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第三节 分子的性质
第1课时 键的极性和分子的极性
范德华力和氢键及其对物质
性质的影响
一、键的极性和分子的极性
1.共价键的分类及其判断:
必备知识·自主学习
分类
特点
组成元素
共价键
极性共价键
共用电子对发生偏移
_____元素的原子
非极性共价键
共用电子对不发生偏移
_____元素的原子
不同
相同
2.键的极性与分子极性的关系:
【自主探索】
(1)同种非金属原子间形成的共价键一定是非极性键。
( )
提示:√。同种非金属原子形成的共价键,原子对共用电子对的作用力相同,共用电子对不发生偏移,一定是非极性键。
(2)以极性键结合形成的分子一定是极性分子。
( )
提示:×。以极性键结合形成的分子,若分子的空间结构是对称的,则为非极性分子,如CH4、CO2等。
(3)极性分子中一定不含非极性键。
( )
提示:×。在极性分子H2O2中存在非极性键。
二、分子间作用力及其对物质性质的影响
1.范德华力及其对物质性质的影响:
(1)范德华力:
(2)范德华力对物质性质的影响:范德华力主要影响物质的物理性质,如熔、沸
点,范德华力越大,熔、沸点_____。
越高
2.氢键及其对物质性质的影响:
(1)氢键:
(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水结冰时,体积膨胀,密度_____;接近沸点时形成“缔合分子”。
升高
降低
减小
【自主探索】
(1)HCHO分子的立体构型为_________形,它与H2加成后,产物的熔、沸点比CH4的
熔、沸点高,其主要原因是(须指明加成产物是何物质)___________________
_____________。
(2)S位于周期表中第____族,该族元素氢化物中,H2O比H2Te沸点高的原因是
___________________。
平面三角
加成产物CH3OH分子之
间能形成氢键
ⅥA
H2O分子之间存在氢键
关键能力·合作学习
知识点一 键的极性和分子的极性判断?
1.极性键、非极性键的比较:
极性键
非极性键
概念
不同种元素原子形成的共价键
同种元素原子形成的共价键
原子吸引电子能力
不同
相同
共用电子对
共用电子对偏向吸引电子能力强的原子
共用电子对不发生偏移
成键原子电性
显电性
电中性
成键元素
一般是不同种非金属元素
同种非金属元素
举例
H—Cl、N—H
Cl—Cl、H—H
2.键的极性的判断方法:
3.分子极性的判断方法:
(1)化合价法:ABm型分子中,中心原子的化合价的绝对值等于该元素的价电子数时,该分子为非极性分子,此时分子的空间结构对称;若中心原子的化合价的绝对值不等于其价电子数,则分子的空间结构不对称,其分子为极性分子,具体实例如下:
分子
BF3
CO2
PCl5
SO3
H2O
NH3
SO2
中心原子
化合价绝
对值
3
4
5
6
2
3
4
中心原子
价电子数
3
4
5
6
6
5
6
分子极性
非极性
非极性
非极性
非极性
极性
极性
极性
(2)根据分子所含键的类型及分子立体构型判断。
分子
键的极性
键角
立体构型
分子极性
单原子分子
He、Ne
—
—
—
非极性分子
双原子
分子
H2
非极性键
—
直线形
非极性分子
HCl
极性键
—
直线形
极性分子
三原子
分子
H2O
极性键
105°
V形
极性分子
CO2
极性键
180°
直线形
非极性分子
四原子
分子
BF3
极性键
120°
平面三角形
非极性分子
NH3
极性键
107°
三角锥形
极性分子
五原子
分子
CH4
极性键
109°28′
正四面体形
非极性分子
CH3Cl
极性键
—
四面体形
极性分子
(3)根据中心原子最外层电子是否全部成键判断。
中心原子即其他原子围绕它成键的原子。分子中的中心原子最外层电子若全部成键不存在孤电子对,此分子一般为非极性分子;分子中的中心原子最外层电子若未全部成键,存在孤电子对,此分子一般为极性分子。
CH4、BF3、CO2等分子中的中心原子的最外层电子均全部成键,它们都是非极性分子。
H2O、NH3、NF3等分子中的中心原子的最外层电子均未全部成键,它们都是极性分子。
【合作探究】
(1)含有极性键的分子一定是极性分子吗?含有非极性键的分子一定是非极性分子吗?
提示:键的极性是由形成化学键的两种元素的电负性决定,而分子的极性既与键的极性有关,也与分子结构有关。含有极性键的分子如果空间结构对称,属于非极性分子,如甲烷、二氧化碳等;含有非极性键的分子如果空间结构不对称,属于极性分子,如N2H4等。
(2)已知H2O2的分子空间结构可在二面角中表示,如图所示:
。
①分析H2O2分子中共价键的种类有哪些?
②H2O2分子中正电、负电中心是否重合?H2O2属于极性分子还是非极性分子?
提示:①H2O2分子中H—O键为极性共价键,O—O键为非极性共价键。
②不重合。H2O2属于极性分子。
【典例示范】
【典例】(2019·长沙高二检测)在HF、H2S、NH3、CO2、CCl4、N2、C60、SO2分子中:
(1)以非极性键结合的非极性分子是________;?
(2)以极性键相结合,具有直线形结构的非极性分子是______________;?
(3)以极性键相结合,具有正四面体结构的非极性分子是______________;?
(4)以极性键相结合,具有三角锥形结构的极性分子是______________;?
(5)以极性键相结合,具有V形结构的极性分子是________;?
(6)以极性键相结合,而且分子极性最大的是________。
【解题指南】解答本题注意以下两点:
(1)非金属单质全部为非极性分子。
(2)分子的极性与键的极性、分子的立体构型的关系。
【解析】HF是含有极性键、直线形的极性分子(极性最大,因F的电负性最大);
H2S和SO2都含有极性键、都是V形结构的极性分子;NH3是含有极性键、三角锥形结构的极性分子;CO2是含有极性键、直线形的非极性分子;CCl4是含有极性键、正四面体形的非极性分子;N2、C60都是由非极性键结合的非极性分子。
答案:(1)N2、C60
(2)CO2 (3)CCl4
(4)NH3 (5)H2S、SO2
(6)HF
【母题追问】(1)第ⅢA族和第ⅤA族元素都可以和Cl形成三氯化物分子,用X表示第ⅢA族和第ⅤA族元素,若XCl3为非极性分子,则X属于第ⅢA族还是第ⅤA族?
提示:若XCl3为非极性分子,则XCl3为平面三角形,且孤电子对数为0,X的价电子数为3,属于第ⅢA族。
(2)除了常见形状的分子外,还存在不常见形状的分子。如PCl5和SF6,二者分别为三角双锥和正八面体。PCl5和SF6属于极性分子还是非极性分子?二者分子中所有原子均达到8电子结构了吗?分别用1个Br替代两种分子中的一个Cl或F,各有几种可能产物?
提示:二者分子均具有对称性,所以为非极性分子。两种分子中的P和S分别形成了5个和6个共价键,所以最外层电子数分别为10个和12个,超过了8个;PCl5分子中有2种位置的氯原子、SF6分子中只有一种位置的氟原子,所以分别用1个溴原子替代两种分子中的一个氯原子或氟原子,分别有2种和1种可能产物。
【规律方法】分子极性的判断方法
(1)分子的极性由共价键的极性和分子的立体构型两方面共同决定
(2)判断ABn型分子极性的经验规律
若中心原子A的化合价的绝对值等于该元素所在的主族序数,则为非极性分子,若不等则为极性分子。
【素养训练】
1.(2020·盐城高二检测)下列叙述中正确的是
( )
A.NH3、CO、CO2都是极性分子
B.CH4、CCl4都是含有极性键的非极性分子
C.HCl、H2S、NH3中的非氢原子的杂化方式分别是sp、sp2、sp3
D.CS2、H2O、C2H2都是直线形分子
【解析】选B。A项中CO2属于非极性分子;C项中中心原子S、N均采取sp3方式杂化;D项中的H2O分子中的氧原子有2对成键电子和2对孤电子对,故分子属于V形结构。
2.最近,意大利科学家使用普通氧分子和带正电荷的氧离子制造出了由4个氧原子构成的氧分子,并用质谱仪探测到了它存在的证据。若该氧分子具有空间对称结构,下列关于该氧分子的说法正确的是
( )
A.与O2互为同位素
B.不可能含有极性键
C.该分子为极性分子
D.该物质为一种新型的氧化物
【解析】选B。同位素是针对元素而言的,该物质为一种分子,与O2互为同素异形体,A错误。根据题目信息知,该物质为O4,是氧元素的一种新的单质,在O4中,同种元素之间只能形成非极性键,且空间结构对称,因此该分子为非极性分子,分子之间只存在范德华力。
【补偿训练】
下列关于粒子结构的描述不正确的是
( )
A.H2S和NH3均是价电子总数为8的极性分子
B.HS-和HCl均是含1个极性键的18电子粒子
C.CH2Cl2和CCl4均是四面体构型的非极性分子
D.SO2和SO3的杂化轨道类型均为sp2,立体构型分别为V形、平面三角形
【解析】选C。A.H2S中氢、硫元素间形成极性键,且立体构型不对称,属于极性分子;NH3中含有极性键,立体构型为三角锥形,正负电荷的中心不重合,属于极性分子,故A正确;B.HS-和HCl都只含一个极性键,都具有18个电子,故B正确;
C.CH2Cl2正负电荷的中心不重合,是极性分子,故C错误;D.SO2中硫原子形成两个σ键,孤电子对数为1/2×(6-2×2)=1,价层电子对数为3,为sp2杂化,分子立体构型为V形,三氧化硫分子中,中心原子硫原子最外层有6个电子,外围有三个原子,所以不含孤电子对,价层电子对数为σ键个数+孤电子对数=3+1/2×(6-3×2)=3,为sp2杂化,三氧化硫分子为平面三角形结构,故D正确。
知识点二 范德华力、氢键及共价键的比较?
范德华力
氢键
共价键
特征
无方向性,无饱和性
有方向性,有饱和性
有方向性,有饱和性
强度
共价键>氢键>范德华力
影响
强度
的因
素
①随着分子极性增大而增大
②组成和结构相似的物质,相对分子质量越大,范德华力越大
对于A—H…B—,A、B的电负性越大,B原子的半径越小,氢键越强
成键原子半径越小,键长越短,键能越大,共价键越稳定
范德华力
氢键
共价键
对物
质性
质的
影响
①影响物质的熔、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、沸点升高,如F2
①分子间氢键的存在,使物质的熔、沸点升高,在水中的溶解度增大,如熔、沸点:H2O>H2S,
溶解性:NH3>PH3
②分子内氢键的存在,使物质的熔、沸点降低,如熔、沸点:
①影响分子的稳定性
②共价键键能越大,分子稳定性越强
【易错提醒】范德华力、氢键的认识误区
(1)有氢键的分子间也有范德华力,但有范德华力的分子间不一定有氢键。
(2)氢键与范德华力主要影响物质的物理性质。如熔点、沸点等。化学键主要影响物质的化学性质。
(3)氢键的键长是指X和Y间的距离,键能是指X—H…Y分解为X—H
和Y所需要的能量。
(4)氢键的键能比范德华力大一些,比化学键的键能小得多。
【合作探究】
(1)在第ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素的氢化物中,为什么NH3、H2O、HF三者的相对分子质量分别小于同主族其他元素的氢化物,但熔、沸点却比其他元素的氢化物高?
提示:因为NH3、H2O、HF三者的分子间能形成氢键,同主族其他元素的氢化物不能形成氢键,所以它们的熔点和沸点高于同主族其他元素的氢化物。
(2)已知有机物A(
)的结构可以表示为
(虚线表示氢键),而有
机物B(
)只能形成分子间氢键。工业上用水蒸气蒸馏法将A和B进行分离,
首先被蒸出的成分是哪一种?为什么?
提示:首先被蒸出的物质为A。因为A易形成分子内氢键,B易形成分子间氢键,所
以B的沸点比A的高。
【典例示范】
【典例】(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)通常情况下对羟基苯甲酸(
)为固体,而对硝基甲苯
为液体,主要原因为?______________________。?
(3)乙二胺(H2N—CH2—CH2—NH2)与CaCl2溶液可形成配离子(结构如图),乙二胺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__________________。?
(4)氨气溶于水时,大部分NH3与H2O以氢键(用“…”表示)结合形成NH3·H2O分子。
根据氨水的性质可推知NH3·H2O的结构式为________。?
(5)在元素周期表中氟的电负性最大,用氢键表示式写出氟的氢化物溶液中存在
的所有氢键:________。?
【解题指南】解答本题应注意以下两点:
(1)比较氢化物熔沸点高低,先看有无氢键,再看相对分子质量。
(2)氢键的表示方法。
【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4NA;异硫氰酸分子间可形成氢键,而硫氰酸不能,故异硫氰酸的沸点较高。
(2)对羟基苯甲酸分子间可以形成氢键,熔沸点高。
(3)乙二胺(H2N—CH2—CH2—NH2)中氮原子形成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。
(4)从氢键的成键原理上讲,A、B两项都成立,C、D两项都错误;但是H—O键的极
性比H—N键的大,H—O键上氢原子的正电性更大,更容易与氮原子形成氢键,所
以氢键主要存在于H2O分子中的H与NH3分子中的N之间。另外,可从熟知的性质加
以分析。NH3·H2O能电离出
和OH-,按A项结构
不能写出其
电离方程式,按B项结构
可合理解释NH3·H2O
+OH-,所以B项
正确。
(5)HF在水溶液中形成的氢键可从HF和HF、H2O和H2O、HF和H2O(HF提供氢)、H2O
和HF(H2O提供氢)四个方面来考虑。由此可以得出HF水溶液中存在的氢键。
答案:(1)4NA 异硫氰酸分子间可形成氢键,而硫氰酸不能
(2)对羟基苯甲酸分子间可以形成氢键
(3)sp3杂化 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
(4)B (5)F—H…F、F—H…O、O—H…F、O—H…O
【母题追问】(1)对羟基苯甲酸(
)与邻羟基苯甲酸(
)
相比,哪种物质的熔点高?原因何在?
提示:二者均可形成氢键,对羟基苯甲酸形成分子间氢键,而邻羟基苯甲酸形成
分子内氢键,所以对羟基苯甲酸熔点高。
(2)氨水中有几种不同的氢键?
提示:可以根据X—H…Y中X、Y的组合可以得出所有可能的氢键。由于X、Y可在
N和O中选择,所以组合起来有4种。
【规律方法】
(1)比较不同物质的熔沸点高低,先从分子结构特点着手,看是否能形成氢键,若能形成氢键,则熔沸点较高。
(2)氢键的表示方法为X—H…Y,所以可以根据题给环境中X与Y的可能情况,找出所有可能的氢键。
【素养训练】
1.(2020·连云港高二检测)下列现象与氢键有关的是
( )
①NH3的熔、沸点比第ⅤA族相邻元素的氢化物高
②小分子的醇、羧酸可以和水以任意比互溶
③冰的密度比液态水的密度小
④尿素的熔、沸点比醋酸的高
⑤邻羟基苯甲酸的熔、沸点比对羟基苯甲酸的低
⑥NH3分子加热难分解
A.①②③④⑤⑥ B.①②③④⑤
C.①②③④
D.①②③
【解析】选B。①第ⅤA族中只有N的氢化物中含有氢键,氢键的存在导致氨气熔、沸点升高,所以NH3的熔、沸点比第ⅤA族其他元素氢化物的高,正确;②小分子的醇、羧酸都可以和水形成分子间氢键,导致溶解性增大,所以可以和水以任意比互溶,正确;③冰中存在氢键,其体积变大,则相同质量时冰的密度比液态水的密度小,所以冰的密度比液态水的密度小,正确;④尿素分子间可以形成的氢键比醋酸分子间形成的氢键多,尿素的熔、沸点比醋酸的高,正确;⑤对羟基苯甲酸易形成分子之间氢键,而邻羟基苯甲酸形成分子内氢键,所以邻羟基苯甲酸的熔、沸点比对羟基苯甲酸的低,正确;⑥NH3分子加热难分解与其化学键有关,与氢键无关,错误。
2.电影《泰坦尼克号》讲述了一个凄婉的爱情故事,导致这一爱情悲剧的罪魁祸首就是冰山。以下对冰的描述中不正确的是
( )
A.冰形成后,密度小于水,故冰山浮在水面上,导致游轮被撞沉
B.在冰中存在分子间氢键,导致冰山硬度大,能撞沉游轮
C.在冰中每个水分子能形成四个氢键
D.在冰中含有的作用力只有共价键和氢键
【解析】选D。水在形成冰时,由于氢键的存在,使得密度减小,故冰浮在水面上;在冰中每个水分子形成四个氢键,它们分别为水分子中每个氧原子能与两个氢原子形成两个氢键,而分子中的两个氢原子分别与另外的水分子中的氧原子形成氢键;在水分子内含有O—H共价键,水分子间存在氢键,同时也存在范德华力等分子间作用力。
【补偿训练】
1.下列对一些实验事实的理论解释正确的是
( )
选项
实验事实
理论解释
A
SO2溶于水形成的溶液能导电
SO2是电解质
B
白磷为正四面体分子
白磷分子中P—P间的键角是109°28′
C
1体积水可以溶解700体积氨气
氨气是极性分子且由于有氢键的影响
D
HF的沸点高于HCl
H—F键的键长比H—Cl键的键长短
【解析】选C。SO2溶于水形成的溶液能导电是由于SO2和水反应生成H2SO3,电离出离子,但SO2本身不电离出离子,SO2为非电解质,A错误;白磷为正四面体结构,两个P—P间的键角是60°,与甲烷中碳氢键的键角不同,B错误;氨气和水分子中都含有氢键,二者都是极性分子,并且氨气能和水分子之间形成氢键,则氨气极易溶于水,故C正确;HF分子间含有氢键,所以其沸点较高,氢键属于分子间作用力的一种,与化学键无关,D错误。
2.(2020·衡水高二检测)AlN是重要的半导体材料,Ga、P、As都是形成化合物半导体材料的重要元素。
(1)As基态原子的电子占据了________个能层。和As位于同一周期,且未成对电子数也相同的元素还有________种。?
(2)元素周期表中,与P紧邻的4种元素中电负性最大的是________(填元素符号)。?
(3)NH3、PH3、AsH3三者的沸点由高到低的顺序是?______________。?
(4)
白磷是由P4分子形成的分子晶体,P4分子呈正四面体结构,P原子位于正四面体的四个顶点,则P原子的杂化方式为______________________________。?
白磷易溶于CS2,难溶于水,原因是?______________________________。?
【解析】(1)基态As原子核外电子排布式为
1s22s22p63s23p63d104s24p3,电子占据了4个能层,和砷位于同一周期,且未成对电子数也相同的元素,它们的外围电子排布式为3d34s2、3d74s2,共两种。
(2)在元素周期表中,同周期中从左向右,元素的非金属性增强,电负性增强,同主族元素从上向下,元素的非金属性减弱,电负性减弱。
(3)NH3分子间存在氢键,氨的沸点比同主族元素的氢化物高,AsH3和PH3分子间不存在氢键,相对分子质量大的氢化物范德华力强,沸点高。
(4)P4分子为正四面体结构,P4分子中P原子形成3个σ键、含有1对孤对电子,杂化方式为sp3;P4和CS2都是非极性分子,H2O是极性分子,根据相似相溶原理,P4易溶于CS2,难溶于水。
答案:(1)4 2 (2)N
(3)NH3>AsH3>PH3
(4)sp3 P4和CS2都是非极性分子,H2O是极性分子,根据相似相溶原理,P4易溶于CS2,难溶于水
【课堂小结】
【三言两语话重点】
(1)1个特殊:氢键是特殊的分子间作用力。
(2)2个模型:①分子极性判断:对称→非极性;不对称→极性;②氢键类型:X—H…Y中X、Y可以为O、N、F的组合。
课堂检测·素养达标
1.用一带静电的玻璃棒靠近X、Y两种纯液体流,现象如图所示。
其中X、Y两物质最有可能的组合是
( )
【解析】选C。由图可知,X、Y分别为非极性分子与极性分子,由于H2O、CS2分别
为极性分子和非极性分子,所以A错误;由于CCl4和
均为非极性分子,所
以B错误;CS2和H2O2分别为非极性分子与极性分子,C正确;NCl3和H2O均为极性分
子,D错误。
组合
A
B
C
D
X
H2O
CCl4
CS2
NCl3
Y
CS2
H2O2
H2O
2.(2020·锦州高二检测)美国科学家宣称:普通盐水在无线电波照射下可燃烧,有望解决用水作为人类能源的重大问题。无线电频率可以降低盐水中所含元素之间的“结合力”,释放出氢原子,若点火,氢原子就会在这种频率下持续燃烧。上述中“结合力”实质是
( )
A.分子间作用力 B.氢键
C.非极性共价键
D.极性共价键
【解析】选D。水中没有游离态的氢原子,氢原子以共价键与氧原子形成水,无线电频率可以降低盐水中所含元素之间的“结合力”,释放出氢原子,这种结合力为共价键,该共价键是由不同元素形成的,为极性共价键。
【补偿训练】
下列物质中,由极性键形成的非极性分子是
( )
A.P4 B.CH4 C.H2S D.CH3Cl
【解析】选B。P4、CH4都为正四面体形,高度对称,正负电荷中心重合,是非极性分子,但P4是由非极性键形成的非极性分子,而CH4中含C—H极性键,A错,B正确;H2S、CH3Cl分子中正、负电荷中心不重合,都属于极性分子。
3.氮族元素氢化物RH3(NH3、PH3、AsH3)的某种性质随R的核电荷数的变化趋势如
图所示,则Y轴可表示的是
( )
A.相对分子质量
B.稳定性
C.沸点
D.R—H键长
【解析】选B。NH3、PH3、AsH3的相对分子质量逐渐增大,与图示曲线不相符,故A错误;元素的非金属性越强,其氢化物越稳定,非金属性N>P>As,所以氢化物的稳定性随着核电荷数增大而减弱,故B正确;氢化物的熔沸点与其相对分子质量成正比,但含有氢键的熔沸点最高,所以沸点高低顺序是NH3>AsH3>PH3,故C错误;原子半径越大,R—H键长越长,原子半径N4.(2020·重庆高二检测)下列物质中不存在氢键的是
( )
A.冰醋酸中醋酸分子之间
B.液态氟化氢中氟化氢分子之间
C.一水合氨分子中的氨分子与水分子之间
D.可燃冰(CH4·8H2O)中甲烷分子与水分子之间
【解析】选D。只有非金属性很强的元素与氢元素形成强极性的共价键之间才可能形成氢键(如N、O、F),C—H不是强极性共价键,甲烷分子与水分子之间不存在氢键。
【补偿训练】
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.液态氟化氢化学式有时写成(HF)n的形式
【解析】选C。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,液态HF分子之间存在氢键故有时写成(HF)n的形式。只有C中干冰分子之间不存在氢键。
5.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( )
①Ⅰ a ②Ⅱ b ③Ⅲ c ④Ⅳ d
A.①③
B.②③
C.①④
D.②④
甲组
乙组
Ⅰ.H—I键的键能大于H—Cl键的键能
Ⅱ.H—I键的键能小于H—Cl键的键能
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
【解析】选B。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键的键能大于H—I键的键能,所以HCl比HI稳定。范德华力影响物质的熔、沸点的高低,范德华力越大,熔、沸点越高。由于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。
【补偿训练】
有关甲醛(HCHO)、苯、二氧化碳及水的说法中不正确的是
( )
A.苯与B3N3H6互为等电子体,且分子中原子共平面
B.甲醛、苯和二氧化碳中碳原子均采用sp2杂化
C.苯、二氧化碳是非极性分子,水和甲醛是极性分子
D.水的沸点比甲醛的高得多,是因为水分子间能形成氢键,而甲醛分子间不能形成氢键
【解析】选B。A.苯与B3N3H6价电子总数相等,原子数也相等,互为等电子体,A正确。B.甲醛、苯分子中的碳原子均含有3个σ键,没有孤电子对,采用sp2杂化,二氧化碳中碳原子含有2个σ键,没有孤电子对,采用sp杂化,B错误。C.苯、CO2结构对称,正负电荷的中心重合,为非极性分子;水和甲醛的正负电荷的中心不重合,为极性分子,C正确。D.水的沸点比甲醛的高得多,是因为水分子间能形成氢键,D正确。
6.已知N、P同属于元素周期表的第ⅤA族元素,N在第2周期,P在第3周期。NH3分子呈三角锥形,氮原子位于锥顶,3个氢原子位于锥底,N—H键间的夹角是107°。
(1)PH3分子与NH3分子的构型________(填“相同”“相似”或“不相似”),
P—H键________极性(填“有”或“无”),PH3分子________极性(填“有”或“无”)。?
(2)NH3与PH3相比,热稳定性更强的是__________________。?
(3)NH3、PH3在常温、常压下都是气体,但NH3比PH3易液化,其主要原因是________。?
A.键的极性N—H比P—H强
B.分子的极性NH3比PH3强
C.相对分子质量PH3比NH3大
D.NH3分子之间存在特殊的分子间作用力
【解析】(1)氮原子与磷原子结构相似,NH3分子与PH3分子结构也相似,P—H键为不同种元素原子之间形成的共价键,为极性键。(2)由N、P在元素周期表中的位置关系和元素周期律知,元素的非金属性N比P强。由元素的非金属性与氢化物之间的热稳定性关系知,NH3比PH3热稳定性强。(3)“易液化”属于物质的物理性质,NH3与PH3都是共价型分子,其物理性质与化学键无关。按照相对分子质量与分子间作用力的关系,以及分子间作用力与物质的物理性质的关系分析,应该是PH3比NH3沸点高,PH3比NH3易液化。事实是NH3比PH3易液化,这种反常现象的客观存在,说明这当中必有特殊的原因——氢键。
答案:(1)相似
有 有 (2)NH3 (3)D
【方法规律】影响分子性质因素的分析方法
在分子内部和分子间存在着不同的作用力,这些作用力对分子的物理性质和化学性质都有不同程度的影响。因此在分析某些性质时容易造成混淆。
(1)共价键是原子间通过共用电子对形成的化学键,它存在于分子内部,影响物质的化学性质,如稳定性、活泼性等。
(2)分子间作用力是分子间微弱的相互作用,包括范德华力和氢键。分子间作用力只影响物质的物理性质,如熔点、沸点、硬度等。
(3)氢键是一种介于化学键和范德华力之间的相互作用,它只存在于分子间或分子内活动性较强的非金属元素N、O、F和与之相邻的H之间。氢键的存在对物质的熔点、沸点、溶解性等物理性质有很大影响,如H2O的沸点比H2S的高许多,NH3极易溶于水等。
(4)由于稀有气体是单原子分子,因此在形成晶体时,只存在分子间作用力,而不存在共价键。
【素养新思维】
7.水是自然界中普遍存在的一种物质,也是维持生命活动所必需的一种物质。如图为冰的结构
试根据以上信息回答下列问题:
(1)s轨道与s轨道重叠形成的共价键可用符号表示为ds—s,p轨道以“头碰头”方式重叠形成的共价键可用符号表示为dp-p,则H2O分子中含有的共价键用符号表示为________。?
(2)1
mol冰中有________mol“氢键”。?
(3)科学家发现在特殊条件下,水能表现出许多种有趣的结构和性质。
①一定条件下给水施加一个弱电场,常温常压下水结成冰,俗称“热冰”,其计算机模拟图如下:
使水结成“热冰”采用“弱电场”的条件,说明水分子是________(填“极性”或“非极性”)分子。?
②用高能射线照射液态水时,一个水分子能释放出一个电子,同时产生一种阳离子。产生的阳离子具有较强的氧化性,试写出该阳离子与SO2的水溶液反应的离子方程式___________________________________;该阳离子还能与水作用生成羟基,经测定此时的水具有酸性,写出该过程的离子方程式?________________
_____________________。?
(4)水的分解温度远高于其沸点的原因是_______________________。
(5)从结构的角度分析固态水(冰)的密度小于液态水的密度的原因是________________。?
【解析】(1)氢原子只有一个电子,且占据s轨道,氧原子通过杂化形成4个sp3杂
化轨道,杂化轨道上有2个不成对电子,氢原子的s轨道与氧原子的sp3杂化轨道头
碰头形成共价键,则H2O分子中含有的共价键用符号表示为
;
(2)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。
(3)
①在电场作用下的凝结,说明水分子是极性分子;
②由水分子释放出电子时产生的一种阳离子,可以表示成H2O+,因为氧化性很强,
氧化SO2生成硫酸,2H2O++SO2
====4H++
,根据信息和电荷守恒,H2O++H2O
====
H3O++
—OH。
(4)水的分解温度远高于其沸点的原因是水分解需要破坏分子内部的极性键,水的汽化只需破坏分子间的范德华力与氢键即可,而极性键远比分子间的范德华力与氢键强得多;
(5)水分子之间除了范德华力外还存在较强的氢键,氢键是有方向性和饱和性的,水由液态变为固态时,氢键的这种方向性和饱和性表现得更为突出,每个水分子都处于与直接相邻的4个水分子构成的四面体中心,分子之间的空隙较大,密度较小。
答案:(1)
(2)2 (3)①极性 ②2H2O++SO2
====
4H++
H2O++H2O
====
H3O++
—OH (4)水分解需要破坏分子内部的极性键,水的汽化只需破坏分子间
的范德华力与氢键即可,而极性键远比分子间的范德华力与氢键强得多 (5)水
分子之间除了范德华力外还存在较强的氢键,氢键是有方向性和饱和性的,水由
液态变为固态时,氢键的这种方向性和饱和性表现得更为突出,每个水分子都处
于与直接相邻的4个水分子构成的四面体中心,分子之间的空隙较大,密度较小课时素养评价
九 键的极性和分子的极性
范德华力和氢键及其对物质性质的影响
(30分钟 50分)
一、选择题(本题包括4小题,每小题5分,共20分)
1.(2020·太原高二检测)下列物质性质的变化规律与分子间作用力无关的是
( )
A.在相同条件下,N2在水中的溶解度小于O2
B.HF、HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱
C.F2、Cl2、Br2、I2的熔、沸点逐渐升高
D.CH3CH3、CH3CH2CH3、(CH3)2CHCH3、CH3CH2CH2CH3的沸点逐渐升高
【解析】选B。A项中,N2和O2都是非极性分子,在水中的溶解度都不大,但在相同条件下,O2分子与水分子之间的作用力比N2分子与水分子之间的作用力大,故O2在水中的溶解度大于N2。B项中,HF、HCl、HBr、HI的热稳定性与其分子中的氢卤键的强弱有关,而与分子间作用力无关。C项中,F2、Cl2、Br2、I2的组成和结构相似,分子间作用力随相对分子质量的增大而增大,故其熔、沸点逐渐升高。D项中,烷烃分子之间的作用力随相对分子质量的增大而增大,故乙烷、丙烷、丁烷的沸点逐渐升高,在烷烃的同分异构体中,支链越多分子结构越对称,分子间作用力越小,熔、沸点越低,故异丁烷的沸点小于正丁烷。
【补偿训练】
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.分子间的范德华力越大,分子就越稳定
C.相对分子质量相同的分子之间的范德华力也相同
D.稀有气体的原子间存在范德华力
【解析】选D。范德华力是分子间存在的较弱的相互作用,它不是化学键,A错误;分子的稳定性是由形成分子的原子之间的化学键强弱决定的,与分子间作用力大小无关,B错误;相对分子质量相同,范德华力不一定相同,如CO与N2,相对分子质量相同,但分子间作用力CO大,C错误;稀有气体为单原子分子,分子之间靠范德华力相结合,D正确。
2.如图中每条折线表示周期表第ⅣA族～第ⅦA族中的某一族元素氢化物的沸点变化,每个小黑点代表一种氢化物,其中a点代表的是
( )
A.HCl
B.H2S
C.SiH4
D.PH3
【解析】选C。ⅤA族～ⅦA族元素形成的氢化物中,NH3、H2O、HF分子间存在氢键,故沸点高于同主族相邻元素氢化物;而ⅣA族元素的氢化物没有此规律,氢化物沸点随相对分子质量增大而升高,因此最下方折线代表ⅣA族元素Si的氢化物的沸点,故a代表SiH4,
C正确。
3.下列叙述不正确的是
( )
A.卤化氢分子中,卤素的非金属性越强,共价键的极性越强,稳定性也越强
B.以极性键结合的分子,不一定是极性分子
C.判断A2B或AB2型分子是极性分子的依据是具有极性键且分子构型不对称,键角小于180°,为非直线形结构
D.非极性分子中,各原子间都应以非极性键结合
【解析】选D。对比HF、HCl、HBr、HI分子中H—X极性键的强弱,可知卤素中非金属性越强,键的极性越强。以极性键结合的双原子分子,一定是极性分子,但以极性键结合的多原子分子,也可能是非极性分子,如CO2。A2B型如H2O、H2S等,AB2型如CO2、CS2等,判断其为极性分子的依据是必有极性键且电荷分布不对称。CO2、CH4等多原子分子,其电荷分布对称,这样的非极性分子中可以含有极性键。
【补偿训练】
1.已知CO2、BF3、CH4都是非极性分子,NH3、H2S、H2O、SO2都是极性分子,由此可推知ABn型分子是非极性分子的经验规律是
( )
A.分子中所有原子在同一平面内
B.分子中不含氢原子
C.在ABn型分子中,A元素为正价
D.在ABn型分子中,A原子最外层电子都已成键
【解析】选D。结合所给出的实例分析可知,当A元素的最外层电子均已成键时,分子无极性。
2.肼(N2H4)分子中所有原子均达到稀有气体原子的稳定结构,它的沸点高达113℃,已知肼的球棍模型如图所示,下列有关说法不正确的是
( )
A.肼是由极性键和非极性键构成的非极性分子
B.肼沸点高达113℃,可推测肼分子间能形成氢键
C.肼分子中氮原子采用sp2杂化方式
D.32
g肼分子中含有5NA个σ键
【解析】选C。肼分子中含有极性键和非极性键,正负电荷中心重合,为非极性分子,故A正确;肼中含有N—H键,分子间能形成氢键,沸点较高,故B正确;肼的结构简式是H2N—NH2,氮采用sp3杂化,故C错误;32
g肼的物质的量为n=
32
g/32
g·mol-1=1
mol,1
mol肼中含5
mol
σ键,含有σ键的总数为5NA,故D正确。
4.PH3是一种无色剧毒气体,其分子结构和NH3相似,但P—H键键能比N—H键键能低。下列判断错误的是
( )
A.PH3分子呈三角锥形
B.PH3分子是极性分子
C.PH3沸点低于NH3沸点,因为P—H键键能低
D.PH3分子稳定性低于NH3分子,因为N—H键键能高
【解析】选C。PH3同NH3构型相同,因中心原子上有一对孤电子对,均为三角锥形,属于极性分子,故A、B项正确;PH3的沸点低于NH3,是因为NH3分子间存在氢键,C项错误;PH3的稳定性低于NH3,是因为N—H键键能高,D项正确。
【补偿训练】
1.二甘醇可用作溶剂、纺织助剂等,一旦进入人体会导致急性肾衰竭,危及生命。二甘醇的结构简式是HOCH2CH2OCH2CH2OH。下列有关二甘醇的叙述正确的是
( )
A.符合通式CnH2nO3
B.能溶于水,不溶于乙醇
C.分子间不存在范德华力
D.分子间能形成氢键
【解析】选D。二甘醇的分子式为C4H10O3,不符合通式CnH2nO3,A错误;二甘醇属于有机物,且题干中“二甘醇可用作溶剂”推知二甘醇能溶于乙醇,B错误;二甘醇为分子,分子间存在范德华力,C错误;二甘醇分子中存在H—O键,分子间能形成氢键,D正确。
2.有一种AB2C2型分子,在该分子中A为中心原子。下列关于该分子的立体构型和极性的说法中,正确的是
( )
A.假设为平面四边形,则该分子一定为非极性分子
B.假设为四面体形,则该分子一定为非极性分子
C.假设为平面四边形,则该分子可能为非极性分子
D.假设为四面体形,则该分子可能为非极性分子
【解析】选
C。
二、非选择题(本题包括1小题,共10分)
5.A、B、C、D四种元素,已知A原子核内只有一个质子,B原子的电子总数恰好与D原子最外层电子数相等,且D原子最外层电子数是其次外层电子数的3倍,又知A、B、C、D的原子序数依次增大。据此推知:
(1)A与D组成的化合物,其化学式可表示为________。?
(2)B与D组成的化合物中,属于极性分子的化学式为_________________;?
属于非极性分子的结构式为________。?
(3)A与C组成的四核分子属于________(填“极性”或“非极性”)分子。?
【解析】A原子核内只有一个质子,则A为氢元素。D原子最外层电子数是次外层电子数的3倍,其电子层结构为,则D为氧元素。B原子的电子总数等于氧原子最外层电子数,则B为碳元素。因为A、B、C、D的原子序数依次增大,所以C必为氮元素。A与D可组成H2O和H2O2两种化合物;B与D可形成CO和CO2两种化合物,其中CO2为非极性分子;A与C形成的化合物NH3为极性分子。
答案:(1)H2O、H2O2 (2)CO OCO (3)极性
【补偿训练】
(2019·泉州高二检测)已知和碳元素同主族的X元素位于周期表中的第1个长周期,短周期元素Y原子的最外层电子数比内层电子总数少3,它们所形成化合物的分子式是XY4。试回答:
(1)X元素的原子基态时电子排布式为________________________________;?
Y元素原子最外层电子的电子排布图为___________________。?
(2)该化合物的立体构型为________,中心原子的杂化类型为________,分子为________________(填“极性分子”或“非极性分子”)。?
(3)该化合物在常温下为液体,该化合物中分子间作用力是________________。?
(4)该化合物的沸点与SiCl4比较,________(填化学式)的高,原因是__?_____
________________。?
【解析】X位于第四周期第ⅣA族,为锗(Ge)元素。若Y为第二周期元素,第二周期元素只有两个电子层,则内层电子数为2,不符合题意;若Y为第三周期元素,由题意知为氯元素,电子排布式为1s22s22p63s23p5。
(1)由构造原理写出32Ge、17Cl的电子排布式、电子排布图。
(2)GeCl4中锗原子中无孤电子对,故GeCl4为正四面体形分子,锗原子采取sp3杂化。
(3)该化合物熔点低,分子间存在范德华力。
(4)GeCl4的相对分子质量比SiCl4大,沸点比SiCl4高。
答案:(1)1s22s22p63s23p63d104s24p2
(2)正四面体形 sp3杂化 非极性分子 (3)
范德华力 (4)GeCl4 二者结构相似,GeCl4相对分子质量大,分子间作用力强,沸点高
一、选择题(本题包括1小题,共5分)
6.(2020·邯郸高二检测)BF3与一定量的水形成晶体Q[(H2O)2·BF3],Q在一定条件下可转化为R:
晶体Q中各种微粒间的作用力不涉及
( )
①离子键 ②共价键 ③配位键 ④氢键 ⑤范德华力
A.①④ B.②⑤ C.① D.①⑤
【解析】选C。Q中非金属元素原子之间易形成共价键,硼原子含有空轨道、氧原子含有孤电子对,所以硼原子和氧原子之间存在配位键,分子之间存在范德华力,水分子中的氧原子和其他分子中的氢原子易形成氢键,所以不涉及的是离子键。
【补偿训练】
前中国科学院院长卢嘉锡与法裔加拿大科学家Gignere巧妙地利用尿素(H2NCONH2)和H2O2形成化合物H2NCONH2·H2O2,不但使H2O2稳定下来,而且其结构也没有发生改变,得到了可供衍射实验的单晶体。下列说法中不正确的是( )
A.H2NCONH2与H2O2是通过氢键结合的
B.H2O2分子中只含σ键,不含π键
C.H2NCONH2中σ键与π键的数目之比为7∶1
D.H2NCONH2和H2O2均属于非极性分子
【解析】选D。根据题意,H2O2稳定下来,而且其结构也没有发生改变,因此H2NCONH2与H2O2是通过氢键结合的,A项正确;H2O2的结构式为H—O—O—H,单键为σ键,只含σ键,不含π键,B项正确;尿素的结构简式为,单键均为σ键,在CO中,有一个σ键和一个π键,则共有6个单键和双键中1个σ键,共7个σ键,π键有1个,其比例为7∶1,C项正确;H2NCONH2和H2O2分子结构均不对称,所以不属于非极性分子,D项错误。
二、非选择题(本题包括1小题,共15分)
7.
X、Y、Z、M、Q是中学化学常见的五种元素,原子序数依次增大,其结构或性质信息如下表:
元素
结构或性质信息
X
其原子最外层电子数是内层电子数的2倍
Y
基态原子最外层电子排布式为nsnnpn+1
Z
非金属元素,其单质为固体,在氧气中燃烧时有明亮的蓝紫色火焰
M
单质在常温、常压下是气体。基态原子的M层上有1个未成对的p电子
Q
其与X形成的合金为目前用量最多的金属材料
(1)Q元素基态原子的电子排布式是______________,Y原子的电子排布图是____________。?
(2)比较Y元素与氧元素的第一电离能:________>________;X和Z形成的化合物XZ2为一种液体溶剂,其化学式是__________,分子中的σ键和π键数目之比为________。?
(3)M的气态氢化物和氟化氢相比稳定性强的是________(写化学式),其原因是__?________________;?沸点高的是________(写化学式),其原因是__?______
______________________。?
【解析】X原子最外层电子数是内层电子数的2倍,最外层最多含有8个电子,则X含有两个电子层,最外层含有4个电子,则X为C;Y的基态原子最外层电子排布式为nsnnpn+1,s能级含有2个电子,则n=2,Y的最外层电子排布式为2s22p3,则Y为N;Z为非金属元素,其单质为固体,在氧气中燃烧时有明亮的蓝紫色火焰,则Z为S;基态原子的M层上有1个未成对的p电子,则M的电子排布式为1s22s22p63s23p1或1s22s22p63s23p5,为铝元素或氯元素,由于M单质常温、常压下是气体,所以M是氯元素;Q与X形成的合金为目前用量最多的金属材料,该合金为钢,则Q为Fe。
(1)Q为Fe,铁原子核外有26个电子,基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2或[Ar]3d64s2,Y为氮元素,电子排布图为。
(2)核外电子排布处于半充满、全充满、全空时较稳定,N的2p能级是半充满状态,因此第一电离能N>O;X和Z形成的化合物XZ2为CS2,结构式为SCS,σ键和π键数目之比为1∶1。(3)非金属性越强,对应气态氢化物越稳定,非金属性:F>Cl,则气态氢化物的稳定性HF>HCl;由于HF分子间存在氢键,所以氟化氢的沸点比HCl高。
答案:(1)
1s22s22p63s23p63d64s2
(或[Ar]3d64s2)
(2)N O CS2 1∶1
(3)HF 元素非金属性F>Cl,
所以HF稳定
HF HF分子之间存在氢键,所以HF沸点高