2.4 分子间作用力-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修2 （鲁科版2019，京粤闽皖豫宁陕）

第4节　分子间作用力 [核心素养发展目标]　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.能辨识能形成氢键的物质，了解氢键对物质性质的影响。 一、范德华力与物质性质 1．分子间作用力 (1)概念：分子之间存在的多种相互作用统称为分子间作用力。分子间作用力比化学键弱得多。 (2)分类：最常见的分子间作用力是范德华力和氢键。 2．范德华力 3．范德华力对物质性质的影响 (1)对物质熔、沸点的影响 ①一般来说，分子组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越强，物质的熔、沸点就越高。如熔、沸点：CF4<CCl4<CBr4<CI4。 ②一般来说，分子组成相似且相对分子质量相近的物质，分子极性越大，范德华力越强，其熔、沸点就越高。如熔、沸点：CO>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，溶解度就越大。例如在273 K、101 kPa时，氧气在水中的溶解度比氮气在水中的溶解度大，就是因为O2与水分子之间的范德华力比N2与水分子之间的范德华力大。 1．任何物质的三态变化一定破坏分子间作用力吗？ 提示　不一定，有些物质不是由分子组成的，如氯化钠是由钠离子和氯离子组成的，所以三态变化时破坏的是离子键，不是分子间作用力。 2．分子的稳定性越强，沸点就越高吗？ 提示　不一定，因为影响分子稳定性的是分子内的共价键强弱，而影响沸点的是分子间作用力，二者没有必然的联系。如CCl4、SiCl4、SnCl4稳定性逐渐减弱，沸点逐渐升高。 1．正误判断 (1)范德华力的实质是电性作用，有一定的方向性和饱和性(　　) (2)分子间作用力是化学键的一种(　　) (3)范德华力存在于任何物质中(　　) (4)范德华力比化学键弱得多(　　) (5)范德华力能够影响物质的化学性质和物理性质(　　) (6)HF、HCl、HBr、HI的稳定性依次减弱，是因为分子间作用力依次减弱(　　) (7)水分解以及水的三态变化，水分子中的化学键都被破坏(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×　(6)×　(7)× 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变成液态或固态 B．熔、沸点高低：CH3CH3<CH3(CH2)2CH3 C．干冰易升华，SO2固体不易升华 D．氯化钠的熔点较高 答案　D 解析　 3．现有下列两组命题，②组命题正确，且能用①组命题正确解释的是(　　) 选项 ①组 ②组 A H—I键的键能大于H—Cl键的键能 HI比HCl稳定 B H—I键的键能小于H—Cl键的键能 HI比HCl稳定 C HI分子间的范德华力大于HCl的 HI的沸点比HCl的高 D HI分子间的范德华力小于HCl的 HI的沸点比HCl的低 答案　C 解析　HCl比HI稳定，是由于H—Cl键的键能大于H—I键的键能，故A、B错误；HI的沸点比HCl的高，是由于HI的相对分子质量大于HCl的相对分子质量，HI分子间的范德华力大于HCl分子间的范德华力，故C正确、D错误。 (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，主要影响物质的物理性质；化学键是相邻的原子之间强烈的相互作用，作用强烈，主要影响物质的化学性质。 (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。 二、氢键与物质性质 1．氢键 概念 当氢原子与电负性大的原子X以共价键结合时，氢原子与另一个电负性大的原子Y之间的作用力 表示方式 ①通常用X—H…Y表示氢键，其中X—H表示氢原子和X原子以共价键相结合； ②氢键的键长一般定义为X—H…Y的长度，氢键的作用能是指X—H…Y分解为X—H和Y所需要的能量 形成条件 X、Y原子所属元素具有较大的电负性和较小的原子半径，如N、O、F，或者说，氢原子位于X原子和Y原子之间且X原子和Y原子具有强烈吸引电子的作用 作用能 比范德华力的作用能大一些，比化学键的键能小得多 类型 分子间氢键和分子内氢键 特征 氢键具有一定的饱和性和方向性 2．氢键对物质性质的影响 (1)对物质熔、沸点的影响 ①分子间存在氢键的物质，物质的熔、沸点明显高，如H2O、HF的沸点分别比ⅥA、ⅦA族其他元素的氢化物的沸点高出许多。 ②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，如熔、沸点：邻羟基苯甲酸<对羟基苯甲酸。 (2)对物质溶解度的影响 如果溶质与溶剂之间能形成氢键，则溶解度增大。如由于氨分子与水分子间能形成氢键，且都是极性分子，所以NH3极易溶于水。低级的醇、醛、酮等可溶于水，都与它们的分子能与水分子间形成氢键有关。 (3)对水密度的影响 氢键的存在使水的密度比冰的密度大。氢键有饱和性、方向性。水结冰体积膨胀，是因为冰中所有水分子间通过有方向性和饱和性的氢键相互结合成晶体，使水分子间的间距增大，有很多空隙，比较松散，而液态水中只有小部分水分子间以氢键结合成为(H2O)n。 1．正误判断 (1)氢键只存在于分子之间(　　) (2)液态水分子间的作用力只有氢键(　　) (3)氢键只有方向性，没有饱和性(　　) (4)水分子间在任何情况下都存在氢键(　　) (5)氢键的作用能比范德华力大，氢键就是化学键(　　) (6)HF的稳定性很强，是因为其分子间能形成氢键(　　) (7)甲醛分子间一定能形成氢键(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×　(6)×　(7)× 2．下列与氢键有关的说法错误的是(　　) A．氨水中存在分子间氢键 B．形成氢键X—H…Y的三个原子总在一条直线上 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，B错误；HF分子间存在氢键F—H…F，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；邻羟基苯甲醛易形成分子内氢键，而对羟基苯甲醛易形成分子间氢键，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。 3．(2022·湖北孝感高二期中)下列现象不能用“相似相溶”原理解释的是(　　) A．氨极易溶于水 B．氯气易溶于NaOH溶液 C．酒精与水以任意比互溶 D．苯萃取碘水中的I2 答案　B 解析　氨属于极性分子，水也属于极性分子，且氨能与水形成分子间氢键，根据“相似相溶”原理，氨极易溶于水，故A不符合题意；氯气能与NaOH溶液反应生成可溶于水的NaCl和NaClO，不符合“相似相溶”原理，故B符合题意；CH3CH2OH和水分子均属于极性分子，根据“相似相溶”原理，酒精易溶于水，故C不符合题意；碘单质和苯均属于非极性分子，根据“相似相溶”原理，碘单质易溶于苯，故D不符合题意。 4．下列实验事实与氢键有关的是(　　) A．乙醇可与水以任意比互溶 B．H2O的热稳定性比H2S强 C．HF能与SiO2反应生成SiF4，故氢氟酸不能盛放在玻璃瓶中 D．NH3能与HCl反应 答案　A 解析　A选项中乙醇易溶于水是由于乙醇与水分子间可以形成O—H…O，从而增大了溶解度；B选项中由于H—O键的键长比H—S键的键长短，键能大，故H2O分子更稳定；D选项是NH3的化学性质。 5．试用有关知识解释下列现象： (1)乙醚(C2H5OC2H5)的相对分子质量远大于乙醇，但乙醇的沸点却比乙醚高很多，原因：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)从氨合成塔里出来的H2、N2、NH3的混合物中分离出NH3，常采用加压使NH3液化的方法：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)水在常温下，其组成的化学式可用(H2O)m表示，原因：_______________________ ________________________________________________________________________。 答案　(1)乙醇分子之间形成的氢键作用远大于乙醚分子间的范德华力，故乙醇的沸点比乙醚高很多 (2)NH3分子间可以形成氢键，而N2、H2分子间的范德华力很小，故NH3可采用加压液化的方法从混合物中分离　(3)常温下，液态水中水分子间通过氢键缔合成较大分子团，所以用(H2O)m表示，而不是以单个分子形式存在 范德华力、氢键及共价键的比较 类型 范德华力 氢键 共价键 特征 无方向性，无饱和性 有方向性，有饱和性 有方向性，有饱和性 强度 共价键>氢键>范德华力 影响强度 的因素 ①随着分子极性的增大而增大； ②组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大 对于X—H…Y，X、Y的电负性越大、X、Y原子的半径越小，氢键越强 成键原子半径越小、键长越短、键能越大，共价键越稳定 对物质性 质的影响 ①影响物质的熔、沸点、溶解度等物理性质； ②组成和结构相似的物质，随相对分子质量的增大，物质的熔、沸点升高，如熔、沸点：F2<Cl2<Br2<I2，CF4<CCl4<CBr4 ①分子间氢键的存在，使物质的熔、沸点升高，在水中的溶解度增大，如熔、沸点：H2O>H2S，在水中的溶解性：NH3>PH3； ②分子内氢键的存在，使物质的熔、沸点降低，如熔、沸点： > 影响分子的热稳定性；共价键的键能越大，分子的热稳定性越强 题组一　范德华力与物质的性质 1．下列关于范德华力的叙述正确的是(　　) 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不同 C．任何分子间在任意情况下都会产生范德华力 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。化学键是强烈的相互作用(键能一般为100～600 kJ· mol－1)，范德华力作用能一般只有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，但也必须满足一定的距离要求，若分子间的距离足够大，分子之间也难产生相互作用。 2．下列物质的变化，破坏的主要是范德华力的是(　　) A．碘单质的升华 B．NaCl溶于水 C．将水加热变为气态 D．NH4Cl受热分解 答案　A 解析　碘的升华，只是状态发生了变化，破坏的是范德华力，没有破坏化学键；NaCl溶于水，会破坏离子键；水由液态变为气态，破坏的是氢键和范德华力；NH4Cl受热分解，破坏的是共价键和离子键。 3．下列有关物质性质判断正确且可以用范德华力来解释的是(　　) A．沸点：HBr＞HCl B．沸点：CH3CH2Br＜C2H5OH C．稳定性：HF＞HCl D．—OH上氢原子的活泼性：H—O—H＞C2H5—O—H 答案　A 解析　HBr与HCl结构相似，HBr的相对分子质量比HCl大，HBr分子间的范德华力比HCl大，所以其沸点比HCl高；C2H5Br的沸点比C2H5OH低是由于C2H5OH分子间形成氢键而增大了分子间的作用力；HF比HCl稳定是由于H—F键的键能比H—Cl键的键能大；H2O分子中—OH的氢原子比C2H5OH中—OH的氢原子更活泼是由于—C2H5是推电子基团，使O—H极性减弱。 4．下列物质同时含有共价键、离子键和范德华力中两种作用力的组合是(　　) ①Na2O2　②SiO2　③金刚石　④NaCl　⑤白磷 A．①②④ B．①⑤ C．②④⑤ D．④⑤ 答案　B 解析　①Na2O2中含共价键和离子键；②SiO2中只含共价键；③金刚石中只含共价键；④NaCl中只含离子键；⑤白磷的分子式为P4，分子内磷原子之间是共价键，P4分子之间是范德华力。 题组二　氢键与物质的性质 5．(2022·开封高二期末)下列关于氢键X—H…Y的说法错误的是(　　) A．X、Y元素具有很大的电负性，是氢键形成的基本条件 B．氢键是共价键的一种 C．某些物质因分子之间存在氢键，导致沸点反常升高 D．同一分子内也可能形成氢键 答案　B 解析　氢原子与电负性大的原子X以共价键结合，若与电负性大、半径小的原子Y接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X—H…Y形式的一种特殊的分子间或分子内相互作用，所以X、Y元素具有很大的电负性，是氢键形成的基本条件，A正确；氢键不属于化学键，B错误；氢键能影响物质的性质，增大很多物质分子之间的作用力，导致沸点升高，C正确；氢键分为分子间氢键和分子内氢键(如硝酸)，所以同一分子内也可能形成氢键，D正确。 6．(2023·安徽黄山屯溪一中高二检测)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HI 答案　A 解析　B项，Se的非金属性较弱，H2Se不能形成分子间氢键，错误；C项，NaOH是离子化合物，不能形成分子间氢键，错误；D项，HI中碘元素的非金属性较弱，不能形成分子间氢键，错误。 7．下列物质的性质中，与氢键无关的是(　　) A．甲醇极易溶于水 B．乙酸的熔点比乙酸乙酯高 C．NH3的熔、沸点比PH3的高 D．碘易溶于四氯化碳 答案　D 8．下列几种氢键：①O—H…O；②N—H…N；③F—H…F；④O—H…N，按氢键从强到弱的顺序排列正确的是(　　) A．③>①>④>② B．①>②>③>④ C．③>①>②>④ D．①>④>③>② 答案　A 解析　氢键可以表示为X—H…Y，氢键的强弱与X和Y的电负性大小有关，电负性越大，氢键越强；氢键的强弱还与X和Y的原子半径大小有关，原子半径越小，氢键越强。F、O、N中，F的电负性最大，半径最小，所以F—H…F最强，O—H…O次之，O—H…N又次之，N—H…N最弱。 9．下列物质的性质或数据与氢键无关的是(　　) A．氨极易溶于水 B．邻羟基苯甲酸()的熔点为159 ℃，对羟基苯甲酸()的熔点为213 ℃ C．乙醚微溶于水，而乙醇可与水以任意比混溶 D．HF分解时吸收的热量比HCl分解时吸收的热量多 答案　D 解析　NH3分子与H2O分子之间可以形成氢键，增大了NH3在水中的溶解度；邻羟基苯甲酸形成分子内氢键，而对羟基苯甲酸形成分子间氢键，分子间氢键增大了分子间作用力，使对羟基苯甲酸的熔、沸点比邻羟基苯甲酸的高；乙醇分子结构中含有羟基，可以与水分子形成分子间氢键，从而增大了乙醇在水中的溶解度，使乙醇可与水以任意比混溶，而乙醚分子不能与水分子形成分子间氢键，故乙醚在水中的溶解度比乙醇小得多；HF分解时吸收的热量比HCl分解时吸收的热量多的原因是H—F键的键能比H—Cl键的键能大，与氢键无关。 10．中科院国家纳米科学中心科研员在国际上首次“拍”到氢键的“照片”，实现了氢键的实空间成像，为“氢键的本质”这一化学界争论了80多年的问题提供了直观证据。下列有关氢键的说法不正确的是(　　) A．由于氢键的存在，冰能浮在水面上 B．由于氢键的存在，乙醇比甲醚更易溶于水 C．由于氢键的存在，沸点：HF＞HCl＞HBr＞HI D．由于氢键的存在，影响了蛋白质分子独特的结构 答案　C 解析　冰中水分子排列有序，氢键数目比液态水多，空隙大、体积膨胀，密度减小，所以冰能浮在水面上，A项正确；乙醇与水分子间存在氢键，增大了乙醇在水中的溶解度，B项正确；卤素的氢化物中只有HF分子间存在氢键，故沸点：HF＞HI＞HBr＞HCl，C项错误；蛋白质分子中可能会形成氢键，氢键具有方向性和饱和性，所以氢键的存在影响了蛋白质分子独特的结构，D项正确。 11．下列说法正确的是(　　) A．H2O比H2S沸点高，是因为O—H键的键能大于S—H键的键能 B．H2O比H2S稳定，是因为H2O分子间可以形成氢键 C．H2O的键角比H2S小，是因为杂化类型不同 D．H2O中O—H键的极性比H2S中S—H键大，是因为O的电负性比S大 答案　D 12．下列物质发生变化时，所克服的粒子间相互作用属于同种类型的是(　　) A．液溴和苯分别受热变为气体 B．干冰和氯化铵分别受热变为气体 C．二氧化硅和铁分别受热熔化 D．食盐和葡萄糖分别溶解在水中 答案　A 解析　A项，均克服分子间作用力；B项，前者克服分子间作用力，后者克服离子键和共价键；C项，前者克服共价键，后者克服金属键；D项，前者克服离子键，后者克服分子间作用力。 13．下列说法正确的是(　　) A．在“石蜡→液态石蜡→石蜡蒸气→裂化气”的变化过程中，被破坏的作用力依次是范德华力、共价键、共价键 B．某物质固态时不导电但在熔融状态下能导电，则该物质中一定含有离子键 C．干冰溶于水生成碳酸的过程只需克服分子间作用力 D．H2O分子之间的作用力大于H2S，故前者比后者稳定 答案　B 解析　“石蜡→液态石蜡→石蜡蒸气”属于物质的三态变化，属于物理变化，均破坏了范德华力，“石蜡蒸气→裂化气”发生了化学变化，破坏了共价键，所以整个变化过程中，被破坏的作用力依次是范德华力、范德华力、共价键，A错误；固态不导电，则固体中没有自由移动的离子或自由移动的电子，不是金属，熔融时能导电，说明其可以电离出自由移动的离子，其构成微粒一定为离子，则一定为离子化合物，B正确；二氧化碳与水反应生成碳酸，发生了化学变化，共价键被破坏，C错误；稳定性与化学键有关，即水分子稳定是因H—O键键能大，而与分子间作用力无关，D错误。 14．(2023·山东潍坊高二期中)2020年10月，我国建成全球首套千吨级液态太阳能燃料合成示范装置，其原理如图所示。下列说法正确的是(　　) A．CO2中σ键和π键个数比是1∶1 B．反应Ⅰ和Ⅱ中均存在极性键的断裂和形成 C．CH3OH和CO2中碳原子的杂化方式相同 D．CH3OH沸点比水低，说明CH3OH分子间不存在氢键 答案　A 解析　CO2的结构式为O==C==O，所以CO2中 σ 键和 π 键个数比是2∶2＝1∶1，A正确；反应Ⅰ为水在太阳能光伏发电作用下分解产生氢气和氧气，没有极性键的形成，B错误；CH3OH碳原子的杂化方式为sp3，CO2中碳原子的杂化方式为sp，两种杂化方式不同，C错误；CH3OH沸点比水低，说明氢键个数、强度小，不能说明CH3OH分子间不存在氢键，D错误。 15．(1)[2019·全国卷Ⅲ，35(3)节选]苯胺()与甲苯()的相对分子质量相近，但苯胺的熔点(－5.9 ℃)、沸点(184.4 ℃)分别高于甲苯的熔点(－95.0 ℃)、沸点(110.6 ℃)，原因是________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)[2019·江苏，21(3)节选]抗坏血酸的分子结构如图1所示，推测抗坏血酸在水中的溶解性：________________(填“难溶于水”或“易溶于水”)。 (3)[2018·全国卷Ⅱ，35(3)]图2为S8的结构，其熔点和沸点要比二氧化硫的熔点和沸点高很多，主要原因为__________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)[2019·全国卷Ⅱ，35(1)]近年来我国科学家发现了一系列意义重大的铁系超导材料，其中一类为Fe—Sm—As—F—O组成的化合物。 元素As与N同族。预测As的氢化物分子的空间结构为________，其沸点比NH3的________(填“高”或“低”)，其判断理由是_________________________________ ________________________________________________________________________。 答案　(1)苯胺分子之间存在氢键 (2)易溶于水 (3)S8相对分子质量大，分子间范德华力强 (4)三角锥形　低　NH3分子间存在氢键 解析　(1)苯胺中有—NH2，分子间可形成氢键，而甲苯分子间不能形成氢键，分子间氢键可明显地提高分子的熔、沸点。(2)1个抗坏血酸分子中含有4个羟基，其可以与H2O形成分子间氢键，所以抗坏血酸易溶于水。(3)S8的相对分子质量大于SO2，因此S8的分子间作用力大，熔、沸点比SO2的高。(4)AsH3的中心原子As的孤电子对数为＝1，则AsH3含3对成键电子对和1对孤电子对，故其空间结构为三角锥形。NH3中N的电负性比AsH3中As的大得多，故NH3易形成分子间氢键，从而使其沸点升高。 16．(1)已知苯酚()具有弱酸性，其Ka＝1.1×10－10；水杨酸第一级电离形成的离子能形成分子内氢键。据此判断，相同温度下电离平衡常数Ka2(水杨酸)________(填“>”或“<”)Ka(苯酚)，其原因是__________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)CO2由固态变为气态所需克服的微粒间作用力是________；氢、碳、氧元素的原子可共同形成多种分子，写出其中一种能形成同种分子间氢键的物质名称：________________。 (3)下图中曲线表示卤素某种性质随核电荷数的变化趋势，正确的是________(填字母)。 (4)O的氢化物(H2O)在乙醇中的溶解度大于H2S在乙醇中的溶解度，其原因是 ________________________________________________________________________。 (5)化合物NH3的沸点比化合物CH4的高，其主要原因是_______________________。 答案　(1)<　 中形成分子内氢键，使其更难电离出H＋　(2)范德华力　乙酸(答案合理均可)　(3)a　(4)水分子与乙醇分子之间可以形成氢键　(5)NH3分子间可形成氢键 解析　(1)当形成分子内氢键后，导致酚羟基的电离能力减弱，故其电离能力比苯酚的弱。 (2)根据氢键的形成条件，由H、C、O构成的能形成分子间氢键的分子，可联想到HCOOH、CH3COOH等。 (3)同主族元素从上到下，元素的电负性逐渐减小，a正确；F元素无正价，b错误；由于HF中存在分子间氢键，所以其沸点高于HCl、HBr，c错误；随着相对分子质量的增大，范德华力逐渐增大，卤素单质的熔点逐渐升高，d错误。 (4)水与乙醇可形成分子间氢键，使得水与乙醇互溶；而硫化氢与乙醇不能形成分子间氢键，所以硫化氢在乙醇中的溶解度小于水。 学科网（北京）股份有限公司 $$