新课标高中化学选修3第三节溶性手性无机氧酸分子的酸性.docx

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新课标高中化学选修3第三节溶性手性无机氧酸分子的酸性

第2课时　溶解性、手性、无机含氧酸分子的酸性

学业要求

素养对接

1.知道物质的溶解性与分子结构的关系，了解“相似相溶”规律。

2.结合实例初步认识分子的手性对其性质的影响。

3.会判断常见无机含氧酸酸性强弱。

微观探析：

键的极性和分子的极性。

模型认知：

运用“相似相溶”规律判断物质的溶解性、运用无机含氧酸酸性强弱理论判断无机含氧酸酸性的强弱。

[知识梳理]

一、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。

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，其溶解性越大。

如乙醇与水互溶，而戊醇在水中的溶解度明显较小。

（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。

【自主思考】

1.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、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重叠，互称手性异构体。

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。

三、无机含氧酸分子的酸性

1.对于同一种元素的含氧酸来说，该元素的化合价越高，其含氧酸的酸性越强。

2.含氧酸的通式可写成（HO）mROn，若成酸元素R相同，则n值越大，酸性越强。

【自主思考】

2.强酸的水溶液酸性一定比弱酸的水溶液酸性强吗？

提示　不一定，如很稀的稀硫酸的酸性没有饱和亚硫酸溶液的酸性强，溶液的酸性强弱除与酸的强弱有关外，还与酸溶液浓度大小有关。

[自我检测]

1.判断正误，正确的打“√”；错误的打“×”。

（1）卤化氢易溶于水，不易溶于四氯化碳。

（　　）

（2）碘易溶于汽油，微溶于水。

（　　）

（3）氯化钠易溶于水，也易溶于食用油。

（　　）

（4）丁烷易溶于煤油，难溶于水。

（　　）

（5）互为手性异构的分子组成相同，官能团不同。

（　　）

（6）手性异构体的性质不完全相同。

（　　）

（7）手性异构体是同分异构体的一种。

（　　）

（8）利用手性催化剂合成可得到或主要得到一种手性分子。

（　　）

（9）H3PO4的酸性比盐酸强。

（　　）

（10）碳酸和亚硫酸的酸性不好比较。

（　　）

（11）硝酸与磷酸的强度一样。

（　　）

答案　

（1）√　

（2）√　（3）×　（4）√　（5）×　（6）√　（7）√　（8）√　（9）×　（10）×　（11）×

2.一般来说，由极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂，由非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子组成的溶剂，这就是“相似相溶”规律。

以下事实不能用“相似相溶”规律解释的是（　　）

A.HCl易溶于水B.I2易溶于CCl4

C.Cl2可溶于水D.NH3难溶于苯

解析　HCl、NH3是极性分子，I2、Cl2是非极性分子，H2O是极性溶剂，CCl4、苯是非极性溶剂，C项符合题意。

答案　C

3.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.利用手性催化剂合成可主要得到一种手性分子

C.手性异构体的分子组成相同

D.手性异构体的性质相同

解析　互为手性异构体的分子如同左右手一样互为镜像，A项正确；在手性催化剂的作用下，手性化合物在反应过程中会与手性催化剂形成一种稳定的过渡态，从而会诱导出一种手性分子，B项正确；手性异构体属于同分异构体，分子组成相同，C项正确；手性异构体的物理性质和化学性质都不相同，D项错误。

答案　D

4.下列含氧酸的酸性强弱顺序正确的是（　　）

A.HClO＜HBrO＜HIOB.HClO＞HBrO＞HIO

C.HIO＞HClO＞HBrOD.HBrO＞HIO＞HClO

解析　　一般来说，同主族相同化合价的不同元素形成的含氧酸的酸性随元素原子半径的减小而增强，由于半径：

Cl＜Br＜I，故酸性：

HClO＞HBrO＞HIO。

答案　B

学习任务一　手性分子

【合作交流】

观察实物与其镜像能否重合，如果不能重合，说明是手性分子。

如图：

1.手性碳原子连接的基团有何特点？

提示　手性碳原子连接四个不同的原子或原子团。

2.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。

【点拨提升】

判断手性分子或手性异构体的方法关键

（1）判断手性异构体的关键是分子要有完全相同的组成和原子排列，互为镜像，在三维空间里不能重叠。

注意使用左手与右手来模拟理解。

（2）判断分子是否为手性分子就要判断分子中是否含有手性碳原子。

如果1个碳原子所连接的4个原子或原子团各不相同，那么该碳原子称为手性碳原子，用*C来表示，如

，R1、R2、R3、R4是互不相同的原子或原子团。

【例1】　在有机物

分子中含有________个手性碳原子。

该有机物与乙酸发生酯化反应，生成的有机物的结构简式是________________，它________（填“有”或“没有”）光学活性。

解析　分子中连接CH3COOCH2—、—H、—CH2CHO、—CH2OH4个不同原子团的碳原子是手性碳原子；发生酯化反应后，—CH2OH变为

，原来的手性碳原子上连接了2个相同的基团，不再是手性碳原子，因而没有光学活性。

答案　1　

　没有

连接4个不同的原子或原子团的碳原子为手性碳原子。

【变式训练】

1.手性分子往往具有一定光学活性。

乳酸分子是手性分子，如图

。

乳酸中的手性碳原子是（　　）

A.①B.②

C.③D.②③

解析　②号碳原子连接的为CH3—、—H、—COOH、—OH四种不同的基团。

答案　B

2.下列物质中不存在手性异构体的是（　　）

A.BrCH2CHOHCH2OHB.

C.CH3CHOHCOOHD.CH2===CH2

解析　判断一种有机物是否具有手性异构体，要看其是否含有手性碳原子。

手性碳原子必须是饱和碳原子，饱和碳原子所连有的原子和原子团必须不同。

A项中

，2号碳原子是饱和碳原子，且连有四个不同的原子或原子团，所以存在手性异构体。

B项中

带*的碳原子是饱和碳原子，且连有四个不同的原子团，所以存在手性异构体。

C项中

，2号碳原子是饱和碳原子，且连有四个不同的原子，所以存在手性异构体。

答案　D

学习任务二　无机含氧酸的酸性

【合作交流】

1.无机含氧酸中非羟基氧原子的多少与酸的强弱有何关系？

提示　非羟基氧原子数越多，酸性越强。

2.无机含氧酸中的氢原子个数能不能作为划分n元酸的标准？

如果不能，划分n元酸的标准又是什么？

提示　不能，由羟基的数目确定酸的元数。

【点拨提升】

无机含氧酸的酸性

（1）经验规律：

含氧酸的酸性随着分子中连接在中心原子上的非羟基氧原子的数目增多而增强，即（HO）mROn中n值越大，酸性越强。

n值与酸性强弱的一般关系是：

n＝

（2）解释：

n值越大，则R的正电性越强，导致O—H中O的电子向R偏移，因而在水分子的作用下就越容易电离出H＋，酸性越强。

（3）酸性比较的主要示例

①对于同一种元素的不同含氧酸，该元素的化合价越高，其含氧酸的酸性越强。

例如，酸性：

HClO＜HClO2＜HClO3＜HClO4，H2SO3＜H2SO4，HNO2＜HNO3，H3PO3＜H3PO4（R相同，n值越大，酸性越强）。

②同周期元素从左到右，元素的非金属性逐渐增强，最高价氧化物对应水化物的酸性逐渐增强，如H2SiO3（H4SiO4）＜H3PO4＜H2SO4＜HClO4（R同周期，n依次增大，酸性增强）。

③同主族元素从上到下，元素的非金属性逐渐减弱，最高价氧化物对应水化物的酸性逐渐减弱，如H2CO3＞H2SiO3，HNO3＞H3PO4＞H3AsO4（R同主族，n相同，中心原子的电负性越大，酸性越强）等。

④n相同时，酸性相近。

如HBrO4[高溴酸，（HO）BrO3，n＝3]与HClO4[（HO）ClO3，n＝3]，H2SO4[（HO）2SO2，n＝2]与HNO3[（HO）NO2，n＝2]，H3PO4[（HO）3PO，n＝1]与HNO2[（HO）NO，n＝1]，H3BO3[硼酸，（HO）3B，n＝0]与HClO[HOCl，n＝0]的酸性强度相近。

⑤碳酸（H2CO3）为弱酸的原因：

碳酸[（HO）2CO]中非羟基氧的个数为1，理论上应是酸性强弱与亚硝酸[（HO）NO]和磷酸[（HO）3PO]相近的中强酸，但事实上它是弱酸，这是由于溶于水的CO2分子中只有几百分之一与水结合成碳酸。

【例2】　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

超强

实例

HClO

H3PO4

HNO3

HClO4

回答下列问题。

（1）次氯酸、亚硝酸、硫酸、高溴酸4种含氧酸的酸性由强到弱的顺序是_______________________________________________________。

（2）磷与砷元素同主族，H3PO3（亚磷酸）和H3AsO3（亚砷酸）的分子组成相似，但它们的酸性差别很大，H3PO3是中强酸，H3AsO3既有弱酸性又有弱碱性。

由此可推出它们的结构式分别为①____________，②_______________________________________________________。

H3PO3和H3AsO3与过量的NaOH溶液反应的化学方程式分别是①_______________________________________________________，

②_______________________________________________________。

解析　

（1）先确定非羟基氧原子的数目再判断酸性强弱。

HClO、HNO2、H2SO4、HBrO4可分别写成（HO）Cl、（HO）NO、（HO）2SO2、（HO）BrO3，n分别为0、1、2、3，故酸性依次增强。

（2）H3PO3和H3AsO3分子中都含有3个氢原子，但H3PO3为中强酸而H3AsO3为弱酸，说明分子中的非羟基氧原子数不同。

依题给信息可知，H3PO3中含1个非羟基氧原子，H3AsO3中不含非羟基氧原子，则H3PO3为二元酸，H3AsO3是三元酸，由此可写出它们与过量NaOH溶液反应的化学方程式。

答案　

（1）HBrO4＞H2SO4＞HNO2＞HClO

（2）

H3PO3＋2NaOH===Na2HPO3＋2H2O

H3AsO3＋3NaOH===Na2AsO3＋3H2O

利用（HO）mROn比较酸性强弱时，当n相同时，可参考R元素的电负性，例如H2CO3和H2SO3的n都是1，但电负性S>C，非金属性S>C，所以酸性H2SO3>H2CO3。

【变式训练】

3.已知磷酸分子

中三个氢原子都可以跟重水（D2O）中D原子发生交换，又知次磷酸（H3PO2）也能跟D2O进行氢交换，次磷酸钠（NaH2PO2）却不能跟D2O发生氢交换，由此推断出次磷酸分子的结构是（　　）

解析　由题意知，无机含氧酸分子中—OH上的氢原子才能与D2O中的D原子发生交换。

H3PO2分子中只有一个氢原子能与D2O中的D原子发生交换，说明H3PO2是一元酸，只有一个羟基。

答案　B

4.下列对分子的性质的解释中，不正确的是（　　）

A.水很稳定（1000℃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（CH3CHOHCOOH）分子中含有一个手性碳原子

C.碘易溶于四氯化碳，甲烷难溶于水都可用“相似相溶”规律解释

D.由上图知酸性：

H3PO4＞HClO，因为H3PO4中非羟基氧原子数大于次氯酸中非羟基氧原子数

解析　水分子稳定的原因是因为水分子中H—O键牢固，而与氢键无关。

答案　A

5.20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

超强

实例

HClO

H3PO4

HNO3

HClO4

请简要回答下列问题：

（1）按此规则判断H3AsO4、H2CrO4、HMnO4的酸性由弱到强的顺序为_______________________________________________________。

（2）按此规则判断碳酸应属于________酸，与通常认为的碳酸的酸性是否一致？

________，其可能的原因是__________________________________

_______________________________________________________。

解析　

（1）根据题中非羟基氧原子数与酸性强弱的关系可得：

酸性：

H3AsO4＜H2CrO4＜HMnO4。

（2）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。

其可能的原因是溶于水的那部分CO2并不能完全转化为H2CO3。

答案　

（1）H3AsO4＜H2CrO4＜HMnO4　

（2）中强　不一致　溶于水的那部分CO2并不能完全转化为H2CO3

学习任务三　物质的溶解性

【合作交流】

物质相互溶解的性质十分复杂，受到许多因素的制约，如温度、压强等。

通过对许多实验的观察与研究，人们得出了一个经验性的“相似相溶”规律。

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.淡黄色的PtCl2（NH3）2是极性分子还是非极性分子？

提示　淡黄色的PtCl2（NH3）2在水中溶解度小，根据相似相溶规律，应为非极性分子。

2.黄绿色的PtCl2（NH3）2是极性分子还是非极性分子？

提示　黄绿色的PtCl2（NH3）2在水中溶解度较大，应为极性分子。

3.所有分子都符合“相似相溶”原理吗？

提示　“相似相溶”规律是从分子结构的角度，通过对实验的观察和研究而得出的关于物质溶解的经验规律，也会有不符合此规律的例外情况。

如CO、NO等极性分子难溶于水。

【点拨提升】　物质溶解性的判断与比较

1.依据“相似相溶”规律

非极性溶质一般易溶于非极性溶剂，难溶于极性溶剂；极性溶质一般易溶于极性溶剂，难溶于非极性溶剂。

2.依据溶质与溶剂之间是否存在氢键

如果溶质与溶剂之间能形成氢键，则溶质溶解度增大且氢键作用力越大，溶解性越好。

如：

NH3、HF极易溶于水；甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、甲酸、乙酸、甲醛、乙醛、氨基乙酸、乙胺等易溶于水，就是因为它们与水形成分子间氢键。

3.依据分子结构的相似性

溶质与溶剂分子结构的相似程度越大，其溶解度越大。

如烃基越大的醇（羧酸、醛）在水中的溶解度越小。

【例3】　利用相似相溶原理不能解释的是（　　）

A.I2微溶于水，易溶于CCl4；HCl易溶于水

B.在水中的溶解度：

C2H5OH＞CH3CH2CH2CH2CH2OH

C.不同的烃之间相互溶解

D.I2易溶于KI溶液中

解析　A项，I2是非极性分子，水是极性分子，所以碘微溶于水，而CCl4是非极性分子，所以I2易溶于CCl4；HCl是极性分子，所以易溶于极性溶剂水。

B项，烃基越大，分子的极性越弱，所以CH3CH2CH2CH2CH2OH在水中的溶解度小。

C项，烃的极性都较弱，所以不同的烃之间相互溶解。

D项，I2易溶于KI溶液中是由于I2与I－之间发生反应：

I2＋I－I

，不能用相似相溶原理解释。

答案　D

相似相溶原理是指由于极性分子间的电性作用，使得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，含有相同官能团的物质互溶。

【变式训练】

6.利用相似相溶这一经验规律可说明的事实是（　　）

①HCl易溶于水　②NH3易溶于H2O　③N2难溶于水

④HClO4是强酸　⑤盐酸是强酸　⑥氢氟酸是弱酸

⑦HF很稳定

A.①②③B.④⑤⑥

C.⑥⑦D.④⑤

解析　相似相溶原理是指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。

HCl、NH3均为极性溶质，H2O为极性溶剂，因此二者均易溶于水，而N2是非极性溶质，故难溶于水；酸性强弱与相似相溶原理没有关系，稳定性与键能有关，故只能选A。

答案　A

7.某学生做完实验后，采用以下方法分别清洗仪器，其中应用“相似相溶”规律的是（　　）

A.用稀硝酸清洗做过银镜反应的试管

B.用稀盐酸清洗做高锰酸钾分解实验的试管

C.用氢氧化钠溶液清洗盛过硅酸的试管

D.用四氯化碳清洗做过碘升华的烧杯

解析　A和B都是利用氧化还原反应来除去试管上的固体；C是利用酸碱中和原理除去试管上的固体。

答案　D

8.将几种物质在水和四氯化碳中的溶解情况填入下表：

蔗糖

磷酸

碘

萘

（1）水

（2）四氯化碳

其原因是_______________________________________________________。

解析　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”的规律，可得出结论。

答案　

（1）易溶　易溶　不易溶　不易溶　

（2）不易溶　不易溶　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

分层训练

基础练

1.有机物

具有手性，发生下列反应后，生成的分子仍有手性的是（　　）

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　④发生消去反应

A.①②B.②③

C.①④D.②④

解析　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；与乙酸发生酯化反应后，该碳原子所连四个取代基不同，仍具有手性；发生水解反应后，该碳原子所连四个取代基也不同，仍具有手性；当发生消去反应时，原手性碳原子生成双键后不再具有手性。

故选B。

答案　B

2.当一个碳原子连接四个不同的原子或原子团时，该碳原子叫“手性碳原子”。

下列化合物中含有2个手性碳原子的是（　　）

解析　由题意可知，A项、B项与D项中各有1个手性碳原子；C项中有2个手性碳原子。

答案　C

3.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

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，易溶于极性分子组成的溶剂，水属于极性溶剂，所以极性分子二氧化硫在水中的溶解度最大，C项正确。

答案　C

4.某同学在所收到的信封上发现有收藏价值的邮票，便将邮票剪下来浸入水中，以去除邮票背面的黏合剂。

根据“相似相溶”规律判断，该黏合剂的成分可能是（　　）

解析　根据选项中物质的结构可知，四种物质中只有

中的—OH与水分子的—OH相近，结合“相似相溶”规律可得该物质能溶于水，其余三种物质均难溶于水，B项正确。

答案　B

5.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.HClO4B.H2SeO3

C.H3BO3D.H3PO4

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。

答案　A

6.下列各组酸中，酸性依次增强的是（　　）

A.H2CO3、H2SiO3、H3PO4B.HNO3、H3PO4、H2SO4

C.HI、HCl、H2SD.HClO、HClO3、HClO4

解析　解答本题可依据元素周期律进行判断。

A项，非金属性：

C＞Si，故酸性：

H2CO3＞H2SiO3；B项，非金属性：

N＞P，故酸性：

HNO3＞H3PO4；C项，HCl是强酸，H2S是弱酸；D项，HClO、HClO3和HClO4的非羟基氧原子数逐渐增多，故酸性逐渐增强。

答案　D

7.下列物质在水中溶解度的顺序正确的是（　　）

A.NH3＞HCl＞CO2＞SO2＞Cl2

B.SO2＞CS2＞H2S＞S8

C.HOCH2（CHOH）4CHO＞C17H35COOH＞HCOOH

D.HF＞CO2＞CH4

解析　水为极性分子，与水形成氢键、与水反应的气体在水中溶解度大。

二氧化碳是非极性分子，二氧化硫是极性分子，二氧化硫在水中的溶解度大于二氧化碳，A项错误；CS2是非极性分子，溶解度小于H2S，B项错误；HCOOH与水形成氢键，能与水混溶，同类有机物的相对分子质量越大，极性越弱，在水中的溶解度越小，C项错误；HF与水形成氢键，CH4和二氧化碳都是非极性分子，而二氧化碳与水反应，所以HF的溶解度最大，CH4最小，D项正确。

答案　D

8.无机含氧酸的强弱的规律表示成酸元素的化合价越高，酸性越强。

下列说法正确的是（　　）

①根据这一规律高氯酸是很强的酸　②H3PO4的酸性比盐酸的酸性强　③碳酸和亚硫酸的酸性不好比较　④硝酸与磷酸的酸性强度一样

A.①②B.③④

C.①③D.②④

解析　一般认为，成酸元素的化合价越高其酸性越强。

盐酸为非含氧酸，不适用此规律，②错；硝酸与磷酸为非同一元素的含氧酸，分别为一元强酸和三元中强酸，④错。

答案　C

9.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是平面正方形结构，还是四面体结构______________________。

（2）请在以下横线上画出这两种固体分子的立体构型图：

淡黄色固体__________，黄绿色固体____________。

（3）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。

（4）黄绿色固体在水中溶解度比淡黄色固体大，原因是

_______________________________________________________

_______________________________________________________。

解析　

（1）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正方形结构，若为四面体结构则无同分异构体。

（2）PtCl2（NH3）2的两种同分异构体的结构分别为

。

由于淡黄色固体在水中的溶解度较小，因此其分子无极性，其结构为①，则黄绿色固体为极性分子，其结构为②。

（