分子間的作用力和氫鍵
銅臭 / 2022-07-19
物質(zhì)的性質(zhì)與它們的化學(xué)鍵類型很有關(guān)系，但是物質(zhì)的性質(zhì)不僅決定于其化學(xué)鍵，還與它們分子間存在的作用力有關(guān)。例如鹵族元素的分子在常溫常壓下，F(xiàn)?、Cl?是氣體，而Br?是易發(fā)揮的液體，I?則是固體。它們所以呈現(xiàn)不同的聚集狀態(tài)，是因?yàn)檫@些不同分子間的作用力大小不同的緣故。下面首先介紹分子間的作用力，然后再討論氫鍵。
一、分子間的作用力
1.取向力。極性分子因本來就有偶極，稱為固有偶極。當(dāng)兩個極性分子相互接近時，由于同極相斥和異極相吸，使兩個分子發(fā)生相對的轉(zhuǎn)動，并按異極相鄰的狀態(tài)，依一定的方向排列，這 一過程叫取向，如圖4-5(a)、 (b) 所示。由于固有偶極的取向，而使極性分子相互吸引在一起的作用力，叫做取向力，如圖4-5(c)。
2.誘導(dǎo)力。當(dāng)極性分子和非極性分子相接近時，如圖4-6(a)，由于極性分子的偶極電場，可以使非極性分子的正、負(fù)電荷重心移動而發(fā)生極性，成為極性分子。這種由于外來的影響而產(chǎn)生的偶極，稱為誘導(dǎo)偶極。誘導(dǎo)偶極與極性分子的固有偶極相吸引，如圖4-6(B)。這種由于誘導(dǎo)偶極而產(chǎn)生的作用力，稱為誘導(dǎo)力。同樣，當(dāng)極性分子與極性分子相互接近時，除了取向力外，在彼此偶極的相互影響下，每個分子也會發(fā)生變形，使它們的正、負(fù)電荷重心更加分開，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，因此誘導(dǎo)力也存在于極性分子之間。
3.色散力。非極性分子不具有偶極，它們之間似乎不會產(chǎn)生什么引力。然而實(shí)際上卻不然，例如CO?氣體就很容易液化、固化(分子間的距離變小)，這說明非極性分子之間也是存在著引 力的。當(dāng)非極性分子相接近時，圖4-7 (a),由于每個分子中各原子的原子核和核外電子在不斷運(yùn)動，經(jīng)常發(fā)生原子核和電子云之間的瞬時相對位移，使某一瞬間正、負(fù)電荷重心不重合而形成偶極，我們把這種瞬間產(chǎn)生的偶極叫瞬時偶極。和它相鄰的另一個非極性分子也同樣會產(chǎn)生瞬時偶極，當(dāng)它們處于異極相鄰狀態(tài)時，彼此相互吸引而產(chǎn)生的作用力叫做色散力。雖然瞬時偶極存在的時間很短，但是異極相鄰的狀態(tài)在不斷地重復(fù)著，如圖4-7(b)和(c)。也就是說，這些分子經(jīng)常變形，它們之間始終有色散力在起作用。極性分子之間同非極性分子一樣，也存在瞬時偶極和相應(yīng)的色散力。隨著分子量的增大，分子的變形性就增大，其瞬時偶極長度也增大，色散力也常隨之而增大。
總括起來，在非極性分子之間，只有色散力: 在極性分子與非極吸性分子之間，存在著色散力和誘導(dǎo)力而在極性分子之間，則不僅有取向力和誘導(dǎo)力，而且也有色散力。這些作用力總稱為分子間的作用力，也稱為范德華引力。這三種類型的力所占的比例，依其相互作用的分子極性和變形性而定:分子的極性愈強(qiáng)，取向力所占的比例就大;分子的變形性愈大，色散力所占的比例就大;誘導(dǎo)力則和這兩個因素都有關(guān)系。
分子間作用力的大小，還對物質(zhì)的熔、沸點(diǎn)等物理性質(zhì)有很大影響。例如，情性氣體和鹵素的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)(見表4-4)，常隨它們的分子量的增大而升高。這是因?yàn)樗鼈兌际欠菢O性分子，分子間只有色散力的作用，而色散力是隨著分子量的增加而增大，色散力愈大，克服這種引力所需的能量就愈大。因此其熔、沸點(diǎn)相應(yīng)增高。
表4-4 惰性氣體和鹵素的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)
| 物質(zhì) |
分子量 |
熔點(diǎn)（°C）
|
沸點(diǎn)（°C） |
物質(zhì) |
分子量 |
熔點(diǎn)（°C） |
沸點(diǎn)（°C） |
| He |
40.0026 |
-272.2 |
-268.9 |
F?
|
37.997 |
-219.6 |
-187.9 |
| Ne |
20.179 |
-248.7 |
-245.9 |
Cl?
|
70.906 |
-101 |
-34 |
| Ar |
39.948 |
-189.2 |
-185.7 |
Br?
|
159.808 |
-7.2 |
58.2 |
| Kr |
83.80 |
-156.6 |
-152.9 |
I?
|
253.809 |
113.6 |
184.5 |
| Xe |
131.30 |
-112 |
-107.1 |
|
|
|
|
分子間的這種作用力是永遠(yuǎn)存在的，其能量約為每克分子幾千卡，比化學(xué)鍵的鍵能(幾十至一、二百千卡)小幾十倍至幾百倍，其作用范圍只有幾個Å。如范圍過大時，其作用力就可忽略不計(jì)。
二、氫鍵
在研究Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ類各主族元素的氫化物時，發(fā)現(xiàn)在同一族中隨分子量的增加，其化合物的熔、沸點(diǎn)也增高(見圖4-8)，但NH?及HF卻是例外，雖然與同族同型化合物比較，分子量較小，但熔、沸點(diǎn)卻高。為什么會有這種反常現(xiàn)象發(fā)生呢?研究結(jié)果證明，這是由于在它們的分子之間，除一般的作用力外，還有一種特殊的力一氫鍵所引起的。 下面以H?O為例，討論氫鍵的形成及其特征。
當(dāng)氫原子與氧原子以共價鍵結(jié)合成H?O分子時，由于氧的電負(fù)性較氫大得多，所以它們的共用電子對強(qiáng)烈地偏向氧原子，使氫原子變成一個幾乎沒有電子而半徑又很小的原子核。因此，這個氫的原子核就不會被另一個水分子中電負(fù)性強(qiáng)的氧原子的電子層所排斥，反而被它所吸引，從而形成第二個鍵。因此氫鍵實(shí) 質(zhì)上是一種靜電引力，一般用點(diǎn)線(···)表示。如水分子形成氫鍵的結(jié)構(gòu)如下:
由于氫鍵的形成，可使簡單的水分子結(jié)合成為較復(fù)雜的水分子。這種由簡單分子結(jié)合成復(fù)雜分子而不引起化學(xué)性質(zhì)改變的現(xiàn)象，叫做分子的締合。
此外，氫原子與其它電負(fù)性大的元素(如F、N等)以共價鍵相結(jié)合(如HF及NH?)時，也能形成氫鍵，產(chǎn)生締合分子。
氫鍵的能量一般在10千卡/克分 子以下，比化學(xué)鍵小得多，與分子間的作用力相接近。如果分子間有氫鍵存在，會使其沸、熔點(diǎn)升高。這是因?yàn)橐后w氣化或晶格熔化時，不僅要破壞分子間的作用力，還必須破壞氫鍵，因此需要消耗較多的能量。故具有氫鍵化合物的沸、熔點(diǎn)，比同族同型的化合物要高。
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