新课标高中化学选修3第三节键的极性和分子的极性范德华力和氢键.docx
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新课标高中化学选修3第三节键的极性和分子的极性范德华力和氢键
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
学业要求
素养对接
1.知道分子极性与分子中键的极性、分子的空间结构密切相关。
2.能说明分子间作用力（含氢键）对物质熔、沸点等性质的影响。
3.能列举含有氢键的物质及其性质特点。
微观探析：
键的极性和分子的极性。
模型认知：
运用分子间作用力（含氢键）理论模型解释物质的性质。
[知识梳理]
一、键的极性和分子的极性
1.键的极性
2.分子的极性
3.键的极性和分子极性的关系
（1）只含非极性键的分子一般是非极性分子。
（2）含有极性键的分子有没有极性，必须依据分子中极性键的极性的向量和是否等于零而定，等于零时是非极性分子。
【自主思考】
1.乙烯分子中共价键极性如何？
乙烯是极性分子还是非极性分子？
提示 乙烯分子中C—H是极性共价键，C===C是非极性共价键，乙烯分子空间对称，是非极性分子。
二、范德华力及其对物质性质的影响
1.概念
分子之间普遍存在的相互作用力。
2.特征
范德华力很弱，约比化学键的键能小1～2数量级。
3.影响因素
（1）组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大。
（2）分子的极性越大，范德华力越大。
4.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，物质的熔、沸点越高。
【自主思考】
2.Cl2、Br2、I2三者的组成和化学性质均相似，但状态却为气、液、固的原因是什么？
提示 Cl2、Br2、I2的组成和结构相似，由于相对分子质量逐渐增大，所以范德华力逐渐增大，故熔、沸点升高，状态由气体变为液体、固体。
三、氢键及其对物质性质的影响
1.概念
已经与电负性很大的原子（如N、F、O）形成共价键的氢原子与另一个分子电负性很大的原子之间的作用力。
2.表示方法
氢键通常用A—H…B—表示，其中A、B为N、O、F，“—”表示共价键，“…”表示形成的氢键。
3.分类
氢键可分为分子内氢键和分子间氢键两类。
存在分子内氢键，
存在分子间氢键。
前者的沸点低于后者。
4.特征
氢键不属于化学键，属于一种较弱的作用力，比化学键弱，但比范德华力强。
5.氢键对物质性质的影响
氢键主要影响物质的熔、沸点，分子间氢键使物质熔、沸点升高。
【自主思考】
3.卤族元素的氢化物的熔、沸点大小顺序是HF>HI>HBr>HCl，试分析其原因。
提示 对于组成和结构相似的分子来说，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高，故HI>HBr>HCl，但由于HF分子间形成氢键增大了分子之间的作用力，虽然相对分子质量小，但熔、沸点最高。
[自我检测]
1.判断正误，正确的打“√”；错误的打“×”。
（1）以非极性键结合的双原子分子一定是非极性分子。
（ ）
（2）以极性键结合的分子一定是极性分子。
（ ）
（3）非极性分子只能是双原子单质分子。
（ ）
（4）非极性分子中，一定含有非极性共价键。
（ ）
（5）氢键一种特殊的化学键，只是键能小一些。
（ ）
（6）范德华力与氢键可同时存在于分子之间。
（ ）
（7）由于非金属性F＞Cl＞Br，所以熔、沸点HF＞HCl＞HBr。
（ ）
（8）乙醇比乙醛的沸点高的原因是乙醇的相对分子质量较大。
（ ）
（9）同主族从上到下，气态氢化物的沸点依次升高。
（ ）
（10）BCl3与NCl3均为三角锥形，为极性分子。
（ ）
答案
（1）√
（2）× （3）× （4）× （5）× （6）√ （7）× （8）× （9）× （10）×
2.在HF、H2O、NH3、CS2、CH4、N2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，具有直线形构型的非极性分子是________。
（3）以极性键相结合，具有三角锥形构型的极性分子是________。
（4）以极性键相结合，具有正四面体构型的非极性分子是________。
（5）以极性键相结合，具有V形构型的极性分子是________________。
（6）以极性键相结合，而且分子极性最大的是________。
答案
（1）N2
（2）CS2 （3）NH3 （4）CH4 （5）H2O （6）HF
3.下列关于范德华力的叙述正确的是（ ）
A.其是一种较弱的化学键
B.其是分子间存在的较强的电性作用
C.直接影响所有物质的溶、沸点
D.稀有气体的分子间存在范德华力
解析 范德华力是分子间存在的较弱的电性作用，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溶、沸点；稀有气体的分子间存在范德华力。
答案 D
4.下列物质分子间不能形成氢键的是（ ）
A.H2OB.HF
C.CH3CH2OHD.CH4
解析 氢键形成的条件是氢原子两边的原子所属元素的电负性很强，原子半径很小，如O、F、N等。
答案 D
学习任务一 键的极性和分子的极性
【合作交流】
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？
提示 H2O2分子中H—O键为极性共价键，O—O键为非极性共价键。
2.H2O2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 不重合。
H2O2属于极性分子。
3.极性键和非极性键有何区别？
提示 看成键原子是否相同，若相同则为非极性键，若不同则为极性键。
4.极性分子和非极性分子有何区别？
提示 看分子的空间构型是否对称，若对称则为非极性分子，反之则为极性分子。
【点拨提升】
1.键的极性
（1）键的极性具有方向性，由正电荷的中心指向负电荷的中心。
（2）形成极性键的两个键合原子的电负性相差越大，键的极性就越强。
如键的极性由强到弱顺序为H—F＞H—O＞N—H＞C—H，H—F＞H—Cl＞H—Br＞H—I
2.分子的极性与键的极性和分子立体构型的关系
分子类型
键的极性
分子立体构型
分子极性
代表分子
双原子分子
A2
非极性键
直线（对称）
非极性
N2等
AB
极性键
直线（对称）
极性
CO、HF等
三原子分子
AB2
直线（对称）
非极性
CO2、CS2、BeCl2等
V形（不对称）
极性
H2O、H2S、SO2等
四原子分子
AB3
平面三角形
（对称）
非极性
BF3、BCl3、SO3等
三角锥形
极性
NH3、PCl3、NF3等
五原子分子
AB4
正四面体形
（对称）
非极性
CH4、SiF4等
ABnC4－n
四面体形
（不对称）
极性
CH2Cl2等
3.分子极性的判断方法
分子的极性是由分子中所含共价键的极性与分子的立体构型两方面共同决定的。
判断分子极性时，可根据以下原则进行：
（1）只含有非极性键的双原子分子或多原子分子大多是非极性分子，如O2、H2、P4、C60。
（2）含有极性键的双原子分子都是极性分子，如HCl、HF、HBr。
（3）含有极性键的多原子分子，空间结构对称的是非极性分子；立体构型不对称的是极性分子。
（4）判断ABn型分子极性的经验规律：
①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。
②若中心原子有孤电子对，则为极性分子；若无孤电子对，则为非极性分子。
如CS2、BF3、SO3、CH4为非极性分子；H2S、SO2、NH3、PCl3为极性分子。
【例1】 下列物质的分子中，都属于含极性键的非极性分子的是（ ）
A.CO2、H2SB.C2H4、CH4
C.Cl2、C2H2D.NH3、HCl
解析 由两种不同元素形成的共价键才会有极性，因此C项中Cl2中无极性键。
之后根据结构可以判断A项中H2S，D项中NH3、HCl分子中正、负电荷中心不重合，属于极性分子。
答案 B
从以下两方面判断分子的极性：
【变式训练】
1.下列化合物中，化学键的类型和分子的极性（极性或非极性）皆相同的是（ ）
A.CO2和SO2B.CH4和PH3
C.BF3和NH3D.HCl和HI
解析 题目所给各物质分子中均为极性键。
CO2、CH4、BF3为非极性分子，SO2、PH3、NH3、HCl、HI为极性分子。
答案 D
2.将下列粒子的符号填入相应的空格内：
O2、CO2、H2O、N2、（NH4）2SO4、SiCl4、H2S、C2H4、CH4、Cl2、C2H2、NH3、HCl、H2O2、CH3CH2OH、NaOH、SiO2、CH3Cl。
（1）只含非极性键的非极性分子：
_______________________________；
（2）含极性键的非极性分子：
____________________________________；
（3）既含极性键，又含非极性键的非极性分子：
________________；
（4）含非极性键的极性分子：
__________________________________；
（5）含极性键的极性分子：
_____________________________________
_______________________________________________________；
（6）既含极性键，又含非极性键的极性分子：
_______________________________________________________
_______________________________________________________；
（7）全部由非金属元素组成的离子化合物：
_______________________________________________________。
答案
（1）O2、N2、Cl2
（2）CO2、SiCl4、C2H4、CH4、C2H2
（3）C2H4、C2H2
（4）H2O2、CH3CH2OH
（5）H2O、H2S、NH3、HCl、H2O2、CH3CH2OH、CH3Cl
（6）H2O2、CH3CH2OH
（7）（NH4）2SO4
学习任务二 范德华力和氢键对物质性质的影响
【合作交流】
人们熟悉的影片《蜘蛛侠》为我们塑造了一个能飞檐走壁、过高楼如履平地的蜘蛛侠，现实中的蜘蛛能在天花板等比较滑的板面上爬行，蜘蛛之所以不能从天花板上掉下的主要原因是蜘蛛脚上的大量细毛与天花板之间的范德华力这一“黏力”使蜘蛛不致坠落。
1.范德华力、氢键、共价键都有方向性吗？
提示 范德华力无方向性，氢键和共价键有方向性。
2.范德华力、氢键、共价键的大小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。
共价键的大小影响分子的稳定性。
3.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。
【点拨提升】
范德华力、氢键、化学键的比较
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
已经与电负性很强的原子形成共价键的氢原子与另一个电负性很强的原子之间的静电作用
原子间通过共用电子对所形成的相互作用
作用微粒
分子
H与N、O、F
原子
特征
无方向性和饱和性
有方向性和饱和性
有方向性和饱和性
强度
共价键＞氢键＞范德华力
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
对于X—H…Y，X、Y的电负性越大，Y原子的半径越小，作用越强
成键原子半径和共用电子对数目。
键长越短，键能越大，共价键越稳定
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、沸点逐渐升高。
如CF4＜CCl4＜CBr4
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
②分子内存在氢键时，降低物质的熔、沸点
共价键键能越大，分子稳定性越强
【例2】 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 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。
答案 C
利用范德华力判断物质熔、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二：
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立体构型。
【变式训练】
3.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、I的熔、沸点逐渐升高
D.CH3—CH3、CH3—CH2—CH3、（CH3）2CHCH3、
CH3CH2CH2CH3的沸点逐渐升高
解析 A项，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，HF、HCl、HBr、HI的热稳定性与其分子的极性键的强弱有关，而与分子间作用力无关。
C项，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，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，分子间作用力越小，熔、沸点越低，故异丁烷的沸点低于正丁烷。
答案 B
4.下列物质的性质或数据与氢键无关的是（ ）
A.氨气极易溶于水
B.邻羟基苯甲酸（
）的熔点为159°C，对羟基苯甲酸（
）的熔点为213°C
C.乙醚微溶于水，而乙醇可与水以任意比混溶
D.HF分解时吸收的热量比HCl分解时吸收的热量多
解析 NH3分子与H2O分子之间可以形成氢键，增大了NH3在水中的溶解度；邻羟基苯甲酸形成分子内氢键，而对羟基苯甲酸形成分子间氢键，分子间氢键增大了分子间作用力，使对羟基苯甲酸的熔、沸点比邻羟基苯甲酸的高；乙醇分子结构中含有羟基，可以与水分子形成分子间氢键，从而增大了乙醇在水中的溶解度，使其能与水以任意比混溶，而乙醚分子结构中无羟基，不能与水分子形成氢键，在水中的溶解度比乙醇小得多；HF分解时吸收的热量比HCl分解时吸收的热量多的原因是H—F键的键能比H—Cl键的大，与氢键无关。
答案 D
5.关于氢键及范德华力，下列说法正确的是（ ）
A.氢键比范德华力强，所以它属于化学键
B.分子间形成的氢键使物质的熔点和沸点升高
C.沸点：
HI＞HBr＞HCl＞HF
D.H2O是一种稳定的化合物，这是由于H2O分子之间形成氢键所致
解析 氢键比范德华力强，但它不属于化学键，化学键是原子间的作用力，氢键是分子间作用力，故A项错误；分子间氢键的存在，大大加强了分子间的作用力，使物质的熔、沸点升高，故B项正确；结构和组成相似的共价化合物，相对分子质量越大，物质的沸点越高，但HF中存在氢键，导致HF的沸点比卤族其他元素的氢化物的沸点高，沸点大小为HF＞HI＞HBr＞HCl，故C项错误；氢键只影响物质的物理性质，不影响化学性质，故D项错误。
答案 B
6.下列各对分子：
①H2—H2、②H2O—H2O、③CH3OH—H2O、④CCl4—H2O，分子之间只存在范德华力的有________，存在氢键的有________。
（填序号）
解析 H2O分子间、CH3OH分子与H2O分子间存在氢键。
答案 ①④ ②③
7.
（1）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________。
（2）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：
_______________________________________________________
_______________________________________________________。
解析
（1）从氢键的成键原理上讲，A、B两项成立，C、D两项错误；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NH
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·H2ONH
＋OH－，所以B项正确。
（2）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）B
（2）F—H…F、O—H…O、F—H…O、O—H…F
分层训练
基础练
1.使用微波炉加热，具有使受热物质均匀，表里一致、速度快、热效率高等优点，其工作原理是通电炉内的微波场以几亿的高频改变电场的方向，水分子因而能迅速摆动，产生热效应，这是因为（ ）
A.水分子具有极性共价键
B.水分子中有共用电子对
C.水由氢、氧两元素组成
D.水分子是极性分子
解析 只有极性分子才能在电场中定向移动，非极性分子几乎不发生定向移动。
水分子是由极性键构成的极性分子。
答案 D
2.实验测得BeCl2为共价化合物，两个Be—Cl键的夹角为180°，由此可判断BeCl2属于（ ）
A.由极性键形成的极性分子
B.由极性键形成的非极性分子
C.由非极性键形成的极性分子
D.由非极性键形成的非极性分子
解析 BeCl2中Be—Cl键是不同元素形成的共价键，为极性键，两个Be—Cl键的夹角为180°，说明分子是对称的，正电荷中心与负电荷中心重合，BeCl2属于非极性分子，故BeCl2是由极性键形成的非极性分子。
答案 B
3.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 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O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。
答案 D
4.下列叙述正确的是（ ）
A.NH3是极性分子，分子中N原子处在3个H原子所组成的三角形的中心
B.CCl4是非极性分子，分子中C原子处在4个Cl原子所组成的正方形的中心
C.H2O是极性分子，分子中O原子不处在2个H原子连线的中央
D.CO2是非极性分子，分子中C原子不处在2个O原子连线的中央
解析 NH3中的N原子以sp3杂化，形成三角锥形结构，电荷分布不对称，是极性分子；CCl4分子中C—Cl键为极性键，碳原子采取sp3杂化，且无孤对电子，分子构型为正四面体形，碳原子位于正四面体的中心，H2O分子中H—O键为极性键，氧采取sp3杂化，且有两对孤对电子，分子构型为V形，整个分子电荷分布不对称，为极性分子；CO2分子中碳采取sp1杂化，分子构型为直线形，分子为非极性分子，碳原子位于2个氧原子连线的中央。
答案 C
5.下列物质分子内和分子间均可形成氢键的是（ ）
A.NH3B.
C.H2SD.C2H5OH
解析 通常能形成氢键的分子中含有：
N—H键、H—O键或H—F键。
NH3、CH3CH2OH有氢键但只存在于分子间。
B项中
的O—H键与另一分子中
中的O可在分子间形成氢键，同一分子中的O—H键与邻位
中的O可在分子内形成氢键。
答案 B
6.关于氢键，下列说法正确的是（ ）
A.由于冰中的水分子间存在氢键，所以其密度大于液态水
B.可以用氢键解释接近沸点的水蒸气的相对分子质量测定值比用化学式（H2O）计算出来的相对分子质量大
C.分子间氢键和分子内氢键都会使熔、沸点升高
D.每个水分子内平均含有两个氢键
解析 由于冰中的水分子间的氢键多于液态水中的氢键，分子间的距离较大，所以其密度小于液态水，A项错误；由于水分子之间存在氢键，水分子通常以几个分子聚合的形式存在，所以接近沸点的水蒸气的相对分子质量测定值比用化学式（H2O）计算出来的相对分子质量大，B项正确；分子间氢键可使熔、沸点升高，分子内氢键通常不会影响物质的熔、沸点，C项错误；水分子内不含氢键，水中的氢键只存在于水分子之间，D项错误。
答案 B
7.下列几种氢键：
①O—H…O；②N—H…N；③F—H…F；④O—H…N。
氢键从强到弱的顺序排列正确的是（ ）
A.③＞①＞④＞②B.①＞②＞③＞④
C.③＞②＞①＞④D.①＞④＞③＞②
解析 F、O、N的电负性依次降低，F—H、O—H、N—H键的极性依次降低，故F—H…F中的氢键最强，其次是O—H…O，再次是O—H…N，最弱的是N—H…N。
答案 A
8.徐光宪在《分子共和国》一书中介绍了许多明星分子，如H2O2、CO2、BF3、CH3COOH等。
下列说法正确的是（ ）
A.H2O2分子为直线形的非极性分子
B.CO2分子为由极性共价键构成的非极性分子
C.BF3分子中的B原子最外层满足8电子稳定结构
D.CH3COOH分子中C原子均采取sp2杂化
解析 H2O2分子的空间构型不是直线形，A项错误；CO2分子中3个原子在同一直线上，两个O原子在C原子的两侧，故该分子为由极性共价键构成的非极性分子，B项正确；BF3分子中B原子最外层只有6个电子，所以最外层不满足8电子稳定结构，C项错误；CH3COOH分子中甲基C原子采取sp3杂化，羧基C原子采取sp2杂化，D项错误。
答案 B
9.若不断地升高温度，会实现“雪花→水→水蒸气→氧气和氢气”的转化。
在转化的各阶段被破坏的主要作用依次是（ ）
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
解析 固态水中和液态水中都含有氢键，“雪花→水→水蒸气”主要是氢键被破坏，属于物理变化，共价键没有被破坏，“水蒸气→氧气和氢气”为化学变化，破坏的是极性共价键，B项正确。
答案 B
10.下列说法正确的是（ ）
A.非极性分子中的原子上一定不含孤电子对
B.平面三角形分子一定是非极性分子
C.二氯甲烷（CH2Cl2）分子的中心原子采取sp3杂化，键角均为109°28′
D.ABn
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