《分子间作用力、氢键》-竞赛辅导

作者:翁志龙 来源:本站原创 发布时间:2017年06月12日 点击数:

《分子间作用力、氢键》

一、分子间作用力

1、键的极性

如果两个原子不相同,其电负性不等,所形成的化学键为极性键,分子中正负电荷重心不重合,这种分子就为极性分子。

复杂的多原子分子来说,若组成的原子相同(如S8、P4等),原子间的化学键一定是非极性键,这种分子是非极性分子(O3除外,它有微弱的极性)。

2、分子的极性

分子有无极性也是看分子中正负电荷重心是否重合。当重合时为非极性分子,不重合

时为极性分子。那末分子极性与键的极性有什末关系呢?

非极性键 → 非极性分子  (如:H2  O2  Cl2  N2等)

 双原子分子 → 极性分子

极性键         

非极性分子(空间构型对称,有对称中心)如CO2

    多原子分子 

 极性分子(空间构型不对称,无对称中心)如SO2、H2O

如何判断一个极性分子的极性大小呢?通常我们用分子电偶极矩的大小来衡量分子极性大小。在物理学上,把大小相等符号相反彼此相距为d的两个电荷(+q和-q)组成的体系称为偶极子。其中电量(q)与距离(d)之积,就是分子偶极矩

                               μ=q�d

对于非极性分子,正负电荷重心重合,d=0, μ=0

对于极性分子,正负电荷重心不重合,μ≠0。通常:d越大,正负电荷中心偏差越大,μ越大,分子极性越大。这样偶极矩的大小可以判断分子极性大小,偶极矩的数据可以有实验测定,如果实验测定μ≠0,则一定是极性分子。

3、分子偶极矩(μ):衡量分子极性的大小

⑴μ=q.d    d为偶极长(正负电重心之间的距离),d为正负电荷中心上的电荷量,

μ可用实验测定,单位是库�米(C�m)。

⑵应用:

① 若某分子μ=O则为非极性分子,μ≠0为极性分子。μ越大,极性越强,因此可用μ比较分子极性的强弱。如μHCl = 3.50�10-30 C�m,μH2O = 6.14�10-30 C�m

②用μ验证或判断某些分子的几何构型。如NH3和BCl3都是四原子分子。μNH3 = 4.94�10-30 C�m,μBCl3 = 0 C�m,说明NH3是极性分子为三角锥形,BCl3为非极性分子为平面三角形的构型。

⑶诱导偶极和瞬间偶极

①诱导偶极:外电场影响下所产生的偶极

② 瞬间偶极: 在某一瞬间,分子的正电荷重心和负电荷重心会发生不重合现象,这时所产生的偶极。

[例]下列哪些分子或原子有偶极矩?

(1)CH2Cl2,(2)顺-C2H2Cl2  (3)反-C2H2Cl2  (4)CH2CCl2  (5)SF4  (6)XeF4  (7)C2F4  (8)H2SO4  (9)NH4  (10)N2H4  (11)NCl3

(1)(2)(4)(5)(8)(11

4. 分子间作用力(范德华力)

1 取向力

      a.永久偶极: 极性分子的正、负电荷重心本来就不重合,始终存在着一个正极和一个负极,极性分子的这种固有的偶极,称为永久偶极。

      b.当两个极性分子相互接近时,一个分子带负电荷的一端要与另一个分子带正电荷的一端接近,这样就使得极性分子有按一定方向排列的趋势,因而产生分子间引力,称为取向力。

     c.极性分子之间,离子与极性分子之间的相互作用力就是取向力,即取向力存在于永久偶极之间或离子与永久偶极之间。

 2 诱导力

    a.诱导偶极:本来分子中正、负电荷的重心重合在一起,由于带正电荷的核被引向负电极而使电子云被引向正电极,结果电子云和核发生相对的位移,分子发生了变形,电荷重心分离,导致非极性分子在外电场(或在极性分子、离子)中产生偶极,这种偶极称为诱导偶极。

    b.应当注意,当外电场消失时,诱导偶极就消失,分子又重新变成非极性分子。

    c.由诱导偶极产生的分子间作用力,称为诱导力。

    d.诱导力不仅存在于非极性分子与极性分子之间,也存在于极性分子本身之间。

  3 色散力(dispersion force

      a.瞬时偶极(instantaneous dipole) 由于每个分子中的电子不断运动和原子核的不断振动,可以发生瞬时的电子与原子核的相对位移,造成正、负电荷重心的分离,这样产生的偶极称为瞬时偶极。

     b.这种瞬时偶极也会诱导邻近的分子产生瞬时偶极。

     c.由于瞬时偶极的产生,引起的分子间的相互作用力,称为色散力。

     d.分子的变形性越大,色散力越大。    e.色散力存在于任何共价分子之间。

总结:取向力,诱导力和色散力统称为van der Waals力。在极性分子之间存在取向力、诱导力和色散力,在极性分子和非极性分子之间存在诱导力和色散力,在非极性分子与非极性分子之间存在色散力。

对于组成和结构相似的物质,分子的分子量越大,越容易变形,色散力越大……

经验规则                                                                      

例:                                                                          

5、分子间力对物质物理性质的影响:   主要影响熔、沸点、气化热、熔化热。

①液态物质分子间力越大,气化热越大,沸点越高。

②固态物质分子间力越大,熔化热越大,熔点越高。

③一般说:结构相似的同系列物质(如X2)相对分子质量越大,分子变形性也越大,分子间力越强,物质的熔、沸点就越高。

④相对分子质量相等(如H3PO4、H2SO4)或近似而体积大的有较大变形性熔、沸点相对较高。

 ⑤溶质或溶剂(若它们是同系列,如有机物中)的极化率α越大,分子变形性和分子间的力越大,溶解度越大。

⑥分子极性小的(如聚乙烯、聚异丁烯等)分子间力小,硬度不大,含有极性基因的有机玻璃等物,分子间力较大,具有一定的硬度。

二、氢键

对于组成和结构相似的物质,分子的分子量越大,越容易变形,色散力越大……

经验规则?

在基础有机化学中,曾经利用氢键解释醇和其它一些化台物的沸点及其在水中的溶解度等获得了很大成功。然而氢键的存在并不仅仅表现在这两方面,而且也不只局限在醇和酚等几类化合物中。事实上,氢键既存在于液体中,也存在于气体、晶体、溶液等各种状态中,且支配着化合物的各种性质。与一般共价键相比,氢键的键能比较小,键长比较长,是一中弱键,但对许多化合物各种性质的影响,有时非常显著。例如,羟基化台物(如乙醇)多数比其非羟基异构体(如甲醚)的沸点高很多(乙醇的沸点比甲醇约高101.5℃),原因是羟基化合物能形成氢键。

1、氢键的生成

氢键的生成,主要是由偶极子与偶极之间的静电吸引作用。当氢原子与电负性甚强的原子(如A)结合时,因极化效应,其键间的电荷分布不均,氢原子变成近乎氢正离子状态。此时再与另一电负性甚强的原子(如B)相遇时,即发生静电吸引。因此结合可视为以H离子为桥梁而形成的,故称为氢键。如下式中虚线所示。

(1)氢键的表示:A─H---B

其中A、B是氧、氮或氟等电负性大且原子半径比较小的原子。

生成氢键时,给出氢原子的A—H基叫做氢给予基,与氢原子配位的电负性较大的原子B或基叫氢接受基,具有氢给予基的分子叫氢给予体。把氢键看作是由B给出电子向H配对,电子给予体B是氢接受体,电子接受体A─H是氢给予体。

氢键的形成,既可以是一个分子在其分子内形成,也可以是两个或多个分子在其分子间形成。例如:水扬醛和2—甲基—2—芳氧基丙酸分别在其分子内形成了氢键,而氟化氢和甲醇则是在其分子之间形成氢键。

 

即X、 的电负性越大,氢键越强,X、Y半径越小,氢键越强。

(4)影响氢键的因素


①氢键的强弱与原子A与B的电负性大小有关,A、B的电负性越大,则氢键越强;

②与原子B的半径大小有关,即原子B的半径越小别越容易接近H—A中的氢原子,因此氢键越强,

例如,氟原子的电负性最大而半径很小,所以氢键中的F—H…F是最强的氢键。在F—H、

O—H、N—H、C—H系列中,形成氢键的能力随着与氢原子相结合的原子的电负性的降低而递降。碳原子的电负性很小,C—H一般不能形成氢键,但在H—C≡N或HCCl3

中,由于氮原子和氯原子的影响,使碳原子的电负性增大,这时也可以形成氢键。例如HCN的分子之间可以生成氢键,三氯甲烷和丙酮之间也能生成氢键(非常规氢键

(5)非常规氢键:丙酮和三氟甲烷、苯和三氯甲烷

        (i) X—H……π氢键:在一个X—H……π氢键中,π键或离域π键体系作为质子

2、分子间氢键和分子内氢键

⑴分子间氢键:一个分子的A—H基与另一个分子的原子B结合而成的氢键称为分子间氢键。分子间氢键按形成氢键的分子是否相同,又分为相同分子间氢键和不同分子间氢键两类。

①相同分子间氢键:相同分子间氢键又可分为二聚分子中的氢键和多聚分子中的氢键两类。这里所说的二聚分子间的氢键,是指两个相同分子通过氢键形成二聚体分子中的氢键;而多聚分子中的氢键,是指多个相同分子通过氢键结合而成的分子中的氢键。

二聚分子中的氢键以二聚甲酸(COOH)2,中的氢键最典型。它是由一分子甲酸中的羟基氢原子和另一分子羧基中羰基氧原子彼此结合而成的环状结构。

(4)密度:液体分子间若形成氢键,有可能发生缔合现象,如液态HF中除简单HF分子外,还有通过氢键联系的复杂分子:nHF         (HF)n

  由若干个简单分子联成复杂分子而不会改变原物质化学性质的现象——分子的缔合,又如:   nH2O         (H2O)n

降温有利于分子的缔合,降至0℃,全部水分子结合成巨大的缔合物——冰。

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