HSC 化學中的分子間力與分子內力

學習如何區分分子內部的作用力與分子之間的作用力,比較它們的強弱,並運用這些概念解釋沸點和物理變化。

將液態水加熱至沸騰。水分子會彼此分離並進入氣相,但每個粒子仍然是 \(\ce{H2O}\)。氧原子並不會突然與它的兩個氫原子分開。

那麼,水沸騰時真正被破壞的是甚麼?

一個看似合理的推測是:既然分子正在分離,O-H 鍵也會斷裂。其實不會。沸騰克服的是水分子之間的吸引力。每個水分子內部強得多的共價鍵仍然保持完整。

這個差異正是分子間力與分子內力的核心。

四個彎曲形的水分子顯示每個分子內部的實線 O-H 鍵,以及相鄰分子之間以虛線表示的 H···O 吸引力。
實線 O-H 鍵是分子內共價鍵;虛線 H···O 吸引力是分子間氫鍵。

01先從兩種不同的作用說起

把一個分子想像成擁擠演唱會中一對牽著手的人。

牽手代表把原子維繫在一起、形成一個分子的化學鍵。不同伴侶之間較弱的碰撞與吸引,則代表相鄰分子之間的作用力。如果人群散開,每一對人都可以彼此遠離,而不需要分開。

這大致就是分子液體沸騰時所發生的情況。

這個比喻有其限制。分子不會主動選擇「伴侶」,而真正的吸引力是帶電粒子之間的電性相互作用。此外,一個分子可以同時吸引多個鄰近分子。儘管如此,這個區分仍然很有用:

  • **分子內力(intramolecular forces)**作用於一個粒子內部,將其中的原子維繫在一起。
  • **分子間力(intermolecular forces)**作用於不同的分子之間。

字首可以幫助記憶。Intra 表示內部。Inter 表示之間。

對水、甲烷或乙醇等分子物質而言,主要的分子內力是共價鍵。

例如,在一個水分子內:

\[ \ce{H-O-H} \]

兩個 O-H 共價鍵都是分子內作用。

在一個水分子與另一個水分子之間,則存在分子間吸引力。

這個區分很重要,因為這兩類作用力的功能完全不同。

作用力類型作用位置主要功能例子
分子內力粒子內部將原子維繫在一起\(\ce{H2O}\) 中的 O-H 共價鍵
分子間力分子之間吸引不同分子水分子之間的氫鍵

02物理變化還是化學變化?

這提供了一個很有用的判斷原則。

如果分子彼此分離,但仍然是相同的分子,那麼被克服的是分子間力。

如果原子重新排列並形成不同的物質,則必須斷裂分子內化學鍵,並形成新的化學鍵。

當水沸騰時:

\[ \ce{H2O(l) -> H2O(g)} \]

變化前後的粒子都是 \(\ce{H2O}\)。這是物理變化。

當水發生化學分解時:

\[ \ce{2H2O -> 2H2 + O2} \]

O-H 共價鍵必須斷裂,同時形成新的 H-H 鍵和 O=O 鍵。這是化學變化。

因此,水沸騰時不會產生氫氣和氧氣。

03為甚麼分子內化學鍵通常強得多

共價鍵涉及帶正電的原子核與共享電子之間很強的靜電吸引力。斷裂一摩爾這類化學鍵通常需要數百千焦耳的能量。

分子間吸引力一般弱得多。單一分子間吸引作用的能量可能只有每摩爾數千焦耳至數十千焦耳。

作為比較,斷裂 O-H 共價鍵需要的能量約為每摩爾數百千焦耳,而在汽化過程中將水分子彼此分開,每摩爾水所需的能量要低得多。

不要把這簡化成以下規則:

分子內力永遠恰好比分子間力強十倍。

並不存在固定比例。

真正有用的比較是:

分子內化學鍵一般比單一的分子間吸引力強得多。

這就是為甚麼加熱物質可以使它熔化或沸騰,而不會破壞其分子。

04你需要辨認的三種分子間力

對中性的分子物質而言,在 HSC 化學中有三種特別重要的分子間力:

  1. 倫敦色散力
  2. 偶極-偶極力
  3. 氫鍵

一個分子可以同時受到其中不只一種作用力。

倫敦色散力

想像一個非極性分子中的電子。它們一直都在運動。

在某一瞬間,分子的一側可能剛好有稍高的電子密度。於是,在那一瞬間,這一側會帶有輕微負電,而另一側則帶有輕微正電。

這會產生暫時偶極。

這個暫時偶極可以使鄰近分子的電子雲發生形變,從而產生另一個暫時偶極。相反的部分電荷之間便會互相吸引。

這些吸引力稱為倫敦色散力。

最重要的規則是:

所有原子和分子都會受到倫敦色散力。

這也包括極性分子。

一個常見錯誤是寫道:「水有氫鍵,所以沒有色散力。」事實上,水兩者都有。

當粒子具有以下特徵時,色散力一般會變強:

  • 電子數較多
  • 電子雲較大,而且較容易發生形變
  • 極化性較高
  • 可與鄰近分子緊密接觸的表面積較大

因此,大型非極性分子也可以具有相當強的分子間吸引力。

偶極-偶極力

某些分子的電荷分布永久不均勻。

以氯化氫 \(\ce{HCl}\) 為例。氯對成鍵電子的吸引力比氫強。氯的一端帶部分負電,寫作 \(\delta-\),而氫的一端帶部分正電,寫作 \(\delta+\)。

因此,相鄰分子可以排列成相反的部分電荷彼此吸引。

這種吸引力稱為偶極-偶極力。

要出現偶極-偶極力,分子必須具有永久分子偶極。只具有極性鍵並不一定足夠。

例如,\(\ce{CO2}\) 含有極性的 C=O 鍵,但其線性形狀使各鍵偶極互相抵消。因此,整個分子是非極性的。

所以,\(\ce{CO2}\) 有倫敦色散力,但沒有永久的偶極-偶極吸引力。

氫鍵

氫鍵是一種特別強的偶極-偶極吸引力。

在一般 HSC 題目中,可留意直接以共價鍵與以下原子相連的氫:

  • 氮
  • 氧
  • 氟

與這些高電負性原子其中之一相連的氫原子會帶有很強的 \(\delta+\)。它之後可以吸引鄰近分子中 N、O 或 F 原子上的孤對電子。

水是最典型的例子。

在一個水分子內部,O-H 鍵是共價且屬於分子內作用。

在相鄰水分子之間,一個分子的 H 原子與另一個分子的 O 原子之間的吸引力是氫鍵,屬於分子間作用。

這種措辭很重要。說「水內部的氫鍵」通常會把兩種不同的概念混淆。

05快速辨認分子間力的方法

當題目給你一種分子物質時,可以依次回答以下問題。

第一:是否存在獨立的分子?

如果該物質是離子晶格或金屬晶格,就不適合用分子間力來描述其固體結構。晶格中不存在獨立分子。

第二:哪一種分子間力一定存在?

倫敦色散力。每個分子都有。

第三:整個分子是否具有極性?

如果有,再加入永久偶極-偶極吸引力。

第四:H 是否直接與 N、O 或 F 相連?

如果是,這些分子通常可以與鄰近適當的 N、O 或 F 原子形成氫鍵。

這可以整理成一個簡潔的判斷表:

分子特徵存在的分子間力
任何分子倫敦色散力
極性分子倫敦色散力 + 偶極-偶極力
H 與 N、O 或 F 相連倫敦色散力 + 偶極-偶極力 + 氫鍵

這個表很有用,但它隱藏了一個重要的複雜因素:單純指出作用力的種類,並不足以預測所有沸點。

分子的大小和形狀也很重要。

例題:甲醇中有哪些作用力?

對甲醇 \(\ce{CH3OH}\),辨認重要的分子內力和分子間力。並說明甲醇沸騰時被克服的是甚麼。

步驟 1

甲醇分子內部的 C-H、C-O 和 O-H 鍵都是共價鍵。這些屬於分子內作用。

步驟 2

每個甲醇分子都會受到倫敦色散力。

步驟 3

C-O 和 O-H 鍵都有很強的極性,而且它們的偶極不會互相抵消。因此,甲醇是極性分子。

它會受到偶極-偶極吸引力。

步驟 4

甲醇含有 O-H 鍵。與氧相連的氫可以和鄰近甲醇分子的氧原子孤對電子產生強烈相互作用。

因此,甲醇會形成氫鍵。

步驟 5

甲醇沸騰時,各分子彼此分離。分子間力被克服,但 C-H、C-O 和 O-H 共價鍵仍然存在。

因此,甲醇具有共價分子內鍵,以及倫敦色散力、偶極-偶極力和氫鍵這些分子間力。

同時存在幾種分子間力,並不表示有三層不同的作用力需要逐一被「打破」。它們只是分子之間總吸引力的不同貢獻。

06比較分子間力的強弱

你可能會看到以下大致排序:

\[ \text{氫鍵} > \text{偶極-偶極力} > \text{倫敦色散力} \]

這個排序只有在比較大小相近的分子時才有用。

它並不是一個可以讓你忽略其他因素的普遍排名。

假設一名學生比較一個很小的極性分子與一個很大的非極性分子,然後說:「極性分子的沸點一定比較高,因為偶極-偶極力比色散力強。」

這個預測看似合理,因為我們往往用簡化的層級來教授分子間力。

遺漏的關鍵概念是:倫敦色散力並沒有一個固定的強度。隨着電子雲變得更大、極化性更高,倫敦色散力也會大幅增強。

因此,大型非極性分子的整體分子間吸引力可以比小型極性分子更強。

更好的判斷方法是:

  1. 辨認所有存在的分子間力。
  2. 比較分子大小和電子數。
  3. 比較形狀和表面積。
  4. 最後才判斷哪一種物質應具有較強的整體分子間吸引力。

07為甚麼較強的分子間力會影響沸點

當液體中的分子能夠在整個液體內進入氣相時,液體就會沸騰。

要做到這一點,分子必須克服足夠的吸引力,才能離開鄰近分子。

因此,在其他條件相若時:

較強的分子間力一般會導致較高的沸點。

注意這句話中沒有提到甚麼:分子內部更強的共價鍵。

碳氫化合物沸騰時,其中的 C-H 鍵並不會斷裂。因此,這些鍵的強度並不是直接決定其沸點的原因。

這是分子間力題目中最常見的錯誤之一。

例題:乙醇還是二甲醚?

乙醇 \(\ce{CH3CH2OH}\) 和二甲醚 \(\ce{CH3OCH3}\) 具有相同的分子式 \(\ce{C2H6O}\)。預測哪一種物質具有較高的沸點,並解釋原因。

步驟 1

這兩種分子具有相同的分子式,因此原子的種類和數目相同。它們的摩爾質量基本相同。

因此,這是一個很有用的比較,因為分子大小並不是主要差異。

步驟 2

二甲醚具有倫敦色散力。

它的 C-O 鍵具有極性,而且整個分子有永久偶極,所以它也有偶極-偶極吸引力。

不過,它沒有任何氫原子直接與氧相連。因此,在通常所說的供體-受體意義下,它不能與其他二甲醚分子形成氫鍵。

步驟 3

乙醇也具有倫敦色散力和偶極-偶極力。

它的 O-H 基團使相鄰乙醇分子之間能夠形成氫鍵。

步驟 4

由於兩者的分子大小相近,乙醇額外具有的氫鍵便成為重要差異。

因此,乙醇具有較強的整體分子間吸引力和較高的沸點。

步驟 5

要使乙醇分子彼此分離並進入氣相,需要更多能量。這個差異不是因為乙醇沸騰時會斷裂其共價鍵。

08分子形狀也可能很重要

即使兩個分子的分子質量相近,它們的色散力仍可能不同,因為分子形狀會影響它們彼此能接近到甚麼程度。

較長而相對筆直的分子,通常能與鄰近分子形成比緊密、高度支鏈化分子更大的接觸面積。

更多接觸可以帶來更強的色散吸引力。

比較碳氫化合物時,這一點尤其重要。如果兩種碳氫化合物含有相近數量的電子,支鏈較少的分子通常具有較高沸點,因為其形狀容許更大的分子間接觸。

同樣地,這是分子間作用造成的效果。這裡並不是在比較分子內部的共價鍵。

09最容易出現的誤解:「氫鍵永遠最強」

對小型中性分子而言,氫鍵是一種強的分子間吸引力。但這並不表示每一種能形成氫鍵的物質,其沸點都一定高於所有不能形成氫鍵的物質。

考慮一個大型碳氫化合物。它可能比小型醇類含有多得多的電子,因此具有高度可極化的電子雲和相當強的色散力。

所以,以下推理並不可靠:

物質 A 能形成氫鍵。物質 B 只有色散力。因此 A 的沸點一定較高。

你還需要考慮粒子的大小。

例如,1-丁醇可以形成氫鍵,而辛烷是非極性的,不能形成氫鍵。然而,辛烷的沸點約為 \(126^\circ\text{C}\),略高於 1-丁醇的約 \(118^\circ\text{C}\)。

這並不矛盾。

辛烷明顯較大,含有更多電子,而且具有極化性較高的電子雲。它眾多的色散作用加起來,可以形成很強的整體分子間吸引力。

簡化的強弱層級並不是錯的,只是不完整。

10不要把每一種強吸引力都稱為氫鍵

另一個常見錯誤,是只要看到分子中有氫,就聲稱存在氫鍵。

甲烷 \(\ce{CH4}\) 含有四個 C-H 鍵,但不會形成這裡所討論的氫鍵。

為甚麼?

氫必須直接與高電負性的 N、O 或 F 原子相連,才能使該鍵具有足夠大的極性。

所以:

  • \(\ce{H2O}\):有
  • \(\ce{NH3}\):有
  • \(\ce{HF}\):有
  • \(\ce{CH3OH}\):有
  • \(\ce{CH4}\):沒有
  • \(\ce{CH3CH3}\):沒有

不要把存在氫原子與存在氫鍵混為一談。

11分子內並不總是表示「分子裡面」

這個名稱可能會帶來一個略顯棘手的化學問題。

在分子物質中,分子內力就是個別分子內部的化學鍵。這是本頁主要討論的比較。

但是,離子物質和金屬物質並不是由獨立分子組成。

例如,固態氯化鈉由 \(\mathrm{Na}^{+}\) 和 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 離子形成巨大晶格。如果把固體中的離子吸引力稱為「分子間力」,就會造成誤導,因為晶體內並沒有一個個 \(\ce{NaCl}\) 分子彼此相鄰。

同樣地,金屬由金屬晶格構成,而不是由獨立的金屬分子組成。

所以,在討論分子間力之前,應先檢查該物質是否真的含有分子。

12題目與解答

問題 1

將一份液態氨 \(\ce{NH3}\) 加熱至沸騰。

指出每個氨分子中的主要分子內力,指出氨分子之間的分子間力,並說明沸騰時被克服的是哪一類作用力。

解答 1

沸騰會克服氨分子之間的分子間力,而每個 \(\ce{NH3}\) 分子內的共價 N-H 鍵仍然保持完整。

N-H 鍵是分子內共價鍵。它們把每個氮原子與三個氫原子維繫在一起。

所有氨分子都有倫敦色散力。

氨也是極性分子,所以具有偶極-偶極吸引力。它的氫原子直接與氮相連,因此相鄰氨分子之間可以形成氫鍵。

所以,氨的分子間力包括倫敦色散力、偶極-偶極力和氫鍵。

沸騰時,足夠的這些分子間吸引力被克服,使氨分子能夠進入氣相:

\[ \ce{NH3(l) -> NH3(g)} \]

化學式沒有改變,顯示 N-H 共價鍵並沒有斷裂。

問題 2

兩種分子物質含有相近數量的電子。

物質 A 是非極性的。物質 B 是極性的,但沒有任何 H 原子與 N、O 或 F 相連。

每種物質中有哪些分子間力?如果它們的形狀也相近,一般而言你預期哪一種物質具有較強的分子間吸引力?

解答 2

一般而言,預期物質 B 具有較強的分子間吸引力,因為它同時具有倫敦色散力和偶極-偶極力,而物質 A 只有倫敦色散力。

每個分子都有倫敦色散力,因此 A 和 B 都具有這種作用力。

由於 B 是極性分子,它還具有永久的偶極-偶極吸引力。

題目並沒有描述任何一種物質能形成氫鍵。

這個比較是合理的,因為題目控制了兩個重要變因:兩種分子的電子數量相近,而且形狀也相似。因此,它們的色散力應大致可比,使 B 的永久偶極-偶極吸引力成為重要的額外貢獻。

陷阱是認為物質 A 因為是非極性的,所以「沒有分子間力」。非極性分子仍然具有倫敦色散力。

問題 3

乙烷 \(\ce{C2H6}\) 和甲醇 \(\ce{CH3OH}\) 都含有共價鍵。

一名學生說:「甲醇的沸點較高,因為它的 O-H 共價鍵比乙烷中的 C-H 鍵更強。」

解釋這名學生的推理有甚麼問題。

解答 3

這名學生的解釋使用了錯誤種類的作用力。沸點主要取決於分子間吸引力,而不是在每個分子內仍然保持完整的共價鍵強度。

甲醇分子具有倫敦色散力、永久偶極-偶極吸引力和氫鍵。

乙烷是非極性的,因此其分子之間主要透過倫敦色散力互相吸引。

沸騰時,甲醇中的 O-H 共價鍵和乙烷中的 C-H 共價鍵都不需要斷裂。分子只是與鄰近分子分開,本身仍保持化學完整。

因此,甲醇較高的沸點應由其較強的分子間吸引力解釋,尤其是氫鍵,而不是聲稱它的分子內 O-H 鍵必須在沸騰時被打破。

這個誤解很容易出現,因為「更強的鍵」聽起來似乎就代表「更難沸騰」。真正缺少的問題是:沸騰實際上克服的是哪些化學鍵或作用力?

問題 4

氯化氫 \(\ce{HCl}\) 是極性分子。氯氣 \(\ce{Cl2}\) 是非極性分子。

因此,一名學生預測 \(\ce{HCl}\) 一定具有較高沸點,因為偶極-偶極吸引力比倫敦色散力強。

事實上,氯氣的沸點較高。解釋為甚麼這個觀察結果並不違反分子間力理論。

解答 4

這個觀察結果並不違反理論,因為倫敦色散力的強度很大程度上取決於電子雲的大小和極化性。

\(\ce{HCl}\) 是極性的。因此,其分子同時具有倫敦色散力和永久偶極-偶極吸引力。

\(\ce{Cl2}\) 是非極性的,所以沒有永久偶極-偶極吸引力。不過,它確實具有倫敦色散力。

這名學生隱含的假設是所有倫敦色散力的強度都一樣。實際上並不是。

\(\ce{Cl2}\) 分子具有比 \(\ce{HCl}\) 分子更大、極化性更高的電子雲。因此,其電子分布的暫時波動可以產生更強的瞬時偶極。

由此產生的氯氣色散吸引力足夠強,使其整體分子間吸引力導致更高的沸點。

簡化排序

\[ \text{氫鍵} > \text{偶極-偶極力} > \text{色散力} \]

最適合用於其他條件大致相似的分子之間。它不能取代對分子大小和極化性的比較。

問題 5

兩種液體具有以下性質:

液體結構沸點
P\(\ce{CH3(CH2)3OH}\)約 \(118^\circ\text{C}\)
Q\(\ce{CH3(CH2)6CH3}\)約 \(126^\circ\text{C}\)

液體 P 可以形成氫鍵。液體 Q 是非極性的。

一名學生認為這些數據一定有錯,因為能形成氫鍵的液體不可能具有比非極性液體更低的沸點。

評估這名學生的說法。

解答 5

這名學生的說法不正確。大型非極性分子可以比小型、能形成氫鍵的分子具有更強的整體分子間吸引力,因為倫敦色散力會隨分子大小和極化性增加而增強。

液體 P,即 1-丁醇,具有倫敦色散力、偶極-偶極力和氫鍵。

液體 Q,即辛烷,是非極性的,因此依靠倫敦色散力。

如果這些分子的大小相近,P 的氫鍵會是預期其分子間吸引力較強的重要理由。然而,它們的大小並不相近。

辛烷含有多得多的電子,而且電子雲更大。因此,其電子分布具有較高的極化性,可以產生更強的暫時偶極和更強的色散吸引力。

它較長的碳氫結構也容許與鄰近分子有相當大的接觸面積。

結果是,辛烷的總分子間吸引力可以超過較小的 1-丁醇分子,使辛烷具有略高的沸點。

更深一層的重點是,只指出存在的「最強種類」分子間力並不足夠。你必須比較對吸引力有影響的所有重要因素。

問題 6

一個密封容器中裝有一種分子物質,並對其加熱。

在溫度 \(T_1\) 時,物質由固體變成液體。在較高溫度 \(T_2\) 時,它變成氣體。在更高溫度 \(T_3\) 時,化學分析檢測出具有不同分子式的新物質。

對每一個溫度,說明是否必須有分子內化學鍵斷裂,並解釋你的推理。

解答 6

在 \(T_1\) 或 \(T_2\) 時都不需要斷裂分子內化學鍵,但到了 \(T_3\),由於出現了新物質,因此必定涉及化學鍵的斷裂和形成。

在 \(T_1\) 時,熔化會改變原有分子的排列和運動方式。粒子仍然是同一種化學物種,因此這個變化可以透過部分克服分子間吸引力而發生。

在 \(T_2\) 時,沸騰使各分子分離得更遠。更多分子間吸引力被克服,但分子本身仍可保持化學完整。

在 \(T_3\) 時,證據有所不同。已經檢測到新的分子式。

分子身分發生改變表示原子必須重新排列。這需要斷裂分子內化學鍵,並形成新的化學鍵。

重要的區別不只是 \(T_3\)「更熱」。關鍵證據是粒子本身的化學身分已經改變。

一旦你能清楚區分分子內化學鍵與分子間吸引力,就會更容易解釋沸點、熔點、揮發性、黏度,以及許多溶解度的規律。下一個有用的步驟,是把分子極性和分子間力與為甚麼某些物質能溶於一種溶劑,卻不能溶於另一種溶劑連結起來。