AP化學考題分析：分子間作用力和性質

陶瓷為(wei) 何一摔就容易裂？為(wei) 什麽(me) 有些液體(ti) 加熱到有蒸汽出現需要的時間更少？氣體(ti) 的壓力為(wei) 何與(yu) 溫度有關(guan) ？…

這些問題都和今天分享要說到的intermolecular forces有關(guan) ！

而在今天的文章中我們(men) 即將解鎖AP化學考試中的重中之重！ 如果你看到AP化學考題知識點的題量分布，會(hui) 發現所有單元的知識點大概題量都占總題量的7%—9%左右，唯獨今天分享的這個(ge) 單元intermolecular forces and properties（分子間作用力和性質）占了足足總題量的18%-22%（也側(ce) 麵說明了，這一篇絕對講不完……）先來看看本次幹貨內(nei) 容的小目錄，

今天的分享內(nei) 容包括：

1Intermolecular forces(分子間作用力)

2Intermolecular Forces 對物體(ti) 性質的影響

3Ideal Gas Law 4Kinetic Molecular Theory

01Intermolecular Forces(分子間作用力)

分子間作用力直接影響到了一個(ge) 物質分子間的距離，和它們(men) 之間的緊密程度，也可以從(cong) 物質的各種性質看出：boiling point, melting point等都和分子間作用力有直接關(guan) 係。

首先我們(men) 回憶一下dipole這個(ge) 概念： 以HCl這個(ge) 分子為(wei) 例，因為(wei) H和Cl之間的electronegativity差距比較大，電子會(hui) 比較往Cl那一邊偏。於(yu) 是H這一邊是partially positive, Cl那邊則是partially negative。

圖1. HCl的dipole moment.

箭頭指向的方向是電子聚集更多的地方（因此partially negative），加號對應的則是partially positive

複習(xi) 了dipole的概念後，我們(men) 來看看這幾種分子間的作用力：

1) Dipole-dipole attractions (取向力)

Polar molecules （也就是原子間electronegativity差距較大的分子）之間的作用力被稱為(wei) dipole-dipole。 像圖2裏顯示的，一個(ge) 分子partially positive 的一段可能會(hui) 和隔壁一個(ge) 分子partially negative 的部分有一個(ge) 比較弱的intermolecular interaction。 因此也可以推測出，一個(ge) 分子的electronegativity difference越大，intermolecular force應該也是更大的。

圖2. Dipole-dipole

HydrogenBonding

一個(ge) 小提示：有一些教材會(hui) 把Hydrogen Bonding 單獨列為(wei) 一種分子間作用力。其實它屬於(yu) dipole-dipole，但因為(wei) hydrogen bonding比較特殊，也會(hui) 被看為(wei) 一種比較弱的covalent bond（還記得嗎，這個(ge) 知識點來自上次的分享。可以理解為(wei) 分子間作用力強到像是同一個(ge) 分子的原子間的作用力）。

對生物或者生物化學感興(xing) 趣的朋友會(hui) 發現hydrogen bonding在生物相關(guan) 的large molecules中會(hui) 非常頻繁地出現。

注意：hydrogen bonding隻有是當H原子遇到了F、O或者N這種electronegativity值比較大的原子時才會(hui) 出現，前麵舉(ju) 例的HCl等都不屬於(yu) 有hydrogen bonding哦。（如果你記不清H隻和N、O和F有這樣的boding，有個(ge) 說法叫H just wants to have FON……無法拒絕諧音梗的我決(jue) 定讓大家知道這句話。）

2) Dispersion Forces

London Dispersion Forces指的是fluctuating dipole之間的coulombic interaction。分子之間接觸的範圍越大，或者polarity越大，dispersion force就越大。因為(wei) 電子並不是固定在一個(ge) 位置，所以這個(ge) 對於(yu) polar和non-polar 的分子都適用。

注意：雖然都是來自uncharged forces，London dispersion forces和van der Waals （vdW）並不是兩(liang) 個(ge) 同樣的概念！

目前我們(men) 把London dispersion forces 理解為(wei) vdW的一種。 結合這兩(liang) 種分子間作用力，我們(men) 也可以得出polarmolecules會(hui) 普遍有更強的intermolecular force這一結論，因為(wei) 它們(men) 同時有dipole-dipole和dispersion forces。

一個(ge) 給想偷懶的同學們(men) 一個(ge) 小總結，也給大家提供一些數據可以更直觀地感受這幾個(ge) intermolecular force之間需要能量的差距。這裏的數值越小，intermolecular force就越大。 AP常考的集中intermolecular force之間的排列順序是這樣的：

• Dipole-dipole最強
• Hydrogen Bonding屬於Dipole-dipole中最強的一種
• London dispersion forces 最弱

02Intermolecular Forces

對物體(ti) 性質的影響 最明顯的性質就是第二次知識點複習(xi) 時給大家強調過的：同一種分子，它們(men) 間距離不同的時候決(jue) 定物質是固體(ti) 或是液體(ti) ，或是氣體(ti) 。

AP會(hui) 希望看到我們(men) 結合前麵幾種intermolecular forces，還有temperature，pressure等來分析一個(ge) 物質的性質。 這裏給大家以在固體(ti) 狀態下的NaCl（或者就是table salt）舉(ju) 例：

圖3. NaCl的結構

我們(men) 先不考慮它為(wei) 什麽(me) 是這樣排列的，放圖隻是想強調這個(ge) 固體(ti) 由鈉離子和氯離子組成，也就解釋了：

1.每一個(ge) NaCl都相對緊密，所以有stronger intermolecular force。也就是說我們(men) 要把這些分子分開需要更高的能量，也就可以引申到下一個(ge) 性質：

2.Melting point 和 boiling point都比較高

3.因為(wei) 是離子，所以盡管食鹽無疑不導電，但當它溶於(yu) 水，Na+和Cl-可以分開，離子相對自由移動的時候，溶液的導電能力會(hui) 更強一些。 （這就可以解釋開篇提到的問題，陶瓷容易碎是因為(wei) 它的結構就是像NaCl這樣由離子組成，像是一層一層摞在一起一樣，靠positive和negative charge讓彼此中間的intermolecular force更強。而一旦你一摔這個(ge) 物體(ti) ，某一層（或者這個(ge) plane）稍微移了位置，瞬間正負極就對不上了，於(yu) 是摔出去的那個(ge) plane和它相鄰的那個(ge) plane中間intermolecular force不夠強，導致它回不去原來那個(ge) 形態。）

03Ideal Gas Law

在國內(nei) 上過初中的同學們(men) 對這個(ge) 式子或許已經很熟悉了。

PV=nRT

其中P為(wei) pressure（單位：atm）, V為(wei) volume（單位：m³），n為(wei) 這個(ge) 氣體(ti) 的量（單位：mol），R為(wei) 常數（AP一般會(hui) 在最前麵的equations and constants sheet提供幾個(ge) ，其中8.314 J/mol·K，0.08206atm/mol·K這兩(liang) 個(ge) 比較常用，大家根據自己已有的信息選擇需要用哪一個(ge) ），T為(wei) 溫度（單位：K）。 我們(men) 可能還會(hui) 碰到同一個(ge) sample裏有幾種不同的氣體(ti) 的情況。這個(ge) 時候如果要知道這個(ge) sample的總pressure，把幾個(ge) partial pressure加在一起就好。用公式這麽(me) 表達：

P_total = P_A + P_B + P_C + ….

那反過來，如果想知道A的partial pressure應該怎麽(me) 算呢？用這個(ge) 公式：

P_A= P_total * X_A

X_A代表mols of A/total mols。從(cong) 微觀的角度來看，就是在這個(ge) sample的所有分子中，有多少分子是A。 這些知識點在FRQ中也經常被一起考察。我們(men) 來看看這個(ge) 選自2018年的AP Chemistry真題第四題：

看到這道題，我隻想感歎，這個(ge) 題簡直仿佛是為(wei) 我前麵寫(xie) 的內(nei) 容量身定做的配套練習(xi) 題吧！！ 這裏有兩(liang) 個(ge) 得分點：

1. Types 和 Relative Strengths

2. 它們(men) 的intermolecular force如何影響物體(ti) 的性質

【官方答案】

CS₂屬於(yu) nonpolar，隻有London dispersion force，而COS屬於(yu) polar，因此LDF和dipole-dipole 都有。

看到第二段同學們(men) 或許會(hui) 有些疑惑，前麵不是說polar一般強一些嗎，怎麽(me) 到了這裏CS₂自己的LDF比 COS兩(liang) 種intermolecular forces加起來還強了。前麵排列的順序和這裏的也對不上啊。 我個(ge) 人剛學的時候也在這裏感到疑惑。

保守的說法是：這得具體(ti) 情況具體(ti) 分析。一般來講，LDF算是temporary dipoles，似乎會(hui) 相對弱一些。 但至少在這一題裏我們(men) 先知道結論：CS₂的boiling point更高，注定它的intermolecular force會(hui) 更強。（實在不會(hui) 的時候先把這個(ge) 結論蒙上去） 然後我們(men) 再從(cong) 微觀角度思考怎麽(me) 解釋這個(ge) 結論。

可以回憶一下上次提到的lewis structure，S比O要多了8個(ge) 電子，自然會(hui) 有更大的electron cloud，它的permanent dipole就因此會(hui) 強很多。 接下來我們(men) 來看下一小問：

一看到pressure我們(men) 就知道，是時候用PV=nRT了。 兩(liang) 個(ge) 得分點包括正確算出氣體(ti) 的量（mol）和最終的pressure。

有些同學喜歡一步到位，但個(ge) 人建議還是先算出式子裏每一個(ge) 需要的數再套進去，既方便大家自己理清思路，也可以給改了上千份試卷頭腦昏昏沉沉的判卷老師明確表示你拿到了得分點。 還有就是注意官方的單位標得多麽(me) 清晰，這證明我每次囉嗦單位並不是空穴來風…

【官方答案】

04Kinetic Molecular Theory(KMT)

我們(men) 知道分子並不是固定在一個(ge) 地方不變，而是一直在動的。而KMT這個(ge) 理論就是主張氣體(ti) 的壓力是由分子不停運動時彼此之間碰撞而產(chan) 生的，而不是分子之間的正、負極的互相排斥。當然，溫度和體(ti) 積也會(hui) 影響這個(ge) 能量。 這一個(ge) 知識點相對在選擇題中間出現的比較多一些，也是掌握了公式往裏套數值就可以。

KE=1/2 mv²

KE代表能量, kinetic energy（單位：J），m為(wei) 物體(ti) 的質量（單位：kg），v為(wei) 物體(ti) 移動的速度（單位：m/s）。

結 語

這一次我們(men) 複習(xi) 了intermolecular forces的種類，它們(men) 之間的關(guan) 係以及它們(men) 對物體(ti) 性質的影響，並且以固體(ti) 為(wei) 例子做了一個(ge) 分析。我們(men) 還複習(xi) 了ideal gas law以及相關(guan) 的公式。

下一期我們(men) 將會(hui) 集中與(yu) solutions （所以除了水分子就是離子）來討論intermolecular forces！期待一下哦~