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展开一、【课程的主要内容】
学习任务一 范德华力与物质性质任务驱动: 通过之前的学习我们认识到分子内部存在化学键,那么分子之间有没有作用力?对物质的性质会有什么影响?1.分子间作用力(1)概念分子间存在的一类弱的___________。
(2)分类 【想一想】任何物质的分子之间都一定存在作用力吗?提示:一定存在。
2.范德华力及其对物质性质的影响(1)概念及实质:范德华力是分子之间普遍存在的一种___________,其实质是分子之间的_____作用。(2)特征①范德华力的作用能通常比化学键的键能_______。②范德华力无_______,无_______。
(3)影响因素①___________相似的物质,相对分子质量越大,分子间的范德华力_____。②分子的极性越大,分子间的范德华力_____。(4)对物质性质的影响:范德华力主要影响物质的物理性质,范德华力越大,物质的熔、沸点_____。
【想一想】物质三态变化一定破坏分子间作用力吗?提示:不一定。有些物质不是由分子组成的,如氯化钠是由钠离子和氯离子组成的,所以三态变化时破坏的是离子键,不是分子间作用力。
学习任务二 氢键与物质性质任务驱动:什么原因会使水的沸点比H2S的沸点高,所以水在常温下呈液态,地球上才因此有了生命?又是什么原因使冰的密度比水的小,从而可以使冰浮在水面上,才保护了寒冷的冬季里水中生物的生命?1.氢键(1)概念:当氢原子与_______大的原子X以共价键结合时,氢原子与另一个_______大的原子Y之间的_____相互作用和一定程度的轨道重叠作用。
(2)表示形式①通常用________表示氢键,其中X—H表示氢原子和X原子以_______相结合。②氢键的键长是指X和Y间的距离,氢键的作用能是指X—H…Y分解为_____和__所需要的能量。(3)形成条件①氢原子位于X原子和Y原子之间。②X、Y原子所属元素具有很强的_______和很小的_________,主要是________。(4)分类:_______氢键和_______氢键。
(5)特征①氢键的作用能比范德华力的作用能大一些,但比化学键的键能_______。②氢键具有一定的_______和_______。2.氢键对物质性质的影响(1)当形成分子间氢键时,物质的熔、沸点将_____。(2)当形成分子内氢键时,物质的熔、沸点将_____。(3)氢键也影响物质的_____、_____等过程。
【做一做】(1)元素As与N同族。预测As的氢化物分子的立体结构为_________,其沸点比NH3的________(填“高”或“低”),其判断理由是____________。 答案:三角锥形 低 NH3分子间存在氢键(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__________________________________________.答案:苯胺分子间存在氢键
(3)共价键、离子键和范德华力都是微观粒子之间的不同作用力。下列物质:①Na2O2、②SiO2、③石墨、④金刚石、⑤CaCl2、⑥干冰,其中含有两种不同类型的作用力的是________________________________________________。 答案:①③⑥
探究任务一 范德华力、氢键及共价键的比较图片情境下图分别是卤素单质的熔、沸点变化和不同主族元素氢化物的沸点变化图。
二、【思考与探究】
【问题探究】1.卤族元素单质熔沸点发生这样变化的原因是什么?提示: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,克服分子间作用力使物质熔化和汽化就需要更多的能量,熔沸点越高。2.I2单质中存在几种作用力?当I2发生三态变化时破坏的是什么作用力?提示:I2单质中I2分子内有I—I共价键,I2分子间有范德华力。当I2发生三态变化时,由于I2分子间的范德华力比I—I共价键弱得多,因此克服范德华力所需的能量不足以破坏I—I共价键,仅仅是I2分子之间的作用力改变了,I—I共价键依然不变。
3.为什么HF、H2O、NH3均比同主族元素的气态氢化物的沸点高?提示:原因是它们的分子间除了范德华力外,还存在着氢键。4.任何物质的分子之间都一定存在分子间作用力吗?一定存在化学键吗?氢键呢?提示:任何物质的分子间一定存在分子间作用力,有些分子间存在氢键,但一定不存在化学键。有的分子内也可能存在氢键,如邻羟基苯甲醛,大部分分子内不存在氢键。
【探究总结】范德华力、氢键、共价键的比较
【典例】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是( )A.氢键、分子间作用力、非极性键B.氢键、氢键、极性键C.氢键、极性键、分子间作用力D.分子间作用力、氢键、非极性键
【解题指南】解答本题时要注意以下两点:(1)注意氢键存在时物质的状态;(2)如果发生了化学变化,一定有化学键的断裂和形成。【解析】选B。因为O的电负性较大,在雪花、水中存在O—H…O氢键,故在实现雪花→水→水蒸气的变化阶段主要破坏水分子间的氢键,而由水蒸气→氧气和氢气的过程中则破坏了O—H极性共价键。【易错提醒】(1)氢键与范德华力主要影响物质的物理性质,如熔点、沸点、溶解度等。化学键主要影响物质的化学性质,如物质的稳定性等。(2)氢键的作用能比范德华力的作用能大一些,比化学键的键能小得多。
【探究训练】1.(双选)化学探究小组通过学习和实验对范德华力总结了以下几点认识,你认为正确的是( )A.范德华力存在于所有分子之间B.范德华力是只对由分子构成的物质的物理性质产生影响C.Cl2相对于其他气体来说,是易液化的气体,由此可以得出结论,范德华力属于一种强作用力D.范德华力比较弱,但范德华力越强,物质的熔点和沸点越高
【解析】选B、D。范德华力其实质也是一种分子之间的电性作用,由于分子本身不显电性,因此范德华力比较弱,作用力较小。随着分子间距的增大,范德华力迅速减弱,所以范德华力作用范围很小,只有几pm。即只有当分子间距符合几pm时才能存在范德华力;范德华力只是影响由分子构成的物质的某些物理性质(如熔、沸点以及溶解度等)的因素之一;在常见气体中Cl2的相对分子质量较大,分子间范德华力较强,所以易液化,但相对于化学键,仍属于弱作用力。
2.(2020·青岛高二检测)下列有关物质的结构和性质的叙述错误的是( )A.水是一种非常稳定的化合物,这是由于水中存在O—HB.分子间作用力包括氢键和范德华力C.水、冰中都含氢键D.分子中一定有共价键,可能存在分子间作用力【解析】选D。水是一种稳定的化合物,是因为含有O—H共价键;水和冰中都存在氢键;分子中也有无共价键的,如稀有气体。
探究任务二 范德华力、氢键对物质性质的影响图片情境马王堆汉墓出土的帛画至今两千多年,上面的动物仍然栩栩如生。
【问题探究】1.我们知道丝绸织物洗涤以后容易变形,你知道是什么原因吗?提示:丝绸纤维是蛋白质组成的,蛋白质上氨基和羧基有机会形成氢键,丝绸在水洗和干燥的过程中氢键发生不可逆的改变,改变了蛋白质的结构。
2.氢键存在于哪些物质中?对物质性质有什么影响?提示:能形成氢键的物质相当广泛,在HF、H2O、NH3、无机含氧酸、有机羧酸、醇、胺、蛋白质以及某些合成的高分子化合物等物质的分子之间或分子内都存在氢键。分子间的氢键主要体现在不同物质之间相互溶解的溶解度上,比如HF的水溶液,分子间氢键也影响到H+的电解度。分子内氢键主要影响的是分子的稳定性,比如一些蛋白质分子、有机物之类的东西,氢键一旦形成,可以加强物质的稳定性,比如DNA分子之间的氢键。
【探究总结】1.范德华力对物质性质的影响(1)对物质熔点、沸点的影响:一般来说,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,物质的熔点、沸点通常越高。如熔点、沸点:I2>Br2>Cl2>F2,Rn>Xe>Kr>Ar>Ne>He。(2)对物质溶解性的影响:如在273 K、101 kPa时,氧气在水中的溶解度比氮气在水中的溶解度大,就是因为O2与水分子之间的作用力比N2与水分子之间的作用力大所导致的。(3)“相似相溶”原理:极性分子易溶于极性溶剂中(如HCl易溶于水中),非极性分子易溶于非极性溶剂中(如I2易溶于CCl4中,S易溶于CS2中)。
三、【拓展学习】
2.氢键对物质性质的影响(1)对物质熔点、沸点的影响。①某些氢化物分子间存在氢键,如H2O、NH3、HF等,会使同族氢化物沸点反常,如H2O>H2Te>H2Se>H2S。②当氢键存在于分子内时,它对物质性质的影响与分子间氢键对物质性质产生的影响是不同的。邻羟基苯甲醛的氢键存在于分子内部,对羟基苯甲醛的氢键存在于分子间,因此对羟基苯甲醛的熔点、沸点分别比邻羟基苯甲醛的熔点、沸点高。(2)对物质密度的影响:氢键的存在,会使某些物质的密度出现反常,如液态水变为冰,密度会变小。
(3)对物质溶解度的影响:溶剂和溶质之间存在氢键,溶解性好,溶质分子不能与水分子形成氢键,在水中溶解度就相对小。如NH3极易溶于水,甲醇、乙醇、乙酸等能与水以任意比混溶,就是因为它们与水形成了分子间氢键。(4)氢键对物质结构的影响:氢键的存在使一些物质具有一些特殊结构,如冰晶体的孔穴结构使体积膨胀。
【典例】化学探究学习活动中,B组同学提出的结论和A组同学给出的解释有对应关系且都正确的是( )A.Ⅰ ① B.Ⅱ ② C.Ⅲ ③ D.Ⅳ ④
【解题指南】解答本题注意以下两点:(1)分子的稳定性取决于共价键的稳定性。键能越大,键长越短,共价键越稳定,分子越稳定。(2)分子的熔、沸点取决于分子间作用力的大小,若有氢键,熔、沸点会反常升高。
【解析】选B。碘和氯属于同主族,碘的原子半径大于氯的原子半径,碘的非金属性弱于氯的非金属性,H—Cl键的键能大于H—I键的键能,HCl的稳定性大于HI的稳定性,A错误,B正确;HCl和HI结构相似,HI的范德华力大于HCl的范德华力,HI的熔、沸点要高于HCl的熔、沸点,D错误;H2S的结构和H2O的结构相似,但由于H2O分子间存在较强的氢键,所以H2O的熔、沸点高,C错误。
【方法规律】判断物质性质影响因素的解题流程(1)首先要弄清该性质是物理性质还是化学性质,然后找出其影响因素。(2)根据作用力的强弱分析物质性质的变化规律。如键能越大,键长越短,化学性质越稳定;相对分子质量越大,分子间作用力越强,熔、沸点越高。
【探究训练】1.(双选)下列事实,不能用氢键知识解释的是( )A.水和乙醇可以完全互溶B.氨容易液化C.干冰易升华D.碘化氢比氟化氢容易分解【解析】选C、D。水和乙醇的分子之间可形成氢键,所以可互溶;氨分子间容易形成氢键;C中干冰分子之间不存在氢键;碘化氢比氟化氢容易分解,是因为H—F共价键比H—I共价键牢固。
2.(2020·广州高二检测)下列事实与氢键有关的是( )A.水加热到很高的温度都难以分解B.水结成冰体积膨胀,密度变小C.CH4、SiH4、GeH4、SnH4熔点随相对分子质量增大而升高D.HF、HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱
【解析】选B。氢键是一种特殊的分子间作用力,非化学键,只影响物质的物理性质,不影响化学性质。水的分解破坏的是化学键,不是氢键,A错误;氢键具有方向性,氢键的存在迫使四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引,这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不高,留有相当大的空隙,所以水结成冰时,体积增大,密度变小。当冰刚刚融化为液态水时,热运动使冰的结构部分解体,水分子间的间隙减小,密度反而增大,B正确;CH4、SiH4、GeH4、SnH4的熔点随相对分子质量的增大而升高与范德华力有关,与氢键无关,C错误;HF、HCl、HBr、HI的热稳定性与F、Cl、Br、I的非金属性有关,非金属性越强,其氢化物越稳定,同一主族的元素,非金属性随着原子序数的增加而减小,所以其氢化物的热稳定性逐渐减弱,与氢键无关,D错误。
1.(2020·三明高二检测)下列叙述与范德华力无关的是( )A.气体物质加压或降温时能凝结或凝固B.熔、沸点高低:CH3CH3
【解析】选A、C。范德华力普遍存在,但氢键的存在并不普遍;氢键是一种较强的分子间作用力,它可以存在于分子之间,也可以存在于复杂的分子内部,如邻羟基苯甲醛分子 、水杨酸(邻羟基苯甲酸 )分子内都可以形成分子内氢键。
3.(2020·德州高二检测)下列说法中正确的是( )A.化学键的极性越大,键就越强B.凡能形成氢键的物质,其熔点、沸点比同类物质的熔点、沸点高C.CFH3分子中,既有H原子,又有电负性大、半径小的F原子,因此,CFH3分子间可以形成氢键D.稀有气体能在温度充分降低时液化,而且随相对分子质量的增大熔点升高
【解析】选D。A说法错误,影响化学键强度的因素很多,键的极性只是其中之一。B说法错误,分子内氢键使化合物的熔点、沸点降低。C说法错误,因为在CFH3分子中,是C—F和C—H间形成共价键,而在H与F之间并没有形成共价键,不符合形成氢键的条件,所以CFH3分子间不能形成氢键。D说法正确,稀有气体是非极性的单原子分子,分子间存在范德华力,所以在温度充分降低时液化,而且范德华力随着相对分子质量的增大而增大,所以熔点依次升高。
5.(2020·日照高二检测)在水中,水分子可彼此通过氢键形成(H2O)n的小集团。在一定温度下(H2O)n的n=5,每个水分子被4个水分子包围着形成四面体。当(H2O)n的n=5时,下列说法中正确的是( )A.(H2O)n是一种新的水分子B.(H2O)n仍保留着水的化学性质C.1 ml(H2O)n中有2个氢键D.1 ml(H2O)n中有4 ml氢键
【解析】选B。(H2O)n是H2O分子之间通过氢键结合而成的,氢键不属于化学键,因此(H2O)n不是一种新的分子,(H2O)n仍保留着水的化学性质。(H2O)n中每个氢原子分享到一个氢键,折合每摩尔水有2NA个氢键(NA为阿伏加德罗常数的值),当n=5时,1 ml(H2O)5所含氢键数相当于5 ml H2O分子含有的氢键数,应为10NA个。
6.(2020·济南高二检测)水是最常见的物质之一,是包括人类在内所有生命生存的重要资源;氧是地壳中含量最多的元素。(1)氧元素基态原子核外未成对电子数为________个。 (2)H2O分子内的O—H键、分子间的范德华力和氢键从强到弱依次为________. 的沸点比 高,原因是_________________。 (3)H+可与H2O形成H3O+,H3O+中O原子采用__________杂化。H3O+中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大,原因为_________________________________。
【解析】(1)氧原子核外有8个电子,其基态原子轨道表示式为所以氧元素基态原子核外未成对电子数为2个。(2)O—H键属于共价键,键能最大;分子间的范德华力和氢键均属于分子间作用力的范畴,但氢键要强于范德华力,所以它们从强到弱的顺序依次为O—H键、氢键、范德华力;氢键不仅存在于分子之间,有时也存在于分子内。 存在分子内氢键, 存在分子间氢键,分子间氢键的形成导致沸点升高。(3)依据价层电子对互斥理论知H3O+中O上的价层电子对数= ×(6+3×1-1)=4,孤电
子对数=4-3=1,因此H3O+中O原子采用的是sp3杂化,所以H3O+空间构型为三角锥形;同理可以计算出H2O中O原子上的价层电子对数= ×(6+2×1)=4,孤电子对数=4-2=2,因此排斥力较大,水中H—O—H键角较小。答案:(1)2 (2)O—H键>氢键>范德华力 易形成分子内氢键,而 易形成分子间氢键,分子间氢键使分子间作用力增大 (3)sp3 H2O中O原子上有2对孤电子对,H3O+中O原子上只有1对孤电子对,排斥力较小
7.(2020·池州高二检测)W、X、Y、Z四种元素的原子序数依次增大。其中Y原子的L电子层中,成对电子与未成对电子占据的轨道数相等,且无空轨道;X原子的L电子层中未成对电子数与Y相同,但还有空轨道;W、Z的原子序数相差10,且Z原子的第一电离能在同周期中最小。(1)写出下列元素的元素符号:W__________,X___________,Y________,Z________。 (2)XY分子中,X原子与Y原子都达到8电子稳定结构,则XY分子中X和Y原子用于成键的电子数目分别是________________;根据电子云重叠方式的不同,分子里共价键的主要类型有____________。
(3)XY2与ZYW反应时,通过控制反应物的物质的量之比,可以得到不同的产物,相同条件下,在水中溶解度较小的产物是________________(填化学式),其原因是该化合物阴离子间可形成二聚离子或多聚链状离子。该化合物阴离子能够相互缔合的原因是________________________________________________。
【解析】(1)根据Y原子的L电子层中,成对电子与未成对电子占据的轨道数相等,且无空轨道,可知Y原子的核外电子排布式为1s22s22p4,即为氧(O)元素。X原子的L电子层中未成对电子数与Y相同,但还有空轨道,可知X原子的核外电子排布式为1s22s22p2,即为碳(C)元素。W、Z的原子序数相差10,且Z原子的第一电离能在同周期中最小(处于第ⅠA族),W、X、Y、Z四种元素的原子序数依次增大,可知W为氢元素、Z为钠元素。(2)CO分子中,要使C原子与O原子都达到8电子稳定结构,则CO分子的电子式可表示为 ,其中C原子和O原子用于成键的电子数目分别是2和4;分子里共价键的主要类型有σ键和π键。
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