2021-2022学年高中化学新人教版选择性必修2 第2章 分子结构与性质复习 学案

第二章

主题整合·践行素养

以“碳、硫和钒的相关化合物在药物化学及催化化学等领域应用”为例复习分子结构与性质

材料一、碳和钒的相关化合物在催化化学等领域应用广泛。例如含硫的化合物苯磺酸氨氯地平是抗高血压的药物，而钒是一种战略稀有金属，主要应用于钢铁领域，近年来在航空、化学、电池、颜料、玻璃、光学和医药等领域也有广泛应用。

(一)甲醇(CH3OH)是一种用途广泛的基础有机原料和优质燃料。用来制造农药、医药、塑料、合成纤维及有机化工产品如甲醛、甲胺、氯甲烷、硫酸二甲酯等的原料。甲醇中掺入汽油作替代燃料使用。

(1)甲醇被氧化生成甲醛(HCHO)，甲醇也可以生成乙酸甲酯(CH3COOCH3)。乙酸甲酯分子σ键和π键的个数之比是多少？甲醇、甲醛中碳原子的杂化方式是哪种杂化类型？

提示：10∶1　sp3、sp2。乙酸甲酯分子中除了碳氧双键中含一个σ键和一个π键外，另有9个σ键，故σ键和π键的个数之比为10∶1。甲醇中碳原子是饱和碳原子，是sp3杂化，甲醛中碳原子是sp2杂化。

(2)在一定条件下，甲醇(沸点64.7 ℃)转化为乙酸甲酯(CH3COOCH3，沸点57.1℃)。甲醇与乙酸甲酯的混合物因沸点接近而不易分离，工业上用蒸馏的方法分离二者时常先加适量水，为什么？

提示：乙酸甲酯不易与水形成氢键，而甲醇易与水形成氢键使甲醇沸点升高，使得乙酸甲酯容易从混合物中蒸出。

(3)已知[Zn(CN)4]2-与甲醛在水溶液中发生反应可生成一种新物质HOCH2CN，判断HOCH2CN中碳原子的杂化方式？

提示：sp3、sp。HOCH2CN中与羟基(—OH)相连的碳为饱和碳原子，价层电子对数是4，杂化轨道类型为sp3，另外一碳原子与氮原子形成碳氮三键，三键含有1个σ键和2个π键，价层电子对数=2+0=2，所以碳原子杂化轨道类型为sp。

(二)钒的相关化合物在药物化学及催化化学等领域应用广泛。

(1)基态钒原子的结构示意图为________。 

提示：。

(2)2-巯基烟酸氧钒配合物(下图中W)是副作用小且能有效调节血糖的新型药物。

①该药物中N原子的杂化方式是______。 

②X、Y、Z三种物质在水中的溶解性由大到小的顺序为__________，原因为________________________。 

提示：①sp2　②X>Z>Y

X中含有羧基，可以与水分子形成氢键，增强水溶性；Y中含有酯基和苯环，Z中含有酯基，都不利于其在水中的溶解。

材料二、物质内部的分子结构存在着对称美。许多物质形状与结构对称统一于一体，如金刚石晶体(外形为正八面体，结构为正四面体)，石英晶体(外形为两端对称的六角棱柱体，结构为四面体)。它们都反映了物质内部多种(个)原子之间有序的结合，多种(个)原子在变化中趋于统一，在参差中趋于整齐，在“反复”中透着秩序，显示着节奏，尽显出化学中的对称美。生物分子都有手性，即分子形式的右撇子和左撇子(或左旋、右旋)。在法国生物学家巴斯德发现酒石酸晶体的镜像后就更激起了科学家的兴趣。

(一)八角茴香属于草本植物，是我国民间常用作烹调的香料。医学研究成果显示，从八角茴香中可以提取到莽草酸，莽草酸有抗炎、镇痛作用，是合成某些抗癌药物的中间体。莽草酸的分子结构模型如图所示(分子中只有C、H、O三种原子)。其分子中有几个手性碳原子？

提示：3。根据球棍模型写出其结构式为，连接羟基的碳原子是手性碳原子。

(二)氨基乙酸(H2N—CH2—COOH)俗称甘氨酸，可用作调味剂、甜味剂，与DL-丙氨酸、枸橼酸等配合使用于含醇饮料中；合成清酒和精良饲料时用作酸味矫正剂、缓冲剂；在腌制咸菜、甜酱、酱油、醋和果汁时用作添加剂，以改善食品风味、味道、保持原味、提供甜味源等；氨基乙酸物质分子是否是手性分子？

提示：否。分子中间的碳原子连有两个氢，不具有手性。

应用实践·提升素养

1.东晋《华阳国志·南中志》卷四中已有关于白铜的记载，云南镍白铜(铜镍合金)闻名中外，曾主要用于造币，亦可用于制作仿银饰品。硫酸镍溶于氨水形成[Ni(NH3)6]SO4蓝色溶液。回答下列问题：

(1)[Ni(NH3)6]SO4中阴离子的立体构型是________。

(2)氨的沸点__________(填“高于”或“低于”)膦(PH3)，原因是____________；氨是_______________________分子(填“极性”或“非极性”)，中心原子的轨道杂化类型为___________________________________。 

【解析】(1)SO中S原子的价层电子对数是＝4，孤电子对数为0，立体构型为正四面体形。

(2)氨分子之间可形成氢键，分子间作用力增大，故沸点高于膦(PH3)；氨分子中N原子的价层电子对数＝3＋＝4，采取sp3杂化，四个杂化轨道中有三个轨道被共用电子对占据，一个轨道被孤电子对占据，是极性分子。

答案：(1)正四面体形

(2)高于　NH3分子间可形成氢键　极性　sp3

2.数十亿年来，地球上的物质不断变化，大气的成分也发生了很大的变化。下表是目前空气和原始大气的主要成分：

用上表所涉及的分子填写下列空白：

(1)含有10个电子的分子有______________(填化学式，下同)； 

(2)由极性键构成的非极性分子有________； 

(3)沸点最高的物质是______________，用所学的知识解释其沸点最高的原因__________________________； 

(4)分子中不含孤电子对的分子(稀有气体除外)有________，它的立体构型为______________； 

(5)极易溶于水且水溶液呈碱性的物质的分子是__________，它之所以极易溶于水是因为它的分子和水分子之间形成____________________________； 

(6)CO的结构可表示为O≡C，与CO结构最相似的分子是__________，这两种结构相似的分子的极性________________(填“相同”或“不相同”)。 

【解析】(1)含10电子的分子有H2O、Ne、CH4、NH3。

(2)具有对称结构的分子是非极性分子，如N2、O2、CH4、CO2，其中由极性键构成的非极性分子只有CH4和CO2，N2和O2是由非极性共价键构成的。

(3)水分子间除了范德华力外，还有氢键的作用，分子间氢键的存在使水的沸点最高。

(4)碳原子最外层有4个电子，在甲烷分子中形成了4个共价键，不存在孤电子对，最外层电子都参与成键，构型为正四面体形。

(5)极易溶于水且水溶液呈碱性的物质只有氨气。它极易溶于水，是因为氨分子与水分子间形成氢键，增大了氨气的溶解性。

(6)由一氧化碳的结构式可知，碳原子和氧原子之间存在三键，氮气分子中两个氮原子之间也存在三键，结构相似。CO分子中的三键是由两个不同的原子形成的，是极性共价键，而N2分子中的三键是由两个相同的氮原子形成的，是非极性共价键。

答案：(1)H2O、Ne、CH4、NH3　(2)CH4、CO2

(3)H2O　水分子间除了范德华力外，还有氢键的作用，分子间氢键的存在使水的沸点最高　(4)CH4　正四面体形

(5)NH3　氢键　(6)N2　不相同

3.硫、氮及其化合物在生产生活中应用广泛。有机含氮化合物一般是指分子中含有碳-氮键的有机化合物，包括胺类，氮杂环，腈，硝基化合物等。

(1)图甲表示某种含氮有机化合物的结构，其分子内4个氮原子分别位于正四面体的4个顶点(见图乙)，分子内存在空腔，能嵌入某离子或分子并形成4个氢键予以识别。下列分子或离子中，能被该有机化合物识别的是________(填标号)。 

a．CF4　b．CH4　　　c．NH　　　d．H2O

(2)已知S4O的结构为，其中S原子的杂化方式是__________

______。键长a________ b(填“>”“<”或“=”)。分析并比较物质A：与B：的沸点高低及其原因：____________。 

【解析】(1)要能被该有机化合物识别，则应能与N原子形成氢键，则该微粒中应含有4个N—H或O—H或F—H键，可见只有c符合要求。

(2)S4O的结构中两边的S原子均形成4个σ键且无孤电子对，中间的两个S原子均形成两个单键，且均有两对孤电子对；原子间形成的共价键数目越大，键长就越短；A是邻羟基苯磺酸能形成分子内氢键，B是对羟基苯磺酸能形成分子间氢键，所以沸点B＞A。

答案：(1)c

(2)sp3杂化　<　B>A，因为B可以形成分子间氢键

4.阿斯巴甜是一种非碳水化合物类的人造甜味剂，其组成结构和性质见表所示

回答下列问题：

(1)阿斯巴甜分子中，所含元素的电负性由大到小的顺序是____________。碳原子的杂化轨道类型为______________，其中C—N键中共用电子对偏向________原子(填原子名称)。

(2)阿斯巴甜分子内微粒间的作用力类型有________。 

(3)阿斯巴甜与足量NaOH水溶液充分反应的化学方程式为

+3NaOH++CH3OH+H2O

上述反应中，当有1 mol阿斯巴甜完全反应，下列说法正确的有__________。 

A.有σ键、π键的断裂

B.参加反应的反应物和生成的生成物中共有4NA个手性碳原子

C.可以借助红外光谱确定阿斯巴甜分子的结构

D.生成物H2O中H—O—H键角大于CH3OH中H—C—H键角

【解析】(1)阿斯巴甜中所含元素为H、C、N、O，根据同周期元素从左到右电负性逐渐增大和C、N、O的氢化物中H均显+1价，可知C、N、O的电负性均大于H的电负性。阿斯巴甜中饱和碳原子为sp3杂化，C＝O及苯环中的碳原子为sp2杂化。电负性：N>C，因此C—N键中共用电子对偏向氮原子。

(2)阿斯巴甜分子内原子和原子之间为共价键，C—C键为非极性键，C—N、C—O、O—H、N—H、C—H键为极性键。

(3)该反应中断开的均为σ键，A错误；手性碳原子为连有4个不同的原子或原子团的碳原子，、、中用*标记的均为手性碳原子，故1 mol阿斯巴甜参加反应时，反应物和生成物中共有4NA个手性碳原子，B正确；借助红外光谱可以鉴定阿斯巴甜所含官能团，从而确定分子结构，C正确；H2O中O有两个孤电子对，CH3OH中C无孤电子对，孤电子对与成键电子对之间的斥力大于成键电子对与成键电子对之间的斥力，故H2O中H—O—H键角小于CH3OH中H—C—H键角，D错误。

答案：(1)O>N>C>H　sp2、sp3杂化　氮

(2)极性键、非极性键

(3)B、C

5．臭氧(O3)在[Fe(H2O)6]2＋催化下能将烟气中的SO2、NOx分别氧化为SO和NO，NOx也可在其他条件下被还原为N2。

(1)SO中心原子轨道的杂化类型为______；NO的空间构型为_______ (用文字描述)。

(2)N2分子中σ键与π键的数目比n(σ)∶n(π)＝__________。

【解析】(1)SO中S的孤电子对数为＝0，价层电子对数为0＋4＝4，则S为sp3杂化。NO中N的孤电子对数为＝0，价层电子对数为0＋3＝3，则N为sp2杂化，则NO为平面(正)三角形。(2)N2的结构式为N≡N，三键中有一个为σ键，两个为π键，n(σ)∶n(π)＝1∶2。

答案：(1)sp3　平面(正)三角形　(2)1∶2

6.我国科学家最近成功合成了世界上首个五氮阴离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl(用R代表)。回答下列问题：

经X射线衍射测得化合物R的晶体结构，其局部结构如图(b)所示。

(1)从结构角度分析，R中两种阳离子的相同之处为________，不同之处为________。(填标号) 

A.中心原子的杂化轨道类型

B.中心原子的价层电子对数

C.立体结构

D.共价键类型

(2)R中阴离子N中的σ键总数为________个。

(3)图(b)中虚线代表氢键，其表示式为(NH)N—H…Cl、________________、________________。

【解析】(1)根据图(b)，阳离子是NH和H3O＋，NH中心原子是N，含有4个σ键，孤电子对数为(5－1－4×1)/2＝0，价层电子对数为4，杂化类型为sp3，空间构型为正四面体形；H3O＋中心原子是O，含有3个σ键，孤电子对数为(6－1－3)/2＝1，价层电子对数为4，杂化类型为sp3，空间构型为三角锥形，因此相同之处为A、B、D项，不同之处为C项；(2)根据图(b)N中σ键总数为5个；(3)根据图(b)NH、H3O＋中的H与N、Cl－都可形成氢键，因此还有的氢键是(H3O＋)O—H…N(N)和(NH)N—H…N(N)。

答案：(1)A、B、D　C　(2)5

(3)(H3O＋)O—H…N(N)　(NH)N—H…N(N)

7.铁氮化合物(FexNy)在磁记录材料领域有着广泛的应用前景。某FexNy的制备需铁、氮气、丙酮和乙醇参与。

(1)Fe3+基态核外电子排布式为_____________。 

(2)丙酮()分子中碳原子轨道的杂化类型是________________，1 mol 丙酮分子中含有σ键的数目为________。 

(3)C、H、O 三种元素的电负性由小到大的顺序为_____________。  

(4)乙醇的沸点高于丙酮，这是因为_____________。 

【解析】(1)Fe为26号，价层电子数为26-18=8，电子排布式为[Ar]3d64s2，失去电子时，先失去4s上的2个电子，再失去3d上的一个电子，即为[Ar]3d5。(2)甲基上的碳原子为sp3杂化，羰基上的碳原子为sp2杂化。单键全为σ键，双键中有一个π键，一个σ键，1 mol 丙酮中共含有9 NA个σ键。(3)非金属性O>C>H，则电负性：O>C>H。(4)乙醇中的羟基之间可以形成分子间氢键，故沸点高于丙酮。

答案：(1)[Ar]3d5或 1s22s22p63s23p63d5　(2)sp2和sp3

9NA　(3)H<C<O　 (4)乙醇分子间存在氢键