分子間力氫鍵和分子晶體

1、分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體 12.3 分子間力和氫鍵分子間力和氫鍵 一、分子間力（范德華力）一、分子間力（范德華力） 分子間力分子間力: 幾至幾十幾至幾十kJmol-1 化學(xué)鍵的鍵能化學(xué)鍵的鍵能: 150-500 kJ mol-1 1、分子的極性和偶極矩、分子的極性和偶極矩 分子的極性是指在分子中正、負(fù)電荷中分子的極性是指在分子中正、負(fù)電荷中心不重合而產(chǎn)生偶極的現(xiàn)象。心不重合而產(chǎn)生偶極的現(xiàn)象。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體正電荷中心正電荷中心負(fù)電荷中心負(fù)電荷中心 同核雙原子分子，無極性。同核雙原子分子，無極性。 異核雙原子分子，有極性。異核雙原子分子，有極性。

2、多原子分子，如果有完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，多原子分子，如果有完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，分子沒有極性。分子沒有極性。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體無無極極性性有有極極性性分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體分子的極性可以定量的用偶極矩來描述：分子的極性可以定量的用偶極矩來描述：偶極矩：偶極矩： = ql (Cm)正電荷中心正電荷中心負(fù)電荷中心負(fù)電荷中心 l+qq偶極矩是個(gè)矢量，其方向指向負(fù)電荷中心。偶極矩是個(gè)矢量，其方向指向負(fù)電荷中心。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體分子的偶極矩愈大，分子的極性愈強(qiáng)。分子的偶極矩愈大，分子的極性愈強(qiáng)。2、分子的極化、分子的極化分子的極化：分子在外

3、電場(chǎng)的作用下電荷分分子的極化：分子在外電場(chǎng)的作用下電荷分布的變化。布的變化。 偶極矩常以德拜（偶極矩常以德拜（D）為單位，當(dāng)為單位，當(dāng) q = 1.62 101 9 庫侖（電子的電量庫侖（電子的電量 ），）， d = 1.0 1010 m ( ) 時(shí)，時(shí)， = 4.8 D 。1d = 3.34 1030 Cm 極性分子的偶極矩稱為永久偶極矩。極性分子的偶極矩稱為永久偶極矩。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體 非極性分子的極化非極性分子的極化 +在電場(chǎng)的影響下產(chǎn)生的偶極稱為誘導(dǎo)偶極。在電場(chǎng)的影響下產(chǎn)生的偶極稱為誘導(dǎo)偶極。 P誘導(dǎo)誘導(dǎo)= E 為比例常數(shù)，稱為極化率。為比例常數(shù)，稱為極化率

4、。 分子的體積愈大，分子的變形性愈大；分子的體積愈大，分子的變形性愈大；外電場(chǎng)愈強(qiáng)，分子的變形性愈大。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，分子的變形性愈大。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體極性分子極性分子的極化的極化無外加無外加電場(chǎng)時(shí)電場(chǎng)時(shí)分子隨分子隨機(jī)取向機(jī)取向外電場(chǎng)作用下，外電場(chǎng)作用下，分子定向排列稱分子定向排列稱定向極化定向極化，但不，但不增加偶極矩。增加偶極矩。外電場(chǎng)進(jìn)一步作外電場(chǎng)進(jìn)一步作用，分子產(chǎn)生變用，分子產(chǎn)生變形，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶形，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩：極矩：固有固有 誘導(dǎo)誘導(dǎo)分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體 所以所以，在外電場(chǎng)作用下，極性分子既在外電場(chǎng)作用下，極性分子既有永久偶極，又有誘

5、導(dǎo)偶極有永久偶極，又有誘導(dǎo)偶極。 分子極化和變形除在電場(chǎng)、點(diǎn)電荷作分子極化和變形除在電場(chǎng)、點(diǎn)電荷作用下產(chǎn)生外，在偶極子的作用下也能發(fā)生。用下產(chǎn)生外，在偶極子的作用下也能發(fā)生。所以分子之間的相互作用也能產(chǎn)生極化和所以分子之間的相互作用也能產(chǎn)生極化和變形現(xiàn)象。變形現(xiàn)象。 分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體 是指在分子中正、負(fù)電荷中心不重合而產(chǎn)是指在分子中正、負(fù)電荷中心不重合而產(chǎn)生偶極的現(xiàn)象，可以定量的用偶極矩來描述。生偶極的現(xiàn)象，可以定量的用偶極矩來描述。分子的極性分子的極性偶極矩偶極矩 極性分子的偶極矩稱為永久偶極矩，在電極性分子的偶極矩稱為永久偶極矩，在電場(chǎng)的影響下分子極化產(chǎn)生的偶極

6、稱為誘導(dǎo)偶極：場(chǎng)的影響下分子極化產(chǎn)生的偶極稱為誘導(dǎo)偶極： P誘導(dǎo)誘導(dǎo)= E 分子的體積愈大，分子的變形性愈大；分子的體積愈大，分子的變形性愈大；外電場(chǎng)愈強(qiáng)，分子的變形性愈大。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，分子的變形性愈大。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體(1) 取向力（定向力）：由永久偶極與永久取向力（定向力）：由永久偶極與永久偶極之間相互作用而產(chǎn)生的作用力。偶極之間相互作用而產(chǎn)生的作用力。它僅存它僅存在于極性分子之間，在于極性分子之間， F 2 。3、分子間作用力、分子間作用力分為三類：分為三類：分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體(2) 誘導(dǎo)力：由永久偶極與誘導(dǎo)偶極相互作用誘導(dǎo)力：由永久

7、偶極與誘導(dǎo)偶極相互作用產(chǎn)生的作用力。產(chǎn)生的作用力。 靠近 誘導(dǎo)力的大小與誘導(dǎo)力的大小與P固有固有和和 有關(guān)，固有偶極有關(guān)，固有偶極愈大，誘導(dǎo)力愈大；分子的變形性愈大，誘愈大，誘導(dǎo)力愈大；分子的變形性愈大，誘導(dǎo)力愈大。導(dǎo)力愈大。 誘導(dǎo)力存在于極性分子與非極性分子之間，誘導(dǎo)力存在于極性分子與非極性分子之間，也存在于極性分子與極性分子之間。也存在于極性分子與極性分子之間。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體（3）色散力：由瞬時(shí)偶極與瞬時(shí)偶極相互吸）色散力：由瞬時(shí)偶極與瞬時(shí)偶極相互吸引而產(chǎn)生的分子間力。引而產(chǎn)生的分子間力。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體 色散力的大小與色散力的大小

8、與 有關(guān)，即與分子的體積有有關(guān)，即與分子的體積有關(guān)，分子的體積愈大關(guān)，分子的體積愈大(分子量愈大分子量愈大)，色散力愈，色散力愈大大。 色散力存在于非極性分子與非極性分子之色散力存在于非極性分子與非極性分子之間。在極性分子和極性分子之間，極性分子和間。在極性分子和極性分子之間，極性分子和非極性分子之間都存在著色散力。非極性分子之間都存在著色散力。 以上這三種力都是電性力，它沒有飽和性以上這三種力都是電性力，它沒有飽和性和方向性。和方向性。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體非極性分子非極性分子非極性分子非極性分子 色散力；色散力；非極性分子非極性分子極性分子極性分子 色散力和誘導(dǎo)力；色

9、散力和誘導(dǎo)力；極性分子極性分子極性分子極性分子 色散力、誘導(dǎo)力和取向力。色散力、誘導(dǎo)力和取向力。 它們統(tǒng)稱分子間力，其大小與分子距離的它們統(tǒng)稱分子間力，其大小與分子距離的7次方成反比，是短程力，范圍在次方成反比，是短程力，范圍在300 500 pm。 通常色散力最大（除水分子外）。通常色散力最大（除水分子外）。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體 某些物質(zhì)的分子間力某些物質(zhì)的分子間力 （兩分子間的距離（兩分子間的距離=500 pm，溫度，溫度=298 K)兩兩分分子子間間的的力力相相互互作作用用力力 物物質(zhì)質(zhì) 取取向向力力 誘誘導(dǎo)導(dǎo)力力 色色散散力力 He Ar Xe CO HCl H

10、Br HI NH3 H2O 0 0 0 0. 00021 1. 2 0. 39 0. 021 5.2 11.9 0 0 0 0. 0037 0. 36 0. 28 0. 10 0. 63 0.65 0. 05 2.9 18 4.6 7.8 15 33 5.6 2.6 分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體4、分子間力對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響、分子間力對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響 (1) 分子間力對(duì)物質(zhì)熔、沸點(diǎn)的影響：分子間力對(duì)物質(zhì)熔、沸點(diǎn)的影響：分子間力愈大，物質(zhì)的熔、沸點(diǎn)愈高。分子間力愈大，物質(zhì)的熔、沸點(diǎn)愈高。例如：例如： C3H8 C4H10 C5H12 b.p. -44.5 -0.5 36 分子間力氫

11、鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體(2) 分子間力對(duì)溶解度的影響分子間力對(duì)溶解度的影響 溶質(zhì)與溶劑之間的分子間力愈大，溶質(zhì)與溶劑之間的分子間力愈大，溶質(zhì)在該溶劑中的溶解度愈大。溶質(zhì)在該溶劑中的溶解度愈大。 例如例如CS2在在CCl4中的溶解度比中的溶解度比CO2在在CCl4中的溶解度要大。中的溶解度要大。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體 二、氫鍵二、氫鍵 氫化物沸點(diǎn)氫化物沸點(diǎn)分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體1) 氫鍵的形成氫鍵的形成 分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體2) 氫鍵形成的條件氫鍵形成的條件(a) 有氫原子參加；有氫原子參加；(b) 有兩個(gè)電負(fù)性較大

12、，半徑較小且含有孤對(duì)有兩個(gè)電負(fù)性較大，半徑較小且含有孤對(duì)電子的原子電子的原子( 即即 F， O，N )。 氫鍵組成的表示為：氫鍵組成的表示為：X HY X, Y表示表示F, O, N等電負(fù)性較大的原子。等電負(fù)性較大的原子。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體 形成氫鍵的幾個(gè)實(shí)例：形成氫鍵的幾個(gè)實(shí)例：HFHFFHFFHHHHOHHNHHFOH分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體3) 氫鍵的飽和性和方向性氫鍵的飽和性和方向性 氫鍵的飽和性表示一個(gè)氫鍵的飽和性表示一個(gè)XH只能和一個(gè)只能和一個(gè)Y形成氫鍵。形成氫鍵。 氫鍵的方向性是指氫鍵的方向性是指XHY 體系中氫鍵體系中氫鍵的方向與的

13、方向與Y原子中孤對(duì)電子的對(duì)稱軸一致。原子中孤對(duì)電子的對(duì)稱軸一致。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體 分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體 氫鍵的強(qiáng)度氫鍵的強(qiáng)度介于化學(xué)鍵和分子間作用力之介于化學(xué)鍵和分子間作用力之間，其大小和間，其大小和 H 兩側(cè)的原子的兩側(cè)的原子的電負(fù)性有關(guān)，見電負(fù)性有關(guān)，見下列氫鍵的鍵能下列氫鍵的鍵能(E / kJ mol1)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。 F H F O H O N H N 28.0 18.8 5.44) 氫鍵的強(qiáng)度氫鍵的強(qiáng)度 氫鍵的鍵能是指拆開氫鍵的鍵能是指拆開HY鍵所需的能量。鍵所需的能量。分子間力氫鍵和分子晶

14、體分子間力氫鍵和分子晶體5) 分子內(nèi)氫鍵分子內(nèi)氫鍵 除分子間可以形成氫鍵外，分子內(nèi)也可以除分子間可以形成氫鍵外，分子內(nèi)也可以形成氫鍵。形成氫鍵。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體6) 氫鍵對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響氫鍵對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響 (1) 對(duì)熔、沸點(diǎn)的影響對(duì)熔、沸點(diǎn)的影響(3) 氫鍵對(duì)生物體的影響氫鍵對(duì)生物體的影響 (2) 氫鍵對(duì)溶解度的影響氫鍵對(duì)溶解度的影響分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體氫鍵對(duì)熔點(diǎn)的影響氫鍵對(duì)熔點(diǎn)的影響分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體 H2O 分子間，分子間，HF分子間氫鍵很強(qiáng)，分子間氫鍵很強(qiáng)，以致于分子發(fā)生締合。以致于分子發(fā)生締合。 經(jīng)常經(jīng)常以

15、以 ( H2O ) 2 ，( H2O ) 3 和和 ( HF ) 2 ，( HF ) 3 形式存在。形式存在。分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體 有分子內(nèi)氫鍵的化合物的沸點(diǎn)，熔點(diǎn)不是有分子內(nèi)氫鍵的化合物的沸點(diǎn)，熔點(diǎn)不是很高。很高。 如對(duì)硝基苯酚和鄰硝基苯酚如對(duì)硝基苯酚和鄰硝基苯酚 ：OHNO2沒有分子內(nèi)氫鍵沒有分子內(nèi)氫鍵 m.p. 113 114 HONOO 有分子內(nèi)氫鍵有分子內(nèi)氫鍵 m. p. 44 45 分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體 如果溶質(zhì)分子與溶劑分子能形成氫鍵，如果溶質(zhì)分子與溶劑分子能形成氫鍵，該溶質(zhì)在該溶劑中的溶解度較大。例如，乙該溶質(zhì)在該溶劑中的溶解度較

16、大。例如，乙醇、醇、NH3能溶于水，都與氫鍵有關(guān)。能溶于水，都與氫鍵有關(guān)。CHCHOHHO23H分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體HHNONHONHHNNNHHNHOHHNONHONHHNNNHHNHO 在生物體中，廣泛存在著氫鍵，如蛋白質(zhì)、在生物體中，廣泛存在著氫鍵，如蛋白質(zhì)、氨基酸、氨基酸、DNA等。等。 DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)：的雙螺旋結(jié)構(gòu)：分子間力氫鍵和分子晶體分子間力氫鍵和分子晶體超分子化學(xué)超分子化學(xué)研究分子間弱相互作用的本質(zhì)的化學(xué)研究分子間弱相互作用的本質(zhì)的化學(xué)超分子：并非指單個(gè)分子，而是指由許多分超分子：并非指單個(gè)分子，而是指由許多分子組成的有序體系，體系中分子間由于分子子組成的有序體系，體系中分子間由于分子間作用力