高中化学第三节 分子结构与物质的性质第2课时导学案

基础课时9　氢键　溶解性　分子的手性

一、氢键及其对物质性质的影响

1．氢键的概念及表示方法

(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)之间的作用力。

(2)表示方法：

氢键的通式可用X—H…Y—表示。式中X和Y为F、O、N，“—”表示共价键，“…”表示形成的氢键。

微点拨：一般来说，能形成氢键的元素有N、O、F。所以氢键一般存在于含N—H、H—O、H—F的物质中，或有机化合物中的醇类和羧酸类等物质中。

2．氢键的特征

(1) 氢键不是化学键，而是特殊的分子间作用力，其键能比化学键弱，比范德华力强。

(2)氢键具有一定的方向性和饱和性

X—H与Y形成分子间氢键时，氢原子只能与一个Y原子形成氢键，3个原子总是尽可能沿直线分布，这样可使X与Y尽量远离，使两原子间电子云的排斥作用力最小，体系能量最低，形成的氢键最强、最稳定 (如下图)。

3．氢键的类型

(1)分子间氢键，如水中O—H…O—。

(2)分子内氢键，如。

4．氢键对物质性质的影响

(1)当形成分子间氢键时，物质的熔、沸点将升高。

(2)当形成分子内氢键时，物质的熔、沸点将下降。

(3)氢键也影响物质的电离、溶解等过程。

　(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)氢键是一种特殊的化学键，它广泛存在于自然界中。 (×)

(2)形成氢键一定会使物质的熔、沸点升高。 (×)

(3)由于氢键的存在，冰才能浮在水面上。 (√)

(4)氢键的存在决定了水分子中氢氧键的键角大小。 (×)

　甲酸可通过氢键形成二聚物，HNO3可形成分子内氢键。试在下图中画出氢键。

[解析]　依据氢键的表示方法及形成条件画出。

[答案]　

二、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；而萘和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，溶解性越好。

(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，其溶解性越大。如乙醇与水互溶，而戊醇在水中的溶解度明显减小。

(4)溶质是否与水反应：溶质与水发生反应，溶质的溶解度会增大。如SO2与水反应生成的H2SO3可溶于水，故SO2的溶解度增大。

　有机溶剂都是非极性溶剂吗？

提示：有机溶剂大多数是非极性溶剂，如CCl4、C6H6等，但也有少数的极性溶剂，如酒精。

　碘单质在水中的溶解度很小，但在CCl4中的溶解度很大，这是因为(　　)

A．CCl4与I2相对分子质量相差较小，而H2O与I2的相对分子质量相差较大

B．CCl4与I2都是直线形分子，而H2O不是直线形分子

C．CCl4与I2中都不含氢元素，而H2O中含有氢元素

D．CCl4和I2都是非极性分子，而H2O是极性分子

D　[根据“相似相溶”原理：极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂，难溶于非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，难溶于极性分子组成的溶剂。CCl4和I2都是非极性分子，而H2O是极性分子，所以碘单质在水中的溶解度很小，在CCl4中的溶解度很大。]

三、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(或对映异构体)。

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。

　有机物

具有手性，其与H2发生加成反应后，其产物还有手性吗？

提示：原有机物中与—OH相连的碳原子为手性碳原子，与H2加成后，该碳原子连有两个乙基，不再具有手性。

材料1

材料2

[问题1]　通电情况下水的分解过程中化学键有哪些变化？

提示：H2O中O—H断裂，生成H原子和O原子；H原子间结合成H2分子，形成H—H；O原子间结合形成O2分子，形成O===O。

[问题2]　冰融化成水的过程中是否存在化学键的变化？是否存在能量的变化？分子间作用力是否有变化？

提示：没有化学键的变化；存在能量的变化；分子间作用力有变化。冰融化成水的过程中存在氢键和范德华力的变化，故存在能量变化。

[问题3]　常温下CCl4是液体，CF4是气体，CI4是固体，为什么？

提示：CF4、CCl4、CI4分子均是正四面体结构，分子间不存在氢键，它们的分子间作用力随相对分子质量的增大而增大。

范德华力、氢键、化学键的比较

1．(2021·福建福州期中)下列说法不正确的是(　　)

A．HCl、HBr、HI的熔、沸点依次升高与范德华力大小有关

B．H2O的熔、沸点高于H2S的熔、沸点是因为H2O分子间存在氢键

C．可燃冰中，甲烷分子与水分子间可形成氢键

D．白酒中，乙醇分子和水分子间存在范德华力和氢键

C　[HCl、HBr、HI的组成和结构相似，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高，A项正确；由于H2O分子间存在氢键，融化和汽化都需要克服氢键，所以氢键的存在使H2O的熔、沸点比H2S的高，B项正确；氢键是由已经与电负性很大的原子形成共价键的H原子与另一个电负性很大的原子之间的作用力，可燃冰的组成为CH4·8H2O，CH4中C原子的电负性较小，所以CH4和H2O间不能形成氢键，C项错误；乙醇分子和水分子间存在氢键和范德华力，D项正确。]

2．水分子间存在一种叫“氢键”的作用(介于范德华力与化学键之间)彼此结合而形成(H2O)n。在冰中每个水分子被4个水分子包围形成变形的四面体，通过“氢键”相互连接成庞大的分子晶体。

(1)1 mol冰中有________mol“氢键”。

(2)水分子可电离生成两种含有相同电子数的粒子，其电离方程式为：_________________________________________________________________。

已知在相同条件下双氧水的沸点明显高于水的沸点，其可能的原因是________________________________________________________________。

[解析]　　(1)每个水分子与相邻的4个水分子形成氢键，故每个水分子形成的氢键数为4/2＝2。

[答案]　(1)2　(2)H2O＋H2OH3O＋＋OH－　双氧水分子之间存在更强烈的氢键

(1)氢键对物质熔、沸点的影响：分子间存在氢键的物质，物质的熔、沸点明显高，如NH3>PH3；同分异构体分子间形成氢键的物质比分子内形成氢键的物质熔、沸点高，如邻羟基苯甲酸<对羟基苯甲酸。

(2)氢键对物质溶解度的影响：溶剂和溶质之间形成氢键使溶质的溶解度增大，如NH3、甲醇、甲酸等易溶于水。

(3)氢键对物质密度的影响：氢键的存在会使某些物质的密度反常，如水的密度比冰的密度大。

(4)氢键对物质电离性质的影响：如邻苯二甲酸的电离平衡常数Ka1与对苯二甲酸的电离平衡常数Ka1相差较大。

“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。例如：

[问题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。

[问题2]　互为手性分子的物质化学性质几乎完全相同，分析其原因。

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。

1．手性分子的判断

有机物分子具有手性是由于其分子中含有手性碳原子。如果1个碳原子所连接的4个原子或基团各不相同，那么该碳原子为手性碳原子，用*C来表示。如，R1、R2、R3、R4是互不相同的原子或基团。所以，判断一种有机物是否为手性分子，就看其含有的碳原子是否连有4个不同的原子或基团。

2．手性合成

生产手性药物必须把手性异构体分离开，因为对于手性药物，一个手性异构体往往能治病、没有毒副作用，而另一个可能是无效甚至是有害的。按照获得2001年诺贝尔化学奖的三位科学家的合成方法，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。手性催化剂只催化或者主要催化一种手性分子的合成。手性分子在生命科学和药物生产方面有广泛的应用。手性合成是当代化学的热点之一，是21世纪化学研究的重要领域。

3．下列有机物分子具有手性异构体的是(　　)

A．CH4 B．CH3CH2OH

C． D．CH3COOH

C　[只有C项中分子存在手性异构体，中标有“*”的碳原子是手性碳原子，其余碳原子不是手性碳原子。]

4．有机物有手性，发生下列反应后，分子仍有手性的是(　　)

①与H2发生加成反应　②与乙酸发生酯化反应

③发生水解反应

A．①②　　B．②③　　C．①③　　D．①②③

B　[原有机物中与—OH相连的碳原子为手性碳原子，与H2发生加成反应后，该碳原子上连有两个乙基，不再具有手性；与乙酸发生酯化反应后，该碳原子所连4个取代基不同，仍具有手性；发生水解反应后，该碳原子所连4个取代基也不同，仍具有手性。]

1．图中每条折线表示ⅣA～ⅦA族中的某族元素的简单氢化物的沸点变化情况。每个小黑点代表一种氢化物，其中a点代表的是(　　)

A．H2S　　　B．HCl　　　C．PH3　　　D．SiH4

D　[N、O、F三种元素的简单氢化物分子间存在氢键，从而使其沸点为同主族中最高或较高，则可判断出a点所在的折线代表第ⅣA族元素简单氢化物沸点的变化情况，它们的分子通式是RH4，根据组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，范德华力越大，分子的熔、沸点越高，可推断出a点代表的是SiH4，故选D。]

2．下列每组物质都能形成分子间氢键的是(　　)

A．HClO4和H2SO4 B．CH3COOH和H2Se

C．C2H5OH和NaOH D．H2O2和HI

A　[HClO4和H2SO4可形成分子间氢键，A正确；Se的非金属性较弱，H2Se不能形成分子间氢键，B错误；NaOH是离子化合物，不能形成分子间氢键，C错误；HI中碘元素非金属性较弱，不能形成分子间氢键，D项错误。]

3．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)。其分子中手性碳原子的个数为(　　)

A．1  B．2  C．3  D．4

C　[由图中的分子结构模型可以看出莽草酸的结构简式为，故连有羟基的三个碳原子都是手性碳原子。]

4．将几种物质在水和四氯化碳中的溶解情况填入下表：

其原因是_________________________________________________。

[解析]　分析题给物质和溶剂的分子极性可知，葡萄糖、磷酸、水是极性分子，而碘、苯、四氯化碳是非极性分子。根据“相似相溶”规律，可得出结论。

[答案]　(1)易溶　易溶　难溶　难溶　(2)难溶　难溶　易溶　易溶　根据“相似相溶”规律，极性溶质易溶于极性溶剂，非极性溶质易溶于非极性溶剂

5．(1)铜与类卤素(SCN)2反应生成Cu(SCN)2,1 mol(SCN)2中含有π键的数目为__________；类卤素(SCN)2对应的酸有两种，理论上硫氰酸(H—S—C≡N)的沸点低于异硫氰酸(H—N===C===S)的沸点，其原因是__________________________________________________________________。

(2)H2O2与H2O可以任意比例互溶，除因为它们都是极性分子外，还因为________________________________________________________________。

(3)乙二胺(H2N—CH2—CH2—NH2)分子中氮原子的杂化类型为__________；乙二胺和三甲胺[N(CH3)3]均属于胺，但乙二胺比三甲胺的沸点高得多，原因是__________________________。

[解析]　(1) (SCN)2  的结构式为N≡C—S—S—C≡N，单键为σ键，三键中含有1个σ键、2个π键，故1 mol(SCN)2中含有π键的数目为2.408×1024；异硫氰酸分子间可形成氢键，而硫氰酸分子间不能形成氢键，故异硫氰酸的沸点较高。(2)H2O2与H2O分子之间可以形成氢键，从而使H2O2溶解度增大。(3)乙二胺(H2N—CH2—CH2—NH2)中N原子形成3个σ键，含1对孤电子对，价层电子对数为4，采取sp3杂化；乙二胺(H2N—CH2—CH2—NH2)分子之间可以形成氢键，三甲胺[N(CH3)3]分子之间不能形成氢键，故乙二胺的沸点较高。

[答案]　(1)2.408×1024　异硫氰酸分子间可形成氢键，而硫氰酸分子间不能形成氢键

(2)H2O2与H2O分子之间可以形成氢键

(3)sp3　乙二胺分子之间可以形成氢键，三甲胺分子之间不能形成氢键