分子间作用力 Intermolecular Forces
Unit 7 Intermolecular Forces 分子间作用力
术语定义
intramolecular forces分子内作用力（即化学键bond）
Intermolecular forces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nonpolar species(?χ=0)
极性物质polar species(?χ>0)
可极化物质polarizable species
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electric dipole（即极性分子polarmolecule）之间
每摩尔能量：40 - 600 kJ/mol
例子：
氯化钠溶液中，钠离子与水生成配位球Coordination spheres
Dipole - Dipole偶极子-偶极子（取向力）
形成于多个电偶极子electric dipole（即极性分子polarmolecule）之间每摩尔能量：5 - 25 kJ/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
Hydrogen bonds氢键（取向力）
氢键Hydrogen bonds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 - 40 kJ/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 - Induced Dipole离子-诱导偶极子（诱导力）
每摩尔能量：3 - 15 kJ/mol
形成条件及过程：
例子：
二价铁离子与氧气分子
Dipole - Induced Dipole偶极子-诱导偶极子（诱导力）每摩尔能量：2 - 10 kJ/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 - 40 kJ/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：
总结
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
Surface Tension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
Capillary Action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hydrocarbons vs. 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）
Vapour Pressure蒸汽压（p vap）
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
The Unit Cell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
Lattice points晶格点：晶胞的角
Crystal lattice晶格：一组相同的晶胞
Cubic Unit Cell 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
Simple Cubic Lattices 简单立方晶格
每晶格含有原子数：8 x 1/8 = 1 晶格体积：(2r)3 = 8r 3
原子占用空间：8 (1/8) (4/3pr 3)= 4/3pr 3 空间占用率：43 πr 38r ×100 = 52%
配位数：6 代表元素：Po
（例题见7-2ppt35-41p ）
Body Centred Cubic Lattices体心立方晶格
每晶格含有原子数：(8 x 1/8) + 1=2
空间占用率：68%
配位数：8
代表元素：U
（例题见7-2ppt 44-47p）
Face Centred Cubic Lattices面心立方晶格
每晶格含有原子数：(8 x 1/8) + (6 x 1/2) = 4
空间占用率：74%
配位数：12
Hexagonal Lattices六方晶格
每晶格含有原子数：(12 x 1/6+2 x 1/2+3)/3=2 空间占用率：74%
配位数：12
固体组成的四种主要类型
Ionic Solids离子固体
示例一：氯化钠晶体结构
示例二：氯化铜示例结构
Metallic Solids金属固体
Electron Sea Model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Substitutional Alloys：
Brass黄铜: 2/3Cu, 1/3 Zn
Sterling silver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Interstitial Alloys：
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)
Chromoly Steel铬钼钢：Fe, C, Si, Mn, Mo, Cr
具有高强度/重量比
Stainless Steel不锈钢：Fe, C, Mn, Si, Cr, Ni
镍使不锈钢更加抗氧化
Covalent Network Solid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
Molecular Solids分子固体
分子位于晶格点处，强分子内作用力intramolecular forces（化学键），弱分子间作用力intermolecular forces，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。
Phase Changes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Phase Changes
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
Phase Diagrams相变图
A General Phase Diagram相变图通例
三条线确定了两相处于平衡状态的条件
Triple point三相点–在该点三相同时存在
Critical point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：