大学化学(无机类)分子间力和氢键(授课讲义)

无机化学分子的结构和性质第六章第五节第六章分子的结构和性质分子间力和氢键6.5分子间力和氢键气体液化成液体，液体凝固成固体。表明在物质分子间还存在着相互作用力，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、气化热，熔化热、溶解度、表面张力、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的静电作用力。6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和变形性分子的极性产生：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,整个分子是电中性的。如果分子的正电荷中心和负电荷中心不重合在同一点上,那么分子就具有极性。6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和变形性分子的极性双原子分子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。例H2+_HH6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和变形性分子的极性双原子分子HClHCl+_不同原子组成的分子,负电荷中心比正电荷中心更偏向电负性大的原子,正、负电荷中心不重合,分子有极性,为极性分子。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定是极性分子，极性分子一定含有极性键。6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和变形性分子的极性多原子分子分子的极性键的极性分子的几何构型例H2O++__+_HHO极性分子6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和变形性分子的极性多原子分子分子的极性键的极性分子的几何构型CO2非极性分子+_+_+_OOC6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和变形性分子的极性键的极性取决于成键两原子共用电子对的偏离分子的极性取决于分子中正、负电荷中心是否重合6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和变形性分子的极性分子Br2NOH2SCS2BF3CHCl3键的极性非极性极性极性极性极性极性几何构型直线直线V形直线正三角形四面体分子极性非极性极性极性非极性非极性极性分子类型离子型极性非极性++___+6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和变形性分子的极性偶极矩(μ)分子中电荷中心的电荷量(q)与正、负电荷中心距离(d)的乘积μ=q·dμ的单位:库·米(C·m)d+q_qμ=0非极性分子μ≠０极性分子,μ越大,分子极性越强6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和变形性分子的极性依次减弱分子极性1.272.633.616.40μ/(10-30C·m)HIHBrHClHFHXμ越大,分子极性越强偶极矩(μ)6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和变形性分子的极性根据μ可以推断某些分子的几何构型直线形直线形三角锥形V字型几何构型5.334.3300μ/(10-30C·m)SO2NH3CS2CO2分子偶极矩(μ)6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和变形性分子的变形性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，这种偶极称为诱导偶极[μ(诱导)]。分子的形状发生变化，分子的这种性质叫分子的变形性。这一变化过程叫分子极化。+_+_+_6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和变形性分子的变形性+_+_+_μ(诱导)＝α·EE—电场强度α—极化率α越大，分子变形性越大6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和变形性分子的变形性极性分子在电场中的变形极化取向变形定向极化变形极化固有偶极诱导偶极分子的偶极=固有偶极+诱导偶极++_+++++++++__________-6.5分子间力和氢键6.5.1分子的极性和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。6.5分子间力和氢键6.5.2分子间力分子间力的种类色散力诱导力取向力6.5分子间力和氢键6.5.2分子间力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，产生瞬时偶极。这种瞬时偶极尽管存在时间极短，但电子和原子核总在不停地运动，瞬时偶极不断地出现。6.5分子间力和氢键6.5.2分子间力分子间力的存在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——色散力6.5分子间力和氢键6.5.2分子间力分子间力的存在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下，发生变形，产生诱导偶极，诱导偶极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色散力。6.5分子间力和氢键6.5.2分子间力分子间力的存在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，由固有偶极的取向而产生的作用力称为取向力++_+++++++++__________2.极性分子定向极化后，会进一步产生诱导偶极，存在诱导力6.5分子间力和氢键6.5.2分子间力分子间力的存在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，由固有偶极的取向而产生的作用力称为取向力2.极性分子定向极化后，会进一步产生诱导偶极，存在诱导力3.存在色散力6.5分子间力和氢键6.5.2分子间力分子间力的存在分子分子间力种类非极性分子-非极性分子色散力非极性分子-极性分子色散力、诱导力极性分子-极性分子色散力、诱导力、取向力6.5分子间力和氢键6.5.2分子间力分子间力的特点是一种电性作用力作用距离短,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。比键能小1~2个数量级无饱和性和方向性对大多数分子来说，以色散力为主(除极性很大且存在氢键的分子，如H2O外)6.5分子间力和氢键6.5.2分子间力分子E(取向)E(诱导)E(色散)E(总)kJ·mol-1kJ·mol-1kJ·mol-1kJ·mol-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对大多数分子来说，以色散力为主(除极性很大且存在氢键的分子，如H2O外)6.5分子间力和氢键6.5.2分子间力影响分子间力的因素取向力：温度越高，取向力越弱分子的偶极矩越大,取向力越强诱导力：极性分子的偶极矩越大非极性分子的极化率越大诱导力越强色散力：分子的极化率越大,色散力越强分子间距离：分子间距离越大，分子间力越弱6.5分子间力和氢键6.5.2分子间力分子间力对物质性质的影响α10-40C·m2·V-1熔点℃沸点℃溶解度H2O乙醇丙酮He0.225-272.2-268.90.1370.5990.684Ne0.436-248.67-245.90.1740.8571.15Ar1.813-189.2-185.70.4146.548.09Kr2.737-156.0-152.30.888－－Xe4.451-111.9-1071.94－－Rn6.029-71-61.84.14211.2254.9α/(10-40C·m2·V-1)1.655.897.33一般来说,结构相似的同系列物质相对分子质量越大,分子变形性越大,分子间力越强，熔、沸点越高6.5分子间力和氢键6.5.2分子间力分子间力对物质性质的影响α10-40C·m2·V-1熔点℃沸点℃溶解度H2O乙醇丙酮He0.225-272.2-268.90.1370.5990.684Ne0.436-248.67-245.90.1740.8571.15Ar1.813-189.2-185.70.4146.548.09Kr2.737-156.0-152.30.888－－Xe4.451-111.9-1071.94－－Rn6.029-71-61.84.14211.2254.9α/(10-40C·m2·V-1)1.655.897.33溶质或溶剂分子的变形性越大,分子间力越大,溶解度越大。6.5分子间力和氢键6.5.3氢键氢键的形成同种分子间的氢键FFHHHHFFF163pm140°255pm如F的电负性大,其共用电子对强烈偏向F,H几乎成为质子,对附近另一个HF分子中的F产生静电吸引作用,该静电吸引作用力称为氢键6.5分子间力和氢键6.5.3氢键氢键的形成同种分子间的氢键不同种分子间的氢键HHH—NH—OH或HHH—N—HO—H通式：X—HY6.5分子间力和氢键6.5.3氢键氢键的强度可用氢键键能表示通式：X—HY即每拆开1molHY键所需的能量氢键键能一般42kJmol1，远小于正常共价键键能，与分子间力差不多。如H2O氢键键能为1883kJmol1O—H键能为463kJmol1分子间力47.2kJmol16.5分子间力和氢键6.5.3氢键分子内的氢键如HOO—NO硝酸分子内氢键由于受环状结构的限制，X—HY往往不在同一直线上OONO邻硝基苯酚H6.5分子间力和氢键6.5.3氢键氢键形成对物质性质的影响熔、沸点分子间的氢键使熔、沸点升高如HF、H2O、NH36.5分子间力和氢键t/℃周期数23452345H2OH2SH2SeH2TeHFHClHBrHINH3PH3AsH3SbH3CH4SiH4GeH4SnH4CH4SiH4GeH4SnH4SbH31000-100-200NH3PH3AsH3HFHClHBrHIH2OH2SH2SeH2Te熔点沸点H2OH2SH2SeH2TeHFHClHBrHINH3PH3AsH3SbH3CH4SiH4GeH4SnH4PH3H2OH2SH2SeH2TeHFHClHBrHINH3PH3AsH3SbH3CH4SiH4GeH4SnH4PH3同族氢化物的熔、沸点随相对分子质量的增大而升高,但NH3、H2O、HF特殊6.5分子间力和氢键6.5.3氢键氢键形成对物质性质的影响熔、沸点分子间的氢键使熔、沸点升高分子内的氢键存在使熔、沸点降低如氢键熔点／℃邻硝基苯酚分子内45间位硝基苯酚分子间96对位硝基苯酚分子间114OONO邻硝基苯酚H6.5分子间力和氢键6.5.3氢键氢键形成对物质性质的影响溶解度在极性溶剂中，若溶质和溶剂间存在氢键,则会使溶质的溶解度增大如HF、NH3在H2O的溶解度大黏度增大如甘油、磷酸、浓硫酸均因分子间氢键的存在，为黏稠状液体6.5分子间力和氢键6.5.3氢键氢键形成对物质性质的影响密度：液体分子间若有氢键存在，有可能使分子发生缔合现象如nHF(HF)n缔合