資源簡介

3.4分子間作用力　分子晶體(第1課時)
一、核心素養發展目標
1.能舉例說明不同類型分子間作用力的特征和實質，能運用范德華力和氫鍵解釋、預測物質的物理性質；
2.能列舉生活中常見物質中存在的氫鍵，認識氫鍵在生命活動中扮演的重要角色。
二、教學重點及難點
重點 不同類型分子間作用力的特征和實質
難點 運用范德華力和氫鍵解釋、預測物質的物理性質
三、教學方法
講授法、討論法
四、教學工具
PPT、視頻
五、教學過程
【展示】水的沸騰動圖
【講述】觀察水的沸騰過
【問】是否為化學變化 有沒有破壞化學鍵？是否需要吸收能量？
【生】不是化學變化，沒有破壞化學鍵，需要吸收能量。
【講述】結論：水分子間存在分子間的作用力
氣體分子能夠凝聚成相應的固體或液體，表明分子之間存在著分子間作用力。
共價分子之間都存在著分子間作用力。
分子間作用力實質上是一種靜電作用，它比化學鍵弱得多。
一、范德華力
是一種普遍存在于固體、液體和氣體中分子間的作用力。
【展示】范德華的照片
【講述】范德華(1837-1923)荷蘭物理學家，提出了范德華方程，研究了毛細作用，對附著力進行了計算，推導出物體氣、液、固三相相互轉化條件下的臨界點計算公式。1910年因研究氣態和液態方程獲諾貝爾物理學獎。
范德華力存在：
大多數共價化合物，例如：
1. CO2、H2SO4、HF, H2O, AlCl3、各種有機化合物等；
2. 大多數非金屬單質，例如： H2、P4、S8、C60等。
3. 各種稀有氣體（例如Ar、Kr）等。
幾種類型的范德華力
【展示】三種范德華力圖片
【講述】1. 電荷分布不均勻的分子（如HCl、H2O等）之間以其帶異號電荷的一端互相吸引，產生的靜電作用使分子按一定的取向排列，從而使體系處于比較穩定的狀態。
2. 電荷分布均勻的分子（如O2、N2、CO2等），由于核外電子的不斷運動，分子中電子產生的負電荷重心與原子核產生的正電荷重心瞬時不重合，使分子的電荷分布不均勻，其帶異號電荷的一端也互相吸引，這樣分子間也會產生靜電作用力。
3. 電荷分布均勻的分子在電荷分布不均勻的分子的作用下，導致電荷分布均勻的分子的負電荷重心和正電荷重心不重合，其帶異號電荷的一端也互相吸引，產生靜電作用力。
【問】范德華力有什么特點？
【展示】鹵化氫分子的范德華力和化學鍵的比較表格
【生】1、范德華力很弱，比化學鍵的鍵能小1～2個數量級。
2、對于組成和結構相似的物質，范德華力一般隨著相對分子質量的增大而增大。
3、范德華力一般沒有飽和性和方向性，只要分子周圍空間允許，當氣體分子凝聚時，它總是盡可能多地吸引其他分子。
范德華力對物質性質的影響
【展示】加熱過程中物質的狀態變化的微觀模擬過程
【講述】固體→液體→氣體的過程，熵值增大，分子間的距離不斷被拉開，這個過程是分子吸收外界能量，克服范德華力；
某分子的范德華力如果越大，克服它就需要吸收外界更多的能量，因此只有外界溫度較高時，分子才能順利克服范德華力，實現固體→液體→氣體的三態變化。
【展示】鹵素單質的相對分子質量和熔、沸點表格及單質鹵素的圖片。
【講述】分子間的范德華力越大，物質的熔、沸點越高
Cl2、Br2 、I2的相對分子質量依次增大，范德華力依次增大，熔、沸點依次升高。
【講述】烷烴（CnH2n＋2）的熔、沸點隨著其相對分子質量的增加而增加，也是由于烷烴分子之間的范德華力增加所造成的。
【問】思考：如果兩物質的相對分子質量相近，怎么比較熔沸點高低？
【生】共價鍵成鍵原子的電負性差異（越大）→范德華力（越大） →沸點（越高）
【問】將下列物質按熔沸點由高到低的順序排列：
D2O_____H2O I2_____Br2 CO_____N2 CH4_____SiH4
【生】> > > <
范德華力對物質性質的影響
【講述】可以影響物質的溶解度
273 K、101 kPa時，氧氣在水中的溶解量（49 cm3·L－1）比氮氣在水中的溶解量（24 cm3·L－1）大，就是O2與水分子之間的作用力比N2與水分子之間的作用力大所導致的。
【展示】一些氫化物的沸點
【講述】氧和硫同為ⅥA族元素，H2O和H2S的結構也很相似。
從相對分子質量對分子間作用力和物質性質影響的角度分析，應該是H2S的沸點高于H2O，但通常情況下，H2O是液體（沸點為100℃），H2S是氣體（沸點為－61℃）。
【問】你知道導致H2O沸點“反常”的原因嗎？
氫鍵
【講述】水分子中的O—H鍵是極性共價鍵，氧原子與氫原子共用的電子對強烈地偏向氧原子，使H原子幾乎成了“裸露”的質子。
一個水分子中相對顯正電性的氫原子，就能與另一個水分子中相對顯負電性的氧原子的孤電子對接近并產生相互作用，這種相互作用叫做氫鍵。
氫鍵是由已經與電負性很大的原子(如N、F、O)形成共價鍵的氫原子與另一分子中電負性很大的原子之間的作用力。
【展示】氫鍵圖片
【講述】1、氫鍵是一種既可以存在于分子之間又可以存在于分子內部的作用力。
2、氫鍵通常是物質在液態時形成的，但有時也存在于某些晶體或氣態物質中，如氟化氫在三種狀態下均存在氫鍵。
氫鍵形成條件
【講述】當H原子與電負性大、半徑較小的原子X以共價鍵結合時，H原子能夠跟另一個電負性大、半徑較小的原子Y之間形成氫鍵。
分子中一定要有N、O、F這三種原子中的一種，或者含有N—H鍵、O—H鍵、F—H鍵中的一種，所以氫鍵一般存在于含N—H、H—O、H—F的物質中，或有機化合物中的醇類和羧酸類等物質中。
【展示】主族非元素的氫化物沸點圖像
【講述】分子中一定要有N、O、F這三種原子中的一種，或者含有N—H鍵、O—H鍵、F—H鍵中的一種，所以氫鍵一般存在于含N—H、H—O、H—F的物質中，或有機化合物中的醇類和羧酸類等物質中。
氫鍵的表示
【講述】氫鍵通常用X—H…Y 表示。其中X和Y代表電負性大而原子半徑較小的非金屬原子，如氟、氧、氮等。
氫鍵強弱
【講述】X—H----Y強弱 與X和Y的電負性有關。電負性越大，則氫鍵越強
如F原子電負性最大，因而F-H…F是最強的氫鍵;
原子吸引電子能力不同，所以氫鍵強弱變化順序為： F-H…F > O-H…O > O-H…N > N-H…N
C原子吸引電子能力較弱，一般不形成氫鍵。
氫鍵特點
【講述】鍵長： A—H···B ，指A B之間的距離。
鍵能： A—H···B 分解為A—H和B所需要的能量。
【展示】冰晶體中共價鍵、范德華力、氫鍵的大小
【問】氫鍵強度如何？
【生】1、氫鍵比化學鍵的鍵能小，但比范德華力強，不屬于化學鍵，是除范德華力外的另一種分子間的作用力。
【講述】2、飽和性：
由于H原子半徑比A，B的原子半徑小得多，當H與一個B原子形成氫鍵A—H···B 后，H周圍的空間被占據，A，B的電子云排斥作用將阻礙另一個B原子與H靠近成鍵，即H只能與一個B形成氫鍵，氫鍵具有飽和性。
H 的體積小，1 個 H 只能形成1個氫鍵。
3、方向性：
A—H與B形成分子間氫鍵時，3個原子總是盡可能沿直線分布，使A、B盡量遠離，這樣電子云排斥作用最小，體系能量最低，氫鍵最強，最穩定，所以氫鍵具有方向性。
氫鍵對物質性質的影響
【講述】1、氫鍵主要影響物質的熔、沸點。
①當分子間存在氫鍵時，若要使相應的物質熔化或汽化，由于破壞分子間氫鍵需要消耗較多的能量，所以這些物質有較高的熔點和沸點。
【問】比較以下物質的熔、沸點：HF和HCl、H2O H2Te H2Se H2S
【生】HF>HCl
H2O>H2Te>H2Se>H2S
【展示】鄰羥基苯甲醛和對羥基苯甲醛的結構式及熔點
【問】為設密碼鄰羥基苯甲醛熔點-7 ℃，而對羥基苯甲醛熔點115 ℃？
【生】鄰羥基苯甲醛是分子內氫鍵，對羥基苯甲醛是分子外氫鍵
【講述】②因為物質的熔沸點與分子間作用力有關，當分子內存在氫鍵時，相應的分子間的作用力就會減少, 從而使物質熔沸點降低。
分子間氫鍵使物質熔、沸點升高,分子內氫鍵使物質熔、沸點降低。
【講述】2、氫鍵可影響物質的溶解度。
不同種分子之間不僅同種分子之間可以存在氫鍵，某些不同種分子之間也可能形成氫鍵。溶劑和溶質之間的氫鍵作用力越大,溶解性越好。
【問】舉例說明氫鍵對溶解度的影響？
【生】NH3與H2O之間，所以這就導致了氨氣在水中的驚人溶解度：1體積水中可溶解700體積氨氣；
乙醇和水能以任意比例互溶等。
3、氫鍵可影響液體的黏度。
【講述】氫鍵的有無和多少會顯著的影響到分子間的作用關系，繼而在機械性能上影響其黏度。
甘油、磷酸、濃硫酸等多羥基化合物，由于分子間可形成眾多的氫鍵，這些物質通常為黏稠狀液體。
加入其他會增加氫鍵作用的物質如糖、淀粉等作為溶質時，則會更進一步地通過增加氫鍵的強度來提升液體的粘性。
【展示】不同狀態下水分子間的氫鍵
【問】水的沸點較高，水結冰時體積膨脹、密度減小。水的這些特殊物理性質與水分子之間形成的氫鍵有關。
【生】水蒸氣中水分子主要以單個分子的形式存在，液態水中多個水分子通過氫鍵結合在一起，形成(H2O)n。
冰中所有水分子中的氫原子都參與形成氫鍵，使水分子之間的間隙增大，由此形成一個有很多“孔洞”的結構，使冰的密度小于水，所以冰浮于水上。
【講述】大多數物質在固態時的密度要比液態時大，而水是一個例外。正是由于氫鍵存在，冬季江河、湖泊中魚類等生物才免遭凍死的災難，人們也可以在冰上開展冰球、滑冰等運動項目。
【展示】生命分子中的氫鍵
蛋白質中的氫鍵、DNA中的氫鍵、DNA的雙螺旋結構
【講述】DNA堿基對是通過氫鍵相互識別并結合的
超分子
【講述】超分子是由兩種或兩種以上的分子（或離子）通過分子間相互作用形成的分子聚集體。
【展示】DNA堿基配對
【講述】“超分子”被稱為共價鍵分子化學的一次升華，超分子化學被稱為“超越分子概念的化學”。在形成超分子的各種分子間相互作用中，氫鍵尤為特殊，被稱作為“超分子化學中的萬能相互作用”。
【講述】超分子的特征之一：分子識別
【展示】杯酚與C60通過范德華力相結合，通過尺寸匹配實現分子識別
冠醚與金屬陽離子通過配位作用相結合
超分子的特征之二：自組裝
【展示】自制膠體
【課堂小結】師生一起回顧和總結。
范德華力、氫鍵、化學鍵的比較
概念 范德華力 氫鍵 共價鍵
定義 物質分子之間普遍存在的一種作用力 已經與電負性很大的原子形成共價鍵的氫原子與另一個電負性很大的原子之間的靜電作用 原子間通過共用電子對所形成的相互作用
作用微粒 分子 H與N、O、F 原子
特征 無方向性和飽和性 有方向性和飽和性 有方向性和飽和性
影響 強度的 因素 ①隨分子極性的增大而增大②分子組成和結構相似的物質,相對分子質量越大,范德華力越大 對于X—H…Y,X、Y的電負性越大,Y原子的半徑越小,作用越強 成鍵原子半徑和共用電子對數目。鍵長越小,鍵能越大,共價鍵越穩定
對物質 性質的 影響 ①影響物質的熔點、沸點、溶解度等物理性質②組成和結構相似的物質,隨相對分子質量的增大,物質的熔、沸點升高,如CF4H2S ②分子內氫鍵降低物質的熔、沸點 共價鍵鍵能越大,分子穩定性越強
強度 共價鍵>氫鍵>范德華力
【課堂練習】
1．下列關于范德華力的敘述中，正確的是(　　)
A．范德華力的實質也是一種電性作用，所以范德華力是一種特殊的化學鍵
B．范德華力與化學鍵的區別是作用力的強弱問題
C．任何分子間在任意情況下都會產生范德華力
D．范德華力非常微弱，故破壞分子間的范德華力不需要消耗能量
答案：B
2．下列關于范德華力影響物質性質的敘述中，正確的是(　　)
A．范德華力是決定由分子構成的物質的熔、沸點高低的唯一因素
B．范德華力與物質的性質沒有必然的聯系
C．范德華力能夠影響物質的化學性質和物理性質
D．范德華力僅影響物質的部分物理性質
答案：D
3.下列物質的變化中,破壞的主要是范德華力的是(　　)
A.碘單質的升華
B.NaCl溶于水
C.將冰加熱變為液態
D.NH4Cl受熱分解
答案：A
4、關于氫鍵的說法正確的是 (　　)
A.每一個水分子內含有兩個氫鍵
B.冰、水中都存在氫鍵
C.分子間形成的氫鍵使物質的熔點和沸點降低
D.鄰羥基苯甲醛的沸點比對羥基苯甲醛的沸點高
答案：B
5.下列關于氫鍵的說法正確的是(　　)
A.由于氫鍵的作用,使NH3、H2O、HF的沸點高于同主族其他元素氣態氫化物的沸點
B.氫鍵只能存在于分子間,不能存在于分子內
C.根據氫鍵鍵能的大小可知,沸點高低順序為HF>H2O>NH3
D.相同量的水在氣態、液態和固態時均有氫鍵,且氫鍵的數目依次增多
答案：A

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