子与非极性分子之间也会发生极化作用。子之间也会发生极化作用。6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.2 分子

10、间力分子间力分子间力的种类分子间力的种类色散力色散力诱导力诱导力取向力取向力6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.2 分子间力分子间力分子间力的存在分子间力的存在非极性分子与非极性分子之间非极性分子与非极性分子之间非极性分子正负电荷中心重合，分子没有非极性分子正负电荷中心重合，分子没有极性。但电子在运动，原子核也在不停地极性。但电子在运动，原子核也在不停地振动，使原子核与电子云之间发生瞬时的振动，使原子核与电子云之间发生瞬时的相对位移。正、负电荷中心暂时不重合，相对位移。正、负电荷中心暂时不重合，产生瞬时偶极。这种瞬时偶极尽管存在时产生瞬时偶极。这种瞬时偶极尽管存在时间极短，但电子和原子

11、核总在不停地运动间极短，但电子和原子核总在不停地运动，瞬时偶极不断地出现。，瞬时偶极不断地出现。6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.2 分子间力分子间力分子间力的存在分子间力的存在非极性分子与非极性分子之间非极性分子与非极性分子之间+_+_+_+_+_+_+_+分子间由于瞬时偶极所产生的作用力分子间由于瞬时偶极所产生的作用力色散力色散力6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.2 分子间力分子间力分子间力的存在分子间力的存在非极性分子与极性分子之间非极性分子与极性分子之间 1. 非极性分子在极性分子固有偶极作用非极性分子在极性分子固有偶极作用下，发生变形，产生诱导偶极，下，发生变形，

12、产生诱导偶极，诱导偶极诱导偶极与固有偶极之间的作用力称为诱导力。与固有偶极之间的作用力称为诱导力。 2. 由于电子与原子核的相对运动，极性由于电子与原子核的相对运动，极性分子也会出现瞬时偶极，所以非极性分子分子也会出现瞬时偶极，所以非极性分子与极性分子之间也存在与极性分子之间也存在色散力。色散力。 6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.2 分子间力分子间力分子间力的存在分子间力的存在极性分子与极性分子之间极性分子与极性分子之间1. 极性分子相互靠近时，发生定向极化，极性分子相互靠近时，发生定向极化，由固有偶极的取向而产生的作用力称由固有偶极的取向而产生的作用力称为取向力为取向力+_+_

13、2. 极性分子定向极化后，会进一步产生极性分子定向极化后，会进一步产生诱诱 导偶极，存在导偶极，存在诱导力诱导力6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.2 分子间力分子间力分子间力的存在分子间力的存在极性分子与极性分子之间极性分子与极性分子之间1. 极性分子相互靠近时，发生定向极化，极性分子相互靠近时，发生定向极化，由固有偶极的取向而产生的作用力称由固有偶极的取向而产生的作用力称为取向力为取向力 2. 极性分子定向极化后，会进一步产生极性分子定向极化后，会进一步产生诱诱 导偶极，存在导偶极，存在诱导力诱导力 3. 存在存在色散力色散力6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.2 分子间力

14、分子间力分子间力的存在分子间力的存在分子分子分子间力种类分子间力种类非极性分子非极性分子-非极性分子非极性分子色散力色散力非极性分子非极性分子-极性分子极性分子色散力、诱导力色散力、诱导力极性分子极性分子-极性分子极性分子色散力、诱导力、色散力、诱导力、取向力取向力6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.2 分子间力分子间力分子间力的特点分子间力的特点是一种电性作用力是一种电性作用力作用距离短作用距离短,作用范围仅为几百皮米。作用范围仅为几百皮米。作用能小，一般为几到几十千焦每摩尔。作用能小，一般为几到几十千焦每摩尔。比键能小比键能小 12个数量级个数量级无饱和性和方向性无饱和性和方向性对

15、大多数分子来说，以色散力为主对大多数分子来说，以色散力为主(除极除极性很大且存在氢键的分子，如性很大且存在氢键的分子，如H2O外外)6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.2 分子间力分子间力分子分子E(取向取向)E(诱导诱导)E(色散色散)E(总总)kJmol-1kJmol-1kJmol-1kJmol-1Ar0.0000.0008.498.49CO0.0030.0088.748.75HI0.0250.11325.825.9HBr0.6860.50221.923.1HCl3.301.0016.821.1NH313.31.5514.929.8H2O36.31.928.9947.2对大多数分子

16、来说，以色散力为主对大多数分子来说，以色散力为主(除极除极性很大且存在氢键的分子，如性很大且存在氢键的分子，如H2O外外)6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.2 分子间力分子间力影响分子间力的因素影响分子间力的因素取向力：温度越高，取向力越弱取向力：温度越高，取向力越弱分子的偶极矩越大分子的偶极矩越大, 取向力越强取向力越强诱导力：诱导力：极性分子的偶极矩越大极性分子的偶极矩越大非极性分子的极化率越大非极性分子的极化率越大诱导力越强诱导力越强色散力：分子的极化率越大色散力：分子的极化率越大, 色散力越强色散力越强分子间距离：分子间距离越大，分子间分子间距离：分子间距离越大，分子间力越弱

17、力越弱6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.2 分子间力分子间力分子间力对物质性质的影响分子间力对物质性质的影响1010-40-40C Cm m2 2V V-1-1熔点熔点沸点沸点溶解度溶解度H2O乙醇乙醇丙酮丙酮He0.225-272.2 -268.9 0.1370.599 0.684Ne0.436-248.67-245.9 0.1740.8571.15Ar1.813-189.2 -185.7 0.4146.548.09Kr2.737-156.0 -152.3 0.888Xe4.451-111.9-1071.94Rn6.029-71-61.84.14211.2 254.9/(10/(1

18、0-40 -40 C Cm m2 2V V-1-1) )1.655.897.33一般来说一般来说,结构相似的同系结构相似的同系列物质相对分子列物质相对分子质量越大质量越大,分子变形性越大分子变形性越大,分子间力越强，分子间力越强，熔、沸点越高熔、沸点越高6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.2 分子间力分子间力分子间力对物质性质的影响分子间力对物质性质的影响1010-40-40C Cm m2 2V V-1-1熔点熔点沸点沸点溶解度溶解度H2O乙醇乙醇丙酮丙酮He0.225-272.2 -268.9 0.1370.599 0.684Ne0.436-248.67-245.9 0.1740.8

19、571.15Ar1.813-189.2 -185.7 0.4146.548.09Kr2.737-156.0 -152.3 0.888Xe4.451-111.9-1071.94Rn6.029-71-61.84.14211.2 254.9/(10/(10-40 -40 C Cm m2 2V V-1-1) )1.655.897.33溶质或溶剂溶质或溶剂分子的变形分子的变形性越大性越大,分子分子间力越大间力越大,溶溶解度越大解度越大。6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.3 氢键氢键氢键的形成氢键的形成同种分子间的氢键同种分子间的氢键 F F H H H H F F F 163pm140255p

20、m如如F的电负性大的电负性大, 其共用电子对强烈偏向其共用电子对强烈偏向F, H几乎成为质子几乎成为质子, 对附近另一个对附近另一个HF分子中的分子中的F产生静电吸引作用产生静电吸引作用, 该静电吸引作用力称为该静电吸引作用力称为氢键氢键6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.3 氢键氢键氢键的形成氢键的形成同种分子间的氢键同种分子间的氢键不同种分子间的氢键不同种分子间的氢键 H HHN HO H或或 H HHNH OH通式：通式：XHY6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.3 氢键氢键氢键的强度氢键的强度可用氢键键能表示可用氢键键能表示通式：通式：XHY即每拆开即每拆开1mol H

21、 Y键所需的能量键所需的能量氢键键能氢键键能一般一般 42kJ mol 1，远小于正常远小于正常共价键键能，与分子间力差不多。共价键键能，与分子间力差不多。如如H2O 氢键键能为氢键键能为18 83 kJ mol 1 OH键能为键能为463 kJ mol 1 分子间力分子间力 47.2 kJ mol 16.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.3 氢键氢键分子内的氢键分子内的氢键如如 H O O N O硝酸硝酸分子内氢键由于受环状结构的限制，分子内氢键由于受环状结构的限制，XHY往往不在同一直线上往往不在同一直线上O O N O邻硝基苯酚邻硝基苯酚H6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键6.5.3 氢键氢键氢键形成对物质性质的影氢键形成对物质性质的影响响熔、沸点熔、沸点 分子间的氢键使熔、沸点升高分子间的氢键使熔、沸点升高如如 HF、H2O、NH3 6.5 分子间力和氢分子间力和氢键键t/周期数周期数2 3 4 5 2 3 4 5 H2OH2SH2SeH2TeHFHClHBrHINH3PH3AsH3SbH3CH4SiH4GeH4SnH4CH4SiH4GeH4SnH4SbH3 100 0-100-200NH3PH3AsH3HFHClHBrHIH2O