相互作用力的特点(相互作用力的特点实验)

许多物质由分子聚集而成，常以液态或固态的形式存在，如汽油、水、干冰等。气体分子能够凝聚成相应的固体或液体，表明分子之间存在分子间作用力（intermolecular force），大量的分子可通过分子间作用力结合形成分子晶体。

共价分子之间都存在着分子间作用力。分子间作用力本质上是一种静电作用，它比化学键弱得多。范德华力和氢键是两种最常见的分子间作用力。

范德华力

卤素单质的熔、沸点

卤素单质熔、沸点与相对分子质量的关系

卤素单质的熔、沸点数据变化表面，卤素单质分子之间存在相互作用力，决定了单质的某些物理性质。这种作用力就是范德华力。

范德华力是一种普遍存在于固体、液体和气体中分子之间的作用力。与共价键不同，范德华力较小，且一般没有饱和性和方向性，只要分子周围空间允许，当气体分子凝聚时，会尽可能多地吸引其他分子。

影响范德华力的因素很多，如分子的大小、分子的空间构型以及分子中电荷分布是否均匀等。 随着卤素单质相对分子质量增大，范德华力逐渐增大，物质的熔沸点逐渐增大；随着碳原子数增加，烷烃分子间的范德华力逐渐增大，熔沸点逐渐增大。这说明对于组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，范德华力越大，物质的熔沸点越高。

影响范德华力的因素

对于有机物中的同分异构体，支链越多，分子间的范德华力越小，熔沸点越低。而对于同分异构体中支链数相同的物质，其结构越对称，分子间范德华力越小，熔沸点越低，如熔沸点：正戊烷＞异戊烷＞新戊烷、邻二甲苯＞间二甲苯＞对二甲苯。

对位化合物结构对称，很可能是非极性分子，分子间范德华力以色散力为主；而邻位化合物结构不对称，可能是极性分子，分子间范德华力以取向力为主。

范德华力的大小，对由分子构成的物质的性质，如熔点、沸点、溶解度等都有影响。例如，273K、101kPa时，氧气在水中的溶解量（49mL / L）比氮气在水中的溶解度（24mL / L）大，因为氧气与水分子之间的作用力比氮气与水分子之间的作用力大；烷烃（C n H 2n+2 ）的熔、沸点随着其相对分子质量的增加而增加，也是由于烷烃分子之间的范德华力。

范德华力一般没有方向性、饱和性，只要分子周围空间允许，当气体分子凝聚时，它总是尽可能吸引更多的其他分子。

范德华力又可以分为三种作用力：诱导力、色散力和取向力。

在极性分子的固有偶极诱导下，临近它的分子会产生诱导偶极，分子间的诱导偶极与固有偶极之间的电极之间的电性引力，称为 诱导力 （induction force）。在极性分子和非极性分子之间以及极性分子和极性分子之间都存在诱导力。

非极性分子相互靠拢时，它们的瞬时偶极之间会产生很弱的吸引力，这种吸引力称为 色散力 （dispersion force）。色散力存在于一切分子之间。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，于是两个分子可以靠瞬间偶极相互吸引在一起。

取向力 （dipole-dipole force）又称定向力，是极性分子与极性分子之间的固有偶极与固有偶极之间的静电引力。两个极性分子相互接近时，同极相斥，异极相吸，使分子发生相对转动，按一定方向排列，并通过静电引力相互吸引。

三种不同的范德华力

氢键

氧和硫同为VI A族元素，H 2 O和H 2 S的结构也很相似。从相对分子质量对分子间作用力的影响的角度分析，应该是H 2 S的沸点高于H 2 O，但通常情况下，H 2 O是液体（沸点为100℃），H 2 S是气体（沸点是-61℃）。什么导致了H 2 O沸点的反常？

水分子中的O—H键是极性共价键，氧原子与氢原子共。共用的电子对强烈地偏向氧原子，是氢原子几乎成了“裸露”的质子。这样，一个水分子中相对显正电性的氢原子，就能与另一个水分子中相对显负电性的氧原子的孤电子对接近并产生相互作用，这种相互作用叫 氢键 （hydrogen bond）。

氢键是一种既可以存在于分子之间也可以存在于分子内部的作用力。它的强度在化学键和范德华力之间，具有方向性和饱和性。当H原子与电负性大、半径较小的原子X以共价键结合时，H原子能够跟另一个电负性大、半径较小的原子之间形成氢键。

氢键通常用X — H ··· Y表示，其中X和Y代表电负性大而原子半径较小的非金属原子，如氟、氧、氮。

氢键通常是物质在液态时形成的，但有时也存在于某些晶体或气态物质中，如氟化氢在三种状态下均存在氢键。分子间氢键的形成，对物质的聚集状态会产生影响，使其物理性质发生明显的变化。

一些氢化物的沸点

       分子间存在氢键时，要使相应的物质熔化或汽化，破坏分子间氢键需要消耗较多的能量，所以这些物质有较高的熔点和沸点，如氟化氢的熔沸点比氯化氢高。含有分子间氢键的液体一般黏度较大，如甘油、浓硫酸等。分子间氢键的存在使溶质在水中的溶解度增大，如氨（NH 3 ）极易溶于水，乙醇能与水以任意比例互溶等。

之间形成氢键的元素电负性相差越大，氢键越强，如HF分子间氢键比H 2 O分子间氢键更强。但液体氟化氢的蒸发热比水的大，这是因为H 2 O分子间形成的氢键比HF分子间形成的氢键更多。

分子与分子之间可以形成氢键，分子内也可以形成氢键。如果在一个分子中既有带足够正电荷的H原子，也有半径小、电负性大、带负电荷的其他原子，且两者相距足够近，则能形成分子内氢键。例如，邻硝基苯酚能形成分子内氢键，但对硝苯酚和间硝基苯酚就难以形成分子内氢键，只能形成分子间氢键。

醋酸、硝酸是相对分子质量相近的两种分子，但它们的熔沸点相差较大（醋酸的熔点为16.6℃，硝酸的熔点为-41.6℃，常温下是具有挥发性的液体），这是因为醋酸形成的氢键是分子间氢键，所以溶沸点较高；硝酸形成的是分子内氢键，即一个硝酸分子内部形成的氢键，所以溶沸点较低。

氢键的存在会影响物质的溶解性。（1）若溶质与溶剂分子间形成氢键，则会使溶质在该溶质中的溶解度大大增加。如乙醇分子与水分子间可形成氢键，因而二者可以任意比例互溶。 （2）若溶质分子内部形成氢键，则它在极性溶剂中的溶解度降低，在非极性溶剂中的溶解度增大。如邻硝基苯酚和对硝基苯酚：二者在水中的溶解度之比为0.39：1，而在苯中，二者的溶解度之比为1.93：1，其主要原因就是前者硝基中的氧与邻位酚羟基中的氢形成了分子内氢键。

水的沸点较高，结冰时体积膨胀、密度减小，这与水分子之间形成的氢键有关。水蒸气中，水分子主要以单个分子的形式存在；液态水中，多个水分子通过氢键结合在一起，形成(H 2 O) n ；固态水（冰）中，所有氢原子都参与形成氢键，由于氢键的方向性，冰晶体中每个水分子与四面体顶点的4个分子相互吸引，形成间隙较大的网状体，因而体积增大。大多数物质在固态时的密度比液态时大，而水是一个例外。

生命分子中的氢键

生物体内的蛋白质和DNA分子内或分子间都存在着大量的氢键。氢键对维持生物大分子的空间构型和生理活性具有重要意义。例如，生物的遗传基因本质上就是DNA分子中的碱基顺序，而DNA的双螺旋结构即是由DNA两条链的碱基通过氢键配对形成。大量的氢键相连使DNA的结构更稳定，得以长期存在于生命体中。

单个氨基酸分子内没有氢键，但经过 脱水缩合形成肽链，再盘曲、折叠，形成蛋白质 二级结构后就会有。 肽链中存在氮、氢原子共用电子对偏移和碳、氧原子共用电子对偏移，一般以肽键中的氨基作为氢键供体、羰基作为氢键受体，通过形成链内或链间氢键，使肽链形成有规则重复的二级结构。各种复杂的分子结构都是由这些简单的二级结构单元进一步组合而成。

蛋白质二级结构有α-螺旋、β-折叠等。α-螺旋结构中，螺旋层之间的氨基酸之间有氢键；β折叠是平面结构，平面内任意两排氨基酸之间存在氢键，紧密结合。 氢键在肽链盘曲或折叠过程中发挥重要作用，并能促进蛋白质空间结构的形成和稳定（蛋白质的结构和稳定性由多种作用力维持，包括氢键、静电相互作用和范德华力等，这些力共同作用，使蛋白质能够形成特定的二级、三级和四级结构）。

氢键广泛存在于很多化合物和溶液中，对物质性质（如熔沸点、在溶剂中的溶解性等）影响较大。生活中常见的纸张、衣物、皮革、煤炭、润滑油脂中都有氢键存在。在化学工业中，色谱技术、极谱分析法以及吸附等方法都与氢键有关；煤中的氢键对煤的结构、性质和转化等有重要影响，通过煤中氢键的调控可以实现煤的优化和高效转化。

分子晶体

分子晶体（molecular crystal）是分子通过分子间作用力构成的固态物质。由于分子间作用力较弱，分子晶体一般硬度较小、熔点较低。

常见的属分子晶体的物质

以共价键结合的物质，除金刚石、晶体硅、二氧化硅等形成空间网状结构的物质属于共价晶体外，其他多数非金属单质（如H 2 、Cl 2 、N 2 等）、非金属元素组成的无机化合物（如H 2 O、HCl、CO 2 等）以及绝大多数有机化合物在低温下形成的晶体都属于分子晶体。固态干冰是典型的分子晶体，独立存在的CO2分子占据着立方体的8个顶角和6个面的中心位置。

干冰分子晶体的结构模型

石墨晶体

石墨和金刚石是碳的两种同素异形体。金刚石属于共价晶体，每个碳原子以共价键与相邻的四个碳原子形成三维网状结构；石墨晶体形成二维网状结构，层内每个碳原子以共价键与周围的三个碳原子联系，层间为分子间作用力，因此石墨晶体是一种混合型晶体。

在石墨的二维结构平面内，每个碳原子以C—C键与3个碳原子结合，形成六元环层。碳原子有4个价电子，而每个碳原子仅用3个价电子形成共价键，还有1个电子处于碳原子的2p轨道上。层内碳原子的这些p轨道相互平行，相邻碳原子的p轨道相互重叠，形成大 π 键。这些p轨道中的电子可在整个层内运动，当施加电场时，可以沿电场方向运动，因而石墨具有导电性。但是相邻碳原子层之间相隔较远，电子不能从一层跳跃到另一层，因此石墨的导电性有一定的方向性。由于石墨晶体层间是以分子间作用力结合的，因而在外力的作用下，石墨晶体中层与层之间发生相对滑动而具有良好的润滑性。

除石墨外，还有一些晶体，如CaI 2 、CdI 2 、MgI 2 晶体 等，也同时存在着若干种不同的作用力和键型，属于混合型晶体。

晶体的共性与个性

金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体是最常见的晶体类型。不论上述晶体颗粒大小如何，晶体内部结构都是由原子、离子或分子按周期性规律排列组成的。因此，在研究这些晶体类型时，均可以通过研究能够反映晶体结构特征的基本重复单位——晶胞来进行。

晶体具有周期性结构的这一特征，使不同的晶体这些共性：晶体物质各个部分的宏观性质总是相同的，例如具有相同的密度和化学组成等；（2）晶体总能自发地形成多面体结构；（3）晶体都具有确定的熔点。

除具有以上共性外，不同类型的晶体因构成微粒及其相互作用力的不同而表现出各自的特性。例如，绝大多数金属晶体是电和热的良导体，延展性好；食盐是离子晶体，无色透明、坚硬、质脆，常温下不导电；金刚石为共价晶体，无色透明、坚硬、质脆，常温下不导电；干冰属于分子晶体，只能在低温下存在。

关注共性与个性，是研究各类晶体重要的思想方法。