氢键和手性分子+高二下学期化学人教版（2019）选择性必修2

第二章分子结构与性质第三节分子结构与物质的性质2.3.2氢键溶解性分子的手性1、理解氢键形成的条件及氢键的存在，学会氢键的表示方法，会分析氢键对物质性质的影响2、知道物质的溶解性与分子结构的关系，掌握“相似相溶”规律3、认识手性异构体和手性分子，会判断手性碳原子学习目标温故夏天经常见到许多壁虎在墙壁或天花板上爬却掉不下来，为什么？壁虎为什么能在天花板土爬行自如？这曾是一个困扰科学家一百多年的谜。用电子显微镜可观察到，壁虎的四足覆盖着几十万条纤细的由角蛋白构成的纳米级尺寸的毛。壁虎的足有多大吸力？实验证明，如果在一个分币的面积土布满100万条壁虎足的细毛，可以吊起20kg重的物体。近年来，有人用计算机模拟，证明壁虎的足与墙体之间的作用力在本质上是它的细毛与墙体之间的范德华力。1、请利用范德华力的相关知识，预测第IVA族元素的氢化物的沸点相对大小思考同一主族非金属氢化物,组成和结构相似，从上到下，相对分子质量逐渐增大，熔沸点逐渐升高。2、请利用范德华力的相关知识，预测第四，第六，第七主族沸点的变化规律思考NH3、H2O、HF的沸点反常的原因：由于它们各自的分子间形成了氢键。一、氢键及其对物质性质的影响1、氢键(1)氢键的形成当氢原子与电负性很大的F、O、N原子形成H—F、H—O、H—N共价键时，由于F、O、N的电负性比氢大得多，致使这些共价键的电子对会强烈的偏向F、O、N原子的一边，会使F、O、N原子带有“少量的负电荷”，而氢原子带有“少量的正电荷”，结果使H原子几乎成为“裸露”的质子，从而带有较强的正电荷，具有很强的吸引电子的能力。这样带正电的核就能与另一个(HF、H2O、NH3)分子中的F、O、N原子的孤对电子相互吸引和发生一定程度的轨道重叠作用，这种分子间的作用力就是氢键。如：F—H…F共价键按共用电子对是否发生偏移可分为两大类，极性键和非极性键(2)氢键的定义由已经与电负性很强的原子(N、O、F)形成共价键的氢原子(如：水分子中的氢)与另一个分子中非金属性很强的原子(如：水中的氧)之间的作用力。氢键是比分子间作用力强的分子间作用，但它不是化学键，仍属于分子间作用力的范畴(3)氢键的形成条件(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电荷的原子Y，如：H2O中的氧原子(3)X和Y的原子半径要小，这样空间位阻较小(4)氢键的表示方法氢键的通式可用X—H…Y—表示，式中X和Y表示F、O、N，可相同可不同，“—”表示共价键，“…”表示氢键【注意】一般来说，能形成氢键的元素有N、O、F。所以氢键一般存在于含N—H、H—O、H—F键的物质中，或有机化合物中的醇类和羧酸类等物质中(5)氢键的特征①氢键不是化学键，而是特殊的分子间作用力，其键能比化学键弱，比范德华力强②氢键具有一定的饱和性：在形成氢键时，由于氢原子半径比X、Y原子半径小得多，当氢原子与一个Y原子形成氢键X—H…Y后，氢原子周围的空间已被占据，X、Y原子的电子云的排斥作用将阻碍一个Y原子与氢原子靠近成键，也就是说氢原子只能与一个Y原子形成氢键，即氢键具有饱和性③氢键具有一定的方向性：X—H与Y形成分子间氢键时，3个原子总是尽可能沿直线分布，这样可使X与Y尽量远离，使两原子间电子云的排斥作用力最小，体系能量最低，形成的氢键最强、最稳定，所以氢键还具有方向性(6)氢键的类型氢键不是化学键，仅为一种分子间作用力，氢键可分为分子间氢键和分子内氢键，分子间氢键由两分子形成，而分子内氢键是一个分子中就具有形成的氢键的原子和原子团，如：邻羟基苯甲醛分子内的羟基与醛基之间存在的氢键就属于分子内氢键，而HF分子间、NH3与H2O分子间则属于分子间氢键邻羟基苯甲醛存在分子内氢键HF分子间存在分子间氢键

F—H…F—H(7)氢键的键能(1)氢键的键能：指X—H…Y分解为X—H和Y所需的能量。因氢键不是化学键，所以比化学键弱很多，但比范德华力稍强，如H—F键能为565kJ/mol，而F—H…F氢键作用力只有28kJ/mol(2)氢键键能大小的比较方法：在A—H…B中，A、B的电负性越大，氢键越强；B原子的半径越小(吸电子能力越强)，氢键越强比如：F-H…F是最强的氢键；F-H…F>O-H…O>O-H…N>N-H…N(3)C原子吸引电子能力较弱，一般不形成氢键4、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：分子间有氢键的物质熔化或汽化时，除了要克服纯粹的分子间作用力外，还必须提高温度、额外地提供一份能量来破坏分子间的氢键，所以这些物质的熔、沸点比同系列氢化物的熔、沸点高，如：HF、H2O、NH3沸点反常(2)当形成分子内氢键时，往往会降低分子间作用力，从而使物质的熔、沸点将下降如：邻羟基苯甲醛(熔点：2℃，沸点：196.5℃)和对羟基苯甲醛(熔点：115℃，沸点：250℃)(3)氢键也影响物质的溶解在极性溶剂中，如果溶质分子和溶剂分子之间可以形成氢键，则物质的溶解度增大如：NH3极易溶于水，因NH3与H2O之间能形成氢键，且都是极性分子(4)对物质密度的影响氢键可使固体或液体的密度减小；使气体物质的密度增大。如液态水密度>固态的密度(5)氢键对物质电离性质的影响如邻苯二甲酸的电离平衡常数Ka1与对苯二甲酸的电离平衡常数Ka1相差较大5、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粒子分子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、沸点升高。如CF4<CCl4<CBr4①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>H2S②分子内存在氢键时，降低物质的熔、沸点(物性)共价键键能越大，分子稳定性越强(化性)生物大分子中的氢键思考3、如何解释四种有机物在水中的溶解性的差异?二、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、氨都是极性分子，易溶于极性溶剂水中，难溶于非极性溶剂四氯化碳中；萘和碘都为非极性分子，易溶于非极性溶剂四氯化碳中，而难溶于极性溶剂水中【注意】溶质和溶剂的分子结构相似程度越大,其溶解性越大。2、影响物质溶解性的因素(1)外界因素主要有温度、压强等①影响固体溶解度的主要因素是温度，一般来说，温度越高，固体物质的溶解度越大，但Ca(OH)2除外②影响气体溶解度主要因素是温度和压强，一般来说，压强越大，气体溶解度越大，温度越高，溶解度越小(2)氢键对溶解性的影响如果溶质与溶剂之间能形成氢键，则溶解度增大，且氢键作用力越大，溶解性越好若溶剂和溶质之间无氢键，则溶质在水中的溶解度比较小。(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减小(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【注意】有机物中的水溶性基团在有机物中,常见的水溶性基团—OH、—CHO、—COOH、—NH,、—SO3H、—COO-、-SO3-、—NH3+等,因为它们均能与H2O形成氢键。思考4、有机溶剂都是非极性溶剂吗？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。5、比较NH3和CH4在水中的溶解度。怎样用“相似相溶”规律理解它们的溶解度不同?根据相似相溶规律,NH3是极性分子，易溶于极性溶剂水中；而且NH3可以和H2O形成分子间氢键，使溶解度更大，所以NH3极易溶于水。而CH4是非极性分子，难溶于水。6、为什么在日常生活中用有机溶剂(如乙酸乙酯等)溶解油漆而不用水?油漆的主要成分是非极性或极性很小的有机分子，故易溶于非极性或极性很小的有机溶剂中，如苯、甲苯、乙酸乙酯等，而不溶于水。思考7、在一个小试管里放入一小粒碘晶体，加入约5mL蒸馏水，观察碘在水中的溶解性（若有不溶的碘，可将碘水溶液倾倒在另一个试管里继续下面的实验)。在碘水溶液中加入约1mL四氯化碳(CCl4)，振荡试管，观察碘被四氯化碳萃取，形成紫红色的碘的四氯化碳溶液。再向试管里加入1mL浓碘化钾(KI）水溶液，振荡试管，溶液紫色变浅，这是由于在水溶液里可发生如下反应:I2+I-=I3-。实验表明碘在纯水还是在四氯化碳中溶解性较好?为什么？思考碘是非极性分子，所以在极性溶剂水中的溶解度很小，而易溶于非极性溶剂四氯化碳。我们观察到碘中加水后，碘没有全部溶解，表明碘在水中的溶解度很小。而在碘水中加人CCl4振荡后，水层颜色明显变浅，而CCl4层呈紫红色，表明碘在CCl4中溶解度较大，所以使碘从水中萃取到了CCl4中。碘水中加入浓的KI溶液后，由于发生反应:I2+I-=I3-，碘生成了无色的I3-，并溶解到水中，碘的浓度降低，所以溶液紫色变浅。1、利用相似相溶原理解释下表数据练一练

从“资料卡片”提供的相关数据，我们能发现如下符合“相似相溶”规律的例子:①乙炔、乙烯、已烷、甲烷、氢气、氮气、氧气都是非极性分子，在水中的溶解度都很小。②SO2和CO2都能和水反应,但SO2是极性分子，CO2是非极性分子，所以SO2(11.28g)比CO2(0.169g)在水中的溶解度大很多。③氯气也是非极性分子，但氯气能和水反应，生成物HCI、HCIO能溶于水，所以氯气的溶解性比其他非金属单质要好。④NH3分子能和H2O分子形成分子间氢键，所以NH3在水中的溶解度很大(52.9g)。8、两只手能不能完全重叠？思考三、分子的手性观察比较下图所示两种分子的结构，比较异同点相同点分子组成相同，都是CHFClBr；从平面上看相似不同点在空间上完全不同，它们构成实物和镜像关系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叠合，互称手性异构体(或对映异构体)(1)手性分子有手性异构体的分子叫做手性分子,比如乳酸分子等(2)手性分子的判断判断一种有机物是否具有手性异构体，关键是看其含有的碳原子是否连有4个不同的原子或原子团，即有机物分子中是否存在手性碳原子R1、R2、R3、R4互不相同，含有✳C手性碳原子，该有机物分子具有手性手性碳原子手性碳原子手性碳原子(3)手性分子的运用(1)合成手性药物(2)合成手性催化剂2001年，诺贝尔化学奖授予三位用手性催化剂生产手性药物的化学家，用他们的方法可以只得到或者主要得到一种手性分子，这种独特的方法称为手性合成。手性催化剂只催化或者主要催化一种手性分子的合成，可以比喻成握手，手性催化剂像迎宾的主人伸出右手，被催化合成的手性分子像客人，总是伸出右手去握。【几点强调】①手性同分异构体(又称对映异构体、光学异构体)的两个分子互为镜像关系，即分子形式的“左撇子和右撇子”②构成生命体的有机物绝大多数为手性分子。两个手性分子的性质不同，且手性有机物中必定含手性碳原子。手性碳原子一定是饱和碳原子。且具有手性碳原子的有机物具有光学活性③“手性”指一个物体不能与其镜