分子间作用力 Intermolecular Forces.docx

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分子间作用力IntermolecularForces

Unit7IntermolecularForces

分子间作用力

术语定义

intramolecularforces分子内作用力（即化学键bond）

Intermolecularforces分子间作用力

分子间作用力的特点

影响物质：

带电离子ion

非极性物质nonpolarspecies（Dc=0）

极性物质polarspecies（Dc>0）

可极化物质polarizablespecies

力的性质：

是Electrostatic静电力，永远是吸引力

分子间作用力的分类

Ion-Dipole离子-偶极子（取向力）

形成于离子Ion与电偶极子electricdipole（即极性分子polarmolecule）之间

每摩尔能量：

40-600kJ/mol

例子：

氯化钠溶液中，钠离子与水生成配位球Coordinationspheres

Dipole-Dipole偶极子-偶极子（取向力）

形成于多个电偶极子electricdipole（即极性分子polarmolecule）之间

每摩尔能量：

5-25kJ/mol

例子：

含羟基有机物浸润玻璃容器

极性分子间作用力的三种能量情况：

高能量

中等能量

低能量

Hydrogenbonds氢键（取向力）

氢键Hydrogenbonds是双偶极分子间作用力Dipole–Dipole的一种特殊情况

强极性键上的氢核（C-H键并不是强极性键）与电负性很大的、含孤电子对并带有部分负电荷的原子（氮氧或氟）之间的静电作用力

每摩尔能量：

10-40kJ/mol

例子：

水分子间形成氢键

甲醇水溶液

蛋白质的空间结构及DNA的双螺旋结构

氢键对物质沸点的影响：

分子间氢键会使物质的沸点升高，氢键越多影响越明显

Ion-InducedDipole离子-诱导偶极子（诱导力）

每摩尔能量：

3-15kJ/mol

形成条件及过程：

例子：

二价铁离子与氧气分子

Dipole-InducedDipole偶极子-诱导偶极子（诱导力）

每摩尔能量：

2-10kJ/mol

形成条件及过程：

例子：

氯化氢与氯气

Dispersion色散力（London伦敦力）

任何一个分子，都存在着瞬间偶极，这种瞬间偶极也会诱导邻近分子产生瞬间偶极，于是任意两个分子都可以靠瞬间偶极相互吸引在一起。

这种瞬间偶极产生的作用力称为色散力

每摩尔能量：

0.05-40kJ/mol

分子间作用力与粒子大小的关系

越大的粒子越容易被极化，这使得诱导力和色散力更容易形成，相应的沸点也会更高

例子：

Substance

物质

BoilingTemperature（K）

沸点

He

4.2

Ne

27.1

Ar

87.3

Kr

120

Xe

165

总结

ion-ion

离子-离子

orientationforce

取向力

极性分子与极性分子之间

强度（每摩尔能量）依次递减

ion–dipole

离子-偶极子

dipole-dipole

偶极子-偶极子

（包括氢键）

ion-induceddipole

离子-诱导偶极子

inductionforce

诱导力

极性分子与极性分子之间，极性分子与非极性分子之间，

vanderWaalsforce

范德瓦尔斯力

Dipole-induceddipole

偶极子-诱导偶极子

London

伦敦力

dispersionforce

色散力

极性分子与极性分子之间，极性分子与非极性分子之间，非极性分子与非极性分子之间

粒子间力的强度越强，种类越多，其沸点越高。

液体与分子间作用力

SurfaceTension表面张力

由液体的分子间作用力产生（液面分子受到的净作用力指向液面下方）

高能量

液体的表面分子有一种吸引的内力，形成液面，液面的韧性称为表面张力

定义为液面对表面积增加所产生的阻力，单位为N/m或J/m2

表面张力与粒子间作用力的关系

Surfacetension,J/m2

CH3（CH2）2CH3（l）

0.0184（dispersion色散力）

H2O（l）

0.0728（H-bonds氢键）

NaCl（l）

0.100（ionicbonds离子键）

Hg（l）

0.472（metallicbonds金属键）

CapillaryAction毛细管作用

指水在毛细管内对抗重力做向上运动的现象。

产生现象的原因是玻璃与水的分子间作用力（主要是氢键，称为Adhesion附着力）远大于水分子间作用力（氢键）和水分子的重力

这同样解释了水在玻璃容器中凹陷的液面：

不同物质间的附着力adhesion和凝聚力Cohesion（同类分子间的作用力）不同

这导致不同物质情况有区别。

汞原子间的作用力为金属键

因此其凝聚力Cohesion比汞与二氧化硅间的分子作用力（附着力adhesion）更大

这导致玻璃容器中的汞液面向上凸起

Viscosity粘性

指液体流动的阻力，由三个因素决定

1.分子间作用力（如碳水化合物水溶液hydrocarbonsvs.water）

2.液体中有机分子的碳链长度

3.液体的温度（如发动机润滑油粘性随温度变化）

VapourPressure蒸汽压（pvap）

液体与其蒸汽在封闭容器中达到动态平衡的压力。

固体与分子间作用力

固体液体中粒子状态的区别

在液体和气体中，分子可以自由地连续地、随机地运动。

在固体中，分子、原子和离子不能自由运动，但它们可以振动，偶尔会旋转。

固体形态的两种主要类型

Amorphous无定形

固体颗粒没有有序结构，没有明确的面、角度或形状。

通常是分子的混合物，它们不能很好地叠加在一起，或者是大而弯曲的分子。

例如玻璃和橡胶。

Crystalline晶体状

原子、分子或离子按照特定的次序排列在一起。

这种固体通常有平面，面之间有独特的角度和独特的三维形状。

例子包括钻石和石英晶体

TheUnitCell晶胞

晶体crystal结构中的最小重复单位，在x，y，z方向上均重复。

共有14种已知类型，其中有三种为立方晶胞

相关定义

Latticepoints晶格点：

晶胞的角

Crystallattice晶格：

一组相同的晶胞

CubicUnitCell立方相晶胞：

长宽高三边相等且夹角均为90度的晶胞

晶格类型

SimpleCubicLattices简单立方晶格

每晶格含有原子数：

8x1/8=1

晶格体积：

（2r）3=8r3

原子占用空间：

8（1/8）（4/3pr3）=4/3pr3

空间占用率：

配位数：

6

代表元素：

Po

（例题见7-2ppt35-41p）

BodyCentredCubicLattices体心立方晶格

每晶格含有原子数：

（8x1/8）+1=2

空间占用率：

68%

配位数：

8

代表元素：

U

（例题见7-2ppt44-47p）

FaceCentredCubicLattices面心立方晶格

每晶格含有原子数：

（8x1/8）+（6x1/2）=4

空间占用率：

74%

配位数：

12

HexagonalLattices六方晶格

每晶格含有原子数：

（12x1/6+2x1/2+3）/3=2

空间占用率：

74%

配位数：

12

固体组成的四种主要类型

固体类型

包含粒子

存在的分子间作用力

特性

molecularsolids

分子固体

单独的分子

（H2O,CO2）

dispersion色散力

H-bond氢键

dipole-dipole

柔软

低熔点

不导电

networksolids

共价网络固体

原子或分子以共价键组成的网状结构

（C,SiO2）

covalentbonds

共价键

坚硬，高熔点

不导电

non-conducting

metallicsolids

金属固体

金属原子

（Cu,Ag,Fe）

metallicbonds金属键

（delocalizedbonding）

不定域键

导电

conducting

ionicsolids

离子固体

单独的离子

（Na+,Cl-）

Electrical（ion-ion）

静电力

坚硬，易碎

高熔点

IonicSolids离子固体

示例一：

氯化钠晶体结构

示例二：

氯化铜示例结构

MetallicSolids金属固体

ElectronSeaModel电子海模型：

高熔点→键能强

Malleability延展性→不定向键

导电性，导热性→自由移动的电子易于导电导热

Alloy合金

含有多种物质且具有金属性质的混合物，有置换型substitutional和插入型interstitial两类

置换型合金SubstitutionalAlloys：

Brass黄铜:

2/3Cu,1/3Zn

Sterlingsilver标准纯银:

93%Ag,7%Cu

Pewter锡蜡:

85%Sn,7%Cu,6%Bi,2%Sb

Solder焊锡:

67%Pb,33%Sn

插入型合金InterstitialAlloys：

Steel钢:

Fe,<2%C

铁Iron-相对柔软，有延展性的ductile，可锻铸的malleable

钢Steel-坚硬，坚固，更低的可塑性（碳与铁形成强定向键）

Steel

钢铁类型

%C

含碳百分比

Properties

特性

Uses

用途

Mild

低碳钢

<0.2%

Malleable

有延展性的

nails

钉子

Medium

中碳钢

0.2-0.6%

Harder

坚硬的

beams

建筑的梁

highcarbon

高碳钢

0.6-1.5%

veryhard

更坚硬

tools

工具

ChromolySteel铬钼钢：

Fe,C,Si,Mn,Mo,Cr

具有高强度/重量比

StainlessSteel不锈钢：

Fe,C,Mn,Si,Cr,Ni

镍使不锈钢更加抗氧化

CovalentNetworkSolid共价网络固体

Diamond钻石：

碳原子呈sp3杂化

Graphite石墨：

碳原子呈sp2杂化

原子分层，易于移动

Silica二氧化硅：

强共价键，高熔点

MolecularSolids分子固体

分子位于晶格点处，强分子内作用力intramolecularforces（化学键），弱分子间作用力intermolecularforces，导致低熔点。

固体冰因氢键，每三个分子呈环形六角排列。

这导致其密度比水更小。

PhaseChanges相变

物质有三种状态：

Solid固体，Liquid液体，Gas气体

物质从一种状态变为另一种状态称为相变PhaseChanges

每个相变都与系统能量的变化有关

当发生相变时，温度都保持在特定点不变

PhaseDiagrams相变图

AGeneralPhaseDiagram相变图通例

三条线确定了两相处于平衡状态的条件

Triplepoint三相点–在该点三相同时存在

Criticalpoint临界点–在该点右上物质变为超临界流体

Supercriticalfluid超临界流体–在临界点附近，它有很大的可压缩性。

适当增加压力，可使它的密度接近一般液体的密度。

另一方面，其黏度只有一般液体的1/12至1/4，但它的扩散系数却比一般液体大7至24倍，近似于气体。

CO2相变图：

H2O相变图：