第五节极性分子和非极性分子
一、非极性键和极性键
在单质分子中,同种原子形成共价键,两个原子吸引电子的能力相同,共用电子对不偏向任何一个原子,电荷在两个原子核附近对称地分布,因此成键的原子都不显电性。这样的共价键叫做非极性共价键,简称非极性键。例如,H—H键、Cl—Cl键都是非极性键。
在化合物分子中,不同种原子形成共价键,由于不同原子吸引电子的能力不同,共用电子对必然偏向吸引电子能力强的原子一方,因而吸引电子能力较强的原子一方相对地显负电性,吸引电子能力较弱的原子一方相对地显正电性。也就是说,在这样的分子中共用电子对的电荷是非对称分布的。人们把这样的共价键叫做极性共价键,简称极性键。例如,在HCl分子里,Cl原子吸引电子的能力比H原子强,共用电子对的电荷偏向Cl原子一端,使Cl原子一端相对地显负电性,H原子一端相对地显正电性,因此,H原子和Cl原子之间的共价键是极性键。HCl分子可以用如下的电子式表示:
二、非极性分子和极性分子
我们在研究了键的极性之后,现在来研究分子的极性。
如果分子中的键都是非极性的,共用电子对不偏向任何一个原子,整个分子的电荷分布是对称的(见右图),这样的分子叫做非极性分子。以非极性键结合成的双原子分子都是非极性分子,如H2、O2、Cl2、N2等。
在以极性键结合的双原子分子如HCl的分子里,共用电子对偏向Cl原子,因此Cl原子一端相对地显负电性,H原子一端相对地显正电性,整个分子的电荷分布是不对称的,这样的分子叫做极性分子。以极性键结合成的双原子分子都是极性分子。
以极性键结合成的多原子分子,可能是极性分子,也可能是非极性分子,这决定于分子中各键的空间排列。
例如,CO2是直线型分子,两个氧原子对称地位于C原子的两侧:O=C=O在CO2分子中,因为氧原子吸引电子的能力比C原子强,共用电子对偏向于氧原子,使得氧原子一端相对地显负电性,因此C=O键是极性键。但从CO2分子总体来看,两个C=O键是对称排列的,两键的极性互相抵消,整个分子没有极性(见图)。所以,CO2是非极性分子。
H2O分子的情况不同,它的两个O—H键之间有一个夹角,约为104.5°。
O—H键是极性键,氧原子吸引电子的能力大于H原子,共用电子对偏向于氧原子,使得氧原子一端相对地显负电性,H原子一端相对地显正电性。由于氧原子在分子的一端,整个分子电荷分布不对称,因此,H2O分子是极性分子。
讨论1 NH3分子呈三角锥形,N—H键间的夹角是107°18′,分析NH3分子是否是极性分子。
家庭小实验
利用方便的材料(如泡沫塑料、马铃薯、萝卜、胶泥、竹签、火柴棍等)制作以下分子模型:H2 HCl CO2 H2O。
一、分子间作用力
NH3、Cl2、CO2等气体,在降低温度、增大压强时,能凝结成液态或固态。在这个过程中,气体分子间的距离不断缩短,最后由不规则运动的混乱状态转变为有规则排列的固态。这说明物质的分子之间必定存在着某种作用力,能把它们的分子聚集在一起。这种作用力叫做分子间作用力,又称范德华力。
我们知道,化学键是原子结合成分子时,相邻原子间强烈的相互作用,而分子间作用力与化学键比起来要弱得多。分子间作用力随着分子极性和相对分子质量的增大而增大。
分子间作用力的大小,对物质的熔点、沸点、溶解度等有影响。对于组成和结构相似的物质来说,相对分子质量越大,分子间作用力越大,物质的熔点、沸点也越高。例如,卤素单质,随着相对分子质量的增大,分子间作用力增大,它们的熔点、沸点也相应升高,四卤化碳也有类似的情形。
二、氢键
前面已介绍过某些结构相似的物质随着相对分子质量的增大分子间作用力增大,以及它们的熔点和沸点也随着升高的事实。但是有些氢化物的熔点和沸点的递变与以上事实不完全符合。让我们来看一下图。从图上可以看出,NH3、H2O和HF的沸点反常。例如,HF的沸点按沸点曲线的下降趋势应该在-90℃以下,而实际上是20℃;H2O的沸点按沸点曲线下降趋势应该在-70℃以下,而实际上是100℃。
为什么HF、H2O和NH3的沸点会反常呢?这是因为它们的分子之间存在着一种比分子间作用力稍强的相互作用,使得它们只能在较高的温度下才能汽化。经科学研究证明,上述物质的分子之间存在着的这种相互作用,叫做氢键。
氢键是怎样形成的呢?现在以HF为例来说明。在HF分子中,由于F原子吸引电子的能力很强,H—F键的极性很强,共用电子对强烈地偏向F原子,亦即H原子的电子云被F原子吸引,使H原子几乎成为“裸露”的质子。这个半径很小、带部分正电荷的H核,与另一个HF分子带部分负电荷的F原子相互吸引。这种静电吸引作用就是氢键。它比化学键弱得多,但比分子间作用力稍强。通常我们也可把
氢键看作是一种比较强的分子间作用力。分子间形成的氢键会使物质的熔点和沸点升高,这是因为固体熔化或液体汽化时必须破坏分子间的氢键,从而需要消耗较多能量的缘故。为了与化学键相区别,在下图中用“„”来表示氢键。
结冰时体积膨胀,密度减小,是水的另一反常性质,也可以用氢键来解释。在水蒸气中水是以单个的H2O分子形式存在;在液态水中,经常以几个水分子通过氢键结合起来,形成(H2O)n;在固态水(冰)中,水分子大范围地以氢键互相联结,形成相当疏松的晶体,从而在结构中有许多空隙,造成体积膨胀,密度减小,因此冰能浮在水面上。水的这种性质对于水生动物的生存有重要意义。
讨论2 如果水分子之间没有氢键存在,地球上将会是什么面貌?
一、化学键
1.化学键 在原子结合成分子时,相邻的原子之间强烈的相互作用,通常叫做化学键。 化学反应的过程,本质上就是旧化学键断裂和新化学键形成的过程。 2.离子键和共价键
(1)离子键 使阴、阳离子结合成化合物的静电作用叫做离子键。 (2)共价键 原子之间通过共用电子对所形成的相互作用叫做共价键。
①非极性键 同种原子形成共价键,共用电子对不偏向任何一个原子,这样的共价键叫做非极性键。 ②极性键 不同种原子形成共价键,共用电子对偏向吸引电子能力强的一方,这样的共价键叫做极性键。
二、非极性分子和极性分子
以非极性键组成的分子是非极性分子。
以极性键组成的分子,如果整个分子的电荷分布是对称的,就形成非极性分子;如果整个分子的电荷分布是不对称的,就形成极性分子。 三、分子间作用力和氢键
分子间作用力又叫做范德华力,它随分子的极性和相对分子质量的增大而增大。分子间作用力的大小对物质的熔点、沸点和溶解度有影响。
氢键比化学键弱得多,比分子间作用力稍强。通常也可把氢键看作是一种相对较强的分子间作用力。氢键对某些物质的性质产生较明显的影响。
问题与思考
1.下列物质中,只含有共价键的化学式是____
A.NaCl B.NaOH C.H2 D.HCl E.H2O F.CO2
2.写出H2、HCl、H2O、CO2分子的电子式,分析共用电子对偏向什么原子?
3.下列各物质中:
(A)NaCl (B)H2S (C)H2 (D)N2 (E)CS2 (F)NaOH (G)CH4 (H)CCl4 (I)Cl2 (J)NH3 问(1)含有离子键的物质是____ (2)含有极性键的物质是____ 含有非极性键的物质是____。
4.在上述第3题中,含有极性键的物质分子一定是极性分子吗?请填好下表
:
5.怎样用实验来验证CCl4为非极性分子,H2O为极性分子?
6.怎样证明分子间存在相互作用力?
7.设想如果没有了分子间作用力,地球上的物质将变成什么状态?
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