第2课时 分子间作用力 分子的手性
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1.下列有关范德华力的叙述正确的是( )。
A.范德华力的实质也是一种电性作用,所以范德华力是一种特殊的化学键
B.范德华力与化学键的区别是作用力的强弱不同
C.任何分子间在任意情况下都会产生范德华力
D.范德华力非常微弱,故破坏范德华力不需要消耗能量
答案B
解析范德华力的实质是一种电性作用,但范德华力是分子间较弱的作用力,不是化学键,A项错误。化学键是粒子间的强烈的相互作用,范德华力是分子间较弱的作用力,B项正确。若分子间的距离足够远,则分子间没有范德华力,C项错误。虽然范德华力非常微弱,但破坏它时也要消耗能量,D项错误。
2.下列说法中正确的是( )。
A.分子间作用力越大,分子越稳定
B.分子间作用力越大,物质的熔、沸点越高
C.相对分子质量越大,其分子间作用力越大
D.分子间只存在范德华力
答案B
解析分子间作用力主要影响物质的物理性质,化学键主要影响物质的化学性质,分子间作用力越大,物质的熔、沸点越高,B项正确,A项错误。分子间作用力包括氢键和范德华力,分子的组成和结构相似时,相对分子质量越大,其范德华力越大,对于分子间形成氢键的物质来说,分子间作用力较大,C、D项错误。
3.下列叙述正确的是( )。
A.氢键能随时断裂、随时形成
B.氢键常存在于固态、液态甚至于气态物质中
C.由于氢键的存在,水凝结为冰时密度减小,体积增大
D.由于氢键的存在,导致某些物质的汽化热、升华热减小
答案C
4.下列几种氢键:①O—H…O—,②N—H…N—,
③F—H…F—,④O—H…N—。按氢键从强到弱的顺序排列正确的是( )。
A.③>①>④>② B.①>②>③>④
C.③>②>①>④ D.①>④>③>②
答案A
解析F、O、N的电负性依次减小,F—H、O—H、N—H的极性依次降低,故F—H…F—氢键最强,其次为
O—H…O—,再次是O—H…N—,最弱的为
N—H…N—。
5.根据“相似相溶”规律判断,下列物质在水中溶解度最大的是( )。
A.乙烯 B.二氧化碳
C.二氧化硫 D.氢气
答案C
解析乙烯、二氧化碳和氢气都是非极性分子,二氧化硫属于极性分子,易溶于极性溶剂,水属于极性溶剂,所以二氧化硫在水中的溶解度最大。
6.下列化合物在水中的溶解度,排列次序正确的是( )。
a.HOCH2CH2CH2OH
b.CH3CH2CH2OH
c.CH3CH2COOCH3
d.HOCH2CH(OH)CH2OH
A.d>a>b>c B.c>d>a>b
C.d>b>c>a D.c>d>b>a
答案A
解析题述物质中CH3CH2COOCH3 不能与水形成氢键,其溶解度最小,分子中含有羟基数目越多,与水形成的氢键越多,则溶解度越大,所以溶解度大小为
HOCH2CH(OH)CH2OH>HOCH2CH2CH2OH>
CH3CH2CH2OH>CH3CH2COOCH3,即d>a>b>c。
7.下列说法不正确的是( )。
A.互为手性异构体的分子组成相同,官能团不同
B.手性异构体的性质不完全相同
C.手性异构是同分异构的一种情况
D.利用手性催化剂合成可以只得到一种或主要只得到一种手性分子
答案A
解析互为手性异构体的分子组成完全相同,官能团也相同。
8.硒代半胱氨酸(含C、H、N、O、34Se 5种元素)是一种氨基酸,其分子空间结构如图。下列说法不正确的是( )。
A.Se位于元素周期表中第四周期第ⅥA族
B.图中最大的球代表Se
C.硒代半胱氨酸分子中含一个手性碳原子
D.硒代半胱氨酸难溶于水,易溶于苯
答案D
解析Se的电子排布式为
1s22s22p63s23p63d104s24p4,核外有4个电子层,最外层有6个电子,位于第四周期第ⅥA族,故A项正确;电子层数越多,粒子半径越大,故Se的半径最大,即最大的球代表Se,故B项正确;当一个碳原子上连有四个不同的原子或原子团时,此碳原子为手性碳原子,该物质中含1个手性碳原子,故C项正确;硒代半胱氨酸中含—OH,与水分子间能形成氢键,故应易溶于水,故D项错误。
9.试用有关知识解释下列现象。
(1)有机化合物大多难溶于水,而乙醇、乙酸可与水互溶: 。
(2)乙醚(C2H5OC2H5)的相对分子质量远大于乙醇,但乙醇的沸点却比乙醚高很多 。
(3)从氨合成塔里出来的H2、N2、NH3的混合物中分离出NH3,常采用加压使NH3液化的方法: 。
答案(1)乙醇分子中的醇羟基、乙酸分子中的羧羟基均可与水分子形成氢键,使其溶解度增大,表现为互溶
(2)乙醇分子之间形成氢键使乙醇的沸点升高很多,高于乙醚
(3)加压时NH3分子间形成氢键,使得NH3易液化;而N2、H2分子间的范德华力很小,不易液化,故可采用加压液化的方法将NH3从混合物中分离
10.根据下列表1和表2数据,回答问题。
表1 第ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素氢化物的沸点
化合物 沸点/℃ 化合物 沸点/℃ 化合物 沸点/℃
H2O 100 HF 19.5 NH3 -33.3
H2S -60.7 HCl -84 PH3 -87.4
H2Se -42 HBr -67.0 AsH3 -62
H2Te -1.8 HI -35.4 SbH3 a
表2 常见物质的沸点
结构简式 分子式 相对分子质量 沸点/℃
①H—OH H2O 18 100
②CH3OH(甲醇) CH4O 32 64
③CH3CH2OH(乙醇) C2H6O 46 78
④CH3COOH(乙酸) C2H4O2 60 118
⑤CH3COCH3(丙酮) C3H6O 58 56
⑥CH3CH2CH2OH(丙醇) C3H8O 60 97
⑦CH3CH2OCH3(甲乙醚) C3H8O 60 11
(1)表1中a的范围是 。
(2)根据表1中数据,同主族元素简单氢化物沸点变化规律是 。
(3)根据表2中沸点数据,由②③⑥得出变化规律: ;由④⑥⑦得出变化规律: 。
答案(1)a>-62
(2)同主族元素简单氢化物的沸点随相对分子质量增大而升高,如果含氢键,该氢化物沸点比相邻周期元素的氢化物高
(3)组成和结构相似的分子,相对分子质量越大,沸点越高 分子间存在氢键,会使其沸点较高,分子极性越大,氢键越强,沸点越高
解析(1)从表1数据规律可以得出a>-62,但a不一定比-33.3小。
(2)水、氟化氢、氨分子间存在氢键,沸点出现“反常”,因此同主族元素简单氢化物的沸点高低与氢键和相对分子质量有关。
(3)表2中规律仍然要从氢键、相对分子质量、分子的极性等因素分析得出。
能力提升
1.已知O3分子为V形结构,相同条件下,O3在水中的溶解度和O2相比( )。
A.一样大 B.O3比O2小
C.O3比O2大 D.无法比较
答案C
解析因O3分子为V形结构,是极性分子,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的大,C项正确。
2.剧毒的光气可用氨解毒:COCl2+4NH3CO(NH2)2+2NH4Cl。下列说法错误的是( )。
A.COCl2是平面三角形分子
B.NH3是极性分子
C.CO(NH2)2易溶于水
D.COCl2的熔、沸点高于CO(NH2)2
答案D
解析COCl2分子中C原子的价层电子对数为3+=3,且不含孤电子对,则该分子为平面三角形分子,故A项正确;NH3为三角锥形分子,正负电荷中心不重合,为极性分子,故B项正确;尿素中氨基能和水形成分子间氢键,所以尿素易溶于水,故C项正确;CO(NH2)2分子间有氢键,COCl2不能形成分子间氢键,所以尿素的熔、沸点高于COCl2的,故D项错误。
3.下列对分子的性质的解释中不正确的是( )。
A.水很稳定(1 000 ℃以上才会部分分解)是因为水中含有大量的氢键所致
B.乳酸()有一对手性异构体,因为其分子中含有一个手性碳原子
C.硫黄(S8)难溶于水,微溶于酒精,易溶于二硫化碳可用“相似相溶”规律解释
D.氨气极易溶于水,既可以用“相似相溶”规律解释,也可以用氨和水形成分子间氢键增大溶解度来解释
答案A
解析化合物的稳定性与化学键的强弱有关,氢键属于特殊的分子间作用力,影响水的沸点但不影响水的稳定性, A项错误。乳酸()中间碳原子上连有四个不同的原子或原子团,为手性碳原子,存在手性异构体, B项正确。硫黄(S8)为非极性分子,根据“相似相溶”规律,硫黄易溶于非极性溶剂CS2,不易溶于极性溶剂H2O,酒精的极性介于极性的水和非极性的CS2之间,所以硫黄微溶于酒精, C项正确。 NH3与H2O都是极性分子,根据“相似相溶”规律,极性溶质NH3易溶于极性溶剂H2O;氮原子、氧原子得电子能力强,则NH3与水易形成氢键,以上两方面的原因致使NH3极易溶于水, D项正确。
4.有下列两组命题,其中乙组命题正确且能用甲组命题正确解释的是( )。
甲组 乙组
Ⅰ.H—I的键能大于H—Cl的键能 Ⅱ.H—I的键能小于H—Cl的键能 Ⅲ.HI分子间的范德华力大于HCl分子间的范德华力 Ⅳ.HI分子间的范德华力小于HCl分子间的范德华力 a.HI比HCl稳定 b.HCl比HI稳定 c.HI的沸点比HCl的高 d.HI的沸点比HCl的低
①Ⅰ—a ②Ⅱ—b ③Ⅲ—c ④Ⅳ—d
A.①③ B.②③
C.①④ D.②④
答案B
解析键能的大小影响物质的热稳定性,键能越大,物质越稳定。H—Cl的键能大于H—I的键能,所以HCl比HI稳定。范德华力影响物质的熔、沸点的高低,通常结构相似的物质的范德华力越大,熔、沸点越高。HI分子间的范德华力大于HCl分子间的范德华力,所以HI的沸点比HCl的高。
5.我国科学家利用高分辨原子力显微镜技术,首次拍摄到质子在水层中的原子级分辨图像,发现两种结构的水合质子,其中一种结构如图所示。下列有关该水合质子的说法正确的是( )。
A.化学式为H9
B.氢、氧原子都处于同一平面
C.氢、氧原子间均以氢键结合
D.图中所有H—O—H键角都相同
答案A
解析由图可知,图中是3个水分子以氢键和H3O+结合,化学式为H9,故A项正确;该水合质子结构中的H3O+的中心原子O原子的价层电子对数为σ键数目+孤电子对数=3+×(6-1-3×1)=3+1=4,则H3O+是三角锥形,4个原子一定不在同一个平面上,故B项错误;在该结构中3个水分子以氢键和H3O+结合,另外水分子及H3O+内部,H、O原子间以极性共价键结合,故C项错误;H3O+是三角锥形,中心原子有1个孤电子对,H2O是V形结构,中心原子有2个孤电子对,对成键电子对有更大斥力,水分子中H—O—H键角小于H3O+中的键角,故D项错误。
6.研究发现,CO2低压合成甲醇的反应:CO2+3H2CH3OH+H2O,钴氧化物负载的锰氧化物纳米粒子催化剂具有较高的活性,有良好的应用前景。
(1)CO2分子和CH3OH分子中,C原子的杂化轨道类型分别为 和 。
(2)CO2和H2O中,沸点较高的是 ;从结构角度分析,原因是 。
(3)基态锰原子的价层电子排布式为 。
(4)工业上利用甲醇空气氧化法生产甲醛(HCHO)。下列关于甲醛分子的说法正确的是 (填字母)。
A.碳氧双键中有一个σ键、一个π键
B.中心原子的孤电子对数为0
C.甲醛分子为极性分子
D.甲醛的VSEPR模型为平面三角形
答案(1)sp sp3
(2)H2O 水存在分子间氢键,而CO2分子间只存在范德华力
(3)3d54s2
(4)ABCD
解析(1)CO2分子中C原子的价层电子对数为2+=2,VSEPR模型为直线形,C原子的杂化方式为sp;CH3OH结构式为,分子中C原子的价层电子对数为4,VSEPR模型为四面体形,C原子的杂化方式为sp3。
(2)水存在分子间氢键和范德华力,CO2分子间只存在范德华力,分子间氢键使水分子沸点较高。
(3)Mn元素是第25号元素,其电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2,其3d、4s能级上的电子为价电子,则基态锰原子的价层电子排布式为3d54s2。
(4)甲醛分子中含有碳氧双键,双键中有一个σ键和一个π键,故A项正确;甲醛结构式为,中心C原子的孤电子对数为0,故B项正确;甲醛分子中CO和C—H键长不相等,正负电荷中心不重合,则甲醛分子为极性分子,故C项正确;甲醛分子的中心C原子的价层电子对数为3,VSEPR模型为平面三角形,故D项正确。
7.请回答下列问题。
(1)NH3在水中的溶解度是常见气体中最大的。
下列因素与NH3的水溶性没有关系的是 (填字母)。
a.NH3和H2O都是极性分子
b.NH3在水中易形成氢键
c.NH3溶于水建立了以下平衡:NH3+H2ONH3·H2ON+OH-
d.NH3是一种易液化的气体
(2)CrO2Cl2常温下为深红色液体,能与CCl4、CS2等互溶,据此可判断CrO2Cl2是 (填“极性”或“非极性”)分子。
(3)金属镍粉在CO气流中轻微加热,生成无色挥发性液体Ni(CO)4,其分子呈正四面体形。Ni(CO)4易溶于下列 (填字母)。
a.水
b.CCl4
c.C6H6(苯)
d.NiSO4溶液
(4)甲醛、甲醇和甲酸等分子中含碳原子个数较少的醛、醇和羧酸均易溶于水,而甲烷、甲酸甲酯难溶于水,试解释原因: 。
(5)判断下列分子中的手性碳原子,并用“*”标出。
a.
b.
c.
d.CH3CHClCH2CHO
答案(1)d (2)非极性 (3)bc
(4)甲醛、甲醇和甲酸等分子中含碳原子个数较少的醛、醇、羧酸都能与水分子间形成氢键,而甲烷、甲酸甲酯与水分子间难形成氢键
(5)a. b、c无手性碳原子
d.CH3*CHClCH2CHO
解析(1)NH3极易溶于水主要是因为NH3与H2O形成分子间氢键,另外,NH3和H2O都是极性分子,NH3和H2O能够发生化学反应。NH3易液化是因为NH3分子之间易形成氢键,而不是NH3与H2O分子之间的作用。
(2)CCl4、CS2是非极性溶剂,根据“相似相溶”规律,CrO2Cl2是非极性分子。
(3)由常温下Ni(CO)4易挥发,可知Ni(CO)4为共价化合物分子。Ni(CO)4为正四面体形,所以Ni(CO)4为非极性分子,根据“相似相溶”规律,Ni(CO)4易溶于CCl4和苯。
(4)由有机化合物与水分子间能否形成氢键的角度思考原因。
(5)手性碳原子必须连有4个不同的原子或原子团。
8.空气的主要成分是氮气和氧气,氧是地壳中含量最多的元素,氮是空气中含量最多的元素。
(1)水在常温下,其组成的化学式可用(H2O)m表示,依据是 。
(2)N、P、As都属于第ⅤA族元素,形成简单氢化物的沸点由高到低的顺序为 。
(3)如图a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个顶角(见图b)。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 (填字母)。
a.CF4 b.CH4 c.N d.H2O
答案(1)水分子依靠分子间氢键缔合成较大的分子团,用(H2O)m表示其存在更符合实际 (2)NH3>AsH3>PH3 (3)c
解析(1)常温下,水分子不是以单个分子形式存在,而是依靠氢键缔合成较大的分子团,所以用(H2O)m表示其存在更符合实际。(2)N、P、As元素形成的简单氢化物分别为NH3、PH3和AsH3,NH3能形成分子间氢键,其沸点最高。AsH3的相对分子质量大于PH3,则AsH3的范德华力强于PH3,故AsH3的沸点高于PH3。(3)能被题述有机物识别即能嵌入空腔形成4个氢键,则要求某分子或离子是正四面体结构且能形成4个氢键,只有N符合。(共74张PPT)
第2课时
分子间的作用力 分子的手性
一、分子间作用力
1.范德华力及其对物质性质的影响。
(1)范德华力是物质的分子之间普遍存在的一种相互作用力,它使得许多物质能以一定的凝聚状态(固态或液态)存在,范德华力很弱。
(2)影响因素:一般来说,相对分子质量 越大 ,范德华力 越大 ;分子的极性 越大 ,范德华力 越大 。
(3)范德华力对物质性质的影响。
①范德华力广泛存在于分子之间。当气体分子充分接近时分子间的相互作用力会使其发生状态变化,形成液态或固态物质。
②范德华力主要影响物质的熔点、沸点、溶解度等物理性质。
③范德华力无方向性和饱和性。只要分子周围空间允许,分子总是尽可能多地吸引其他分子。
微训练1
1.下列关于范德华力的叙述正确的是( )。
A.是一种较弱的化学键
B.分子间存在的较强的电性作用
C.影响所有物质的熔、沸点
D.稀有气体的原子间存在范德华力
答案:D
解析:范德华力是分子间普遍存在的较弱的相互作用,它不是化学键且比化学键弱得多,只能影响由分子构成的物质的熔、沸点;稀有气体为单原子分子,分子之间靠范德华力相结合。
2.下列惰性气体中,分子间作用力最大的是( )。
A.Xe B.He
C.Kr D.Ar
答案:A
2.氢键及其对物质性质的影响。
(1)氢键的定义及表示方法。
①氢键是由已经与电负性很大的原子形成共价键的 氢原子 与另一个电负性很大的原子之间的作用力。
②表示方法:氢键可用X—H…Y—表示。式中X和Y表示 N、O、F ,“—”表示 共价键 ,“…”表示 氢键 。
微解读 氢键是一种较弱的作用力,不属于化学键。氢键也有键能和键长,氢键的键长一般定义为A—H…B,而不是H…B。氢键的键能差别较大,即使是相同原子形成的氢键,如O—H…O,在不同物质中其键能也会有一定差别,见下表。
氢键 键能/(kJ·mol-1) 实例
O—H…O 18.8 水
O—H…O 25.9 CH3OH、C2H5OH
N—H…O 20.9 CH3CONH2
微思考1哪些物质中容易形成氢键
提示:氢键一般存在于含N—H、H—O、H—F的分子间,有机化合物中的醇类和羧酸类等物质的分子间,蛋白质、核酸等生物大分子内也存在氢键。
(2)氢键的类型。
① 分子间 氢键,如 。
② 分子内 氢键,如 。
(3)氢键对物质性质的影响。
①当形成 分子间 氢键时,会使物质的熔、沸点升高。
②氢键也影响物质的电离、溶解等过程。
微思考2范德华力、氢键、共价键的强弱都能影响分子的稳定性吗
提示:范德华力、氢键不影响分子的稳定性。共价键的强弱影响分子的稳定性。
3.溶解性。
(1)“相似相溶”规律。
根据经验,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。萘和碘 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 (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较小。
微思考3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。
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(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,如下图所示:
3.手性合成。
在有机合成的过程中使用手性催化剂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。
微训练2
1.下列说法不正确的是( )。
A.互为手性异构体的分子互为镜像
B.利用手性催化剂可主要得到一种手性分子
C.手性异构体分子组成相同
D.手性异构体性质相同
答案:D
解析:互为手性异构体的分子互为镜像,故A项正确;在手性合成中,与催化剂手性匹配的分子在反应过程中会与手性催化剂形成一种最稳定的过渡态,从而只会诱导生成一种手性分子,故B项正确;手性异构体分子组成相同,故C项正确。
2.在分子结构 中,当a、b、x、y为彼此互不相同的原子或原子团时,称此分子为手性分子,中心碳原子为手性碳原子。下列分子中指定的碳原子(用*标记)不属于手性碳原子的是( )。
答案:A
解析:手性碳原子指连有四个不同基团的碳原子,手性碳原子一定是饱和碳原子。
问题探究
资料显示,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。
(1)PtCl2(NH3)2是平面四边形结构还是四面体形结构
提示:根据PtCl2(NH3)2可以形成两种固体,即其有两种同分异构体,可知其结构应为平面四边形结构,若为四面体形结构则无同分异构体。
(2)判断两种固体对应分子的极性和空间结构。
归纳总结
1.“相似相溶”规律是经验规律,其中“相似”指的是分子的极性相似。如果存在氢键,则溶剂和溶质之间的相互作用力增大,溶解度增大。
2.“相似相溶”还适用于分子结构的相似。低级羧酸(如甲酸、乙酸等)可以与水以任意比例互溶,而高级脂肪酸(如硬脂酸、软脂酸和油酸等)难溶于水。
典例剖析
【例1】 (1)下列叙述不正确的是 。
A.卤化氢易溶于水,不易溶于四氯化碳
B.碘易溶于汽油,微溶于水
C.氯化钠易溶于水,也易溶于食用油
D.甲烷易溶于汽油,难溶于水
(2)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 。
答案:(1)C (2)易溶 易溶 难溶 难溶 难溶 难溶 易溶 易溶 根据“相似相溶”规律判断,极性溶质易溶于极性溶剂,非极性溶质易溶于非极性溶剂
解析:(1)HX(X为卤素)、H2O为极性分子,I2、CH4为非极性分子,CCl4、汽油为非极性溶剂。根据“相似相溶”规律,可知A、B、D项正确。NaCl为离子化合物,易溶于水,难溶于有机溶剂,故C项不正确。
(2)分析题给物质和溶剂的分子极性可知,蔗糖、磷酸、水是极性分子,而碘、萘、四氯化碳是非极性分子。根据“相似相溶”规律,可判断出物质的溶解情况。
学以致用
1.下列现象不能用“相似相溶”规律解释的是( )。
A.氯化氢易溶于水
B.氯气易溶于NaOH溶液
C.碘易溶于CCl4
D.O3在水中的溶解度比O2的大
答案:B
解析:氯化氢和水分子均是极性分子,根据“相似相溶”规律,氯化氢易溶于水,故A项错误;氯气与氢氧化钠之间发生反应生成可溶性的盐溶液,不符合“相似相溶”规律,故B项正确;碘和四氯化碳都是非极性分子,根据“相似相溶”规律知,碘易溶于四氯化碳,故C项错误;臭氧和水分子是极性分子,氧气是非极性分子,根据“相似相溶”规律知,O3在水中的溶解度比O2的大,故D项错误。
2.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的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
答案:D
解析:根据“相似相溶”规律:极性溶质易溶于极性溶剂,难溶于非极性溶剂;非极性溶质易溶于非极性溶剂,难溶于极性溶剂。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。
问题探究
在冰中,水分子之间存在氢键,每个水分子被四个水分子包围,四个水分子的四个氧原子形成四面体,向空间延伸,通过“氢键”相互连接成固体冰,其结构如图所示。
(1)在冰中,平均1个H2O分子形成几个氢键
提示:在冰中每个水分子通过氢键与4个水分子连接,每个氢键连接2个水分子,所以平均每个水分子形成氢键:4×1÷2=2。
(2)在冰晶体中除氢键外,还存在范德华力(11 kJ·mol-1)。已知冰升华时吸收的热量是51 kJ·mol-1,请估算冰晶体中氢键的键能。
提示:冰升华时吸收的热量是51 kJ·mol-1,水分子间的范德华力是11 kJ·mol-1,平均1 mol水分子形成2 mol氢键,所以冰晶体中氢键的键能为(51-11) kJ·mol-1÷2=20 kJ·mol-1。
(3)氨气极易溶于水的原因之一也与氢键有关。请判断NH3溶于水后,形成的NH3·H2O的合理结构是 。
归纳总结
作用力 范德华力 氢键 共价键
概念 物质分子之间普遍存在的一种作用力 已经与电负性很大的原子形成共价键的氢原子与另一个电负性很大的原子之间的作用力 原子间通过共用电子对所形成的相互作用
作用粒子 分子 H与N、O、F等 原子
特征 无方向性和饱和性 有方向性和饱和性 有方向性(有特例)和饱和性
强度 共价键>氢键>范德华力
作用力 范德华力 氢键 共价键
影响
强度
的因素 ①随分子极性的增大而增大;
②组成和结构相似的分子构成的物质,相对分子质量越大,范德华力越大 ①对于X—H…Y,X、Y的电负性越大,Y原子的半径越小,氢键越强;
②同种氢键的强弱与具体物质有关,例如冰中的氢键比乙醇中的氢键弱 成键原子半径和共用电子对数目。键长越短,往往键能越大,共价键越稳定
作用力 范德华力 氢键 共价键
对物质
性质的
影响 ①影响物质的熔点、沸点、溶解度等物理性质;
②组成和结构相似的物质,随相对分子质量的增大,物质的熔点、沸点逐渐升高。如
CF4H2O>H2S 共价键的键能越大,分子的稳定性越强
典例剖析
【例2】 下列物质的性质与分子间作用力无关的是( )。
A.等质量的冰比液态水的体积大
B.沸点:H2O>H2Te>H2Se>H2S
C.稳定性:HF>HCl>HBr>HI
D.NH3比PH3易液化
答案:C
解析:水分子之间存在氢键,相同质量的水,固态时体积大于液态时,体积关系为V(气态水)>V(冰)>V(液态水),故A项错误;分子间存在氢键,熔、沸点越高,相对分子质量越大,则熔、沸点越高,沸点:H2O>H2Te>H2Se>H2S,与分子间作用力有关,故B项错误;非金属性:F>Cl>Br>I,则HF、HCl、HBr、HI热稳定性依次减弱,与共价键有关,与分子间作用力无关,故C项正确;NH3比PH3易液化是因为氨气分子间存在氢键,故D项错误。
易错警示 (1)氢键属于分子间作用力,不属于化学键。 (2)存在氢键则必然存在范德华力,但存在范德华力不一定存在氢键。 (3)利用范德华力判断物质的熔、沸点高低的前提是物质的组成和结构要相似。结构相似的判断方法有两种:一是同一主族同一类别的物质的结构相似,如H2S和H2Te;二是运用价层电子对互斥模型判断其分子的空间结构。 (4)比较物质的熔、沸点时,一定要看分子间是否有氢键存在。一般含有分子间氢键的物质,熔、沸点较高。
学以致用
3.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。
答案:
解析:依据氢键的表示方法及形成条件画出。
4.下图中a、b、c、d四条曲线分别表示第ⅣA、ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素的气态氢化物的沸点,其中表示第ⅥA族元素气态氢化物的沸点的是曲线 ;表示第ⅣA族元素气态氢化物的沸点的是曲线 ;同一主族中第三、四、五周期元素的气态氢化物的沸点依次升高,其原因是 。
a、b、c曲线中第二周期元素的气态氢化物的沸点显著高于第三周期元素气态氢化物的沸点,其原因是 ;如果把这些氢化物分子间存在的主要影响沸点的相互作用表示为X—H…Y—,则X元素一般具有的特点是 。
答案:a d 组成和结构相似,相对分子质量越大,范德华力越大,沸点越高 H2O、HF、NH3都存在分子间氢键 电负性大,原子半径小
解析:第二周期中第ⅣA、ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素的气态氢化物中沸点最高的是水,最低的是甲烷;由题图可知,a、b、c、d曲线中表示第ⅥA族元素气态氢化物沸点的是曲线a;表示第ⅣA族元素气态氢化物沸点的是曲线d。同一主族中第三、四、五周期元素的气态氢化物的相对分子质量逐渐增大,分子间的范德华力依次增大,所以沸点依次升高。a、b、c曲线中第二周期元素的气态氢化物中分子间都存在氢键,所以它们的沸点显著高于第三周期元素气态氢化物的沸点。
问题探究
在生命的产生和演变过程中,往往对一对手性异构体中的一种手性分子有所“偏爱”,如自然界存在的糖大多为右旋体,氨基酸大多为左旋体。因为构成生命的重要物质如蛋白质和核酸等大多是由手性分子缩合而成的,所以生物体内进行的化学反应也往往选择性地“接纳”某种类型的手性分子。法国科学家巴斯德通过霉菌实验证明了这一结论的正确性。
A
B
(1)分析上面两组有机化合物,指出A组、B组内的左右两侧的有机化合物是什么关系。
提示:A组中左右两侧的有机化合物是同一种物质,其中一种旋转180°可与另一种重合;B组内左右两侧的两种有机化合物互为手性异构体。
(2)B组中左右两侧的有机化合物,一种具有镇痛作用,另一种没有镇痛作用但有镇咳作用。从上述事实中你得到了什么启示
提示:手性异构体具有不同的性质。提高药物的专一性,开发和服用有效的单一手性的药物可以排除无效手性异构体所引起的毒副作用。
归纳总结
1.手性分子的判断方法。
(1)分子组成和原子排列完全相同的一对分子,互为镜像关系,说明它们是手性分子。
(2)观察有机化合物分子中是否有手性碳原子,如果有一个手性碳原子,则该有机化合物分子就是手性分子,具有手性异构体。含有两个手性碳原子的有机化合物分子不一定是手性分子。
2.手性异构体的性质。
物质结构决定性质。互为手性异构体的物质组成、原子排列完全相同,所以其物理性质、化学性质几乎完全相同,但两种手性分子可能具有明显不同的生物活性。
典例剖析
【例3】 右丙氧芬与左丙氧芬结构如图所示,前者具有镇痛作用,后者具有止咳作用。下列说法正确的是( )。
A.右丙氧芬和左丙氧芬分子中都只含有1个手性碳原子
B.右丙氧芬与左丙氧芬互为对映异构体
C.右丙氧芬分子中氮碳键之间的夹角与NH3中氮氢键之间的夹角相同
D.右丙氧芬和左丙氧芬均易溶于水
答案:B
解析:右丙氧芬和左丙氧芬分子中都含有2个手性碳原子,互为对映异构体,故A项错误,B项正确;右丙氧芬分子中氮碳键之间与NH3中氮氢键之间,成键原子的电负性不同,故夹角不相同,故C项错误;右丙氧芬与左丙氧芬均难溶于水,故D项错误。
学以致用
5.下列分子中不具有手性碳原子的是( )。
答案:C
6.已知3-氯-2-氨基丁酸的结构简式为 ,请回答下列问题。
(1)3-氯-2-氨基丁酸分子中含有 个手性碳原子。
答案:(1)2
解析:根据手性碳原子上连接四个不同的原子或原子团可以判断出该物质分子中与—NH2和—Cl相连的两个碳原子为手性碳原子;参照例子可以知道手性异构体之间的关系就像我们照镜子一样,某物质的手性异构体就是该物质在镜子中的“镜像”。
1.下列说法正确的是( )。
A.键的极性:N—H>O—H
B.沸点:CH3COOH>CH3CH2CH2OH
C.热稳定性:HI>HCl>HF
D.强度:氢键>化学键>范德华力
答案:B
解析:非金属性O>N,吸引电子能力O>N,因此极性O—H>N—H,故A项错误;CH3COOH和CH3CH2CH2OH中均存在氢键,且乙酸分子间氢键较多,故沸点:CH3COOH>CH3CH2CH2OH,故B项正确;非金属性越强,则简单气态氢化物的稳定性越强,非金属性F>Cl>I,则热稳定性:HF>HCl>HI,故C项错误;化学键的强度最大,范德华力的强度最小,故强度:化学键>氢键>范德华力,故D项错误。
2.下列物质中,分子内和分子间均可形成氢键的是( )。
A.NH3
B.
C.H2O
D.CH3CH2OH
答案:B
3.下列说法中不正确的是( )。
A.氢键不是化学键,但也有方向性和饱和性
B.分子间有氢键的物质的熔点一定比没有氢键的物质的熔点高
C.I2在CCl4中溶解度较好,可用“相似相溶”规律解释
D.乳酸分子CH3CH(OH)COOH含有一个手性碳原子,是手性分子
答案:B
解析:分子间有氢键的物质的熔点不一定比没有氢键的物质的熔点高。例如,常温下,分子间没有氢键的单质硫为固体,而分子间有氢键的水是液体,B项错误。
4.下列有关氢键的说法中正确的是( )。
A.H2O的稳定性高,是因为水分子间存在氢键
C.H2O比HF沸点高是由于1 mol H2O中氢键O—H…O数目多于1 mol HF中F—H…F
D.可燃冰(CH4·8H2O)中甲烷分子与水分子之间形成了氢键
答案:C
5.下列说法中正确的是( )。
A.极性溶质一定易溶于极性溶剂之中,非极性溶质一定易溶于非极性溶剂中
B.水分子是极性分子,氯气分子和四氯化碳分子是非极性分子,所以氯气难溶于水而易溶于四氯化碳
C.白磷分子和二硫化碳分子是非极性分子,水分子是极性分子,所以白磷难溶于水而易溶于二硫化碳
D.水分子是极性分子,二氧化碳可溶于水,因此二氧化碳是极性分子
答案:C
解析:很多有机化合物分子都是极性分子,但因为极性很弱,所以大部分难溶于水,而许多极性有机化合物在非极性有机化合物中的溶解度却很大,A项错误。氯气能溶于水,B项错误。二氧化碳是非极性分子,D项错误。
6.(1)青蒿素是从植物中提取得到的一种无色针状晶体,其分子结构如下图所示,则青蒿素分子中含有 个手性碳原子。
(2)①乙醇与乙醛(CH3CHO)的相对分子质量相差不大,但乙醇的沸点(78.5 ℃)却比乙醛的沸点(20.8 ℃)高出许多,其原因是 。
答案:(1)7
(2)①乙醇分子间存在氢键,而乙醛分子间不存在氢键
②前者形成分子间氢键,而后者形成分子内氢键,分子间氢键可使物质熔、沸点升高,所以前者的沸点比后者高
解析:(1)手性碳原子连接4个不同的原子或原子团,故青蒿素分子中手性碳原子(用“*”标识)标识如图: ,共7个。
(2)①氢键的作用力大于范德华力,则分子间形成氢键的物质的沸点较高,C2H5OH分子间存在氢键,而CH3CHO分子间不能形成氢键,所以乙醇的沸点比乙醛的高。
