人教版高中化学选择性必修2第二章分子结构与性质第三节第1课时共价键的极性学案

第三节　分子结构与物质的性质
第1课时　共价键的极性
[课程标准]　1.知道共价键可分为极性键和非极性键。　2.知道分子可以分为极性分子和非极性分子，了解分子极性与分子中键的极性、分子的空间结构密切相关。　3.根据分子结构特点和键的极性来判断分子的极性，并据此对分子的一些典型性质及其应用作出解释。
任务一　键的极性和分子的极性
某研究性学习小组通过实验探究分子的极性，实验操作如下：
①在酸式滴定管中加入四氯化碳，打开活塞让四氯化碳缓缓流下，可看到四氯化碳呈直线状垂直流入烧杯中。
②将毛皮摩擦过的橡胶棒(带负电)靠近四氯化碳液流，观察到四氯化碳的流动方向不变。
③向另一酸式滴定管中加入蒸馏水，进行同样的实验，观察到水的流动方向发生改变。
问题1：通过上述实验操作及现象，你可以得出什么结论？
问题2：分析CCl4和H2O分子中的化学键是极性键还是非极性键，并结合分子结构的对称性判断是极性分子还是非极性分子。
提示：问题1：水分子中存在着带正电荷的正极和带负电荷的负极，能被带电体吸引；四氯化碳分子中无正极和负极之分，不能被带电体吸引。
问题2：CCl4：含有极性键，分子结构对称，非极性分子；H2O：含有极性键，分子结构不对称，极性分子。
1．键的极性
分类 极性共价键 非极性共价键
成键原子 不同元素的原子 同种元素的原子
电子对 发生偏移 不发生偏移
成键原子 的电性 一个原子呈正电性(δ＋) 一个原子呈负电性(δ－) 呈电中性
2.分子的极性
(1)极性分子正电中心和负电中心不重合；键的极性的向量和不为零。
(2)非极性分子正电中心和负电中心重合；键的极性的向量和等于零。
3．键的极性与分子极性之间的关系
(1)只含非极性键的分子一定是非极性分子。
(2)含有极性键的分子，如果分子中各个键的极性的向量和等于零，则为非极性分子，否则为极性分子。
(3)极性分子中一定有极性键，非极性分子中不一定含有非极性键。例如CH4是非极性分子，只含有极性键。含有非极性键的分子不一定为非极性分子，如H2O2是含有非极性键的极性分子。
1．正误判断，错误的说明原因。
(1)以非极性键结合起来的双原子分子一定是非极性分子。
答案：正确。
(2)以极性键结合起来的分子一定是极性分子。
答案：错误，以极性键结合起来的分子不一定是极性分子，若分子空间结构对称，正电中心、负电中心重合，就是非极性分子，如CH4、CO2、CCl4、CS2等。
(3)非极性分子只能是双原子单质分子。
答案：错误，CO2、CCl4等分子都是非极性分子，但都不是双原子单质分子。
(4)非极性分子中，一定含有非极性键。
答案：错误，非极性分子中不一定含有非极性键，如CH4、CO2等。
(5)含有非极性键的分子一定是非极性分子。
答案：错误，含有非极性键的分子如果空间结构不对称，正电中心与负电中心不重合，则为极性分子，如H2O2。
2．①NH3；②CO2；③SiCl4；④BF3；⑤C2H4；⑥H2O2；⑦Cl2；⑧P4；⑨H2S。
(1)含极性共价键的非极性分子：______________(填序号，下同)。
(2)含非极性共价键的非极性分子：__________。
(3)含极性共价键的极性分子：__________。
答案：(1)②③④⑤　(2)⑤⑦⑧　(3)①⑥⑨　
解析：NH3中存在N—H键，CO2中存在C===O键，SiCl4中存在Si—Cl键，BF3中存在B—F键，C2H4中存在C===C非极性共价键和C—H键，H2O2中存在O—O非极性共价键和O—H键，Cl2中存在Cl—Cl非极性共价键，P4为正四面体结构存在P—P非极性共价键，H2S中存在H—S键，据此答题。
(1)含极性共价键的非极性分子为CO2、SiCl4、BF3、C2H4，符合条件的非极性分子为②③④⑤；(2)含非极性共价键的非极性分子为C2H4、Cl2、P4，符合条件的含非极性共价键的非极性分子为⑤⑦⑧；(3)含极性共价键的极性分子为NH3、H2O2、H2S，符合条件的含极性共价键的极性分子为①⑥⑨。
归纳总结
键的极性和分子极性的关系
　　
任务二　键的极性对化学性质的影响
羧酸是一大类含羧基(—COOH)的有机酸，羧基可电离出H＋而呈酸性。羧酸的酸性可用pKa的大小来衡量，pKa越小，酸性越强。阅读教材不同羧酸的pKa，讨论交流：
问题1：为什么甲酸、乙酸、丙酸的酸性逐渐减弱？
问题2：为什么三氯乙酸的酸性强于二氯乙酸的酸性？
问题3：硫酸、磷酸的结构简式分别为，它们的酸性强弱是怎样的？
提示：问题1：烷基是推电子基团，烷基越长推电子效应越大，使羧基中的羟基的极性越小，羧酸的酸性越弱。所以，甲酸的酸性大于乙酸的，乙酸的酸性大于丙酸的……随着烷基加长，酸性的差异越来越小。
问题2：由于Cl3C—比Cl2CH—多一个氯原子，使Cl3C—的极性大于Cl2CH—的极性，导致三氯乙酸的羧基中的羟基的极性更大，更易电离出氢离子。
问题3：非羟基氧原子的吸电子效应使O—H极性增强，更容易电离出H＋，非羟基氧原子数越多，分子的酸性越强，故硫酸的酸性强于磷酸。
1．酸性强弱的表示方法
羧酸的酸性强弱与其分子的组成和结构有关，羧酸的酸性可用pKa表示，pKa＝－lg Ka，pKa越小，酸性越强。其中Ka为弱酸的电离常数，不同羧酸pKa如下：
羧酸 pKa
丙酸(C2H5COOH) 4.88
乙酸(CH3COOH) 4.76
甲酸(HCOOH) 3.75
氯乙酸(CH2ClCOOH) 2.86
二氯乙酸(CHCl2COOH) 1.29
三氯乙酸(CCl3COOH) 0.65
三氟乙酸(CF3COOH) 0.23
2.两点结论
(1)三氟乙酸的酸性大于三氯乙酸，这是由于氟的电负性大于氯的电负性，F—C的极性大于Cl—C的极性，使F3C—的极性大于Cl3C—的极性，导致三氟乙酸的羧基中的羟基的极性更大，更易电离出H＋。
(2)烷基是推电子基团，烷基越长推电子效应越大，使羧基中羟基的极性越小，羧酸的酸性越弱，所以甲酸、乙酸、丙酸……随着烷基加长，酸性逐渐减弱。
1．正误判断，错误的说明原因。
(1)由酸性：FCH2COOH>CH3COOH，可知酸性：ClCH2COOH>CH3COOH。
答案：正确。
(2)室温下，酸性：CH3COOH＞CF3COOH。
答案：错误，分子中存在强吸电子基团，能使—OH上的H原子活泼性增强而使该物质的酸性增强，三氟乙酸中，氟的电负性最大，吸引电子的能力强，而且数量多，所以室温下，酸性：CH3COOH(3)氟的电负性大于氯的电负性，导致三氟乙酸的酸性大于三氯乙酸的酸性。
答案：正确。
(4)无机含氧酸分子中所含氧原子个数越多，酸性越强。
答案：错误，无机含氧酸分子中非羟基氧原子个数越多，酸性越强。
(5)酸性：CCl3COOH＞CHCl2COOH＞CH3COOH是因为Cl原子为吸电子基团，使得羟基O—H键极性增强，易电离出H＋。
答案：正确。
2．CH3COOH是一种弱酸，而氯乙酸(ClCH2COOH)的酸性强于CH3COOH，这是因为—Cl是一种强吸电子基团，能使—OH上的H原子具有更大的活泼性；有的基团属于推电子基团，能减弱—OH上H原子的活泼性；这些作用统称为“诱导效应”。试依据上述规律填空：
(1)HCOOH显酸性，而H2O显中性，这是由于HCOOH分子中存在________(填“吸”或“推”)电子基团，这种基团是________。
(2)CH3COOH的酸性弱于HCOOH，这是由于CH3COOH分子中存在________(填“吸”或“推”)电子基团，这种基团是________。
(3)—C6H5属于吸电子基团，故C6H5COOH的酸性比CH3COOH的酸性________(填“强”或“弱”)。
(4)下列酸中：CF3COOH、CCl3COOH、CHCl2COOH，CH2ClCOOH，酸性最强的是________。
答案：(1)吸　—CHO　(2)推　—CH3　(3)强
(4)CF3COOH
解析：(1)HCOOH显酸性，H2O显中性，说明HCOOH分子中存在强吸电子基团，能使—OH上的H原子活泼性增强而使该物质的酸性大于水，HCOOH中含有—CHO，属于强吸电子基团。
(2)CH3COOH的酸性弱于HCOOH，说明CH3COOH分子中存在推电子基团，能减弱—OH上H原子的活泼性而使该物质的酸性减弱，CH3COOH中含有—CH3，—CH3属于推电子基团。
(3)—C6H5属于吸电子基团，—CH3属于推电子基团，故C6H5COOH的酸性比CH3COOH的酸性强。
归纳总结
无机含氧酸分子的酸性
1．无机含氧酸可写成(HO)mROn，如果成酸元素R相同，则n值越大，酸性越强，如HClO2．非羟基氧原子数目越多，酸性越强。　　
1．下列无机含氧酸分子中酸性最强的是(　　)
A．HNO2 B．H2SO4
C．HClO4 D．H3PO4
答案：C
解析：同一周期元素，元素非金属性随着原子序数增大而增强，同一主族元素，元素非金属性随着原子序数增大而减弱，元素的非金属性越强，其最高价氧化物对应的水化物酸性越强，但O、F元素除外，N、P、S、Cl四种元素，非金属性最强的是Cl元素，其最高价氧化物对应的水化物是HClO4，所以HClO4的酸性最强。故选C。
2．在我国南海300～500 m深的海底存在着大量的“可燃冰”，其主要成分为甲烷水合物。在常温、常压下它会分解成水和甲烷，因而得名。下列关于甲烷和水这两种分子极性的描述正确的是(　　)
A．两种分子都是极性分子
B．两种分子都是非极性分子
C．CH4是极性分子
D．H2O是极性分子，CH4是非极性分子
答案：D
解析：水是V形结构，是极性分子，甲烷是正四面体结构，是非极性分子。
3．两种非金属元素A、B所形成的下列分子中一定属于极性分子的是(　　)
A． B．B—A—B
C． D．
答案：D　
解析：A项，如果是甲烷，则为正四面体结构，属于非极性分子；B项，如果是呈直线形的BeCl2，则为非极性分子；C项，如果是BF3，则呈平面三角形，属于非极性分子；D项，呈三角锥形，一定属于极性分子。
4. CO2的资源化利用是解决温室效应的重要途径。
(1)以下是在一定条件下用NH3捕获CO2生成重要化工产品三聚氰酸的反应：
NH3＋CO2―→＋H2O　(未配平)
①三聚氰酸的分子式为________。该分子中C原子的杂化方式为________。
②三聚氰酸分子中碳原子与氮原子形成的是________(填“极性”或“非极性”，下同)键。三聚氰酸属于________分子。
(2)近年来，利用电化学催化方法进行CO2转化的研究引起了世界范围内的高度关注。如图是以Cu作为催化剂时CO2转化为甲酸的反应过程。
①过程Ⅱ和Ⅲ分别形成了________和________(填结构简式)极性键。
②CO2和HCOOH中均含有________(填“极性”或“非极性”，下同)键。HCOOH属于________分子。
③每1 mol CO2完全转化为甲酸需得到________ mol电子。
答案：(1)①C3H3N3O3　sp2　②极性　非极性
(2)①O—H　C—H　②极性　极性　③2
解析：(1)①该分子中C与N形成双键，则采取sp2杂化。②碳原子与氮原子间形成极性键。三聚氰酸分子各键排列对称，为非极性分子。(2)③CO2转化为甲酸时，碳元素由＋4价变为＋2价，故1 mol CO2完全转化为甲酸需得到2 mol电子。
课时测评11　共价键的极性
(本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！)
题点一　键的极性和分子的极性
1．下列各组分子中，按共价键极性由强到弱排序正确的是(　　)
A．HF　H2O　NH3　CH4
B．CH4　NH3　H2O　HF
C．H2O　HF　CH4　NH3
D．HF　H2O　CH4　NH3
答案：A
解析：共价键极性的强弱取决于形成共价键的两原子的电负性，其电负性相差越大，形成的共价键极性越强。
2．下列分子中，含有极性键和非极性键的是(　　)
A．H2S B．N2
C．CS2 D．H2O2
答案：D
解析：A项，H2S分子中只含有H—S极性共价键，错误；B项，N2分子中只含有氮氮非极性共价键，错误；C项，CS2分子中只含有碳硫极性共价键，错误；D项，H2O2分子中含有氧氢极性共价键和氧氧非极性共价键，正确。
3．下列各组物质中，属于由极性键构成的极性分子的是(　　)
A．NH3和H2S B．CH4和Br2
C．BF3和CO2 D．BeCl2和HCl
答案：A
解析：NH3含有极性键，空间结构为三角锥形，分子中正、负电荷的中心不重合，属于极性键形成的极性分子；H2S为V形，分子中正、负电荷的中心不重合，且含有极性键，属于极性键形成的极性分子，满足条件，故A正确。CH4含极性键，空间结构为正四面体形，分子中正、负电荷的中心重合，属于极性键形成的非极性分子；Br2含有非极性键，为非极性键形成的非极性分子，不满足条件，故B错误。BF3分子中含有极性键，空间结构为平面三角形，结构对称，正、负电荷的中心重合，属于非极性分子；CO2中含有极性键，但结构对称，正、负电荷的中心重合，属于非极性分子，故C错误。BeCl2中正、负电荷的中心是重合的，为非极性分子；HCl为极性键形成的极性分子，故D错误。故答案选A。
4．下列分子是非极性分子且中心原子采取sp2杂化的是(　　)
A．CS2 B．NH3
C．SO2 D．SO3
答案：D
解析：A项，CS2分子中中心原子C原子价层电子对数是2＋×(4－2×2)＝2，中心原子C原子上无孤电子对，因此中心原子C原子采用sp杂化，分子呈直线形，分子结构中正、负电荷中心重合，因此是非极性分子，不符合题意；B项，NH3分子中中心原子N原子价层电子对数是3＋×(5－3×1)＝4，中心原子N原子上有1个孤电子对，因此中心原子N原子采用sp3杂化，分子属于极性分子，不符合题意；C项，SO2分子中中心原子S原子价层电子对数是2＋×(6－2×2)＝3，中心原子S原子上有1个孤电子对，因此中心原子S原子采用sp2杂化，分子呈V形，属于极性分子，不符合题意；D项，SO3分子中中心原子S原子价层电子对数是3＋×(6－3×2)＝3，中心原子S原子上无孤电子对，因此中心原子S原子采用sp2杂化，分子呈平面三角形，属于非极性分子，符合题意。
5．下列叙述正确的是(　　)
A．NH3是极性分子，分子中氮原子是在3个氢原子所组成的三角形的中心
B．CCl4是非极性分子，分子中碳原子处在4个氯原子所组成的正方形的中心
C．H2O是极性分子，分子中氧原子不处在2个氢原子所连成的直线的中央
D．CO2是非极性分子，分子中碳原子不处在2个氧原子所连成的直线的中央
答案：C
题点二　有机酸的酸性强弱判断
6．(2023·天津南开高二校考期末)下列羧酸中酸性最弱的是(　　)
A．HCOOH B．CH3COOH
C．CH2ClCOOH D．CHCl2COOH
答案：B
解析：烷基是推电子基团，导致羧基中O—H的极性减小，电离氢离子能力减弱，酸性减小，故酸性：HCOOH＞CH3COOH；Cl的电负性比H大，C—Cl的极性大于C—H，导致羧基中O—H的极性增大，电离氢离子能力增强，酸性增强，C原子数相同时，Cl原子越多，酸性越强，故酸性：CHCl2COOH＞CH2ClCOOH＞CH3COOH，故酸性最弱的是CH3COOH，B项符合题意。
7. 数据是科学推理中的重要证据，由下表中的数据，所得推论正确的是(　　)
羧酸 pKa＝－lgKa
丙酸(C2H5COOH) 4.88
乙酸(CH3COOH) 4.76
甲酸(HCOOH) 3.75
氯乙酸(CH2ClCOOH) 2.86
二氯乙酸(CHCl2COOH) 1.29
三氯乙酸(CCl3COOH) 0.65
三氟乙酸(CF3COOH) 0.23
A．相同浓度下，乙酸的酸性一定强于氯乙酸
B．烷基是吸电子基团，烷基越长，吸电子效应越大，使羧基中的羟基的极性越小，羧酸的酸性越弱
C．卤素原子是推电子基团，卤素原子使得羧基中羟基的极性变小，导致二氯乙酸的酸性强于氯乙酸
D．氟原子的电负性大于氯原子，使F3C—的极性大于Cl3C—的极性，使三氟乙酸羧基中羟基的极性增大，导致三氟乙酸容易电离出氢离子
答案：D
解析：A项，由表可知电离平衡常数Ka(CH3COOH)＝10－4.76，Ka(CH2ClCOOH)＝10－2.86，电离平衡常数越大电离程度越大，则相同浓度下，氯乙酸的酸性强于乙酸，错误；B项，烷基为推电子基团，碳原子数越多，推电子能力越强，则酸性越弱，故酸性有：甲酸＞乙酸＞丙酸，错误；C项，卤素原子为吸电子基团，卤素元素电负性越大，吸电子能力越强，故酸性：二氯乙酸＞氯乙酸，错误；D项，电负性越大吸引电子能力越强，F的电负性大于Cl，则F—C极性大于Cl—C的极性，F元素吸引电子能力较大导致F3C—C极性大于Cl3C—C的极性，则三氟乙酸的羧基中的羟基的极性更大，更易电离出氢离子，所以三氟乙酸的酸性较强，正确。
题点三　无机酸的酸性强弱判断
8．已知含氧酸可用通式(HO)nXOm来表示，如X是S，则m＝2，n＝2，这个式子就表示H2SO4。一般而言，该式中m大的是强酸，m小的是弱酸。下列各含氧酸中酸性最强的是(　　)
A．HClO4 B．H2SeO3
C．H3BO3 D．H3PO4
答案：A　
解析：根据题目所给通式，HClO4表示为(HO)ClO3，m＝3；H2SeO3表示为(HO)2SeO，m＝1；H3BO3表示为(HO)3B，m＝0；H3PO4表示为(HO)3PO，m＝1。HClO4的m值最大，酸性最强。
9．由徐光宪院士发起院士学子同创的《分子共和国》科普读物生动形象地戏说了BF3、NH3、H2S、O3、CH3COOH、SOCl2等众多“分子共和国”中的明星。下列说法正确的是(　　)
A．键角：NH3＜BF3
B．酸性：CH3COOH＞CF3COOH
C．SOCl2分子()中只存在σ键，不存在π键
D．H2S、O3分子的空间结构均为直线形，且均为非极性分子
答案：A
解析：A项，NH3中的N为sp3杂化，BF3中的B为sp2杂化，故键角：NH3＜BF3，正确；B项，氟的电负性较强，使O—H的极性增强，更易电离出氢离子，故酸性：CH3COOH＜CF3COOH，错误；C项，该分子中含有两个S—Cl键和一个S===O键，单键是σ键，双键中有一个σ键和一个π键，错误；D项，H2S、O3分子的空间结构均为V形，均为极性分子，错误。
10. 硫—氮化合物是现代无机化学研究的热点之一。如图是已经合成的某硫—氮化合物(S4N4)的分子结构。下列有关该物质的说法正确的是(　　)
A．其分子中各原子最外层都达到了8电子稳定结构
B．其分子中只含极性键
C．其分子是非极性分子
D．其与化合物S2N2互为同素异形体
答案：A
解析：硫原子最外层有6个电子，若形成两个共价单键，则达到8电子稳定结构，氮原子最外层有5个电子，若形成3个共价单键，则达到8电子稳定结构，据图可知，A项正确；该物质的分子中既含S—N极性键，也含N—N非极性键，B项错误；该分子正、负电中心不重合，属于极性分子，C项错误；同素异形体描述的对象是单质，而不是化合物，D项错误。11. S2Cl2是橙黄色液体，少量泄漏会产生有窒息性的气体，喷水雾可减慢挥发，并产生酸性悬浊液，其分子结构如图所示。下列关于S2Cl2的说法错误的是(　　)
A．为非极性分子
B．分子中既含有极性键，又含有非极性键
C．与S2Br2结构相似
D．分子中S—Cl键的键能大于S—S键的键能
答案：A
解析：A项，从S2Cl2分子的空间结构可知，该分子空间结构不对称，为极性分子，错误；B项，S2Cl2中Cl—S键属于极性键，S—S键属于非极性键，正确；C项，同主族元素的结构相似，正确；D项，氯原子半径小于硫原子半径，键长越短键能越大，所以分子中S—Cl键的键能大于S—S键的键能，正确。
12．已知，极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂。PtCl2(NH3)2可以形成两种固体，一种为淡黄色，在水中的溶解度较小，另一种为黄绿色，在水中的溶解度较大。请回答下列问题：
(1)PtCl2(NH3)2的结构是______________(填“平面四边形”或“四面体形”)。
(2)淡黄色固体物质由__________(填“极性分子”或“非极性分子”，下同)组成，黄绿色固体物质由__________组成。
(3)请在以下横线上画出这两种固体分子的空间结构图：淡黄色固体：____________________，黄绿色固体：____________________。
答案：(1)平面四边形　(2)非极性分子　极性分子
(3) 　
解析：(1)由于PtCl2(NH3)2存在两种同分异构体，所以是平面四边形结构。
(3)因为水是极性分子，所以淡黄色固体是非极性分子，黄绿色固体是极性分子，因此空间结构图分别是。
13．20世纪60年代，美国化学家鲍林提出了一个经验规则：设含氧酸的化学式为HnROm，其中(m－n)为非羟基氧原子数。鲍林认为含氧酸的酸性强弱与非羟基氧原子数(m－n)的关系如下表：
m－n 0 1 2 3
含氧酸酸性强弱 弱 中强 强 很强
实例 HClO H3PO4 HNO3 HClO4
试简要回答下列问题：
(1)按此规则判断，H3AsO4、H2CrO4、HMnO4酸性由弱到强的顺序为__________________。
(2)H3PO3和H3AsO3的形式一样，但酸性强弱相差很大。已知H3PO3为中强酸，H3AsO3为弱酸，试推断H3PO3和H3AsO3的分子结构：____________________。
(3)按此规则判断碳酸应属于________酸，与通常认为的碳酸的强度是否一致？__________，其可能的原因是____________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案：(1)H3AsO4(2)
(3)中强　不一致　溶于水的那部分CO2不能完全转化为H2CO3
解析：(1)根据题中非羟基氧原子数与酸性强弱的关系可得：
酸 H3AsO4 H2CrO4 HMnO4
m－n 1 2 3
酸性：H3AsO4(3)H2CO3中非羟基氧原子数为1，应为中强酸，与通常认为的碳酸是弱酸不一致。其可能原因是溶于水的那部分CO2并不能完全转化为H2CO3。
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