第三节分子的性质.docx

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第三节分子的性质

第三节　分子的性质

第1课时　键的极性、分子极性、范德华力和氢键

范德华力概念的产生

为了研究气体分子的运动规律，科学家们提出一种理想气体的假设，认为气体分子不具有体积，并且气体分子之间不存在相互作用。

根据这种假设提出的理想气体方程对气体分子运动规律的描述与实验事实出现偏差。

荷兰物理学家范德华（J.vanderWaals）修正了关于气体分子运动的以上假设，指出气体分子本身具有体积，并且分子间存在引力。

由此，范德华提出了描述实际气体行为的范德华气态方程，根据这个方程计算的结果与实验事实十分吻合。

由于是范德华首次将分子间作用力概念引入气态方程，人们将这种相互作用力称为范德华力。

一、键的极性和分子的极性

1．键的极性

共价键

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

一个电子呈正电性（δ＋），

一个原子呈负电性（δ－）

电中性

2．键的极性与分子极性的关系

二、范德华力和氢键

1．范德华力及其对物质性质的影响

2．氢键及其对物质性质的影响

概念

是由已经与__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__电负性____很大的原子之间的作用力

表示

方法

通常用A—H…B—表示，其中A、B为N、F、O中的一种，“—”表示__共价键____，“…”表示形成的__氢键____

特征

（1）不属于化学键，是一种分子间作用力。

氢键键能较小，比化学键的键能小1～2个数量级，但比范德华力__强____

（2）具有一定的方向性和饱和性

类型

__分子内____氢键和__分子间____氢键

对物质性

质的影响

主要影响物质的__熔沸点____和电离、溶解等

1．思考辨析

（1）关于下面分子的说法请判断正误

A．既有σ键又有π键（　√　）

B．O—H键的极性强于C—H键的极性（　√　）

C．是非极性分子（　×　）

D．该物质的分子之间不能形成氢键，但它可以与水分子形成氢键（　×　）

E．1mol该分子有27NA个σ键（　√　）

F．该分子易溶于水（　×　）

G．该分子中碳原子的杂化类型有sp、sp2、sp3三种杂化方式（　×　）

H．分子中的氧原子采取sp3杂化（　√　）

（2）乙醇比乙醛的沸点高的原因是乙醇的相对分子质量较大。

（　×　）

（3）同主族从上到下，气态氢化物的沸点依次升高。

（　×　）

（4）BCl3与NCl3均为三角锥形，为极性分子。

（　×　）

2．图中每条折线表示元素周期表ⅣA～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（　D　）

A．H2S　B．HCl

C．PH3　D．SiH4

解析：

在第ⅣA～ⅦA族中的氢化物里，NH3、H2O、HF因分子间可以形成氢键，故沸点高于同主族相邻元素氢化物的沸点，只有第ⅣA族元素氢化物不存在反常现象，故a点代表的是SiH4。

3．沸腾时只需克服范德华力的液体物质是（　D　）

A．水　B．酒精

C．氨水　D．CH3Cl

解析：

A．水在沸腾时除了克服范德华力外，还需要破坏氢键，故A错误；

B．酒精中也存在氢键，在沸腾时，同时破坏了范德华力和氢键，故B错误；

C．氨水中存在氢键，在沸腾时，同时破坏了范德华力和氢键，故C错误；

D．CH3Cl只存在范德华力，沸腾时只需克服范德华力，故D正确。

4．以极性键结合的多原子分子，分子是否有极性取决于分子的空间构型。

下列分子属极性分子的是（　C　）

A．SO3　B．CO2

C．NH3　D．BCl3

解析：

A．SO3的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，故A不选；

B．二氧化碳结构为O＝C＝O，结构对称，正负电荷的中心重合，属于非极性分子，故B不选；

C．NH3为三角锥形，结构不对称，正负电荷的中心不重合，属于极性分子，故C选；

D．BCl3的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，故D不选。

5．下列关于氢键的说法正确的是（　C　）

A．由于氢键的作用，使NH3、H2O、HF的沸点反常，且沸点高低顺序为HF>H2O>NH3

B．氢键只能存在于分子间，不能存在于分子内

C．没有氢键，就没有生命

D．相同量的水在气态、液态和固态时均有氢键，且氢键的数目依次增多

解析：

A项，“反常”是指它们在与其同族氢化物沸点排序中的现象，它们的沸点顺序可由氢化物的状态所得，水常温下是液体，沸点最高。

B项，氢键存在于不直接相连但相邻的H、O原子间，所以，分子内可以存在氢键。

C项正确，因为氢键造成了常温、常压下水是液态，而液态的水是生物体营养传递的基础。

D项，在气态时，分子间距离大，分子之间没有氢键。

知识点一　判断共价键的极性与分子极性的方法

1．键的极性的判断方法

（1）从组成元素

（2）从电子对偏移

（3）从电负性

2．分子的极性的判断方法

（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。

典例1　请指出表中分子的立体构型，判断其中哪些属于极性分子，哪些属于非极性分子。

分子

立体构型

极性（非极性）分子

O2

__直线形____

__非极性分子____

CO2

__直线形____

__非极性分子____

BF3

__平面三角形____

__非极性分子____

CCl4

__正四面体形____

__非极性分子____

HF

__直线形____

__极性分子____

H2O

__V形____

__极性分子____

NH3

__三角锥形____

__极性分子____

解析：

由于O2、CO2、BF3、CCl4均为对称结构，所以它们均为非极性分子。

HF、H2O、NH3空间结构不对称，均为极性分子。

方法技巧：

从以下两方面判断分子的极性：

〔变式训练1〕　下列物质的分子中，都属于含极性键的非极性分子的是（　B　）

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。

故正确答案为B。

知识点二　分子间作用力和氢键

1．范德华力

（1）范德华力的概述

降温加压时气体会液化，降温时液体会凝固，这一事实表明，分子之间存在着相互作用力，它把分子聚集在一起，因而把这类分子间作用力称为范德华力。

其实质是静电作用。

说明：

①范德华力广泛存在于分子之间，只有分子间才有范德华力。

属于分子间的电性作用力。

②范德华力很弱，约比共价键小1～2个数量级。

③范德华力只影响分子的物理性质，它无方向性和饱和性。

（2）范德华力的影响因素

影响范德华力的主要因素有分子的相对分子质量、分子的极性等。

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，如

分子

Ar

CO

HI

HBr

HCl

范德华力/kJ·mol－1

8.50

8.75

26.00

23.11

21.14

②分子的极性越强，范德华力越大。

③温度升高，范德华力减小。

（3）范德华力对物质性质的影响

①对物质熔、沸点的影响

一般来说，分子晶体中范德华力越大，物质的熔、沸点越高。

具体如下：

a．组成和结构相似的物质，随着相对分子质量的增大，分子间的范德华力逐渐增大，它们的熔、沸点逐渐升高。

如下图中的曲线所示：

B．分子组成相同但结构不同的物质（即互为同分异构体），分子对称性越好，范德华力越小，物质的熔、沸点越低，如熔、沸点：

新戊烷＜异戊烷＜正戊烷。

C．一般，相对分子质量相近的物质，分子的极性越小，范德华力越小，物质的熔、沸点越低，如熔、沸点：

N2＜CO。

②对物质溶解性的影响

液体的互溶以及固态、气态的非电解质在液体里的溶解度都与范德华力有密切的关系。

2．氢键

（1）形成条件

①要有一个与电负性很大的元素X形成强极性键的氢原子，如H2O中的氢原子。

②要有一个电负性很大，含有孤电子对并带有部分负电荷的原子Y，如H2O中的氧原子。

③X和Y的原子半径要小，这样空间位阻较小。

一般来说能形成氢键的元素为N、O、F。

（2）氢键的存在

①含H—O、N—H、H—F键的物质。

②有机化合物中的醇类和羧酸等物质。

（3）氢键的类型

尽管人们将氢键归结为一种分子间作用力，但是氢键既可以存在于分子之间，也可以存在于分子内部的原子团之间。

如邻羟基苯甲醛分子内的羟基与醛基之间存在氢键，对羟基苯甲醛存在分子间氢键（如图）。

（4）氢键对物质性质的影响

①对熔、沸点的影响

a．分子间氢键的形成使物质的熔、沸点升高，因为要使液体汽化，必须破坏大部分分子间的氢键，这需要较多的能量；要使晶体熔化，也要破坏一部分分子间的氢键。

所以，存在分子间氢键的化合物的熔、沸点要比没有氢键的同类化合物高。

B．分子内氢键的形成使物质的熔、沸点降低，如邻羟基苯甲醛的熔、沸点比对羟基苯甲醛的熔、沸点低。

②对溶解度的影响

在极性溶剂里，如果溶质分子与溶剂分子间可以形成氢键，则溶质的溶解性增大。

例如，乙醇和水能以任意比例互溶。

③对水密度的影响

绝大多数物质固态时的密度大于液态时的密度，但是在0℃附近水的密度却是液态的大于固态的。

水的这

一反常现象也可用氢键解释。

④对物质的酸性等也有一定的影响。

3．范德华力、氢键及共价键比较

范德华力

氢键

共价键

定义

物质分子之间普遍存在的一种相互作用力

已经与电负性很强的原子形成共价键的氢原子与另一个分子中电负性很强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力

分类

分子内氢键、分子间氢键

极性共价键、非极性共价键

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

比较

共价键>氢键>范德华力

影响强

度的因

素

①随着分子极性的增大而增大

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，键能越大

成键原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越稳定

典例2　下列说法中正确的是（　A　）

A．卤化氢中，以HF沸点最高，是由于HF分子间存在氢键

B．邻羟基苯甲醛的熔、沸点比对羟基苯甲醛的熔、沸点高

C．H2O的沸点比HF的沸点高，是由于水中氢键键能大

D．氢键X—H…Y的三个原子总在一条直线上

解析：

B项，分子内氢键使熔、沸点降低，分子间氢键使熔、沸点升高；C项，水中氢键键能比HF中氢键键能小；D项，X—H…Y的三原子不一定在一条直线上。

〔变式训练2〕　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（　B　）

解析：

根据NH3·H2ONH

＋OH－可知NH3·H2O的结构式为

。

为什么水呈现出独特的物理性质

水分子之间存在着氢键，使水的沸点比硫化氢的沸点高出139℃，结果在通常状况下水为液态，地球上因此有了生命。

冰中的水分子之间最大程度地形成氢键。

由于氢键有方向性，每个水分子的两对孤对电子和两个氢原子只能沿着四个sp3杂化轨道的方向分别与相邻水分子形成氢键，因此每个水分子只能与周围四个水分子接触。

水分子之间形成的孔穴造成冰晶体的微观空间存在空隙，反映在宏观性质上就是冰的密度比水的密度小。

正是由于冰的这一独特结构，使冰可以浮在水面上，从而使水中生物在寒冷的冬季得以在冰层下的水中存活。

冰中每个氢原子分享到一个氢键，折合每摩尔冰有2NA个氢键（NA为阿伏加德罗常数）。

冰中氢键的作用能为18.8kJ·mol－1而冰的熔化热只有5.0kJ·mol－1。

当在0℃冰融化成水时，即使熔化热全部用于破坏氢键，也只能使大约13%的氢键遭到破坏，水中仍存在着许多由氢键作用而形成的小集团（H2O）n有人将其称之为“冰山”。

温度升高使冰融化为水的过程中，实际上包括两种过程：

水分子不能最大程度地形成氢键使水的密度变大，水分子的热运动即热膨胀作用使水的密度减小。

随着温度升高，前一过程的作用由强变弱，后一过程的作用由弱变强，在4℃时两种作用达到平衡。

所以，当温度升高时，0℃～4℃内水的密度逐渐增大，4℃时达到最大密度，4℃后水的密度变小。

1．下列说法正确的是（　A　）

A．电子云伸展方向与电子的能量大小是无关的

B．只含极性键的分子一定是极性分子

C．氢键是一种特殊的化学键，它广泛地存在于自然界中

D．H－O键键能为462.8kJ/mol，即18gH2O分解成H2和O2时，消耗能量为2×462.8kJ

解析：

A．电子能量越高，电子在离核更远的区域出现概率增大，电子云向更大的空间扩展，电子云伸展方向不变，与电子的能量大小是无关，故A正确；

B．含有极性键的分子，结构对称，可能为非极性分子，若甲烷为极性键形成的非极性分子，故B错误；

C．氢键不属于化学键，故C错误；

D．化学键断裂吸收能量，化学键形成放出能量，且水分子之间存在氢键，也需要消耗能量，消耗的能量不等于断键吸收的能量，故D错误。

2．下列物质中含有非极性键且为盐的是（　A　）

A．CH3COONa　B．NH4Cl

C．CaCl2　D．H2O2

解析：

CH3COONa属于盐且碳原子间为非极性键。

3．（2019·高考训练）下列事实与NH3极易溶于水无关的是（　C　）

A．NH3与水反应生成NH3·H2O

B．NH3与水分子之间形成氢键

C．NH3和水分子的相对分子质量接近

D．NH3是极性分子

解析：

A．NH3与水反应生成NH3·H2O，使氨气的溶解度变大，与NH3极易溶于水有关，故A不选；B．NH3与水分子之间形成氢键，使氨气的溶解度变大，与NH3极易溶于水有关，故B不选；C．NH3和水分子的相对分子质量，与氨气的溶解性无关，故选C；D．NH3是极性分子，水是极性溶剂，极性分子易溶于极性溶剂，与NH3极溶于水有关，故D不选；故选C。

4．下列叙述中正确的是（　B　）

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．HF、HCl、HBr、HI的稳定性依次增强

D．CS2、H2O、C2H2都是直线形分子

解析：

选项A中CO2属于非极性分子；选项C中HF、HCl、HBr、HI的稳定性依次减弱；选项D中的H2O属于V形结构。

5．下列各组分子中，按共价键极性由强到弱排序正确的是（　A　）

A．HF　H2O　NH3　CH4

B．CH4　NH3　H2O　HF

C．H2O　HF　CH4　NH3

D．HF　H2O　CH4　NH3

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。

6．下列反应过程中，同时有离子键、极性共价键和非极性共价键的断裂和形成的反应是（　D　）

A．NH4Cl

NH3↑＋HCl↑

B．NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3

C．2NaOH＋Cl2===NaCl＋NaClO＋H2O

D．2Na2O2＋2CO2===2Na2CO3＋O2

解析：

A中无离子键形成，B中无离子键断裂，也无非极性键断裂和形成；C中无非极性键形成，所以A、B、C项不符合要求。

D中Na2O2含离子键、非极性共价键，CO2含极性键，Na2CO3含极性键、离子键，O2含非极性共价键，故D正确。

基础巩固

一、选择题

1．下列各组物质中，都是由极性键构成的极性分子的是（　B　）

A．CH4和Br2　B．NH3和H2O

C．H2S和CCl4　D．CO2和HCl

解析：

A项中的Br2，C项中的CCl4，D项中的CO2都是非极性分子。

2．固体乙醇晶体中不存在的作用力是（　C　）

A．极性键　B．非极性键

C．离子键　D．范德华力

解析：

乙醇为共价化合物，分子内只有共价键，分子间有范德华力和氢键，分子内部存在极性键和非极性键。

3．下列物质性质的变化规律与分子间作用力无关的是（　B　）

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：

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。

4．有关甲醛（CHOH）、苯、二氧化碳及水的说法中不正确的是（　B　）

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：

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。

5．S2Cl2是橙黄色液体，少量泄漏会产生有窒息性气味的气体，喷水雾可减慢挥发，并产生酸性悬浊液，其分子结构如下图所示。

下列关于S2Cl2的说法错误的是（　A　）

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，熔沸点：

S2Br2>S2Cl2

D．与水反应的化学方程式可能为2S2Cl2＋2H2O===SO2↑＋3S↓＋4HCl

解析：

从S2Cl2分子的图示可知该分子空间不对称，为极性分子。

6．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，氢原子就会在该种频率下持续燃烧。

上述中“结合力”实质是（　D　）

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：

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。

7．两种非金属元素A、B所形成的下列分子中一定属于极性分子的是（　D　）

解析：

考查极性键、非极性键的判断，分析分子的空间构型，结构对称的为非极性分子。

8．在“石蜡→液体石蜡→石蜡蒸气→裂化气”的变化过程中，被破坏的作用力依次是（　B　）

A．范德华力、范德华力、范德华力

B．范德华力、范德华力、共价键

C．范德华力、共价键、共价键

D．共价键、共价键、共价键

解析：

“石蜡→液体石蜡→石蜡蒸气”属于石蜡的“三态”之间的转化，所以转化的过程中要克服分子间作用力；“石蜡蒸气→裂化气”属于石油的裂化，属于化学变化，必然要破坏化学键（共价键），答案选B。

二、非选择题

9．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__N2、C60____；

（2）以极性键相结合，具有直线形结构的非极性分子是__CO2____；

（3）以极性键相结合，具有正四面体结构的非极性分子是__CCl4____；

（4）以极性键相结合，具有三角锥形结构的极性分子是__NH3____；

（5）以极性键相结合，具有V形结构的极性分子是__H2S、SO2____；

（6）以极性键相结合，而且分子极性最大的是__HF____。

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、V形结构的极性分子；NH3含有极性键、三角锥形结构的极性分子；CO2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。

10．短周期元素D、E、X、Y、Z原子序数逐渐增大。

它们的最简氢化物分子的空间构型依次是正四面体、三角锥形、正四面体、角形（V形）、直线形。

回答下列问题：

（1）Y的最高价氧化物的化学式为__SO3____；Z的核外电子排布式是__1s22s22p63s23p5____。

（2）D的最高价氧化物与E的一种氧化物为等电子体，写出E的氧化物的化学式__N2O____。

（3）D和Y形成的化合物，其分子的空间构型为__直线形____，D原子的轨道杂化方式是__sp杂化____。

X与Z构成的分子是__非极性____分子（填“极性”或“非极性”）

（4）写出一个验证Y与Z的非金属性强弱的离子反应方程式__Cl2＋S2－===S↓＋2Cl－____。

（5）金属镁和E的单质在高温下