資源簡介

(共56張PPT)
§2.2.2分子結構與物質的性質
【知識導航】
【教學目標】
1.了解非極性鍵、極性鍵、非極性分子、極性分子的概念；能依據簡單的物質
的分子式，判斷鍵的極性和分子的極性
2.通過對非極性分子、極性分子實例的分析，了解鍵的極性與分子極性的關系
3.認識分子間存在相互作用，知道范德華力和氫鍵是兩種常見的分子間作用力
4.了解分子內氫鍵和分子間氫鍵在自然界中的廣泛存在及重要作用
5.掌握物質的溶解性與分子結構的關系，了解“相似相溶”規律
6.結合實例初步認識分子的手性對其性質的影響
【重點和難點】
重點：
1.判斷分子的極性
2.范德華力、氫鍵對物質性質的影響，物質的溶解性與分子結構的關系
難點：
1.范德華力、氫鍵對物質性質的影響
2.掌握分子極性的判斷方法
鍵的極性是向量，其方向由正電荷指向負電荷。
（1）共用電子對偏移程度越大，鍵的極性越強;
（2）電負性差值越大的兩原子形成的共價鍵的極性越強。
【知識回顧】共價鍵的分類
根據共用電子對是否偏移，共價鍵有極性、非極性之分，以共價鍵結合的分子是否也有極性、非極性之分呢？
【新課導入】
1.極性分子：
向量和不為零
正負電荷中心不重合
2.非極性分子：
向量和為零
正負電荷中心重合
一.分子的極性
常見的極性分子和非極性分子
分子的極性
如何判斷分子的極性？
（1）單原子分子
（稀有氣體）——非極性分子
（2）雙原子分子
化合物（AB）——極性分子
單 質（A2）——非極性分子
3.分子極性的判斷方法
(3)多原子分子
在ABn分子中，極性鍵向量和為零分子為非極性分子，否則是極性分子。
丨A化合價丨
A的價電子數
=
非極性分子
②化合價法
≠
極性分子
①孤對電子法
A的孤對電子
0
=
非極性分子
≠
極性分子
C2H2
非極性分子
H2O2
極性分子
【拓展視野】分子的親水性與疏水性
分子中極性較大的基團具有親水性，極性較小的基團具有親脂性（或稱為疏水性）。有些分 子中既含有親水性的基團，又含有疏水性的基團，由這類分子構成的物質稱為表面活性劑。
細胞膜的主要成分之一——磷脂就是一種天然的表面活性劑。以甘油磷脂這類重要的磷脂為 例，在其分子的主鏈中，甘油的一個羥基被磷酸酯化，磷酸基團又與各種結構不同的小分子化合物相連（親水端）, 另外兩個羥基被高級脂肪酸酯化（疏水端）。在細胞膜中，這些分子排列成雙層膜的結構，親水端朝向細胞外液或胞質，疏水端則彼此相對，形成膜內部的疏水區。體內電解質溶液的溶質基本上都是親水性的，因此不能透過細胞膜。只有通過細胞膜上“裝載”的蛋白質“通道”，才允許溶質被選擇性地“運輸”出入細胞。
【微點撥】
(1)也可以通過分子的空間結構是否對稱來判斷分子的極性：對稱分子為非
極性，不對稱分子為極性。
(2)m+n值除可以判斷分子幾何形狀外，還可以用來判斷ABm型分子的極性。
當m+n值中，n=0時，則該分子為非極性分子．若n≠0，則該分子為極性分
子．如CH4其m+n=4+0 ，為非極性分子．PCl5其m+n=5+0，為非極性分
子．注意：若m+n=4+2　則該分子也為非極性分子．因為在m+n=4+2時，
兩對孤電子對替代八面體上下兩對成鍵電子對，其余的四對成鍵電子對與
兩對孤電子對所形成的平面四邊形為對稱結構，所以m+n=4+2時分子也為
非極性分子
4.鍵的極性和分子極性的關系
(1)只含有非極性鍵的雙原子分子或多原子分子大多是非極性分子，如
O2、H2、P4、C60。
O3是V形分子，其空間結構不對稱，故O3為極性分子。
(2)含有極性鍵的分子，依據分子中極性鍵的極性的向量和（分子結構
空間對稱）是否等于零而定，等于零時是非極性分子。
分子的極性取決于分子的空間結構，鍵的極性只取決于成鍵原子的元素種類或電負性的差異
分子的極性對物質的熔、沸點和溶解性等物理性質有顯著的影響。
相似相溶：一般而言，由極性分子構成的物質易溶于極性溶劑中，由非極性分子構成的物質易溶于非極性溶劑中。
例如，HCl、NH3等極性物質極易溶于極性溶劑水，而I2、Br2等非極性物質易溶于非極性溶劑苯和CCl4。
5.分子的極性對物質性質的影響
不能重疊
觀察下圖，圖中兩只相對的手能否重疊？圖中的兩個乳酸分子能否重疊？
【導入新課】
日常生活中我們經常會遇見物體具有一定的對稱性，在分子微觀結構的學習中我們觀察到許多分子的空間結構也有一定的對稱性。
分子的對稱性不僅會影響分子的極性，甚至還會影響分子的化學性質。
手性與分子的對稱性密切相關。如下圖 所示的兩個分子如同人的左、右手一樣互為實物與鏡像關系，在三維空間中彼此不能重合。
1.人們將一種物質不能與其鏡像重合的特征稱為手性。
二.分子的手性
2.手性碳原子：當四個不同的原子或基團連接在碳原子上時，該碳原子稱為不
對稱碳原子
其中，R1、R2、R3、R4是互不相同的原子或基團。
手性碳原子
對于大多數有機分子而言，分子的手性主要是由分子中的不對稱碳原子引起的
手性碳原子的判斷:
3.手性異構體:具有完全相同的組成和原子排列的一對分子,如同左手和右
手一樣互為鏡像,卻在三維空間里不能重疊,互稱手性異構體(或對映異
構體)
4.手性分子：有手性異構體的分子叫做手性分子。
手性分子在生命科學和藥物生產方面有廣泛的應用。對于手性藥物,一個異構體可能是有效的,而另一個異構體可能是無效甚至是有害的。
鏡面
觀察實物分子與其鏡像能否重合,如果不能重合,說明是手性分子,兩種分子互稱手性異構體(或對映異構體)。如圖:
(1)手性分子的判斷方法
【微點撥】
1.互為手性分子的物質是同一種物質嗎？ 二者具有什么關系？
不是同一種物質，二者互為同分異構體。
2.互為手性分子的物質化學性質幾乎完全相同，分析其原因。
物質結構決定性質。互為手性分子的物質組成、結構幾乎完全相同，所以其化學性質幾乎完全相同。
(2)觀察有機物分子中是否有手性碳原子，如果有一個手性碳原子，則該有機物分
子就是手性分子，具有手性異構體。含有兩個手性碳原子的有機物分子不一定
是手性分子。
【知識拓展】
1.含有不對稱碳原子的分子是不一定是手性分子！含一個不對稱碳原子的分子必然是手性分子，但含兩個不對稱碳原子的分子就未必是手性分子，如： ，
因其分子有對稱面，故分子不具有手性。
2.具有手性的分子，也未必含有手性碳原子，如聯苯型分子，兩個苯環有以單鍵相連，單鍵可以旋轉，即兩個苯環可以不在同一平面，這樣就可能既無對稱面也無對稱中心，導致分子的實物和鏡像不能重合，故分子有手性，但分子內部無手性碳原子。
3.構成生命體的有機物絕大多數為手性分子。兩個手性分子的性質不同，且手性
有機物中必定含手性碳原子。
手性分子在生命科學和生產手性藥物方面有廣泛的應用。在 20 世紀 60 年代，
鎮靜藥沙利度胺(又名“反應停”)是以一對對映體的混合物來緩解妊娠反應的藥物。
后來發現，在歐洲服用過此藥的孕婦中有不少產下畸形兒，成為震驚國際醫藥
界的悲慘事件。隨后的研究表明，沙利度胺的一對對映體中只有一個具有緩解
妊娠反應的作用，而另一個則有強致畸作用。人們從該事件中吸取了教訓，不
僅研究出了用于分離對映體的多種方法，而且開始關注藥物的不對稱合成。
三.分子結構對化學性質的影響
分子的空間結構會對物質的化學性質產生重要影響。組成相同、空間結構不同的分子，常常表現出不同的化學性質。 例 如， 乙醇(CH3CH2OH)和二甲醚(CH3OCH3)的分子式都為 C2H6O，互為同分異構體。乙醇分子中含有羥基(—OH)， 能與活潑金屬和羧酸等發生反應，但二甲醚不具有這些化學性質。
2-氯丁酸(CH3CH2CHClCOOH)和3-氯丁酸(CH3CHClCH2COOH)也互為同分異構體，它們在水溶液中都可以電離產生氫離子而顯酸性，但前者的酸性強于后者。這是因為氯原子吸引電子的能力較強，會影響羧基中 O—H 鍵的極性，而且氯原子離羧基越近，這種影響越大，從而導致 2-氯丁酸羧基中的 O—H 鍵更容易斷裂。
在一定條件下，有些互為對映體的手性分子也會有明顯不同的化學性質。例如，某種手性分子具有很強的殺菌作用，而它的對映體卻完全沒有這種效果。
通常，人們會利用互為對映體的手性分子在特定條件下的化學性質差異，將兩者進行分離。
通常，分子都具有一定的空間結構，這是由構成分子的共價鍵性質所決定。分子的空間結構又決定了分子的極性、對稱性等很多性質，而且也會影響物質的化學性質。物質中存在著分子之間的相互作用，它們的性質、強弱與物質的各種物理性質密切相關
冰融化成水，水變成水蒸氣，為什么需要吸熱？水分子有被破壞嗎？這個過程發生了什么變化？
在日常生活中，許多氣體分子在降溫、加壓時會凝聚成相應的液體或固體，這表明分子之間存在著相互作用力，人們將這種作用力稱為分子間作用力。
【導入新課】
(1) 范德華力
1.分子間作用力
①實質:范德華力本質上也是電性相互作用，
但只有分子間充分接近時才有分子
間的相互 作用力
②特點 :范德華力很弱，約比化學鍵鍵能小
1～2 個數量級，力隨分子間距離增
加而快速減弱。
微粒間 作用力 能量
kJ·mol -1
化學鍵 100～600
范德華力 2 ～20
分子間作用力本質上是一種弱靜電相互作用，范德華力和氫鍵是兩種最常見的分子間作用力。
③范德華力沒有飽和性和方向性
(2)影范德華力的因素
①相對分子質量
一般說，組成和結構相似的分子，相對分子質量越大，范德華力越大。
如范德華力：HCl< HBr < HI
分子 HI HBr HCl
相對分子質量 128 81 36.5
范德華(kJ·mol-1) 26.00 23.11 21.14
共價鍵鍵能(kJ·mol-1) 298.7 366 431.8
相對分子質量相同或相近時，分子的極性越大，范德華力越強。如CO為極性分子，N2為非極性分子，范德華力：CO>N2。
分子 相對分子質量 分子的極性 范德華力(kJ·mol-1)
CO 28 極性 8.75
N2 28 非極性 8.50
②分子的極性
③分子的空間構型
單質 相對分子質量 沸點/℃
正戊烷 72 36.1
異戊烷 72 28
新戊烷 72 10
在同分異構體中，一般來說，支鏈數越多，熔、沸點就越低，如沸點：正戊烷>異戊烷>新戊烷。
相對分子質量相同或相近時，分子的極性越大，范德華力越大。如CO為極性分子，N2為非極性分子，范德華力：CO>N2。
分子 相對分子質量 分子的極性 范德華力(kJ·mol-1)
CO 28 極性 8.75
N2 28 非極性 8.50
③分子的空間構型
【微點撥】
范德華力普遍存在于固體、液體和氣體分子之間，由于相互作用的成因不同，范德華力包括多種類型的相互作用力。
范德華力本質上也是電性相互作用，沒有飽和性和方向性，但這種作用力隨分子間距離增加而快速減弱，只有在分子相當接近時才起作用。范德華力很弱，通常比化學鍵的鍵能小 1 ～ 2 個數量級，因此克服分子間范德華力所需的能量要比斷裂分子內化學鍵所需的能量少很多。
例如，干冰吸收能量升華時，僅僅是 CO2 間的范德華力改變了，其分子內的 C=O 鍵沒有變化，所以需要的能量較少。
范德華力只影響物質的物理性質，如熔沸點。
【資料庫】
三種不同類型的范德華力
范德華力本質上是電性相互作用，但由于形成的偶極不同，所以范德華力包括取向力、誘導力和色散力等三種類型。
①取向力
極性分子的正、負電荷重心不重合，始終存在著一個正極和一個負極，這種固有的偶極稱為永久偶極。當兩個極性分子靠近時，同極相斥，異極相吸，產生相對轉動，極性分子按一定方向排列，這種極性分子間由于永久偶極的作用而產生的力稱為取向力，如下圖所示。取向力只存在于極性分子之間。
②誘導力
當極性分子接近非極性分子時，極性分子的偶極電場使非極性分子發生極化，從而產生正、負電荷重心不重合，這種由于外電場作用而產生的偶極叫做誘導偶極。分子間由于誘導偶極的作用而產生的力稱為誘導力，如下圖所示。誘導力存在于極性分子與極性分子、極性分子與非極性分子之間。
③色散力
由于每個分子中電子的不斷運動和原子核的不斷振動，某一瞬間正、負電荷重心不重合而產生的偶極稱為瞬時偶極。分子間由于瞬時偶極的作用而產生的力稱為色散力，如下圖所示。
色散力不僅存在于非極性分子之間，也存在于極性分子之間、極性分子與非極性分子之間。
實驗表明，在絕大多數分子之間存在的范德華力都是以色散力為主的。只有極少數極性特別強的共價分子間才可能以取向力為主。例如，H2O、NH3 等少數分子間的取向力超過色散力，其他像 HCl、HBr、CO 等分子間的作用力都是以色散力為主。
(1)影響范德華力強弱的因素：
①相對分子質量：組成和結構相似的分子，相對分子質量越大，范德華 力越
強，熔、沸點越高。
適用范圍：同主族同類分子、同系物
②分子的極性：相對分子質量相同或相近時，分子的極性越大，范德華力越
強， 熔、沸點越高
【微點撥】范德華力越強，分子晶體的熔、沸點越高
③化學式相同的分子結構中支鏈的多少：
化學式相同的分子，如正戊烷、異戊烷、新戊烷,支鏈越多，范德華
力越小，沸點 越低(熔點變化規律性不強)。
【拓展視野】
范德華力和壁虎的腳
壁虎能在光滑的墻壁上行走自如，還能倒掛在天花板上爬行，你對此感到驚訝嗎？答案就在于范德華力。壁虎的腳底部長著數百萬根極細的剛毛，而每根剛毛末端又有很多根更細的分支。這種精細結構使得剛毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產生范德華力。壁虎的每根剛毛和墻壁表面之間的范德華力之和足夠強大，能夠支撐最高約 120 kg 的重量。
科學家從壁虎身上得到啟發，發明了可重復使用膠帶。
(2)氫鍵
水的熔點(℃) 水的沸點(℃) 水在0 ℃時密度(g/ml) 水在4 ℃時密度(g/ml)
0.00 100.00 0.9998 1.0000
冰的密度比液體水小？
通常，物質從液態變為固態時，體積是變小的，但水結成冰后體積卻變大，這是為什么呢？
H2O、H2S 同屬于氧族元素的氫化物，從相對分子質量對范德華力和物質熔、沸點的影響的角度分析，應該是 H2O 的沸點低于 H2S。然而，事實卻相反，H2O 的沸點高于 H2S，常溫、常壓下，H2O 是液體，H2S 卻是氣體，這又是為什么呢？
氫原子在與電負性很強、半徑很小的 X 原子形成共價鍵時，由于 X 原子對電子有強烈的吸引作用，因此氫原子核部分“裸露”在分子表面。這些裸露在分子表面的正電荷就會去吸引另一個分子中電負性很強的 Y 原子，并產生靜電作用，這種相互作用就稱為氫鍵，通常用 X—H…Y表示。
其中 X、Y 原子一般為電負性很強而原子半徑較小的非金屬元素原子，如 N、O、F 等，X 和 Y 可以是同種原子也可以是不同種原子，如圖所示。
①氫鍵的本質
是靜電吸引作用，它比化學鍵的鍵能小1~2個數量級。是一種比范德華力強的分子間作用力。
①氫鍵的本質
是靜電吸引作用，它比化學鍵的鍵能小1~2個數量級。是一種比范德華力強的分子間作用力。
②氫鍵的特征
③氫鍵對物質性質的影響
氫鍵是一種比范德華力更強的分子間作用力，但遠比化學鍵弱。當分子
間存在氫鍵時，物質的熔、沸點升高。下圖列出了ⅣA 至ⅦA 族部分元
素氣態氫化物的沸點。
氫鍵有方向性：X-H…Y三個原子一般在同一直線上；
氫鍵有飽和性：X-H中的H原子只能和一個Y原子結合形成氫鍵。
從圖中可以看到，氨、水和氟化氫分別是同族氣態氫化物中沸點較高的物質。另外，氫鍵還會影響物質的溶解性等性質，如乙醇、乙酸和水能以任意比例互溶；NH3形成的氫鍵相對較弱，故NH3在水中為極易溶于水。
【微點撥】
1.用氫鍵解釋冰的密度比液態水的密度小的原因：
常溫下液態水中除了含有簡單H2O外，還含有通過氫鍵聯系在一起的締合分子(H2O)2、(H2O)3……(H2O)n等。一個水分子的氧原子與另一個水分子的氫原子沿該氧原子的一個sp3雜化軌道的方向形成氫鍵，因此當所有H2O全部締合——結冰后，所有的H2O按一定的方向全部形成了氫鍵，成為晶體，因此在冰的結構中形成許多空隙，體積膨脹，密度減小。故冰的體積大于等質量的水的體積，冰的密度小于水的密度。
2.解釋接近水的沸點的水蒸氣的相對分子質量測定值比按化學式H2O計算出來的
相對分子質量大一些的原因：
接近水的沸點的水蒸氣中存在相當量的水分子因氫鍵而相互締合形成所謂的締合分子。
3.解釋氨氣分子為什么極易溶于水原因：
NH3與H2O間能形成氫鍵，且都是極性分子，所以NH3極易溶于水。氨氣，低級醇、醛、酮等分子都與水分子形成氫鍵，均可溶于水。
4.為什么鄰苯二甲酸的電離平衡常數Ka1（1.1x10-3）比對苯二甲酸的電離平衡常數
Ka1（2.9x10-4）大？
主要是兩個羧基處于鄰位時空間位阻較大，穩定性較小，比較容易離解掉一個H+，形成一個較穩定的結構；且當第一個氫離解掉之后形成一個分子內氫鍵，使第二個氫較難離。故鄰苯二甲酸的電離平衡常數Ka1比對苯二甲酸的電離平衡常數Ka1大
【拓展視野】
1.水的表面張力與氫鍵
在水面下，每個水分子在各個方向上都被相鄰的分子所吸引。然而，表面上的每一個水分子都只受到表面及以下各個方向上相鄰分子的吸引，如下圖所示。該作用的凈效應是將分子從表面拉入水中。這種傾向導致水面被拉緊，像一張彈性薄膜。這種由分子間作用力產生的液體性質稱為表面張力。
由具有較強分子間作用力的分子構成的液體具有很大的表面張力。水分子之間有廣泛的氫鍵，因此水具有很大的表面張力。這也解釋了許多日常現象，如下圖所示，回形針可以浮在水面上，葉子上的水珠呈現橢圓或近似球體，水蟲可以在水面滑行。
等質量的水由液態變為固態時，其體積會出現膨脹現象，其原因是：液態水中，分子間排列較緊密，當它結成冰時，每個水分子通過氫鍵與其他四個水分子相連，導致其內部空隙較大，故而發生膨脹。
鄰羥基苯甲醛和對羥基苯甲醛是同分異構體，但鄰羥基苯甲醛的熔、沸點比對羥基苯甲醛的低，這是為什么呢？
實驗證實，氫鍵不僅存在于分子之間，也可以存在于分子內。鄰羥基苯甲醛分子的羥基與醛基之間存在分子內氫鍵(見下圖)，而對羥基苯甲醛存在分子間氫鍵，增強了分子間的相互作用，所以，對羥基苯甲醛的熔、沸點分別高于鄰羥基苯甲醛的熔、沸點。
2.生命體中許多大分子內也存在氫鍵。
氫鍵對維持生物大分子的空間結構和生理活性具有重要意義。例如，蛋白質
的 α— 螺旋是因分子內氫鍵而形成的，如下圖所示。
DNA 分子有兩條長鏈，鏈內原子間以共價鍵結合，其雙螺旋結構則是由兩條長鏈上的堿基通過氫鍵配對形成，這構成了遺傳機制的化學基礎。
DNA 雙螺旋結構的發現，開啟了分子生物學時代，使遺傳學研究深入到了分子層次，生命的奧秘在分子層次得到了清晰的闡明。
【對點訓練】
氫鍵會對物質的物理性質產生顯著影響。下表列出了兩種物質的部分物理性
質。請根據表中數據，試判斷哪一種物質能形成分子內氫鍵。
鄰硝基苯酚能形成分子內氫鍵、對硝基苯酚能形成分子間氫鍵。能夠形成分子間氫鍵的物質在三態變化過程中除了克服分子間的相互作用力還要克服氫鍵的作用熔沸點會升高，故能形成分子間氫鍵的物質熔沸點較高，能形成分子內氫鍵的物質熔沸點較低，所以鄰硝基苯酚比間硝基苯酚和對硝基苯酚的熔點低。
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