# 分子间作用力

> AP 化学 · 第3单元：分子间作用力与性质
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ap-chemistry-u3-intermolecular-forces/

本指南涵盖四大类核心分子间作用力（IMF）：伦敦色散力、偶极-偶极相互作用、氢键和离子-偶极作用力。你将学习如何比较分子间作用力强度，并将相关概念应用到AP化学考试题目中。

**先修:** 极性与非极性共价键分类; 分子净偶极矩计算; 静电相互作用的库仑定律

## 学习目标

- 区分分子间作用力与分子内化学键
- 识别并比较四大类分子间作用力的强度
- 根据分子结构、极性和摩尔质量预测分子间作用力的相对强度
- 运用分子间作用力概念预测沸点、溶解度等宏观性质

## 什么是分子间作用力？

分子间作用力（缩写为IMF）是作用于独立离散分子、单原子原子（如稀有气体原子）或离子之间的静电吸引力。它与将原子束缚在单个化学单元内的分子内键（共价键、离子键、金属键）不同。

所有分子间吸引力都源自部分电荷或全电荷之间的库仑相互作用，且强度普遍弱于分子内化学键：典型分子间作用力的强度范围为1-100 kJ/mol，而共价键强度超过150 kJ/mol。这种差异说明相变（熔化、沸腾）仅需要克服分子间作用力，不需要断裂分子内化学键。

> **info**
>
> 第3单元（分子间作用力与性质）占AP化学考试总分的18-22%，分子间作用力是本单元的核心基础概念。AP化学的选择题（MCQ）和简答题（FRQ）都会考察分子间作用力，最常见的考察形式是根据分子间作用力推断沸点、溶解度、蒸气压等宏观性质。

## 伦敦色散力

**伦敦色散力 (LDF)** — 强度最弱的一类分子间作用力，由电子云分布随机波动产生的瞬时诱导偶极产生。伦敦色散力存在于所有原子、分子和离子之间，与极性无关。

*例:* 存在于所有分子之间，包括$O_2$这类非极性物质和稀有气体原子。

伦敦色散力的强度取决于极化率，即电子云被扭曲的难易程度。极化率随总电子数（即摩尔质量）的增加而升高。对于摩尔质量相同的分子，伦敦色散力强度还取决于分子形状：直链无支链分子比球形支链同分异构体拥有更大的分子间接触表面积，因此色散力更强。

$$V \propto -\frac{\alpha_1 \alpha_2}{r^6}$$

**例题:** 在相同温度和压强下，将下列物质按伦敦色散力强度从小到大排序：氖（Ne）、正戊烷 ($\text{C}_5\text{H}_{12}$)、新戊烷 ($\text{C}_5\text{H}_{12}$) 和氪（Kr）。解释你的推导过程。

1. 首先计算每种物质的总电子数，这是决定极化率的基础：Ne为10个电子，Kr为36个电子，两种戊烷同分异构体均为42个电子。
2. 总电子数越多，极化率越高，因此戊烷同分异构体的色散力强于Kr，Kr的色散力强于Ne。
3. 在两种电子数/摩尔质量相同的戊烷同分异构体中，正戊烷是无支链直链分子，比球形支链的新戊烷拥有更大的分子间接触表面积。
4. 色散力从最弱到最强的最终排序为：
5. $$\text{Ne} < \text{Kr} < \text{neopentane} < \text{n-pentane}$$

> **考试提示:** 比较伦敦色散力强度时，首先检查是否为摩尔质量相同的同分异构体——如果摩尔质量相同，强度差异来自表面积，而非其他类型的分子间作用力。

## 偶极-偶极相互作用与氢键

**偶极-偶极相互作用** — 极性中性分子的永久偶极之间的吸引力。对于摩尔质量相近的分子，偶极-偶极相互作用强于伦敦色散力，因为这里的偶极是永久的，而非瞬时诱导产生的。

偶极-偶极吸引的势能满足以下关系，其中$\mu$是每个分子的永久偶极矩，$k$是玻尔兹曼常数，$T$是绝对温度。偶极矩越大，吸引力越强；高温会破坏偶极排列，削弱净吸引力。

$$V \propto -\frac{\mu_1^2 \mu_2^2}{r^6 kT}$$

**氢键** — 一类特殊、强度极高的偶极-偶极相互作用子类。氢键仅当氢原子与N、O或F（电负性高、原子半径小）共价键合时才会发生，此时H会带有非常大的部分正电荷。这个带部分正电的H会被相邻分子中N、O或F上的孤对电子吸引。

氢键的强度为20-40 kJ/mol，而普通偶极-偶极相互作用的强度仅为1-5 kJ/mol。

**例题:** 下列哪些分子可以和其他相同分子形成氢键？对能形成氢键的分子，说明其满足的条件。$\text{CH}_3\text{OCH}_3$（二甲醚），$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$（乙醇），$\text{HI}$，$\text{NH}_3$。

1. 相同分子间形成氢键，要求至少一个H直接与N、O或F共价键合（氢键给体），且另一分子上有带孤对电子的N/O/F（氢键受体）。
2. 二甲醚含有O（受体），但没有直接与O键合的H（所有H都与C键合），因此相同二甲醚分子间无法形成氢键。
3. 乙醇末端有-OH基团，H直接与O键合，因此分子间可以形成氢键：一个乙醇分子的H会被另一乙醇分子的O吸引。
4. HI中的H与I键合，I不是N/O/F，因此无法形成氢键。
5. 氨（$\text{NH}_3$）中所有H都直接与N键合，因此分子间可以形成氢键。只有乙醇和氨能在相同分子间形成氢键。

> **考试提示:** 对于两种不同分子间的氢键（例如乙醇和水），你只需要一个分子上有给体H（与N/O/F键合），另一个分子上有受体N/O/F即可——不需要两个分子都有给体H。

## 离子-偶极作用力

**离子-偶极作用力** — 强度最高的一类分子间作用力，由带全电荷的离子（阳离子或阴离子）与极性中性分子的永久偶极之间的静电吸引产生。它是驱动离子化合物在水等极性溶剂中溶解的核心作用力。

离子-偶极作用力最高可达约100 kJ/mol，强度与弱分子内键相当。离子-偶极吸引的势能满足以下关系，其中$z$是离子电荷，$\mu$是极性分子的偶极矩，$r$是离子与偶极中心的距离。离子电荷越高、偶极矩越大，吸引力越强。

$$V \propto -\frac{z \mu}{r^2}$$

由于吸引力遵循$r^2$反比关系（中性分子间作用力为$r^6$反比），离子-偶极吸引力随距离增加衰减慢得多，因此净相互作用更强。

**例题:** 下列哪种排列方式下，$\text{Ca}^{2+}$阳离子与水分子之间的离子-偶极吸引力最强？解释你的推导：(A) $\text{Ca}^{2+}$靠近$\text{H}_2\text{O}$带部分正电的H端，(B) $\text{Ca}^{2+}$靠近$\text{H}_2\text{O}$带部分负电的O端，(C) $\text{Ca}^{2+}$位于O端和H端中点，垂直于H-O-H键角。

1. 离子-偶极吸引力遵循库仑定律：异种电荷相吸，同种电荷相斥。
2. 水是极性分子，电负性更大的O原子带部分负电，两个H原子带部分正电。
3. $\text{Ca}^{2+}$是带正电的阳离子，因此它对水偶极的带部分负电端（即O原子）吸引力最强。
4. 排列B的离子-偶极吸引力最强。

> **考试提示:** 当题目要求解释离子化合物为什么溶于水时，一定要明确指出离子与水分子之间的离子-偶极作用力是关键稳定相互作用，不要只写"相似相溶"。

## AP风格练习例题讲解

**例题:** 下列哪个选项正确地将化合物按沸点*升序*排列？沸点随分子间作用力强度升高而升高：
A) $\text{F}_2 < \text{Cl}_2 < \text{Br}_2 < \text{I}_2$
B) $\text{I}_2 < \text{Br}_2 < \text{Cl}_2 < \text{F}_2$
C) $\text{HF} < \text{HCl} < \text{HBr} < \text{HI}$
D) $\text{CH}_4 < \text{CH}_3\text{CH}_3 < \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} < \text{CH}_3\text{OH}$

1. 所有卤素都是非极性双原子分子，因此仅存在伦敦色散力。伦敦色散力强度随摩尔质量增加而升高，因此沸点从摩尔质量最低的$\text{F}_2$到摩尔质量最高的$\text{I}_2$依次升高，与选项A的排序一致。
2. 验证其他选项：选项C错误，因为HF存在氢键，沸点远高于其他卤化氢，与给出的排序相反。选项D错误，因为$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$的摩尔质量高于$\text{CH}_3\text{OH}$（两者都存在氢键），因此$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$沸点更高，排序错误。
3. 正确答案是A。

**例题:** 下表给出了四种有机化合物的数据：
| 化合物 | 摩尔质量 (g/mol) | 结构 |
|----------|---------------------|-----------|
| 1 | 72 | 正丁醛，$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CHO}$ |
| 2 | 72 | 2-甲基丙醛，$(\text{CH}_3)_2\text{CHCHO}$ |
| 3 | 74 | 正丁醇，$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}$ |
| 4 | 74 | 乙醚，$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OCH}_2\text{CH}_3$ |

(a) 指出每种纯化合物中存在的最强分子间作用力类型。
(b) 预测化合物1和2哪一个沸点更高，证明你的结论。
(c) 解释为什么正丁醇和乙醚摩尔质量相同，但正丁醇沸点明显更高。

1. (a) 化合物1（正丁醛）：含有带永久偶极的极性醛基，因此最强分子间作用力是偶极-偶极相互作用。化合物2（2-甲基丙醛）：同样含有极性醛基，因此最强分子间作用力是偶极-偶极相互作用。化合物3（正丁醇）：-OH基团中H直接与O键合，因此最强分子间作用力是氢键。化合物4（乙醚）：含有O但没有直接与O键合的H，因此最强分子间作用力是偶极-偶极相互作用。
2. (b) 正丁醛（化合物1）沸点更高。两种化合物摩尔质量相同，最强分子间作用力也相同（偶极-偶极），因此差异来自伦敦色散力。正丁醛是直链，2-甲基丙醛是支链，因此正丁醛的分子间接触表面积更大，色散力更强。更强的分子间作用力需要更多能量才能克服，因此沸点更高。
3. (c) 正丁醇的羟基中H直接与O共价键合，因此分子间可以形成强氢键。乙醚含有O但没有与O键合的H，因此无法形成氢键，只有强度更低的偶极-偶极相互作用。更强的分子间作用力需要更多能量才能克服，因此即使摩尔质量相同，正丁醇的沸点也明显更高。

**例题:** 在生物化学中，蛋白质的三维折叠结构由蛋白质与周围水之间的分子间相互作用稳定。丝氨酸是一种氨基酸，其极性侧链为$-\text{CH}_2\text{OH}$，缬氨酸的非极性侧链为$-\text{CH}(\text{CH}_3)_2$。哪种氨基酸更可能出现在水溶液中折叠蛋白质的表面？一个丝氨酸侧链总共可以和周围水分子形成多少个氢键？

1. 极性侧链可以与极性水分子形成有利的分子间相互作用，而非极性侧链不能。由于蛋白质表面与水直接接触，极性丝氨酸更可能出现在表面（非极性缬氨酸倾向于隐藏在蛋白质内部，避开水）。
2. 关于氢键：丝氨酸侧链有一个O-H键。氧原子有两个孤对电子，因此可以从水分子接受两个氢键。与O键合的H可以向水分子提供一个氢键。总氢键数= 2 + 1 = 3。
3. 这种与水形成多个氢键的能力使丝氨酸具有亲水性（喜水），这解释了它更倾向于位于蛋白质表面的原因。

## 常见错误

- **错误做法:** 认为相同分子式的支链烷烃的伦敦色散力强于直链烷烃
  - 原因: 学生混淆了支化与极性，忘记支化会减少分子间的接触表面积
  - 正确做法: 对于摩尔质量相同的同分异构体，支化更少（更接近直链）的同分异构体总是具有更强的伦敦色散力
- **错误做法:** 在AP考试中将氢键归类为分子内共价键
  - 原因: 有机化学课程会讨论分子内氢键，导致学生将其与完整化学键混淆
  - 正确做法: 除非题目明确说明是分子内氢键，否则将氢键归类为一种特殊的偶极-偶极分子间作用力
- **错误做法:** 认为任何含有N、O或F的分子都能形成氢键
  - 原因: 学生记住了氢键需要N/O/F，忘记了H必须直接与N/O/F共价键合的要求
  - 正确做法: 确认氢键前一定要检查H的键合情况；如果H与C键合，即使分子其他位置存在N/O/F，也无法形成氢键
- **错误做法:** 仅通过是否存在氢键给分子间作用力排序，忽略了大的非极性分子的伦敦色散力可以强于带氢键的小极性分子
  - 原因: 学生记住了"氢键 > 偶极-偶极 > 伦敦色散力"的规则，忘记该规则仅适用于摩尔质量相近的情况
  - 正确做法: 给分子间作用力排序时一定要先比较摩尔质量；伦敦色散力强度随摩尔质量增加而升高，可以超过小分子中更弱的分子间作用力
- **错误做法:** 认为$\text{CH}_2\text{F}_2$含有F，因此可以形成氢键
  - 原因: 学生看到F就自动认为存在氢键，忽略了H的键合情况
  - 正确做法: 在$\text{CH}_2\text{F}_2$中，所有H都直接与C键合，而非F，因此$\text{CH}_2\text{F}_2$无法形成氢键，仅存在偶极-偶极相互作用

## 速查表

| 分子间作用力类别 / 性质 | 规律 / 关系 | 要点提示 |
| --- | --- | --- |
| 伦敦色散力 | 强度 $\propto$ 摩尔质量（电子数） $\propto$ 接触表面积 | 存在于*所有*分子/原子之间；摩尔质量相同时，直链同分异构体的色散力强于支链 |
| 偶极-偶极相互作用 | 强度 $\propto$ 永久偶极矩的乘积 | 仅存在于极性分子之间；摩尔质量相近时强于伦敦色散力 |
| 氢键 | 给体：与N/O/F共价键合的H；受体：带孤对电子的N/O/F | 特殊的强偶极-偶极子类；混合体系仅需要一个给体/受体 |
| 离子-偶极作用力 | $V \propto -\frac{z\mu}{r^2}$ | 最强的分子间作用力类别；离子化合物在极性溶剂中溶解的核心 |
| 分子间作用力强度顺序（摩尔质量相同时） | 离子-偶极 > 氢键 > 偶极-偶极 > 伦敦色散力 | 不适用于摩尔质量不同的情况；大分子量的伦敦色散力可以超过小分子的氢键 |
| 沸点规律 | 沸点 $\propto$ 分子间作用力强度 | 分子间作用力越强，分离分子需要的能量越多，沸点越高 |
| "相似相溶"溶解度规律 | 极性溶质溶于极性溶剂，非极性溶质溶于非极性溶剂 | 当新的溶质-溶剂分子间作用力强度与原有分子间作用力匹配时，溶解是有利的 |
| 蒸气压规律 | 蒸气压 $\propto 1 / $ 分子间作用力强度 | 分子间作用力越强，逸出到气相的分子越少，蒸气压越低 |

## 下一步

分子间作用力是第3单元（分子间作用力与性质）所有剩余内容的基础前置知识。掌握分子间作用力强度规律和识别方法对本单元所有后续内容都至关重要，因为材料的所有宏观性质都直接取决于粒子间分子间吸引力的强度和类型。接下来，你将运用对分子间作用力的理解预测沸点、蒸气压、溶解度和黏度等关键宏观性质，这些内容占第3单元考试题目中的大部分。你还会在课程后续将分子间作用力概念拓展到分析溶液、依数性和气体行为。

- [第3单元完整概述](https://www.owlsprep.com/zh/study/ap-chemistry-u3-overview/)
- [固体、液体和气体](https://www.owlsprep.com/zh/study/ap-chemistry-u3-solids-liquids-and-gases/)
- [溶液与混合物](https://www.owlsprep.com/zh/study/ap-chemistry-u3-solutions-and-mixtures/)

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