[化學]分子間作用力與熔沸點 @ 胡迪的胡言亂語

高中化學學習上，我們常會碰到有關熔沸點比較的問題，而有鑑於其觀念需要眾多觀念

的整理與活用，故在這裡做了一些簡述，希望能幫助大家!!

分子間作用力：

依照分子(離子)間的作用力強度，我們可以區分為以下兩種:

(1)化學鍵(強度較強)

	離子鍵	共價鍵	金屬鍵
形成原因	陰陽離子之間的庫倫靜電力	各原子重疊(overlap)其軌域而形成分子軌域，共用其價電子	金屬原子之價電子形成電子海，其金屬陽離子(原子核+價電子)受到電子海互相吸引
鍵能	150~400 kJ/mol	150~400 kJ/mol	50~150 kJ/mol
如何描述強度		-	電荷密度:
方向性	無	有	無
例子	離子化合物	分子化合物	金屬
界定	∆E_n >1.9	∆E_n <1.6	-

※什麼是電子海-金屬鍵的模型

電子海模型係指金屬原子可將價電子互相共用形成電子海，而原子核則浸泡在電子海裡面。有點文言? 那我們就來看圖吧!

依圖可知，被共用出來的價電子可在原子核之間移動，而這時電子可以比擬成膠水，其與原子核之間的靜電吸引力可以穩固結構(克服核之間的排斥力)，也使得金屬具有高度柔軟性，不易碎裂的特質。

(2)分子間作用力:

最常用來描述分子間(內)的作用力為凡得瓦力(van der Waals' force)，又可分為三類:

偶極-偶極力

(dipole-dipole interaction)

偶極-誘導偶極力

(dipole-induced dipole interaction)

倫敦分散力

(London dispersion Force)

形成原因

極性分子因偶極矩互相造成的靜電引力

極性分子極化非極性分子而產生的靜電引力

非極性分子間因為電子暫時分布不均勻而部分極化所產生之作用力

圖解

※上述之偶極-偶極力若是由氫原子(H)接在F、O、N等原子上，則可形成強度較強之分子間作用力-氫鍵

※極性分子間並未只有偶極-偶極力，而應該也有倫敦分散力，請別搞混了!

物質間的分類:

物質的分類可以區分為以下幾種，在釐清化合物與作用力之間的關係尤其重要:

	離子晶體	分子晶體	網狀晶體	金屬晶體
作用力	離子鍵	凡得瓦力	共價鍵	金屬鍵
達熔點時所需破壞作用力	離子鍵	凡得瓦力	共價鍵	金屬鍵
達沸點時所需破壞作用力	離子間庫倫靜電力	凡得瓦力	-	金屬鍵
實例	離子化合物	分子化合物: AlCl₃、Al₂Cl₆、LiClO₄、LiCl、BeCl₂、CO₂、C₆₀	SiO₂、Si、B、鑽石、石墨、SiC、奈米碳管 BN、網狀聚合物	金屬原子

有了以上的觀念釐清後，我們可以利用這些概念去解決很多問題，例如比熔點、沸點、溶解度等....

但要注意，化學這一門學問，還是以實驗結果為上，並沒有一套理論能真的100%預測成功，雖然可能已經很接近了)

◎熔點、沸點? 到底該怎麼比?

在往下看之前，先問各位一個問題，要怎麼比一個化合物的熔沸點?如果你的答案是氫鍵>分子量……(可能有7成都是這樣回答?)，那就表示你該看看這份手稿

有關於熔沸點的比較，第一步不是直接我會因為我有背，而是先看看到底達到熔、沸點時，我要克服的是甚麼樣的化學鍵或作用力，這在上表有整理到。

而一般來說，不同型的化合物間的熔沸點比較，有粗淺的以下關係:

網狀固體> II_AO> SiO₂>2價離子化合物>過度金屬(汞例外)>1價離子化合物>典型金屬>分子化合物

依照這樣的比法，我們要做的應該是先分類，看看題目給了我們甚麼類型化合物，再依照各化合物的比法繼續下去，以下我們就來討論看看:

※離子化合物之熔沸點:

離子之熔沸點比較:熔點:離子鍵/沸點:庫倫靜電力

1. 1:1型(AB型)

I. 高價>低價(∵庫倫靜電力∝Q)

實例:MgO>NaCl

II. 同價數時，比半徑(∵庫倫靜電力∝1/r)

實例:LiF>NaCl

2. 非1:1型(AB_x型)

I. 同型→比電負度差

實例: MgCl₂>CuCl₂

II. 不同型→外圍接鹵素越多，熔沸點越小

實例: NaCl>MgCl₂>、SnCl₂>SnCl₄

※進階討論-法楊規則(極化效應)

我們先以NaCl的離子鍵來開始我們的討論:

首先我們知道，NaCl的離子鍵是由Na丟一顆電子給Cl形成Na⁺與Cl^-離子，而由其離子間的庫倫靜電力所形成的

而這時Na丟給Cl的電子，在圖上我們可以看出，會受到Na⁺的正電荷吸引力，所以其實電子並不是100%給Cl。

我們再來看看MgCl₂的情況:

此時電子所受到Mg²⁺電荷吸引力比Na⁺大，所以電子給得更不完全，造成共價性上升，所以熔沸點反而是降低的。

※金屬原子之熔沸點

金屬元素之熔沸點比較(熔點、沸點:破壞金屬鍵)

1. 同週期元素(∝Q∵V差不多)

實例:Na<Mg<Al

2. 同族元素(∝1/V ∵Q一樣)

實例:Li>Na>K>Rb>Cs、Be>Mg

實際上，不同金屬元素在比熔沸點之前，應該要注意堆積方式

一不一樣，以2A族為例，Be、Mg都屬於六方最密堆積，故可以直接用

以上規則來判斷，但若是Mg與Ca來比，就不能用上面的規則來判斷，

但各位只要知道2A族是Be最大、Mg最小即可

而1A族元素因為都是體心立方堆積，所以沒有以上問題。

※共價化合物之熔沸點:

在比熔沸點之前，我們應該要知道，共價化合物又可以分為網狀固體與分子化合物，兩者在熔沸點上可說是天差地遠，所以看到題目後要仔細想想，到底它給的化合物屬於哪一類再開始做比較，最明顯的差異就屬SiO₂與CO₂了

共價化合物之熔沸點比較:分子化合物:熔點:凡得瓦力/沸點:凡得瓦力

網狀共價固體:熔點:共價鍵/沸點:-

比法:

熔點

(固→液)

網狀固體>分子化合物

是否具有分子間氫鍵:

有>無，

多>少，

強>弱。

電子數(分子量):

多>少

(相差30以上才顯著)

對稱性:

大>小

分子極性:

大>小

沸點

(液→氣)

接觸面積:

大>小

※電子數(分子量)與凡得瓦力強度的關係:

凡得瓦力可以想成是萬有引力，任何物質只要擁有質量都會有萬有引力，且質量越大，此力越強(比較好記憶)。

但若要探究真實的影響原因，我們可以先從上面表格的倫敦分散力開始講起，在討論倫敦分散力時，我們說過起因是電子突然分布不均所造成的暫時極化現象，而若電子數越多，這種機率就會越高，且強度會增大，故造成凡得瓦力強度上升。而說到這裡，我們知道不管是極性分子還是非極性分子，都會受倫敦分散力影響，所以電子數的考量是不可或缺的

※對稱性與熔點的關係

熔點是指某一化合物從固體變成液體時所需加熱到的溫度，而在分子晶體的討論上，我們知道，其固體的形成原因就是因為其分子間有凡得瓦力，造成分子堆積。

若要使固體熔化，我們需要破壞其整齊排列的堆積結構，而通常對稱性越高的分子，其排列整齊度越好，所以較難破壞其結構，熔點較高。

同樣的討論方法也可用在溶解度上，因為在溶解的過程中，也是需要破壞其晶體結構才能溶在溶劑中，所以通常分子的熔點與溶解度在比較的因素上會差不多。

※接觸面積與沸點的關係:

以下我們考慮正戊烷、異戊烷、新戊烷圈起來的碳

正戊烷異戊烷新戊烷

異戊烷