微觀世界 II / 子課題
分子間引力
Intermolecular Forces
范德華力的存在與影響因素、氫鍵的形成與強度、對物質物理性質的影響
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 范德華力
考評提示：影響vdW強度因素：電子數/分子質量、表面積；vdW遠弱於共價鍵
- 范德華力(vdW)存在於所有分子之間（包括非極性和極性）。來自瞬時偶極—誘導偶極間的弱電性吸引（London分散力）。強度遠弱於共價鍵（約1/100）。
- 影響vdW強度的因素：(i)電子數/分子質量增大→vdW增強；(ii)分子表面積大（直鏈>支鏈）→接觸面大→vdW增強。故正戊烷b.p.(36°C)>支鏈的2,2-dimethylpropane b.p.(10°C)。
2. 氫鍵
考評提示：氫鍵只出現在H直接與F/O/N相連時；比vdW強約10倍
- 氫鍵形成條件：H必須直接與高電負性小原子（F、O、N）相連，以使H帶較大正電（δ⁺）與鄰近分子的F/O/N上的孤電子對互相吸引。例：HF、H₂O、NH₃之間形成氫鍵。
- 強度比較：共價鍵(~400 kJ/mol) >> 氫鍵(~20 kJ/mol) >> 范德華力(~2 kJ/mol)。氫鍵為特別強的分子間引力，但仍遠弱於共價鍵。
- 氫鍵對物性的影響：水b.p.=100°C遠高於H₂S(−60°C)；乙醇b.p.=78°C遠高於同分子量的甲氧基甲烷(−24°C)；此乃氫鍵提升沸點的證據。
常見題型 · scoring points
解釋為何范德華力存在於所有分子之間，包括非極性分子
- 分子內電子不斷運動，某瞬間電子分佈可能不均勻，產生瞬時偶極(instantaneous dipole)。
- 瞬時偶極會在鄰近分子中誘導出相反的誘導偶極(induced dipole)。
- 瞬時偶極與誘導偶極之間產生微弱的電性吸引力，即范德華力。
- 因此即使在非極性分子（如Cl₂、CH₄）之間，也存在vdW，使它們在夠低溫時能液化/固化。
比較下列分子的沸點並解釋：CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀
- 沸點順序：CH₄(−162°C) < C₂H₆(−89°C) < C₃H₈(−42°C) < C₄H₁₀(−0.5°C)。
- 四者皆為非極性烷烴，分子間僅有范德華力。
- 碳數增加→電子數/分子質量增加→表面積增加→vdW增強。
- 因此需要更多熱能才能克服vdW進入氣態，沸點上升。
解釋為何直鏈戊烷的沸點高於其支鏈異構物
- 正戊烷與2,2-dimethylpropane分子式同為C₅H₁₂，電子數相同。
- 正戊烷為直鏈結構，表面積較大，與相鄰分子接觸面大。
- 2,2-dimethylpropane結構較為球形緊湊，表面積小，分子接觸少。
- 表面積大→vdW強，故正戊烷b.p.(36°C)高於2,2-dimethylpropane(10°C)。
描述HF、H₂O、NH₃分子間氫鍵的形成
- 條件：H直接連接F/O/N，這些原子電負性極高且原子半徑小。
- HF：H—F鍵極性大，H帶δ⁺，與另一HF分子的F的孤電子對形成H…F氫鍵。
- H₂O：H—O鍵極性大，每個H₂O分子可形成多達4條氫鍵（每個O有2孤電子對，每個H可作1氫鍵供體）。
- NH₃：H—N鍵極性較HF/H₂O低，每個NH₃只有1個N孤電子對，故氫鍵較少。
比較水和H₂S的沸點，並以分子間引力解釋異常
- H₂S b.p.=−60°C（屬同族氫化物）；按照下而上趨勢，水b.p.應更低，但實際為100°C。
- H₂S分子間僅有范德華力；雖分子量(34)比水(18)大，但vdW只較弱。
- 水分子之間存在氫鍵（H直接連O）；每個H₂O可形成多條強氫鍵。
- 要打破水的氫鍵需大量能量，故水的沸點遠高於預期，呈現異常高b.p.現象。
比較氫鍵、范德華力與共價鍵的強度
- 強度：共價鍵(~400 kJ/mol) >> 氫鍵(~20 kJ/mol) >> 范德華力(~2 kJ/mol)。
- 共價鍵存在於分子內，是原子間的化學鍵；斷裂會導致分子分解或化學變化。
- 氫鍵和范德華力為分子間引力，斷裂只引起狀態變化（熔化、沸騰）。
- 氫鍵為特殊強的范德華力，但本質是分子間的弱電性吸引，並非化學鍵。
解釋為何乙醇和水能以任何比例互溶
- 乙醇結構CH₃CH₂OH，含—OH基可形成氫鍵供體和受體。
- 水同樣有—OH可形成氫鍵。
- 乙醇和水分子之間可互相形成新的氫鍵，釋放能量抵消破壞原本氫鍵所需能量。
- 因此乙醇可與水以任何比例混合（完全互溶），證明氫鍵在溶解度中扮演關鍵角色。
微觀世界 II 其他子課題
關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
