高中化学新鲁科版选择性必修2 第2章 第4节 分子间作用力学案.docx
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高中化学新鲁科版选择性必修2第2章第4节分子间作用力学案
第4节 分子间作用力
发展目标
体系构建
1.认识分子间存在相互作用,知道范德华力和氢键是两种常见的分子间作用。
2.了解分子内氢键和分子间氢键在自然界中的广泛存在及重要作用。
一、范德华力与物质性质
1.分子间作用力
(1)概念
分子之间存在着多种相互作用,人们将这些作用统称为分子间作用力。
(2)分类
任何物质的分子之间都一定存在作用力吗?
提示:
一定存在。
2.范德华力及其对物质性质的影响
(1)概念及实质:
范德华力是分子之间普遍存在的一种相互作用力,其实质是电性作用。
(2)特征
①范德华力的作用能通常比化学键的键能小得多。
②范德华力无方向性,无饱和性。
(3)影响因素
①分子结构和组成相似的物质,随着相对分子质量的增加,分子间的范德华力逐渐增强。
②分子的极性越大,分子间的范德华力越大。
(4)对物质性质的影响:
范德华力主要影响物质的物理性质,范德华力越强,物质的熔点、沸点越高。
二、氢键与物质性质
1.氢键
(1)概念
在水分子中,氧元素的电负性很大,使得
,当一个水分子中的带部分正电荷的氢原子和另一个水分子中带部分负电荷的氧原子充分接近时,产生静电作用形成氢键。
(2)表示形式
①通常用X—H…Y表示氢键,其中X—H表示氢原子和X原子以共价键相结合。
②H和Y原子核间的距离比范德华半径之和小,但比共价键键长(共价半径之和)大得多。
③氢键的作用能是指X—H…Y分解为X—H和Y所需要的能量。
微点拨:
氢键不属于化学键,它是一种常见的分子间作用力。
2.氢键形成的条件
(1)氢原子位于X原子和Y原子之间。
(2)X、Y原子所属元素通常具有较大的电负性和较小的原子半径,主要是N、O、F。
3.氢键对物质性质的影响
(1)氢键的分类
分为分子间氢键和分子内氢键。
(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、沸点将升高。
②当形成分子内氢键时,物质的熔、沸点将降低。
③氢键也影响物质的电离、溶解等过程。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)范德华力的实质是电性作用,有一定的方向性和饱和性。
(×)
(2)HF、HCl、HBr、HI的稳定性依次减弱,是因为分子间作用力依次减弱。
(×)
(3)氢键只存在于分子之间。
(×)
(4)液态水分子间的作用力只有氢键。
(×)
2.下列关于范德华力的叙述中,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化学键
B.范德华力与化学键的强弱不同
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
B [范德华力是分子之间的一种相互作用,其实质也是一种电性作用,但比较微弱,化学键是强烈的相互作用,故范德华力不是化学键,A错误,B正确;范德华力普遍存在于分子之间,但也必须满足一定的距离要求,若分子间的距离足够大,分子之间很难产生相互作用,C错误;虽然范德华力非常微弱,但破坏它时也要消耗能量,D错误。
]
3.下列事实与氢键有关的是( )
A.水加热到很高的温度都难以分解
B.水结成冰体积膨胀,密度变小
C.CH4、SiH4、GeH4、SnH4熔点随相对分子质量增大而升高
D.HF、HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱
B [水分解破坏的是化学键,不是氢键,A错误;氢键具有方向性,氢键的存在迫使四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引,这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不高,留有相当大的空隙,所以水结成冰时,体积增大,密度变小,当冰刚刚融化为液态水时,热运动使冰的结构部分解体,水分子间的间隙减小,密度增大,B正确;CH4、SiH4、GeH4、SnH4的结构相似,随着相对分子质量的增加,范德华力逐渐增强,熔沸点升高,四种物质分子间均不形成氢键,C错误;HF、HCl、HBr、HI的热稳定性与F、Cl、Br、I的非金属性有关,非金属性越强,其氢化物越稳定,同一主族元素,非金属性随着原子序数的增大而减小,所以其氢化物的热稳定性逐渐减弱,与氢键无关,D错误。
]
范德华力、氢键与共价键的比较
(素养养成——证据推理与模型认知)
尿素(60)、醋酸(60)、硝酸(63)是相对分子质量相近的三种分子,但这三种物质的熔点和沸点相差较大。
尿素熔点在200℃以上,常温下是固体;醋酸的熔点为16.6℃,在温度低于16.6℃时即凝结成冰状的固体;硝酸的熔点为-41.59℃,常温下硝酸是一种具有挥发性的液体。
请根据以下问题与同学交流讨论造成这三种物质的熔沸点相差较大的可能原因。
1.以上三种物质中都存在氢键,为什么硝酸的熔沸点很低?
提示:
尿素、醋酸能形成分子间氢键,而硝酸能形成分子内氢键(如图所示),使其熔沸点较低。
2.尿素和醋酸比较,尿素常温下是固体,说明了什么?
分子间作用力的强弱与分子中可形成氢键的氢原子个数有何关系?
提示:
尿素CO(NH2)2中4个H原子均可形成氢键,而醋酸分子中只有羧基上的一个H原子形成氢键,分子中可形成氢键的氢原子个数越多,形成的氢键越多,分子间作用力就越强。
范德华力
氢键
共价键
特征
无方向性,无饱和性
有一定的方向性和饱和性
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X—H…Y,X、Y的电负性越大,Y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
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,随着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 微点拨: 冰的密度比水小是由于氢键的存在造成的。 氢键使冰中水分子间形成孔穴造成冰晶体的微观空间存在空隙,而使得冰的密度变小。 “相似相溶”原理: 极性分子易溶于极性溶剂中(如HCl易溶于水中),非极性分子易溶于非极性溶剂中(如I2易溶于CCl4中,S易溶于CS2中)。 【例】 若不断地升高温度,实现“雪花→水→水蒸气→氧气和氢气”的变化。 在变化的各阶段被破坏的微粒间的主要相互作用依次是( ) 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 B [因为O的电负性较大,在雪花、水中存在O—H…O氢键,故在实现雪花→水→水蒸气的变化阶段主要破坏水分子间的氢键,而由水蒸气→氧气和氢气的过程中则破坏了O—H极性共价键。 ] 1.下列说法不正确的是( ) A.所有含氢元素的化合物中都存在氢键,氢键是一种类似于共价键的化学键 B.离子键、氢键、范德华力本质上都是静电作用 C.只有电负性很强、半径很小的原子(如F、O、N)才可能形成氢键 D.氢键是一种分子间作用力,氢键比范德华力强 A [氢键不是化学键,本质上是一种分子间作用力,氢键要比化学键弱得多,一般只有电负性很强,半径很小的原子才能形成氢键,故A错,B、C、D正确。 ] 2.(双选)下列说法正确的是( ) A.H2O的沸点比HF高,是由于每摩尔分子中水分子形成的氢键数目多 B.液态氟化氢中氟化氢分子之间形成氢键,可写为(HF)n,则NO2分子间也因氢键而聚合形成N2O4 C.氨气极易溶于水,原因之一是氨分子与水分子之间形成了氢键 D.可燃冰(CH4·8H2O)的形成是由于甲烷分子与水分子之间存在氢键 AC [1个水分子能形成4个氢键,1个HF分子能形成2个氢键,A项正确;NO2分子间不存在氢键,NO2分子间因形成化学键而聚合成N2O4,B项错误;只有非金属性很强的元素(如N、O、F)原子才能与氢原子形成极性较强的共价键,分子间才能形成氢键,C—H键不是极性较强的共价键,C项正确,D项错误。 ] 1.卤族元素单质熔、沸点发生这样变化的原因是什么? 提示: 组成和结构相似的物质,相对分子质量越大,范德华力越大,克服范德华力使物质熔化和气化就需要更多的能量,熔、沸点越高。 2.卤族单质形成氢化物的熔点变化趋势是否与卤素单质的熔点变化趋势相同? 提示: 不相同。 HF分子间易形成氢键,氢键比范德华力强,HF的熔点最高。 通过本情境素材中对范德华力及氢键对物质性质的影响的分析,提升了“证据推理与模型认知”的学科素养。 1.下列关于范德华力影响物质性质的叙述中,正确的是( ) A.范德华力是决定由分子构成的物质的熔点、沸点高低的唯一因素 B.范德华力与物质的性质没有必然的联系 C.范德华力能够影响物质的化学性质和物理性质 D.范德华力仅是影响物质部分物理性质的一种因素 D [范德华力不能影响物质的化学性质,仅能影响由分子构成的物质的部分物理性质,如熔点、沸点及溶解性,并且不是唯一的影响因素。 ] 2.关于氢键的下列说法中正确的是( ) A.每个水分子内含有两个氢键 B.在水蒸气、水和冰中都含有氢键 C.分子间能形成氢键使物质的熔点和沸点升高 D.HF的稳定性很强,是因为其分子间能形成氢键 C [水分子间存在氢键,水分子内不存在氢键,A错误;水蒸气中水分子距离较大,不能形成氢键,B错误;氢键较一般的分子间作用力强,含有氢键的物质具有较高的熔、沸点,C正确;HF的稳定性很强,是由于H—F键键能较大的原因,与氢键无关,D错误。 ] 3.下列物质分子内和分子间均可形成氢键的是( ) B [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,同一分子的O—H键与邻位 中的O可在分子内形成氢键。 ] 4.下列说法正确的是( ) A.HF具有弱酸性,与HF分子间存在氢键有关 B.邻硝基苯酚与对硝基苯酚的沸点相同 C.NH3在水中的溶解度较大,与氢键无关 D.H2O的沸点低于H2S的沸点 A [B项,前者主要形成分子内氢键,后者主要形成分子间氢键,故后者沸点高,错误;C项,在极性溶剂中,若溶质分子与溶剂分子之间可以形成氢键,则溶质的溶解度会增大,错误;D项,H2O分子间存在氢键,因此H2O的沸点高于H2S的沸点,错误。 ] 5.(素养题)水分子间由于氢键的作用而彼此结合形成(H2O)n。 在冰中每个水分子被4个水分子包围形成变形的四面体(H2O)5,由无限个这样的变形四面体通过氢键相互连成一个庞大的分子晶体——冰,其结构如图所示。 试回答下列问题: (1)下列叙述中正确的是______(填字母)。 A.1mol冰中有4mol氢键 B.平均每个水分子有2个氢键 C.冰中的氢键没有方向性 (2)在冰的结构中,分子间除氢键外,还存在范德华力,已知范德华力的能量为7kJ·mol-1,冰的升华热(1mol冰变成气态水时所吸收的能量)为51kJ·mol-1,则冰中氢键的能量是_________________。 (3)在液态水中,水以多种微粒的形式存在,试画出如下微粒的结构式: H5O 、H9O 。 [解析] (1)每个水分子形成4个氢键,但每个氢键为2个水分子所共有,所以每个水分子只有2个氢键,即1mol冰中有2mol氢键。 氢键和共价键一样具有方向性和饱和性。 (2)氢键的能量为(51-7)kJ·mol-1× =22kJ·mol-1。 (3)H5O 为2个水分子结合1个氢离子,H9O 为4个水分子结合1个氢离子,这些微粒内含有共价键、配位键,还含有氢键。 [答案] (1)B (2)22kJ·mol-1 (3) 微专题3 化学键的比较 类型 比较 离子键 共价键 金属键 非极性键 极性键 配位键 本质 阴、阳离子间通过静电作用形成 相邻原子间通过共用电子(电子云重叠)与原子核间的静电作用形成 金属阳离子与自由电子间作用 成键条件(元素种类) 成键原子的得、失电子能力差别很大(金属元素与非金属元素之间) 成键原子得、失电子能力相同(同种非金属元素之间) 成键原子 得、失电子 能力差别 较小(不 同种非金 属元素之 间) 成键原子一方有孤电子对(配体),另一方有空轨道(中心原子) 同种金属或不同金属(合金) 特征 无方向性、饱和性 有方向性、饱和性 无方向性、饱和性 存在 离子化合物(离子 晶体) 单质(如H2),共价 化合物(如 H2O2), 离子化合物 (如Na2O2) 共价化合 物(如 HCl),离 子化合物 (如NaOH) 离子化合物 (如NH4Cl) 金属单 质(金属 晶体) 影响强弱因素 一般阴、阳离子电荷 越多,半径 越小,离子 键越强 成键原子电 负性差值越 大,键的极 性越强;键 能越大,键 长越短,共 价键越牢固 - - 金属阳离子半径越 小,价电 子越多, 金属键越 强 碳、氧、氮、镁、铬、铁、铜是几种重要的元素,请回答下列问题: (1)查阅相关资料发现MgO的熔点比CuO的熔点高得多,其原因是_____________________________________________________________________ _______________________________________________________________。 (2)Fe与CO能形成一种重要的催化剂Fe(CO)5,该分子中σ键与π键个数比为________。 请写出一个与CO互为等电子体的离子: ________。 (3)金属铬是一种银白色、耐腐蚀的金属,铬元素的化合物种类繁多,如: Cr2(SO4)3、K2Cr2O7以及配离子[Cr(H2O)3(NH3)3]3+等。 ①K2Cr2O7具有很强的氧化性,能直接将CH3CH2OH氧化成CH3COOH,CH3COOH分子中碳原子的杂化类型为________;乙醇和丙烷的相对分子质量相近,但乙醇的熔、沸点比丙烷高很多,试解释其主要原因: _____________ _______________________________________________________________。 ②[Cr(H2O)3(NH3)3]3+中,中心离子的配位数为_____________, NH3的VSEPR模型为________。 [解析] (1)Mg2+的半径比Cu2+的半径小,MgO的离子键比CuO的牢固,因此MgO的熔点比CuO的熔点高。 (2)1个Fe(CO)5分子中存在5个配位键和5个C O,σ键与π键个数比为(5+5)∶(5×2)=1∶1。 与CO互为等电子体的离子有C 或CN-等。 (3)①CH3COOH分子中有2种碳原子,其中甲基中的碳原子采取sp3杂化,羧基中的碳原子采取sp2杂化;乙醇和丙烷的相对分子质量相近,但乙醇的熔、沸点比丙烷高很多,是因为乙醇分子间能形成氢键。 ②[Cr(H2O)3(NH3)3]3+的中心离子的配位数为3+3=6,NH3中的氮原子的价层电子对数=3+ (5-1×3)=4,故NH3的VSEPR模型为四面体。 [答案] (1)Mg2+半径比Cu2+半径小,MgO的离子键比CuO的离子键牢固 (2)1∶1 C (或CN-等) (3)①sp3、sp2 乙醇和丙烷均为分子晶体,但乙醇分子间能形成氢键,因此熔、沸点比丙烷高 ②6 四面体 1.有关物质结构的下列说法中正确的是( ) A.碘升华时破坏了共价键 B.含极性键的共价化合物一定是电解质 C.氯化钠固体中的离子键在溶于水时被破坏 D.HF的分子间作用力大于HCl,故HF比HCl更稳定 C [A项,碘升华破坏分子间作用力;B项,含极性键的共价化合物不一定是电解质,如CH4;D项,分子的稳定性是由键能和键长决定的。 ] 2.N2的结构可以表示为 ,CO的结构可以表示为 ,其中椭圆框表示π键,下列说法中不正确的是( ) A.N2分子与CO分子中都含有三键 B.CO分子中有一个π键是配位键 C.N2与CO互为等电子体 D.N2与CO的化学性质相同 D [由题意可知N2分子中N原子之间、CO分子中C、O原子之间均通过2个π键,一个σ键,即三键结合,其中,CO分子中1个π键由O原子单方面提供孤电子对,C原子提供空轨道通过配位键形成。 N2化学性质相对稳定,CO具有比较强的还原性,两者化学性质不同。 ] 3.氯吡苯脲是一种西瓜膨大剂(植物生长调节剂),其组成结构和物理性质见下表。 分子式 结构简式 外观 熔点 溶解性 C12H10ClN3O 白色结晶粉末 170~172℃ 易溶于水 回答下列问题: (1)氯吡苯脲晶体中,氮原子的杂化轨道类型为________。 (2)氯吡苯脲晶体中,微粒间的作用力类型有________。 A.离子键 B.金属键 C.极性键D.非极性键 E.配位键F.氢键 (3)查文献可知,可用2氯4氨吡啶与异氰酸苯酯反应,生成氯吡苯脲。 反应过程中,每生成1mol氯吡苯脲,断裂________个σ键、断裂________个π键。 [解析] (1)氮原子在氯吡苯脲中以2种形式出现,一是C—N,另一是C===N,前者是sp3杂化,后者是sp2杂化。 (3)反应过程中,异氰酸苯酯断裂的C===N中1个π键,2氯4氨吡啶断裂的是1个σ键。 [答案] (1)sp2、sp3杂化 (2)CDF (3)NA NA
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