高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2第2节 共价键与分子的空间结构第2课时学案设计

第2课时　分子的空间结构与分子性质

分子中的原子排布与对称性

1．依据对称轴的旋转或者借助对称面的反映能够复原的分子称为对称分子，分子所具有的这种性质称为对称性。分子的许多性质如极性、旋光性等都与分子的对称性有关。

2．当光通过某些化合物时，光波振动的方向会旋转一定的角度，这种性质称为旋光性。这些分子本身和它们在镜中的像，就如同人的左手和右手，相似但不能重叠，因而称这类分子表现出手性。具有手性的分子叫作手性分子。一个手性分子和它的镜像分子构成一对对映异构体。互为对映异构体的两种手性分子具有相反的旋光性。这两种分子若以等物质的量浓度形成混合溶液，由于旋光性相互抵消，而使溶液不表现旋光性。

3．对于仅通过单键连接其他原子的碳原子，当其所连接的四个原子或基团均不相同时，这个碳原子称为不对称碳原子。大多数手性分子都含有不对称碳原子，因此常用有无不对称碳原子推测分子是否为手性分子，进而判断分子有无旋光性。

分子中的电荷分布与极性

1．分子中的电荷分布会对分子性质产生显著影响。从化学键的视角来看，共用电子在成键原子之间的分布决定着是形成极性键还是形成非极性键，而分子中各个化学键极性的不同又会影响化学反应中分子的断键部位和反应产物。

2．分子内存在正、负两极的分子，称为极性分子；分子内不存在正、负两极的分子，称为非极性分子。对于一个分子来说，可以设想它的全部正电荷集中于一点，这一点叫作正电荷重心；同样可以设想它的全部负电荷集中于一点，这一点叫作负电荷重心。正、负电荷重心所带电荷相同但电性相反。极性分子的正、负电荷重心不重合，因此分子内存在正、负两极；非极性分子的正、负电荷重心重合，因此分子内不存在正、负两极。

3．对双原子分子来说，键的极性与分子的极性是一致的。多原子分子的极性除了与键的极性有关外，还与分子的空间结构有关。

4．分子的极性会影响分子的性质。在相对分子质量相同的情况下，极性分子构成的物质比非极性分子构成的物质具有更高的沸点。极性分子易溶于极性溶剂。非极性分子易溶于非极性溶剂。

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)分子的许多性质如极性、旋光性等都与分子的对称性有关。(　　)

(2)具有手性的分子叫作手性分子。(　　)

(3)非极性分子中一定含有非极性键。(　　)

(4)含有非极性键的分子一定是非极性分子。(　　)

(5)由极性键形成的双原子分子一定是极性分子。(　　)

(6)分子的极性只与键的极性有关。(　　)

答案　(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×

解析　(3)非极性分子中不一定含有非极性键，如CH4。

(4)不一定，如H2O2。

(6)分子的极性除与键的极性有关外，还与分子的空间结构有关。

2．下列有机物分子中属于手性分子的是(　　)

①乳酸[CH3CH(OH)COOH]　②

③　④丙三醇

A．只有①   B．①和②

C．①②③   D．①②③④

答案　C

解析　写出各分子的结构简式：

①　②③　④可知①②③中存在不对称碳原子(用“*”标记的)，而④中中间的碳原子连有两个相同的—CH2OH，不是不对称碳原子。

3．下列说法正确的是(　　)

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

答案　B

解析　A项，CO2为非极性分子；C项，稳定性由HF到HI依次减弱；D项，CS2和C2H2为直线形分子，H2O为角形分子。

4．下列各组分子中都属于含极性键的非极性分子的是(　　)

A．SO2、H2O、NH3   B．CH4、C2H4、C6H6

C．N2、Cl2、O3   D．H2O2、C2H6、PCl3

答案　B

解析　SO2、H2O、NH3三种分子都是含有极性键的极性分子，故A错误；CH4中碳氢键为极性键，分子为正四面体结构，是非极性分子，C2H4是平面结构，是非极性分子，C6H6是平面正六边形结构，是非极性分子，故B正确；N2、Cl2、O3都含非极性键，故C错误；H2O2、PCl3都是极性分子，故D错误。

探究一　分子中的原子排布与对称性

构成不对称碳原子的条件是什么？

提示：与碳原子连接的四个原子或基团均不相同。

分子中的原子排布与对称性

(1)对称分子

①依据对称轴的旋转或借助对称面的反映能够复原的分子。

②分子的许多性质如极性、旋光性、化学性质等都与分子的对称性有关。

(2)手性分子

①不对称碳原子：连接有四个不同的原子或基团的碳原子。

②手性分子：具有手性的分子。手性分子和它的镜像分子构成一对对映异构体。

(3)分子是否表现手性的判断

分子表现手性，是因为其含有不对称碳原子。如果一个碳原子所连接的四个原子或基团各不相同，那么该碳原子称为不对称碳原子，用*C来表示。例如,R1 R2 R4R3，R1、R2、R3、R4是互不相同的原子或基团。所以，判断一种有机物分子是否具有手性，就看其含有的碳原子是否连有四个不同的原子或基团。

连接双键或三键的碳原子不可能是不对称碳原子。

1．下列化合物中含有不对称碳原子的是(　　)

A．CCl2F2   B．CH3CH2OH

C．   D．

答案　D

解析　中心原子连有四个不同的原子或基团的化合物才具有手性。A项中C原子只连有Cl、F两种原子，故A项不是手性分子；分子中两个C原子分别连有2种和3种不同的原子或基团，故B项不是手性分子；分子中1、3号C原子结构对称，故2号C原子连有3种原子或基团，1、3号C原子均连有2个氢原子，即连有3种不同原子或基团，故C项不是手性分子；分子中2号C原子连有—CH3、—H、—COOH、—OH四种不同的原子或基团，故D项是手性分子，含不对称碳原子。

2．下列物质中不存在手性异构体的是(　　)

A．BrCH2CHOHCH2OH

B．

C．CH3CHOHCOOH

D．CH3COCH2CH3

答案　D

解析　若同一个碳原子上连接四个不同的原子或基团，则该碳原子称为不对称碳原子，含有不对称碳原子的物质存在手性异构体，D项中不存在手性异构体。

判断分子是否是手性分子就要判断分子中是否含有不对称碳原子。

探究二　分子中的电荷分布与极性

如何判断分子的极性？

提示：对双原子分子来说，键的极性与分子的极性是一致的，多原子分子的极性除与分子中键的极性有关外，还与分子的空间结构有关。

1．分子的极性

(1)极性分子：分子内存在正、负两极的分子。

(2)非极性分子：分子内不存在正、负两极的分子。

(3)对双原子分子来说，化学键有极性，分子就有极性；化学键无极性，分子也无极性。

(4)多原子分子的极性除了与键的极性有关外，还与分子的空间结构有关。

2．判断分子极性的一般思路

3．键的极性与分子极性的关系

判断ABn型分子极性的经验规律

(1)若中心原子A的化合价的绝对值等于该元素所在的主族序数，则为非极性分子，若不等则为极性分子。

(2)若中心原子有孤对电子，则为极性分子；若无孤对电子，则为非极性分子。

如CS2、BF3、SO3、CH4为非极性分子；H2S、SO2、NH3为极性分子。

3．下列分子中，属于非极性分子的是(　　)

A．SO2   B．NH3 

C．BBr3   D．COCl2

答案　C

解析　SO2、NH3分子中含有极性键，各键空间排列不对称，为极性分子；C项，虽然分子中含有极性键，但各键的空间排列对称，为非极性分子；D项，分子中正、负电荷的重心不重合，为极性分子。

4．下列分子是极性分子的是(　　)

A．PCl3   B．SO3 

C．BF3   D．CS2

答案　A

解析　PCl3中P的最外层有5个电子，其化合价为＋3价，中心原子的化合价的绝对值不等于原子的最外层电子数，属于极性分子，A符合题意，SO3中S的最外层有6个电子，其化合价为＋6价，中心原子的化合价的绝对值等于原子的最外层电子数，属于非极性分子，B不符合题意；BF3中B的最外层有3个电子，其化合价为＋3价，中心原子的化合价的绝对值等于原子的最外层电子数，属于非极性分子，C不符合题意；CS2中C的最外层有4个电子，其化合价为＋4价，中心原子的化合价的绝对值等于原子的最外层电子数，属于非极性分子，D不符合题意。

本课小结

课时作业

一、选择题(本题共8小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．某研究性学习小组对手性分子提出了以下四个观点：

①互为手性异构体的分子互为镜像　②利用手性催化剂合成可得到一种或主要得到一种手性分子　③互为手性异构体的分子组成相同　④手性异构体的性质相同

你认为正确的是(　　)

A．①②③   B．①②④

C．②③④   D．全部

答案　A

解析　互为手性异构体的分子结构不同，性质不同，故④错误，①②③均正确。

2．下列物质的分子不具有对称性的是(　　)

A．CH3Cl   B．CH2Cl2

C．CH2ClBr   D．CH3CH(Cl)Br

答案　D

解析　当一个碳原子所连接的四个原子或基团都不相同时，这个碳原子为不对称碳原子，具有不对称碳原子的分子既没有对称轴，也没有对称面，是不对称分子，没有对称性。D项中物质分子的结构可表示为，没有对称性。

3．下列化合物中含3个不对称碳原子的是(　　)

A．

B．

C．

D．

答案　C

解析　A项中含有1个不对称碳原子，B项中含有2个不对称碳原子，D项中含有1个不对称碳原子。

4．科学家发现铂的两种化合物a和b(如图)，实验测得a和b具有不同的性质，且a具有抗癌作用，而b没有。下列关于a、b的叙述错误的是(　　)

A．a和b互为同分异构体

B．a和b互为镜像关系

C．a和b的空间结构是平面四边形

D．a和b分别是非极性分子和极性分子

答案　B

解析　A项，a和b的分子式相同而结构不同，二者互为同分异构体，正确；B项，a和b不关于面对称，不互为镜像关系，错误；C项，若a、b是四面体结构，则无同分异构现象，但二者的性质不同，所以二者是平面结构，正确；D项，化合物a的结构对称且正、负电荷的重心重合，故为非极性分子，化合物b的结构不对称，正、负电荷的重心不重合，故为极性分子，正确。

5．下列有关键的极性和分子的极性的叙述正确的是(　　)

A．由极性键构成的分子一定是极性分子

B．非极性键只存在于双原子单质分子中

C．非极性分子一定含有非极性键

D．一般情况下，极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂

答案　D

解析　分子的极性取决于键的极性和分子的空间结构，如CH4由极性键构成，但为非极性分子，A错误；非极性键还能存在于化合物中，如C2H6中C—C键，Na2O2中O—O键均为非极性键，B错误；非极性分子可能含有非极性键(如O2)，也可能不含非极性键(如CH4)，C错误。根据“相似相溶”原理，D正确。

6．用带静电的有机玻璃棒靠近下列液体的细流，细流发生偏转的是(　　)

A．苯   B．二硫化碳

C．氯水   D．四氯化碳

答案　C

解析　带静电的有机玻璃棒靠近液体的细流，细流发生偏转，说明此液体中含极性分子，苯、二硫化碳、四氯化碳均属于非极性分子，氯水中HClO和H2O均属于极性分子，故C正确。

7．下列每组物质中化学键的类型和分子的极性都相同的是(　　)

A．CO2和CS2   B．NaCl和HCl

C．H2O和CH4   D．O2和HBr

答案　A

解析　CO2和CS2中均含极性共价键，且均为直线形对称分子，均属于非极性分子，A符合题意；NaCl含离子键，HCl含极性共价键，B不符合题意；H2O和CH4中均含极性共价键，H2O的空间结构为角形，属于极性分子，CH4的空间结构为正四面体形，属于非极性分子，C不符合题意；O2和HBr中分别含非极性共价键、极性共价键，分别属于非极性分子和极性分子，D不符合题意。

8．下列分子中，属于含有极性键的非极性分子的是(　　)

A．PCl3  B．H2S

C．P4  D．C2H4

答案　D

解析　PCl3分子中只含P—Cl极性键，空间结构为三角锥形，属于极性分子，故A不符合题意；H2S分子中只含H—S极性键，空间结构为角形，属于极性分子，故B不符合题意；P4分子中只含P—P非极性键，空间结构为正四面体形，属于非极性分子，故C不符合题意；C2H4分子中含C—H极性键，空间结构为平面对称结构，属于非极性分子，故D符合题意。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

9．下列叙述中正确的是(　　)

A．NH3是极性分子，N原子处于3个H原子所组成的三角形的中心

B．CCl4是非极性分子，C原子处在4个Cl原子所组成的正四面体的中心

C．H2O是极性分子，O原子不处在2个H原子所连成的直线的中央

D．CO2是非极性分子，C原子不处在2个O原子所连成的直线的中央

答案　BC

解析　NH3的中心N原子的价层电子对数为3＋×(5－3)＝4，采取sp3杂化，含有1对孤电子对，其空间结构为三角锥形，该分子正、负电荷重心不重合，为极性分子，N原子不在3个H原子所组成的三角形的中心，故A错误；CCl4的中心C原子的价层电子对数为4＋×(4－4)＝4，无孤电子对，其空间结构为正四面体形，四个Cl原子构成正四面体，C原子位于其中心，故B正确；H2O为角形分子，该分子正、负电荷重心不重合，为极性分子，O原子不处在2个H原子所连成的直线的中央，故C正确；CO2为直线形分子，该分子正、负电荷重心重合，为非极性分子，C原子处在2个O原子所连成的直线的中央，故D错误。

10．关于下列反应的说法正确的是(图中共有三种原子)(　　)

A．反应过程中E中共价键断裂，G中共价键保持不动

B．E中存在非极性键

C．M分子有可能是HCl

D．该反应是加成反应

答案　C

解析　在反应中，G分子中的共价键断裂，故A错误；E分子中两种元素的原子之间形成的共价键是极性共价键，故B错误；根据上述分析，M可能是HCl，故C正确；此反应是取代反应，故D错误。

11．下列不能用相似相溶规律解释的是(　　)

A．二氧化硫易溶于水

B．用CCl4萃取碘水中的碘

C．氯气易溶于NaOH溶液

D．苯与水混合静置后分层

答案　C

解析　二氧化硫和水都是极性分子，所以二氧化硫易溶于水，除此之外，二氧化硫易溶于水还与SO2能和H2O反应有关，A项能用相似相溶规律解释；CCl4和碘都是非极性分子，所以碘在CCl4中溶解度大于在水中的溶解度，用CCl4萃取碘水中的碘就是利用I2易溶于CCl4而微溶于水的性质进行物质的分离的，B项能用相似相溶规律解释；Cl2易溶于NaOH溶液是因为发生反应Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O，C项不能用相似相溶规律解释；苯是非极性分子，密度比水小，水是极性分子，所以苯难溶于水，且静置后能够分层，D项能用相似相溶规律解释。

12．研究表明：H2O2具有立体结构，两个氢原子像在一本半展开的书的两页纸上，两页纸面的夹角为94°，氧原子在书的夹缝上，O—H键与O—O键之间的夹角为97°。下列说法错误的是(　　)

A．H2O2分子中既含极性键，又含非极性键

B．H2O2为非极性分子

C．H2O2分子中的两个O原子均是sp3杂化

D．H2O2分子中既有σ键，又有π键

答案　BD

解析　H2O2分子中存在2个O—H极性键和1个O—O非极性键，A正确；根据H2O2的结构可知，H2O2分子中正、负电荷重心不重合，H2O2为极性分子，B错误；H2O2分子中两个O原子都分别形成1个O—H σ键和1个O—O σ键，O原子上还有两对孤电子对，两个O原子均为sp3杂化，C正确；H2O2分子中只有单键，故只有σ键，没有π键，D错误。

三、非选择题(本题共3小题)

13．在HF、H2O、NH3、CS2、CH4、H2O2、N2分子中：(用所选物质的化学式填空)

(1)以非极性键结合的非极性分子是________。

(2)以极性键结合，具有直线形结构的非极性分子是________。

(3)以极性键结合，具有正四面体结构的非极性分子是________。

(4)以极性键结合，具有三角锥形结构的极性分子是________。

(5)以极性键结合，具有角形结构的极性分子是________。

(6)以极性键结合，且分子极性最大的是________。

(7)与N2O互为等电子体的是________。

(8)含有非极性键的极性分子是________。

答案　(1)N2　(2)CS2　(3)CH4　(4)NH3

(5)H2O　(6)HF　(7)CS2　(8)H2O2

解析　HF中含有H—F极性键，正、负电荷重心不重合，属于极性分子；H2O中含有极性键，其空间结构为角形，属于极性分子；NH3中含有极性键，空间结构为三角锥形，正、负电荷重心不重合，属于极性分子；CS2含有极性键，空间结构为直线形，属于非极性分子；CH4中含有极性键，空间结构为正四面体形，正、负电荷重心重合，属于非极性分子；H2O2含有极性键和非极性键，正、负电荷重心不重合，为极性分子；N2中只含有非极性键，属于非极性分子。

14．已知A、B、C三种分子所含原子的数目依次为1、3、6，且分子中均含有18个电子，B、C是由两种元素组成的，且分子中两种元素原子的个数比均为1∶2。请回答下列问题。

(1)A的分子式是________，写出A原子的价电子排布式：________。

(2)B分子的中心原子的杂化类型是________，分子的空间结构是________，该分子属于________(填“极性”或“非极性”)分子。

(3)C的化学式是________，分子中含有的化学键类型是______________。

答案　(1)Ar　3s23p6　(2)sp3　角形　极性

(3)N2H4　极性键、非极性键

解析　已知A、B、C三种分子所含原子的数目依次为1、3、6，且都含有18个电子，B、C是由两种元素组成的，且分子中两种元素原子的个数比均为1∶2，则A为氩气，B为硫化氢，C为N2H4。

(1)A为氩气，分子式为Ar，价层电子排布式为3s23p6。

(2)B为硫化氢，H2S与H2O互为等电子体，故H2S的中心原子采取sp3杂化，分子空间结构为角形，分子正、负电荷重心不重合，属于极性分子。

(3)C为N2H4，分子中含有氮氮原子之间的非极性键、氮氢原子之间的极性键。

15．在极性分子中，正电荷重心与负电荷重心间的距离称为偶极长，通常用r表示。极性分子的极性强弱与偶极长和电荷量(q)有关，一般用偶极矩(μ)来衡量。分子的偶极矩是偶极长和电荷量的乘积，即μ＝rq。在非极性分子中，其正、负电荷重心重合，故μ为0。试回答下列问题：

(1)HCl、CS2、H2S、SO2四种分子中μ＝0的有________。

(2)实验测得：μ(PF3)＝1.03、μ(BCl3)＝0。

①由此可知，PF3分子的空间结构为____________；

②BCl3分子的空间结构为____________，中心原子的杂化方式为____________。

(3)治癌药物Pt(NH3)2Cl2具有平面四边形结构，Pt处在四边形中心，NH3和Cl分别处在四边形的4个顶点。已知该化合物有两种同分异构体，棕黄色化合物的μ>0，淡黄色化合物的μ＝0。试写出两种同分异构体的结构简式：____________(棕黄色)、____________(淡黄色)，在水中溶解度较大的是____________。

答案　(1)CS2　(2)①三角锥形　②平面正三角形　sp2杂化　(3) 　　

解析　(1)HCl是由极性键形成的双原子极性分子；根据价电子对互斥理论可知，CS2是直线形分子，正、负电荷重心重合，为非极性分子，其偶极矩为0；H2S、SO2都是角形结构，是极性分子，其μ>0。

(2)①μ(PF3)＝1.03说明PF3是极性分子，则PF3是三角锥形结构。②μ(BCl3)＝0说明BCl3是非极性分子，其正、负电荷重心重合，应是平面正三角形结构；中心原子B与3个Cl原子形成3个共价键(没有孤电子对)，即B原子的杂化方式是sp2杂化。

(3)根据题意，Pt(NH3)2Cl2具有平面四边形结构，若μ＝0，则为非极性分子，NH3和Cl分别对称分布在四边形的4个顶点上，即正、负电荷重心重合，故淡黄色化合物是；若μ>0，则为极性分子，NH3和Cl在四边形的4个顶点上的分布是不对称的，即正、负电荷重心不重合，故棕黄色化合物是。根据相似相溶规律，水是极性分子，因此属于极性分子的溶质易溶解在水中，即在水中溶解度较大的是棕黄色化合物，其结构简式为。