高中化学人教版 (2019)选择性必修2第三节 分子结构与物质的性质第2课时学案设计

第2课时　分子间的作用力　分子的手性

必备知识·自主学习

一、分子间的作用力

1.范德华力及其对物质性质的影响

(1)概念及实质：降温加压气体会液化，降温时液体会凝固，说明分子之间存在着相互作用力。范德华是最早研究分子间普遍存在作用力的科学家，把这类分子间作用力称为范德华力，其实质是电性作用。

(2)特征：范德华力很弱，比化学键的键能小1～2个数量级。

(3)影响因素

①分子结构和组成相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大。

②分子的极性越大，范德华力越大。

(4)对物质性质的影响：范德华力主要影响物质的物理性质，范德华力越强，物质的熔点、沸点越高。

2.氢键及其对物质性质的影响

(1)概念：氢键是由已经与电负性很大的原子形成共价键的氢原子(如水分子中的氢)与另一个电负性很大的原子(如水分子中的氧)之间形成的作用力。

(2)表示方法：通常用X—H…Y—表示氢键，其中X、Y为N、O、F，“—”表示的共价键，“…”表示的氢键。例如：

(3)形成条件

①氢原子位于X原子和Y原子之间。

②X、Y原子所属元素通常具有很大的电负性和较小的原子半径，主要是N、O、F。

(4)氢键的分类及其特征

①氢键分为分子间氢键和分子内氢键；

②氢键不属于化学键，属于一种较弱的作用力，比化学键的键能小1～2个数量级。

(5)氢键对物质性质的影响：当形成分子间氢键时，物质的熔、沸点将升高。

3.溶解性

(1)相似相溶规律：非极性溶质一般能溶于非极性溶剂，极性溶质一般能溶于极性溶剂。如蔗糖和氨易溶于水，难溶于四氯化碳。而萘碘却易溶于四氯化碳，难溶于水。

(2)影响物质溶解性的因素

①外界因素：主要有温度、压强等。

②氢键：溶剂和溶质之间的氢键作用力越大，溶解性好(填“好”或“差”)。

(3)分子结构的相似性：溶质和溶剂的分子结构相似程度越大，其溶解性越好。如乙醇与水互溶，而戊醇在水中的溶解度明显减小。

1.(思维升华)判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)范德华力的实质是电性作用，有一定的方向性和饱和性。(×)

提示：范德华力没有方向性和饱和性。

(2)HF、HCl、HBr、HI的稳定性依次减弱，是因为分子间作用力依次减弱。(×)

提示：分子的稳定性与化学键有关，分子间作用力只影响物质的物理性质。

(3)氢键只存在于分子之间。(×)

提示：分子内也能形成氢键。

(4)CS2在水中的溶解度很小，是因为CS2是极性分子。(×)

提示：根据相似相溶规律，水是极性分子，CS2是非极性分子，所以CS2在水中的溶解度很小。

2.苯胺()与甲苯()的相对分子质量相近，但苯胺的熔点(-5.9 ℃)、沸点(184.4 ℃)分别高于甲苯的熔点(-95.0 ℃)、沸点(110.6 ℃)，原因是什么？

提示：苯胺分子之间存在氢键。

二、分子的手性

1.手性异构体：具有完全相同的组成和原子排列的一对分子，如同左手与右手一样互为镜像，却在三维空间里不能叠合，互称手性异构体。

2.手性分子：有手性异构体的分子叫做手性分子。如：乳酸()分子。

3.手性分子的应用

(1)医药：现今使用的药物中手性药物超过50%。对于手性药物，一个异构体可能有效，而另一个异构体可能是无效甚至是有害的。

(2)手性合成：2001年，诺贝尔化学家授予三位用手性催化剂生产手性药物的化学家。用他们的合成方法，可以只得到或者主要得到一种手性分子，这种独特的合成方法称为手性合成。

(3)手性催化剂：手性催化剂只催化或者主要催化一种手性分子的合成，可以比喻成握手——手性催化剂像迎宾的主人伸出右手，被催化合成的手性分子像客人，总是伸出右手去握手。

(1)(思维升华)1848年巴斯德用手工在光学显微镜下把左型酒石酸盐晶体和右型酒石酸盐晶体分开的实验曾被选为化学史上十项最美的实验之一。左型酒石酸盐晶体和右型酒石酸盐晶体的关系是什么？

提示：手性异构体。

(2)(情境思考)丙氨酸[CH3CH(NH2)COOH]分子为手性分子，它存在对映异构，如图所示。

[CH3CH(NH2)COOH]的两种对映异构Ⅰ和Ⅱ中化学键的种类、数目及分子的极性完全相同？

提示：相同。手性异构体只对物理性质有较大影响，无论是化学键还是分子的极性都是相同的。

关键能力·合作学习

知识点一　范德华力、氢键对物质性质的影响 

1.范德华力对物质性质的影响

(1)对物质熔、沸点的影响

①通常组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大，物质的熔、沸点通常越高。如熔、沸点：F2<Cl2<Br2<I2；CF4<CCl4<CBr4<CI4。

②相对分子质量相近的物质，分子的极性越小，范德华力越小，物质的熔、沸点通常越低。如熔、沸点：N2<CO。

(2)对物质溶解性的影响

溶质分子与溶剂分子间的范德华力越大，则溶质分子的溶解度越大。如I2、Br2与苯分子间的范德华力较大，故I2、Br2易溶于苯中，而水与苯分子间的范德华力很小，故水很难溶于苯中。

2.氢键对物质性质的影响

(1)氢键对物质熔、沸点的影响

①分子间存在氢键时，物质在熔化或汽化时，除破坏普通的分子间作用力外，还需要破坏分子间的氢键，消耗更多的能量，所以存在着分子间氢键的物质一般具有较高的熔点和沸点。

例如：ⅤA～ⅦA族元素的氢化物中，NH3、H2O和HF的熔、沸点比同主族相邻元素的氢化物的熔、沸点高，这种反常现象是由于它们各自的分子间形成了氢键，如图所示。

②有机物能形成分子内氢键的，其熔、沸点比能形成分子间氢键的物质的低。如邻羟基苯甲醛能形成分子内氢键，而对羟基苯甲醛能形成分子间氢键，当对羟基苯甲醛熔化时，需要较多的能量克服分子间氢键，所以对羟基苯甲醛的熔、沸点高于邻羟基苯甲醛的熔、沸点。

(2)氢键对物质溶解度的影响

如果溶质与溶剂之间能形成氢键，则溶解度增大。由于氨分子与水分子间能形成氢键，且都是极性分子，所以NH3极易溶于水。低级的醇、醛、酮等可溶于水，都与它们的分子能与水分子形成氢键有关。

(3)氢键的存在引起密度的变化

由于水分子之间的氢键，水结冰时体积变大而密度变小；冰融化成水时，体积减小而密度变大；在接近水的沸点的水蒸气中存在相当量的水分子因氢键而相互“缔合”，形成“缔合分子”，导致这种水蒸气的相对分子质量比用化学式H2O计算出来的相对分子质量大。

3.物质溶解性的判断与比较

(1)依据“相似相溶”规律

非极性溶质一般易溶于非极性溶剂，难溶于极性溶剂；极性溶质一般易溶于极性溶剂，难溶于非极性溶剂。

(2)依据溶质与溶剂之间是否存在氢键

如果溶质与溶剂之间能形成氢键，则溶质溶解度增大，且氢键作用力越大，溶解性越好。如NH3、HF极易溶于水；甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、甲酸、乙酸、甲醛、乙醛、氨基乙酸、乙胺等易溶于水，就是因为它们与水分子间形成氢键。

(3)依据分子结构的相似性

溶质与溶剂分子结构的相似程度越大，其溶解度越大。如烃基越大的醇(羧酸、醛)在水中的溶解度越小。

(1)(思维升华)若不断地升高温度，实现“雪花→水→水蒸气→氧气和氢气”的变化。在变化的各阶段被破坏的粒子间的主要相互作用依次有哪些？

提示：范德华力和氢键　范德华力和氢键　极性键。在雪花、水、水蒸气中存在O—H…O分子间氢键，故在实现“雪花→水→水蒸气”的变化阶段主要破坏了水分子间的氢键与范德华力，而实现“水蒸气→氧气和氢气”的变化则破坏了O—H极性共价键。

(2)(情境应用)传说老子过函谷关之前，关尹喜见有紫气从东而来，知道将有圣人过关，果然老子骑着青牛而来，后来人们用“紫气东来”比喻吉祥的征兆。碘晶体受热转变成碘蒸气也有紫气东来之像。碘晶体受热转变成碘蒸气，吸收的热量是否克服了碘原子间的作用力？

提示：否。碘晶体受热转变成碘蒸气，克服分子间作用力，而碘原子间的作用力属于共价键。

【典例】下列对一些实验事实的理论解释，正确的是(　　)

【解题指南】解答本题需要注意以下两个方面：

(1)H2O分子间形成氢键，水分子内氧、氢原子之间形成的是化学键；

(2)分子间作用力、氢键只影响物质的物理性质。

【解析】选C。根据“相似相溶”规律，Br2、I2是非极性分子，它们易溶于非极性溶剂CCl4中，而在极性溶剂水中的溶解度较小，A错误；卤素单质组成、结构相似，从F2到I2相对分子质量越大，范德华力越大，熔沸点越高，B错误；NH3与H2O都是极性分子，且分子间可以形成氢键，所以NH3在H2O中溶解度很大，C正确；HF和HCl的熔、沸点与分子内的共价键无关，D错误。

(1)范德华力与氢键只影响物质的物理性质，而化学键主要影响物质的化学性质。

(2)氢键：分子间氢键的存在，使物质的熔、沸点升高，在水中的溶解度增大。如熔、沸点：H2O>H2S，HF>HCl，NH3>PH3。

(3)影响物质水溶性的因素有氢键、极性相似相溶、结构相似相溶以及反应等。

【母题追问】氨气溶于水中，大部分NH3与H2O以氢键(用“…”表示)结合形成NH3·H2O分子，根据氨水的性质推断并写出NH3·H2O的结构式。

提示：。氨气溶于水中，大部分NH3与H2O以氢键形成NH3·H2O分子，根据NH3·H2ON+OH-，知NH3分子中的N原子与H2O分子中的H原子形成氢键，其结构式为。

一定条件下，CH4、CO2都能与H2O形成笼状结构(如图所示)的水合物晶体，其相关参数见下表。CH4和H2O形成的水合物晶体俗称“可燃冰”。

(1)“可燃冰”中分子间存在哪两种作用力？

(2)为开采深海海底的“可燃冰”，有科学家提出用CO2置换CH4的设想。已知上图中笼状结构的空腔直径为0.586 nm，根据上述图表，从物质结构及性质的角度分析，该设想的依据是什么？

【解析】(1)“可燃冰”中分子间存在的两种作用力是范德华力和氢键。

(2)根据表格数据可知，笼状空腔的直径是0.586 nm，而CO2分子的直径是

0.512 nm，笼状空腔直径大于CO2分子的直径，而且CO2与水分子之间的结合能大于CH4，因此可以实现用CO2置换CH4的设想。

答案：(1)氢键、范德华力

(2)CO2的分子直径小于笼状空腔直径，且与H2O的结合能大于CH4与H2O的结合能

知识点二　手性分子和手性碳原子的确定 

1.手性分子的确定

(1)两个分子具有完全相同的组成和原子排列；

(2)两个分子互为镜像；

(3)两个分子在三维空间里不能重合。如图：

(4)有机物分子中如果有一个手性碳原子，则该有机物分子就是手性分子，具有手性异构体。

2.手性碳原子的确定

(1)碳原子连接了四个不同的原子或基团，形成的化合物存在手性异构，则该碳原子称为手性原子。如，其中*C即为手性碳原子。

(2)不饱和碳原子(如碳碳双键、—C≡C—等中的碳原子)一定不是手性碳原子。

【方法导引】

手性分子的理解

(1)手性同分异构体(又称对映异构体、光学异构体)的两个分子互为镜像关系，即分子形式的“左撇子和右撇子”。

(2)手性碳原子一定是饱和碳原子，且碳原子是sp3杂化。

(3)手性异构体虽然分子组成、官能团完全相同，但性质和用途不一定相同。

(4)可以通过条件的控制(如催化剂)选择有利于目标手性异构体的合成。

(1)(思维升华)手性异构体之间的转化属于化学变化还是物理变化？

提示：化学变化。手性异构体属于不同的物质。

(2)(情境应用)“手性”指一个物体不能与其镜像相重合。如我们的双手，左手与互成镜像的右手不重合。一个手性分子与其镜像不重合，分子的手性通常是由不对称碳引起，即一个碳上的四个基团互不相同。通常用(RS)、(DL)对其进行识别。

①互为手性分子的物质是同一种物质吗？二者具有什么关系？

提示：不是同一种物质，二者互为同分异构体。

②互为手性分子的物质化学性质几乎完全相同，为什么？

提示：物质结构决定性质。互为手性分子的物质组成、结构几乎完全相同，所以其化学性质几乎完全相同。

【典例】在有机物分子中，连有4个不同原子或基团的碳原子称为“手性碳原子”，具有手性碳原子的化合物具有光学活性。结构简式如图所示的有机物分子A中含有一个手性碳原子，该有机物具有光学活性。当该有机物发生下列化学变化时，生成的新有机物无光学活性的是(　　)

A.分子A中的—CHO转化为—COOH

B.与甲酸发生酯化反应

C.与金属钠发生反应

D.分子A中的—CHO与H2发生加成反应生成—CH2OH

【解题指南】解答本题需要注意以下两点：

(1)正确判断有机物是否含有手性碳原子。

(2)有机物分子中含有一个手性碳原子，该有机物具有光学活性。

【解析】选D。若生成的新有机物为无光学活性的物质，则原有机物中的手性碳原子上至少有一个原子或基团发生转化使两个原子或基团具有相同的结构。A项反应后—CHO转化为—COOH，手性碳原子仍存在；B项反应后—CH2OH转化为，手性碳原子仍存在；C项反应后—CH2OH转化为—CH2ONa，手性碳原子仍存在；D项反应后—CHO转化为—CH2OH，与原有机物手性碳原子上的一个基团结构相同，不再存在手性碳原子。

判断手性碳原子的方法

判断一种有机物是否具有手性碳原子，就看该有机物含有的碳原子是否连有四个互不相同的原子或基团。如：，R1、R2、R3、R4是互不相同的原子或基团，中心碳原子即为手性碳原子。

【母题追问】有机物分子A能在酸性条件下发生水解，水解后生成的有机物是否含有手性光学活性？

提示：有机物分子A能在酸性条件下发生水解，水解后生成CH3COOH、CH2OHCH(OH)CHO，两种有机物中CH3COOH没有手性碳原子，CH2OHCH(OH)CHO含有一个手性碳原子，该有机物具有光学活性。

氨基酸是羧酸碳原子上的氢原子被氨基取代后的化合物，氨基酸分子中含有氨基和羧基两种官能团。一种氨基酸的结构简式为。

(1)该氨基酸的一个分子中含有几个手性碳原子？

提示：2。根据手性碳原子周围连接四个不同的原子或基团可判断该物质有2个手性碳原子。

(2)其中一对对映异构体用简单的投影式表示为和。

则另一对对映异构体的简单投影式为和___________。 

提示：。参照例子可以知道对映异构体关系就像照镜子一样，其另一种就是该种在镜子中的“形象”。

三言两语话重点

1.影响物质熔、沸点高低的两种方法：

(1)结构相似的物质，相对分子质量大小；

(2)分子之间是否存在氢键。

2.影响物质溶解性的三因素：

(1)“相似相溶”规律；

(2)与水形成氢键；

(3)溶质的结构与水分子结构相似程度。

3.分子的手性：

(1)四个不同的原子或基团连接在有机物的碳原子上，该有机物的碳原子称为手性碳原子。

(2)手性分子的化学组成相同，它们具有不同的三维结构，其性质也不同。

课堂检测·素养达标

1.(2020·威海高二检测)人们熟悉的影片《蜘蛛侠》为我们塑造了一个能飞檐走壁、过高楼如履平地的蜘蛛侠，现实中的蜘蛛能在天花板等比较滑的板面上爬行，蜘蛛之所以不能从天花板上掉下的主要原因是(　　)

A.蜘蛛脚的尖端锋利，能抓住天花板

B.蜘蛛的脚上有“胶水”，从而能使蜘蛛粘在天花板上

C.蜘蛛脚上的大量细毛与天花板之间的范德华力这一“黏力”使蜘蛛不致坠落

D.蜘蛛有特异功能，能抓住任何物体

【解析】选C。蜘蛛不能掉下的根本原因是蜘蛛脚上的大量细毛与天花板之间存在范德华力。

2.“相似相溶”规律是指由极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂，非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子组成的溶剂。以下可以用“相似相溶”规律说明的是(　　)

A.Cl2可溶于水　　　  B.I2可溶于水

C.HCl易溶于水　   D.NH3易溶于苯

【解析】选C。Cl2、I2属于非极性分子，H2O属于极性分子，不能用“相似相溶”规律说明，A、B错误；HCl和H2O都属于极性分子，能用“相似相溶”规律说明HCl易溶于水，C正确；NH3属于极性分子，苯属于非极性分子，不能用“相似相溶”规律说明，D错误。

【补偿训练】

已知O3分子为V形结构，O3在水中的溶解度和O2比较(　　)

A.O3在水中的溶解度和O2一样

B.O3在水中的溶解度比O2小

C.O3在水中的溶解度比O2要大

D.无法比较

【解析】选C。因O3为V形结构，为极性分子，O2为非极性分子，根据“相似相溶”规律可知，O3在水中的溶解度比O2大，C正确。

3.(2020·中山高二检测)下列物质的性质或数据与氢键无关的是(　　)

A.乙酸极易溶于水

B.邻羟基苯甲酸()的熔点为159 ℃，对羟基苯甲酸()的熔点为213 ℃

C.乙醚微溶于水，而乙醇可与水以任意比互溶

D.HF分解时吸收的热量比HCl分解时吸收的热量多

【解析】选D。乙酸与H2O分子之间可以形成氢键，增大了乙酸在水中的溶解度；邻羟基苯甲酸形成分子内氢键，对羟基苯甲酸形成分子间氢键，熔、沸点比邻羟基苯甲酸的高；乙醚分子结构中无羟基，不能与水分子形成氢键，在水中的溶解度比乙醇小得多；HF分解时吸收的热量比HCl分解时吸收的热量多的原因是H—F键的键能比H—Cl键的大，与氢键无关。

4.二甘醇可作溶剂、纺织助剂等，一旦进入人体会导致急性肾衰竭，危及生命。二甘醇的结构简式是HO—CH2CH2—O—CH2CH2—OH。下列有关二甘醇的叙述正确的是(　　)

A.二甘醇分子中有一个手性碳原子

B.分子间能形成氢键

C.分子间不存在范德华力

D.能溶于水，不溶于乙醇

【解析】选B。二甘醇分子中没有手性碳原子，A错误；二甘醇分子之间能形成O—H…O氢键，也存在范德华力，B正确、C错误；由“相似相溶”可知，二甘醇能溶于水和乙醇，D错误。

5.(教材二次开发·教材习题改编)下列有机物中含有两个手性碳原子的是(　　)

A.　　　 B.

C.    D.

【解析】选B。由有机物的结构可以看出，A、C、D三项中没有手性碳原子；B项中每个与氯原子相连的碳原子都是手性碳原子。

素养新思维

6.(1)某有机物的同分异构体A()的结构可以表示为(虚线表示氢键)，而另一种同分异构体B()只能形成分子间氢键。

工业上用水蒸气蒸馏法将A和B进行分离，首先被蒸出的成分是哪一种？为什么？

提示：首先被蒸出的物质为A。因为A易形成分子内氢键，B易形成分子间氢键，所以B的沸点比A的高。

(2)乙酸与甲酸甲酯互为同分异构体，但乙酸的沸点高于甲酸甲酯，为什么？

提示：乙酸与甲酸甲酯互为同分异构体，但乙酸分子间可形成氢键，所以沸点高。

【补偿训练】

苏丹红颜色鲜艳、价格低廉，常被一些企业非法作为食品和化妆品等的染色剂，严重危害人们健康。苏丹红常见有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种类型，苏丹红Ⅰ的分子结构如图1所示。

            图1苏丹红Ⅰ的分子结构　  图2修饰后的分子结构

苏丹红Ⅰ在水中的溶解度很小，微溶于乙醇，有人把羟基取代在对位形成图2所示的结构，则其在水中的溶解度会________(填“增大”或“减小”)，原因是

___________________。

提示：增大　因为苏丹红Ⅰ形成分子内氢键，而修饰后的分子可形成分子间氢键，与水分子间形成氢键后有利于增大化合物在水中的溶解度。