分子间作用力对于高中学生而言,难以理解,必修二课本是以一句话描述带过“一般来说,对于组成和结构相似的物质,相对分子质量越大,分子间作用力越大”。类似一种纯粹记忆性的知识,而且相应的应用并不是很多,加上很多同学在初三学习时养成的习惯,背诵为主,对分子间作用力的感受就停留在记忆层面。于是在选修五中,分析醇类同系物的熔沸点的变化规律时,学生依旧只能采用记忆的方式,而并不能将学过的知识加以应用。
以丁醇的同系物的分子间作用力变化来分析的话,醇表面分子想要脱离液体体系从而挥发的话,需要克服分子间作用力,在无外界条件加热的情况下,就需要吸收剩余液体的能量。将问题转化为表面液体挥发为气体时,剩余的液体温度就要降低,这时分子间作用力大小就可以以宏观可视化的形式呈现。那么,如果我们想要比较甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇的分子间作用力大小,就可以通过测量各种醇挥发时温度的变化来进行判断,温度变化大的分子间作用力小。
设计实验如下,取四只带盖的立式离心管(少量试剂体现绿色化学思想),盖上钻一小孔,向离心管内加入四种醇各2mL,盖上盖子,并用胶布贴好盖子上的小孔。找一纸盒,挖四个口,方便固定立式离心管。取一泡沫,挖四个口,方便固定四只温度传感器。连接好计算机、数据采集器和温度传感器,传感器探头上包好纱布并固定在泡沫上。打开DIS软件,设置相关参数后,将离心管封口胶布去掉,再将温度传感器迅速插入离心管中,5s后取出,水平放置待其挥发。至各组传感器监测数据趋于稳定时结束实验。
实验结果显示温度下降速率从大到小的顺序是:甲醇>乙醇>正丙醇>正丁醇。即证实分子间作用力从大到小顺序是:正丁醇>正丙醇>乙醇>甲醇。
如何从理论上解释这一实验现象呢?分子间作用力主要包含范德华力和氢键。一元醇中形成的是分子间氢键,且四种醇中形成氢键的形式一样,相同数目的醇分子所形成的氢键数目差不多,故而它们的氢键强弱和数目相差不大。范德华力包含色散力、取向力和诱导力,其中以色散力为主。分子极化率越大,色散力越大。通过查阅资料可知,极化率从大到小的顺序是:正丁醇>正丙醇>乙醇>甲醇。因而分子间作用力从大到小顺序是:正丁醇>正丙醇>乙醇>甲醇。
从分子间作用力大小分析中亦能判断出以上四种醇的熔沸点变化规律了。