2.3.2《范德华力和氢键》导学案(含解析)2020-2021学年人教版高二化学选修3

第二章《分子结构与性质》导学案
第三节分子的性质
（第二课时范德华力和氢键）
【学习目标】1．通过阅读思考、讨论交流，认识范德华力与化学键的区别，能说明分子间作用力对物质的状态等方面的影响。

2．通过问题探究、典例剖析，知道氢键的形成过程、条件及特点，能判断氢键的存在及氢键对物质性质的影响。

【学习重点】分子间作用力、氢键及其对物质性质的影响
【学习难点】氢键的形成条件及对物质物理性质的影响
【自主学习】
旧知回顾：1
2.气体在加压或降温时为什么会变成液体或固体的原因是
3．什么是化学键？它对物质的性质有何影响？
【温馨提示】化学键（chemical bond）是指分子或晶体内相邻原子（或离子）间强烈的相互作用。

化学键可以影响物质的物理性质，如离子晶体和原子晶体的熔沸点就取决于离子键和共价键的强弱。

还可以影响物质的化学性质，如你所说的键能越大物质越稳定。

化学键还可以解释化学反应的热效应，断键吸热，形成键放热。

新知预习：1．范德华力是分子之间普遍存在的相互作用力，它使得许多物质能以一定的凝聚态(固态液态)存在。

影响范德华力大小的因素主要有分子的极性和相对分子质量，范德华力主要影响物质的物理性质。

2．氢键是一种分子间作用力。

它是由已经与电负性很强的原子(如N、F、O)形成共价键的氢原子与另一个分子中或同一分子中电负性很强的原子之间的作用力。

氢键不属于化学键，是一种分子间作用力，氢键键能较小，约为化学键的十分之几，但比范德华力强。

氢键具有一定的方向性和饱和性。

【同步学习】
情景导入：我们知道，化学反应的实质是旧键的断裂和新键的形成的过程，因此，化学键主要影响物质的化学性质。

那么，物质的溶沸点、溶解性等物理性质又受什么影响呢？这节课我们就来研究解决这一问题。

活动一、范德华力及其对物质性质的影响
1．阅读思考：阅读教材P47页内容，思考范德华力含义、特征分别是什么？
【温馨提示】（1）定义：范德华力是分子之间普遍存在的相互作用力，它使得许多物质能以一定的凝聚态(固态液态)存在。

（2）特征：①范德华力约比化学键能小1～2个数量级；②无方向性和饱和性，只要分子周围空间允许，分子总是尽可能多地吸引其他分子。

2.讨论交流：（1）仔细观察分析教材P47页表2-7，结合分子结构的特点和数据，能得出什么结论？
【温馨提示】①分子的极性越大，范德华力越大。

②结构和组成相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大。

（2）根据教材P47页“学与问”，能得出什么结论？
【温馨提示】范德华力主要影响物质的物理性质，如熔点、沸点；化学键主要影响物质的化学性质。

范德华力越大，物质熔沸点越高。

当分子结构相似时，相对分子质量越大，范德华力越大。

因此，由于F2～I2的相对分子质量逐渐增大，范德华力也逐渐增大，使F2～I2的熔、沸点越来越高。

3.问题探究：（1）Cl2、Br2、I2三者的组成和化学性质均相似，但状态却为气、液、固的原因是什么？
【温馨提示】Cl2、Br2、I2的组成和结构相似，由于相对分子质量逐渐增大，所以范德华力逐渐增大，故熔、沸点升高，状态由气体变为液体、固体。

如下图：
（2）CCl4、SiCl4、SnCl4的稳定性为什么逐渐减弱？而它们的沸点逐渐升高？
【温馨提示】分子稳定性取决于键长和键能，CCl4、SiCl4、SnCl4中的键长逐渐变长，键能逐渐减小，分子稳定性减弱；由分子构成的物质的沸点取决于分子间作用力的大小，CCl4、SiCl4、SnCl4的组成和结构相似，随相对分子质量的增大，它们分子间的作用力逐渐增大，沸点逐渐升高。

如下图：
（3）为什么HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱而熔沸点依次升高？
【温馨提示】HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱是由于H—X键键能依次减小，熔沸点依次升高是由于范德华力依次增大。

（4）结合教材P47页“科学视野”，思考夏天经常见到许多壁虎在墙壁或天花板上爬行，却掉不下来，为什么？
【温馨提示】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。

4.归纳小结：范德华力对物质性质的影响有哪些？
【温馨提示】(1)范德华力越大，物质的熔、沸点越高。

①组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，范德华力越大，物质的熔、沸点越高。

如熔、沸点I2>Br2>Cl2>F2，HCl<HBr<HI。

②组成相似、相对分子质量相近的物质，分子的极性越大，物质的熔、沸点越高。

如熔、沸点CO>N2(CO为极性分子)；又如有机物的同分异构体中，通常支链越多，分子对称性越好，分子极性越小，物质的熔、沸点越低(沸点：正戊烷>异戊烷>新戊烷)。

(2)溶质分子与溶剂分子间的范德华力越大，则溶质分子的溶解度越大。

如CH4和HCl 在水中的溶解情况，由于CH4与H2O分子间的作用力很小，故CH4几乎不溶于水，而HCl与H2O分子间的作用力较大，故HCl极易溶于水；同理，Br2、I2与苯分子间的作用力较大，故Br2、I2易溶于苯中，而H2O与苯分子间的作用力很小，故H2O很难溶于苯中。

【对应训练】1．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的化学键
B．范德华力与化学键的强弱不同
C．任何分子间都会产生范德华力
D．范德华力非常微弱，故破坏范德华力不需要消耗能量
【答案】B
【解析】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，若分子间距足够大，分子之间也难以产生相互作用。

2.下列叙述与范德华力无关的是()
A．气态物质加压或降温时能凝结或凝固
B．干冰易升华
C．氟、氯、溴、碘单质的熔沸点依次升高
D．H2O、H2S、H2Se的热稳定性逐渐减弱
【答案】D
【解析】一般由分子构成的物质，其物理性质通常与范德华力的大小密切相关。

A、B、C三个选项与分子间作用力的大小有关，只有D选项中涉及的是分子的化学性质，而分子的化学性质与范德华力无关。

3．人们熟悉的影片《蜘蛛侠》为我们塑造了一个能飞檐走壁、过高楼如履平地的蜘蛛侠，现实中的蜘蛛能在天花板等比较滑的板面上爬行，蜘蛛之所以不能从天花板上掉下的主要原因是()
A．蜘蛛脚的尖端锋利，能抓住天花板
B．蜘蛛的脚上有“胶水”，从而能使蜘蛛粘在天花板上
C．蜘蛛脚上的大量细毛与天花板之间的范德华力这一“黏力”使蜘蛛不致坠落
D．蜘蛛有特异功能，能抓住任何物体
【答案】C
【解析】蜘蛛不能掉下的根本原因是蜘蛛脚上的大量细毛与天花板之间存在范德华力。

活动二、氢键及其对物质性质的影响
1．阅读思考：阅读教材P48页内容，回答氢键的概念、特征、表示方法及类型分别是什么？
【温馨提示】（1）定义：氢键是一种分子间作用力。

它是由已经与电负性很强的原子(如N、F、O)形成共价键的氢原子与另一个分子中或同一分子中电负性很强的原子之间的作用力。

（2）特征：①氢键不属于化学键，是一种分子间作用力。

氢键键能较小，约为化学键的十分之几，但比范德华力强。

②氢键具有一定的方向性和饱和性。

在“X—H…Y”所表示的氢键中，一个H原子只能与一个Y原子(O、N、F)结合，这就是氢键的饱和性。

Y原子以负电荷分布得最多的部分(一般是孤电子对)接近H原子，并在可能范围内使孤电子对轨道的对称轴尽量跟氢键方向一致，这样成键能力最强，这就是氢键的方向性。

注意：①每个水分子最多与4个水分子形成氢键。

②表示氢键的三个原子在一条直线上。

（3）类型：氢键可分为分子内氢键和分子间氢键两类。

如有机物A()的结
构可以表示为(虚线表示氢键)，而有机物B()只能形成分子间氢键。

（4）表示方法：分子间的氢键通常用“X—H…Y”来表示，式中X、Y为N、O、F，“—”表示共价键，“…”表示氢键。

例如，HF分子间的氢键可以表示为“F—H…F—H…”，即：
2.讨论交流：（1）氢键对物质性质有何影响？
【温馨提示】①当形成分子间氢键时，物质的熔、沸点将升高。

当形成分子内氢键时，物质的熔、沸点将下降。

如存在分子内氢键，存在分子间氢键。

前者的沸点低于后者。

②氢键也影响物质的电离、溶解性等。

氢键的存在使物质的溶解性增大。

例如，NH3极易溶解于水，主要是由于氨分子和水分子之间形成了氢键，彼此互相缔合，因而加大了溶解。

再如乙醇、低级醛易溶于水，也是因为它们能与水分子间形成氢键。

（2）水中的氢键对水的性质有哪些影响？
【温馨提示】①水分子间形成氢键，增大了水分子间的作用力，使水的熔沸点比同主族元素中H2S的熔沸点高。

②氢键与水分子的性质：A.水结冰时，体积膨胀，密度减小。

在水蒸气中水以单个的水分子形式存在；在液态水中，通常是几个水分子通过氢键结合，形成(H2O)n分子；在固态水(冰)中，水分子大范围地以氢键互相连接，成为疏松的晶体，因此在冰的结构中有许多空隙，造成体积膨胀，密度减小。

B.接近沸点时形成“缔合”分子水蒸气的相对分子质量比用化学式H2O计算出来的相对分子质量大。

C形成氢键还能增大物质的硬度(如水变为冰)；HF分子通过氢键形成缔合分子(HF)n，测量HF分子的相对分子质量时，测量结果会偏高等。

3.问题探究：（1）氢键的形成需要什么条件？
【温馨提示】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，能形成氢键的元素有N、O、F等。

（2）为什么干冰的熔、沸点比冰的低，密度却比冰的大？
【温馨提示】因为冰中除了存在范德华力外还存在氢键，破坏分子间作用力较难，所以冰的熔、沸点比干冰的高。

由于冰中的水分子间作用力特别是氢键具有方向性，导致冰晶体中有相当大的空隙，所以相同状况下体积较大，又因为CO2分子的相对分子质量比H2O分子
的大，所以干冰的密度比冰的大。

如图：。

(3)在第ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素的氢化物中，为什么NH3、H2O、HF三者的相对分子质量分别小于同主族其他元素的氢化物，但熔、沸点却比其他元素的氢化物高？
【温馨提示】因为NH3、H2O、HF三者的分子间能形成氢键，同主族其他元素的氢化物不能形成氢键，所以它们的熔点和沸点高于同主族其他元素的氢化物。

5.拓展探究：结合教材P49页“科学视野”，思考生物大分子蛋白质和DNA中的氢键有何特点？
【温馨提示】
【对应训练】1．关于氢键，下列说法正确的是()
A．氢键比分子间作用力强，所以它属于化学键
B．冰中存在氢键，水中不存在氢键
C．分子间形成的氢键使物质的熔点和沸点升高
D．H2O是一种非常稳定的化合物，这是由于氢键所致
【答案】C
【解析】氢键属于分子间作用力，其大小介于范德华力和化学键之间，不属于化学键，分子间氢键的存在，加强了分子间作用力，使物质的熔、沸点升高，A项错误，C项正确；在冰和水中都存在氢键，而H2O的稳定性主要是由分子内的O—H的键能决定，B、D项错误。

2．下列化合物的沸点，前者低于后者的是( )
A．乙醇与氯乙烷
B．邻羟基苯甲酸()与对羟基苯甲酸()
C．对羟基苯甲醛与邻羟基苯甲醛
D．C3F8(全氟丙烷)与C3H8
【答案】B
【解析】A．乙醇含有氢键，沸点较高，则沸点前者高于后者，故A错误；B．邻羟基苯甲酸含有分子内氢键，而对羟基苯甲酸含有分子间氢键，分子间氢键作用力较强，沸点较高，则沸点前者低于后者，故B正确；C．对羟基苯甲醛含有分子间氢键，邻羟基苯甲醛含有分子内氢键，分子间氢键作用力较强，沸点较高，则沸点前者高于后者，故C错误；D．C3F8与C3H8都为分子晶体，相对分子质量越大，沸点越高，所以沸点：C3F8＞C3H8，故D错误。

故选：B。

3．中科院国家纳米科学中心的科研人员在国际上首次“拍”到氢键的“照片”，实现了氢键的实空间成像，为“氢键的本质”这一化学界争论了80多年的问题提供了直观证据，这不仅将人类对微观世界的认识向前推进了一大步，也为在分子、原子尺度上的研究提供了更精确的方法.下列说法中正确的是( )
①正是氢键的存在，冰能浮在水面上；②氢键是自然界中最重要、存在最广泛的化学键之一；③由于氢键的存在，沸点：HCl>HBr>HI>HF；④由于氢键的存在，使水与乙醇互溶；⑤由于氢键的存在，使水具有稳定的化学性质。

A．②⑤B．③⑤
C．②④D．①④
【答案】D
【解析】①冰中水分子有序排列，每个水分子被4个水分子包围，形成4个氢键，使体积膨胀，密度减小，所以冰能浮在水面上，是氢键导致的，故①正确；②氢键属于分子间作用力，不属于化学键，故②错误；③HF分子间存在氢键，沸点最高，HCl、HBr、HI分子间都不存在氢键，熔、沸点高低取决于分子间作用力大小，相对分子质量越大，分子间作用力越大，则熔、沸点越高，所以沸点：HCl<HBr<HI<HF，故③错误；④乙醇可以和水形成分子间氢键，故乙醇能与水以任意比例互溶，故④正确；⑤氢键决定的是物质的物理性质，而分子的稳定性由共价键的强弱决定，故⑤错误；①④正确，D满足题意；答案选D。

【课堂检测】1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。

(1)氢键属于分子间作用力( √)
(2)分子间作用力是分子间相互作用力的总称( √)
(3)分子间氢键的形成使物质的熔、沸点升高，分子内氢键使物质的熔、沸点降低( √)
(4)氢键是一种特殊的化学键，它广泛存在于自然界中( ×)
(5)HF的沸点较高，是因为H—F键的键能很大( ×)
(6)共价化合物分子间均存在分子间作用力( √)
(7)F2、Cl2、Br2、I2的熔沸点逐渐升高，是因为分子间作用力越来越大( √)
(8)H2O的稳定性大于H2S，是因为水分子间存在氢键( ×)
(9)HF、HCl、HBr、HI的稳定性逐渐减弱，其熔沸点逐渐升高( ×)
2．下列关于范德华力与氢键的叙述中正确的是()
A．任何物质中都存在范德华力，而氢键只存在于含有N、O、F的物质中
B．范德华力比氢键的作用还要弱
C．范德华力与氢键共同决定物质的物理性质
D．范德华力与氢键的强弱都只与相对分子质量有关
【答案】B
【解析】只有由分子组成的物质中才存在范德华力，A项错误；范德华力弱于氢键，B 项正确；只有由分子组成且分子之间存在氢键的物质，其物理性质才由范德华力和氢键共同决定，C项错误；氢键的强弱主要与形成氢键的原子的电负性有关，D项错误。

3．下列叙述与范德华力无关的是( )
A．气体物质加压或降温时能凝结或凝固
B．熔、沸点高低：CH3CH3<CH3(CH2)2CH3
C．干冰易升华，SO2固体不易升华
D．氯化钠的熔点较高
【答案】D
【解析】A．气体物质加压或降温时能凝结或凝固是因为气体分子之间存在范德华力，A
不符题意；B．结构相似的共价分子，相对分子质量越大，范德华力越大，因此熔、沸点高低：CH3CH3<CH3(CH2)2CH3，B不符题意；C．干冰是固态的二氧化碳，二氧化碳是非极性分子，二氧化硫是极性分子，极性越强范德华力越强，因此干冰易升华，SO2固体不易升华，C不符题意；D．氯化钠是离子晶体，不存在范德华力，氯化钠的熔点较高是离子键较强，与范德华力无关，D符合题意；答案选D。

4．下列现象与氢键有关的是()
①NH3的熔、沸点比第ⅤA族其他元素氢化物的高
②小分子的醇、羧酸可以和水以任意比互溶
③冰的密度比液态水的密度小
④尿素的熔、沸点比醋酸的高
⑤邻羟基苯甲酸的熔、沸点比对羟基苯甲酸的低
⑥水分子高温下也很稳定
A．①②③④⑤⑥B．①②③④⑤
C．①②③④D．①②③
【答案】B
【解析】氢键不是化学键，一般影响物质的物理性质，分子的稳定性与化学键强弱有关系，因此⑥与氢键无关系，答案选B。

5．下列对分子性质的解释中，不正确的是( )
A．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
B．过氧化氢是含有极性键和非极性键的极性分子
C．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
D．青蒿素的分子式为C15H22O5，结构如图所示，该分子中包含7个手性碳原子
【答案】C
【解析】A．碘是非极性分子，易溶于非极性溶剂四氯化碳，甲烷属于非极性分子，难溶于极性溶剂水，所以都可用“相似相溶”规律解释，A正确；B．过氧化氢中含有极性键O —H和非极性键O—O，其正电中心和负电中心不重合，属于极性分子，B正确；C．水很稳定(1000℃以上才会部分分解)是因为水中含有的H—O键非常稳定，与分子间氢键无关，C 错误；D．手性碳原子连接的4个原子或原子团互不相同，根据青蒿素的结构图，可知该分
子中包含7个手性碳原子，如图：，D正确；故选C。

【课后巩固】教材P55页4、5、6
【课后提升】1．下列说法不正确的是()
A．分子间作用力是分子间静电作用的总称
B．分子间氢键的形成除使物质的熔、沸点升高外，对物质的溶解、电离等也都有影响C．范德华力与氢键可同时存在于分子之间
D．氢键是一种特殊的化学键，它广泛存在于自然界中
【答案】D
【解析】分子间作用力是分子间静电作用的总称，它包括氢键与范德华力，它的作用弱于化学键，但不属于化学键，它对物质熔、沸点，物质的溶解和电离等均有影响。

2．下列有关说法正确的是
A．水分子间的氢键是一个水分子中氢原子与另一个水分子中的氧原子间形成的化学健B．Na与水反应时，增加水的用量可以明显加快化学反应速率
C．纯碱溶液清洗油污时，加热可以增强其去污力
D．向海水中加入净水剂明矾可以使海水淡化
【答案】C
【解析】A.氢键是一个水分子中的氢原子与另一个水分子中的氧原子间形成的分子间作用力，不是化学键，故A错误；B.钠与水反应时，可将块状钠变成细小颗粒，能加快反应速率，由于水为纯净物，浓度为定值，增加水的用量，浓度不变，不能加快反应速率，故B
错误；C.温度升高，使纯碱水解的程度增大，氢氧根变多，碱性增强，所以去污能力增强，故C正确；D.明矾中铝离子水解产生氢氧化铝胶体，具有吸附作用，可以吸附水中的悬浮物，只能用来净水，而不能使海水淡化，故D错误；故答案为C。

3．下列说法正确的是( )
A．由于氢键的存在，冰才能浮在水面上
B．氢键是自然界中最重要、存在最广泛的化学键之一
C．由于氢键的存在，沸点：HCl＞HBr＞HI＞HF
D．氢键的存在决定了水分子中氢氧键的键角是104.5°
【答案】A
【解析】A．冰中分子排列有序，氢键数目增多，体积膨胀，密度减小，所以冰能浮在水面上是氢键的原因，故A正确；B．氢键属于分子间作用力，不属于化学键，故B错误；C．卤素的氢化物均为分子晶体，分子晶体相对分子质量越大，分子间范德华力越大，熔沸
点越高，卤素的氢化物中只有HF 分子间存在氢键，故沸点：HF ＞HI ＞HBr ＞HCl ，故C 错误；
D ．键角是共价键的参数，氢键不是共价键，是分子间作用力，所以键角与氢键无关，故D 错误；答案选A 。

4．航空燃料四甲硅烷(3
3
33|
| CH CH H C Si C H ——)属于有机硅化合物，是无色易挥发液体，具有极高的稳定性。

下列说法错误的是( )
A ．四甲硅烷属于非电解质
B ．碳元素的非金属性强于硅元素
C ．四甲硅烷的三氯代物有三种可能的结构
D ．四甲硅烷晶体中只存在共价键，无其他微粒间作用力
【答案】D
【解析】A ．四甲硅烷属于有机硅化合物，难溶于水，是非电解质，A 项正确；B ．碳元素和硅元素同属于ⅣA 族元素，同族元素从上到下非金属性减弱，B 项正确；C ．四甲硅烷中的氢原子所处环境都同，用三个氯原子取代四甲硅烷分子中的氢原子时，有三种可能的情况，三个氯原子连在同一个碳原子上，两个氯原子连在同一个碳原子上，另一个氯原子连在另一个碳原子上，三个氯原子分别连在三个碳原子上，C 项正确；D ．四甲硅烷晶体中存在的微粒间作用力除共价键外，还有分子间作用力，范德华力，D 项错误。

答案为D 。

对应表中内容，下列说法正确的是( )
A ．a 、b 、c 的化学式分别为Ne 、Br 2、HF
B ．第②行物质均有氧化性；第③行物质均是强酸
C ．第④行各化合物的沸点变化说明元素非金属性越强，气态氢化物沸点越高
D ．由于氢键的影响，HF 分子和H 2O 分子特别稳定
【答案】A
【解析】A ．根据表中数据规律，a 、b 、c 的化学式分别为Ne 、Br 2、HF ，A 项正确；B ．第③行物质中HF 是弱酸，B 项错误；C ．第④行物质的沸点变化为高→低→高，与氢键和范德
华力有关，与元素非金属性无关，C项错误；D．氢键影响物质的熔、沸点，与分子的稳定性无关，D项错误；故答案选A。

6．短周期的5种非金属主族元素，其中A、B、C的外围电子排布可表示为A：a s a，B：b s b b p b，C：c s c c p2c，D与B同主族，E在C的下一周期，且是同周期元素中电负性最大的元素。

请回答下列问题：
(1)由A、B、C、E四种元素中的两种元素可形成多种分子，分子①BC2、②BA4、③A2C2、
④BE4中，属于极性分子的是________(填序号)。

(2)C的氢化物比下一周期同主族元素的氢化物沸点要高，其原因是_________________ __________________________。

(3)B、C两元素都能和A元素组成常见的溶剂，其分子式分别为________、________。

(4)BA4、BE4和DE4的沸点从高到低的顺序为________________________(用化学式表示)。

【答案】(1)③(2)H2O分子间形成氢键
(3)C6H6H2O
(4)SiCl4＞CCl4＞CH4
【解析】由s轨道最多可容纳2个电子且5种元素都为非金属元素可得：a＝1，b＝c ＝2，即A为H，B为C，C为O。

由D与B同主族，且为短周期非金属元素得D为Si；由E 在C的下一周期且E为同周期中电负性最大的元素可知E为Cl。

(1)①、②、③、④分别为CO2、CH4、H2O2、CCl4，其中H2O2为极性分子，其他为非极性分子。

(2)C的氢化物为H2O，H2O分子间可形成氢键，是其沸点较高的重要原因。

(3)B、A 两元素组成苯，C、A两元素组成水，两者都为常见的溶剂。

(4)BA4、BE4、DE4分别为CH4、CCl4、SiCl4，三者结构相似，相对分子质量逐渐增大，分子间作用力逐渐增强，故它们的沸点从高到低的顺序为SiCl4＞CCl4＞CH4。

【我的思】。