第8章化学键与分子结构e13

已知 1 m3可燃 “冰”能释放 164 m3的CH4气体，试估算
164 × 1000 dm3 ÷22.4 dm3 /mol-1 = 7.32 kmol 若水合物的密度与冰的相同，即 1 g/cm3 则
晶 体中水与甲烷的分子比.
n(H2O) : n(CH4) =
1×106－7320 ×16 18
:7320 = 6.7 : 1
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(1) 偶极-偶极作用力 (dipole-dipole force) 极性分子是一种偶极子，两个极性分子相互靠近时，根据同极 相斥、异极相吸原理使分子按一定取向排列，导致系统处于一种比 较稳定的状态. 偶极-偶极作用力是指极性分子与极性分子的永久 偶极间的静电引力. 这种作用力的大小与分子的偶极矩直接相关.
（Intantaneous Dipole）。
2个瞬时偶极异极相邻，互相吸引，则色散力增加。
分子量（分子体积）
分子变形性 色 散 力 熔、沸点
F2 < Cl2 < Br2 < I2
F2 < Cl2 < Br2 < I2 F2 < Cl2 < Br2 < I2 F2 < Cl2 < Br2 < I2
4. 范德华力小结
极性分子与非极性分子 1 永久偶极 分子的正电重心和负电重心不重合，则为极性分子，其极性 的大小可以用偶极矩 μ来度量。 双原子分子 HCl 的正负电重心不重合，是极性分子。若正 电（ 和负电 ）重心上的电荷的电量为 q ，正负电重心之间的距 离为 d （ 称偶极矩长 ），则偶极矩 μ= qd。
偶极矩以德拜（D）为单位，当 q = 1.62 10－1 9 库仑（电 子的电量 ）， d = 1.0 10－10 m ( Å ) 时， μ = 4.8 D 。
O 2N
没有分子内氢键
OH
m.p. 113 － 114 ℃
有分子内氢键 m. p. 44 － 45 ℃
形成分子内氢键时，势必削弱分子间氢键的形成。 故有分子内氢键的化合物的沸点，熔点不高。
H2O 分子间，HF 分子间氢键很强，以致于分子发 生缔合。 经常以 ( H2O ) 2 ，( H2O ) 3 和 ( HF ) 2 ，( HF ) 3 形式存在。而其中 ( H2O ) 2 的排列最紧密，且 4 ℃
34.076
－85.60 －60.75 3.67
三种物质的熔点和沸点按列出的顺序依次升高，被认为偶极-偶 极作用力按同一顺序增大而引起的.
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(2) 色散力(dispersion force) 指分子的瞬间偶极与瞬间诱导偶极之间的作用力，也叫伦敦 力(London force). 通常情况下非极性分子的正电荷重心与负电荷重心重合，但原 子核和电子的运动可导致电荷重心瞬间分离，从而产生瞬间偶极. 瞬间偶极又使邻近的另一非极性分子产生瞬间诱导偶极，不难想像 ，两种偶极处于异极相邻状态 .
性很强的分子（H2O、NH3等），取向力才占较大比例。
（6） 分子间力↑，熔点（m.p.）、沸点（b.p.）↑ （7） 相似相溶原理
He、Ne、Ar、Kr、Xe 原子半径（分子半径）依次 增大，变形性增大，色散力增强，分子间结合力增大，故 b. p. 依次增高。可见，范德华力的大小与物质的 m. p. ， b. p. 等物理性质有关。
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● 多原子分子的极性不但取决于键的极性，而且取决于分子的几 何形状 . ● 多原子分子的极性不但取决于键的极性，而且取决于分子的几 何形状 . Cl – – N O C H O C O Cl Cl O O H + H + Cl H2 O NH3 CO2 CCl4
(μ=6.17×10-30C· m) (μ=4.90×10-30C· m) (μ=0) (μ=0)
29 25 17 7 165
●
氢键对化合物性质的影响 ▲ m.p.，b.p. ▲ 粘度 ▲ 酸性 ▲ 化学反应性 Na+ O- C O ··· H–O O–H ··· O C–O– Na+
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19
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8.10 范德华力和氢键 (van der Weals forces and hydrogen bonding)
二
氢键（hydrogen bond）
●
氢键存在的证明
氢键和范德华力一样，也是很弱的力. 同系物性质的不同就是由氢键引起的.
●
氢键形成的条件
氢键的形成有两个两个条件： 1、 与电负性大且 r 小的原子 ( F
，O， N ) 相连的 H ；
2、 在附近有电负性大，r 小的 原子 ( F，O，N ) 。
Category
Asymmetrical Asymmetrical Asymmetrical Asymmetrical Symmetrical
Hydrogen bond
F—H……FH HO—H……OH2 H2N—H……NH3 HS—H……SH2 F……H……F
Approximate dissociation enthalpy/ kJ mol-1
(a)
(b)
Intermolecular forces: (a) dipole-dipole force; (b) dispersion force.
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色散力的大小既依赖于分子的大小，也依赖于分子的形状
●丙烷、正丁烷和正戊烷均为直链化合物(可以忽略分子形状的影 响), 色散力随分子体积的增大而增大, 导致沸点按同一顺序升高:
它却具有立方ZnS型晶格，正、负离子配位数之比_________，
这主要是由于_______造成的。
The End
●
氢键的类型 ▲ 有非对称和对称之分 ▲ 有分子内和分子间之分 ▲ 有强弱之分（与元素的电负性有关）
Typical values for the enthalpies of dissociation of different types of hydrogen bonds
1. 取向力（Oriended Force, Keeson Force）
极性分子之间互相作用，偶极定向排列。
本质：极性分子的固有偶极之间的静电引力。
2. 诱导力（ Induced Force, Debye Force）
极性分子 — 非极性分子 极性分子 — 极性分子 诱导力 离子 — 中性分子 离子 — 离子
7. 10. 1 范德华力(van der Weals forces)
共价作用力是一种普遍存在的作用力. 除少数形成原子晶体(如 金刚石、石英等)外，大多数以共价结合的物质形成分立的分子(如 HCl分子、 H2O 分子等 ). 分立共价分子的原子间以共价键结合， 但形成晶体(分子晶体)时则靠分子间作用力. 如果将原子晶体、离 子晶体和金属晶体中的质点(原子或离子)比作构成建筑物的砖块， 分子晶体中的分立分子则可比作建筑物的“预制件”. 分子间作用 力就是指预制件之间的结合力. ● 偶极矩 (dipole moment, µ ) 表示分子中电荷分布状况的物理量，定义为正、负电重心间的 距离与电荷量的乘积. 分子电偶极矩是个矢量. 对双原子分子而言 ，分子偶极矩等于键的偶极矩；对多原子分子而言，分子偶极矩则 等于各个键的偶极矩的矢量和.
8.10 范德华力与氢键
一、范德华力（van der Waals’ Forces）
He(g) He(l) N 2 (g) N 2 (l)
77K
-268.9 C
H 2 O(l) H 2 O(s)
273K
CO2 (g) CO2 干冰
范德华力
取向力 诱导力 色散力
CH3CH2CH3 b.p. -44.5℃ CH3CH2CH2CH3 b.p. -0.5℃ CH3CH2CH2CH2CH3 b.p. 36℃
●正戊烷、异戊烷和新戊烷三种异构体的相对分子质量相同 , 色 散力随分子结构密实程度的增大而减小,导致沸点按同一顺序下降:
CH3 ∣ CH3－C－CH3 ∣ CH3 b.p. 9.5℃
时 ( H2O ) 2 比例最大，故 4 ℃ 时水的密度最大。
The structure of ice
水包合物：指水分子彼此间通过氢键形成
笼，将外来中性分子或离子 (Cl2,CH4, Ar, Xe 等)包于笼内的水合物(分子晶体).
Clathrate hydrate
Example Solution
诱导力的本质是静电引力 通常，诱导力< 取向力 与诱导力有关的因素： 极性分子的偶极矩， 非极性分子的极化率。
3. 色散力（Dispersion Force, Londom Force） C6H6（l）→ C6H6(s) I2(g) →I2（s） He(g) → He(l)
表明非极性分子之间也有互相作用力 色散力存在于所有分子（包括离子）的各种原子之间: 非极性分子——非极性分子、非极性分子——极性分子、 极性分子——极性分子。 产生色散力的原因: 分子中核、电子不停运动—瞬时相对位移→瞬时偶极
（1） 比化学键（40 – 600 kJ•mol-1）小1-2个数量级，仅几 至 几十 kJ•mol-1。永远存在于分子之间（内部）。
（2） 短程力，作用范围仅几百pm， F ∝ 1 / r7 。
（3） 不具方向性和饱和性。 （4） 范德华力总的互相作用能: E = EK+ ED+ EL （5） 诱导力都很小，多数分子之间以色散力为主，另有极
●
氢键的结构特点---方向性和饱和性
r H θ R
Represent of hydrogen bond
d
X
Y
这种方向与富电子氢 化物中孤对电子占据的轨 道在空间的伸展方向有关 .
现代结构研究证明，大 部分物质氢键中的 角并不 是180°
●
氢键的类型