大学化学2008秋-教案04

大学化学（2008秋） ：第四章 分子间作用力
Jiang Bian, Zuqiang Bian
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Viscosity
液体的粘度
粘度反映了液体中分子相对运动的难易程度，因此是分子 间作用力大小的一种反映。 分子间作用力越大，液体的粘度也就越大。温度越低，液 体的粘度也越大。 粘度的单位是kg⋅m-1⋅s-1。
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The Structure of Ice
冰中的基本结构：水六元环。 其中每个水分子与4个其它水分子 形成氢键，形成无限延伸的四面体 结构。
冰Ih的结构
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2. Phase Transitions
相变
相变是自然界最重要的现象之一。 相变通常被看作是物理变化，但是随着微观结构的深入研 究，发现相变也往往伴随着化学键的变化。 自然界最为常见的三态分别是气、液、固。而三态之间的 相互变换称为相变。 相变通常伴随着能量的吸收和释放，曾被称为潜热。 液体的气化热通常大于固体的液化热。二者之和称为升华 热。
什么是过冷（super cooling）现象？
当液体温度下降至凝固点以下时，液体仍未结晶的现象。
水的液-固线倾斜方向（向右）为何与二氧化碳的液-固线 （向左）不同？
由于冰的密度比水低，所以随着压力的增大，冰-水平衡 向水的一侧移动。而干冰的密度大于液态二氧化碳，所以 随压力增大，平衡向液态一侧移动。
毛细作用（capillary action）
若将毛细管插入水中，则水会沿毛细管上 升到一定高度。这就是毛细作用。
水和汞的比较
上述现象是由于水的吸附能大于水的内聚 能，所以液面上升，直至二者达到平衡。
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1. Intermolecular Forces
为什么气体可以凝聚成为液体？ 分子间作用力是气体凝聚的主要驱动力。 分子间作用力的分类 离子-偶极力：离子-永久偶极之间的作用力 van der Waals力 • 取向力（Keesom力）：永久偶极之间的作用力。 • 诱导力（Debye力）：永久偶极与诱导偶极之间的 吸引力。 • 色散力（ London力）：瞬时偶极之间的作用力。 氢键：质子给体与质子受体之间的作用力
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Supercritical Fluid
超临界流体
在临界温度以上，物质为气态，但是在高压下具有接近于 液体的密度。
超临界流体在高压下对非极性 或弱极性有机分子具有较好的 溶解性质（为什么？），因此 可以作为天然有机产物的有效 分离手段。
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Surface Tension
液体的表面张力
液体的表面张力源于液体表面分子所受到的 分子间作用力的合力，且这种合力方向指向 液体内部。 表面张力的单位为J⋅m-2，表示表面积每增加 1 m2所引起的能量上升值。 分子间作用力较大时，体系的表面张力也会 比较大。例如，20°C下，水的表面张力为 7.29×10-2 J⋅m-2，汞的表面张力为4.6×10-1 J⋅m-2 。
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第四章 分子间作用力
Ch 4 Intermolecular Forces
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Overview
Intermolecular Forces Phase Transitions Vapor Pressure Phase Diagrams Structures of Solids （参见BLB教材第11章）
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Dipole-Dipole Forces
取向力（Keesom力）
分子永久偶极之间的相互作用。 弱于离子-偶极力，只有在距离很近的时候才会发生作用。 而随着距离的增大，该力迅速衰减。 对于分子量和分子大小相当的体系，分子间力随分子偶极 矩增大而增加。
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Heating Curve
把一块冰从-25°C加热到125°C的 过程：
A-B，升温，冰维持固态； B-C，水平线，冰吸热熔化； C-D，水升温，保持液态； D-E，水平线，水吸热气化； E-F，水汽升温，体系为气态。
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Hydrogen Bond
氢键（HBs）
1930年代，Linus Pauling首先认识到氢键在 化学和生物学中的重要性。 定义：所谓氢键是指分子中与高电负性原子X 以共价键相连的H原子（质子给体），和另 分子中一个高电负性原子Y（质子受体）之间 所形成的一种相互作用力。 X-H…Y 氢键的键能约为4 ~ 25 kJ/mol，处于化学键 和van der Waals力之间，属于一类弱相互作 用。
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Vapor Pressure and T
温度对蒸气压的影响
Clausius-Clapeyron方程
ln P = − ΔH vap RT +C
所以，lnP与-1/T具有正比关系。
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4. Phase Diagrams
相图
相图为物质的物相与温度、压力以及组成的关系图。
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Dispersion Forces
瞬时偶极（instantaneous dipole moments）
1930年，Fritz London发现原子或分子中电子的运动可以 产生瞬时偶极矩。
45°C下，萘在SC CO2中的溶解度
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3. Vapor Pressure
蒸气压
液体的蒸气压为液体的蒸气与液 体处于动态平衡时的压强。 相同温度下，蒸气压较高的液体 被称为挥发性液体（volatile liquids）。 当温度上升时，液体的蒸气压也 随之上升（参见左下图， Clausius-Clapeyron方程）。 在沸点处，液体的蒸气压为1 atm。
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Debye Forces
诱导力(Debye Forces)
诱导偶极与永久偶极作用称为诱导力. 极性分子作用为电场, 使非极性分子产生诱导偶极或 使极性分子的偶极增大(也产生诱导偶极), 这时诱导偶极 与永久偶极之间形成诱导力, 因此诱导力存在于极性分 子与非极性分子之间, 也存在于极性分子与极性分子之 间.
各个升温区间所需的热量与各自 的比热（specific heat）成正比。
冰的加热曲线
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Critical Phenomena
临界现象
当气体体系的温度上升到一定值以上时，无论加多大压强 也不能将气体液化的现象称为临界现象。该温度称为临界 温度（Tc），在临界温度使气体液化的最小压力称为临界 压力（Pc）。
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Phase Diagrams of H2O and CO2
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Some Questions
三相点与冰点有何区别？
三相点为纯水体系中水的冰点，而我们常说的冰点（水的 凝固点）指在大气环境中被空气饱和的水的凝固点。
色散力（London力）
瞬时偶极之间的相互作用力。 所有的分子之间，无论是否具有永久偶极，都存在色散力。
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Some Thumb Rules
关于分子间力的一些简单规则
当两种分子的分子量和形状相近时，分子间力的大小取决 于永久偶极的大小。 当两种分子的分子量和形状相去较远时，色散力将是分子 间力的决定成分。 色散力通常是分子间力中的主要成分。