HSC 化學中的分子間力與分子內力

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。

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。

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：

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。

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。

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 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。