第四节　分子间作用力和氢键

一、分子的极性

任何一个分子中都可找到一个正电荷重心和一个负电荷重心。其中，正、负电荷重心重合的分子是非极性分子，不重合的是极性分子。

对于双原子分子来说，凡由非极性键构成的分子一定是非极性分子；由极性键构成的分子一定是极性分子。

对于多原子分子，如分子中所有的共价键都是非极性的，则分子一定是非极性分子，如P4、S8、O3等；但由极性共价键构成的多原子分子是否是极性分子，则取决于分子的空间构型是否对称，若它的空间构型是对称的，是非极性分子，否则就是极性分子。

分子极性的大小可以用偶极矩μ来度量，单位是C·m。其定义是：分子的偶极矩等于其正电荷重心或负电荷重心的电量q和正、负电荷重心的距离d的乘积。即

μ=qd

偶极矩是一个矢量，方向为从正电荷重心指向负电荷重心。因为一个电子的电量为1.63×10-19C，分子中正、负电荷重心距离的数量级是10-10m，所以偶极矩的数量级为10-30C·m。

分子的偶极矩等于零时，该分子是非极性分子。若偶极矩不等于零，则分子是极性分子。且分子的偶极矩愈大，分子的极性愈大。根据偶极矩的数值可以推测某些分子的空间构型。

二、分子的极化

极性分子本身固有的偶极为永久偶极。但不论分子有无极性，在外电场的作用下，其正负电荷重心都会发生相对位移使分子变形而产生诱导偶极或偶极矩增大的现象称为分子的极化。

分子之间相互作用时也可发生分子的极化，这正是分子间存在相互作用力的重要原因。

三、分子间作用力

分子间还存在着一种较弱的作用力，最早是由荷兰物理学家van der Waals提出的，故称范德华力。范德华力的大小只相当于化学键能的1/10到1/100，可分为取向力、诱导力和色散力三种。

1.取向力

取向力是发生在极性分子之间的作用力。当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，以便分子间呈异极相邻状态排列，这种发生在极性分子的永久偶极间的相互作用力称为取向力。

取向力的本质是静电引力。

2.诱导力

诱导力是发生在极性分子与非极性分子之间的作用力。极性分子的永久偶极相当于一个外电场，可使邻近的非极性分子变形而产生诱导偶极，于是诱导偶极与永久偶极相互吸引，这种永久偶极和诱导偶极间的相互作用力称为诱导力。两个邻近的极性分子之间，除了取向力外，也含有诱导力。

诱导力的本质也是静电引力。

3.色散力

色散力是发生在非极性分子的瞬间偶极间的作用力。瞬间偶极存在的时间虽然很短，但却在每一个瞬间不断地重复发生着。因此邻近的分子（不论是极性分子还是非极性分子）间始终存在着色散力，并且它在范德华力中占有相当大的比重。

综上所述：在非极性分子之间只有色散力；在极性分子和非极性分子之间既有色散力，又有诱导力；而在极性分子之间，取向力、诱导力、色散力三者并存。

范德华力不属于化学键的范畴，其特点是：①它是永远存在于分子间或原子间的一种作用力。②它是一种吸引力，其作用能只有几到几十千焦每摩尔，约比化学键小1～2个数量级。③范德华力与共价键不同，它一般不具有方向性和饱和性。④它的作用范围只有几十到几百皮米。⑤对大多数分子来说色散力是主要的，只有极性很大的分子，取向力才比较显著，诱导力通常都很小。

四、氢键

1.氢键的形成

在HF、HCl、HBr、HI和H2O、H2S、H2Se、H2Te中，HF、H2O的沸点最高且变化比较反常。

HF、H2O性质的反常现象说明其分子之间有很大的作用力使其成为缔合分子。分子缔合的主要原因是分子间形成了氢键。

当H原子与电负性很大、半径很小的X（F、O、N）原子以共价键结合成分子后，还能与另一个电负性很大、半径小且外层有孤对电子的Y（F、O、N）原子产生定向的吸引作用，形成X—结构，其中H原子与Y原子形成的第二个键（虚线表示）称为氢键。X、Y可以是同种元素的原子，如F—、O—，也可以是不同元素的原子，如N—。

氢键虽然存在轨道重叠，但通常不算作共价键，而属于分子间作用力。

2.氢键特征

氢键与范德华力不同，氢键有饱和性和方向性。所谓饱和性是指H原子在形成一个共价键后，通常只能再形成一个氢键。所谓方向性是指在氢键中以H原子为中心的三个原子尽可能在一条直线上，即H原子要尽量和Y原子上孤对电子的方向一致，这样H原子和Y原子的轨道重叠程度较大，而且X原子与Y原子距离最远，斥力最小，形成的氢键愈强，体系愈稳定。

3.氢键的类型

氢键可分为分子间氢键和分子内氢键两种类型。

一个分子的X—H键与另一个分子的原子Y形成的氢键称为分子间氢键。如H2O中的O—键，HF中的F—键，NH3—H2O中的N—和N—键等，前三种为相同分子间的氢键，后一种为不同分子间的氢键。由于分子间氢键的形成，加强了分子间的相互作用，所以破坏氢键时，需要能量，故使分子的熔点、沸点升高，出现反常现象。

一个分子的X—H键与其内部的原子Y形成的氢键称为分子内氢键，一般形成环，以五元环、六元环较为稳定。因不能在一直线上重叠电子云，分子内氢键比分子间的氢键弱一些，如在HNO3中存在着分子内氢键，其他如在苯酚的邻位上有—NO2、—CHO、—COOH等基团时也可形成分子内氢键。

4.氢键对物质性质的影响

①对熔点、沸点的影响　在同类化合物中，形成分子间氢键使其熔点、沸点升高。如果化合物形成分子内氢键，其熔点、沸点降低。

②对溶解度的影响　如果溶质和溶剂间形成分子间氢键，则溶解度增大。如果溶质分子形成分子内氢键，则在极性溶剂中的溶解度减小，在非极性溶剂中的溶解度增大。