师:今天我们学习分子结构与物质的性质第三课时,目标是能用分子、极性、氢键等知识解释物质的溶解性,判断手性碳并认识手性分子。通过前两课时学习,大家对极性、氢键知识应有大致了解,今天我们进一步用前面的理论解释物质的溶解性。
先看物质在水中溶解度的差异,卤素单质溶解度较小,而卤素对应的氢化物在水中溶解度非常大。从极性角度看,卤素的氢化物是极性分子,卤素单质属于非极性分子,溶剂水是极性分子。由此可总结出经验规律:极性分子一般易溶于极性溶剂,非极性分子一般易溶于非极性溶剂,这个规律叫相似相溶。
高一学过四氯化碳可在溴水中萃取溴单质,四氯化碳是常见的非极性溶剂,所以溴单质在四氯化碳中溶解度非常大。书本提供了碘的溶解性实验,大家可通过这个实验验证相似相溶原理,我们先来观看实验视频。
(碘单质在不同容器中溶解性实验视频描述……)
在视频中,我们发现碘在水中溶解度小,0.034克碘水呈黄色。加入四氯化碳这个非极性溶剂后,碘从水中转移到四氯化碳中,溶解度是水中的85倍,颜色变成紫红色。继续加入氢离子,发生化学反应,碘单质和氢离子化合形成碘三负离子,四氯化碳重新褪色,碘三负离子是无色离子。大家思考一下,为什么加入碘离子后四氯化碳褪色了,碘去哪了呢?碘单质是非极性分子,极易溶于非极性的四氯化碳中,而碘三负离子是离子化合物,一般认为离子极性非常大,它从有机溶剂中重新回到了水溶液中,这就是四氯化碳褪色的原因,也就是相似相溶。
前面学习知道臭氧是极性分子,大家按暂停键阅读书本资料卡片中关于臭氧的介绍。臭氧分子空间结构与水分子相似,其分子极性仅是水分子的28%,臭氧分子中的共价键是极性键,中间氧原子呈正电性,端基的两个氧原子呈负电性。由于臭氧极性微弱,它在四氯化碳中的溶解度高于在水中的溶解度。再看一个数据,臭氧在水中的溶解度是氧气的10倍左右,这恰恰说明臭氧的弱极性作用。
为检验大家学习成果,请同学们翻到教材62页,按下暂停键,完成教材第5题。
下列现象中,不能用相似相溶解释的是:
A选项,氯化氢是极性分子,溶于极性溶剂水中,A选项正确。
B选项,氯气易溶于氢氧化钠,原因是氯气可以和氢氧化钠反应,生成氯化钠和次氯酸钠。
C选项,碘单质和四氯化碳都是非极性分子。
D选项,同学们觉得酒精,也就是乙醇,它是极性分子还是非极性分子呢?我们知道乙醇和水以无限比例互溶,这个现象背后隐藏怎样的化学原理?稍后我们会进行解释。这道题答案是B。
接下来同学们按下暂停键,完成教材63页第8题中的(1)(2),思考下列现象背后的原因。乙醇与水互溶,而乙氧基醇在水中的溶解度却很小,这源于什么呢?同样是三角锥形的氢化物,氨气在水中极易溶解,并且很容易液化,常用作冷库中的制冷剂,而同主族的氢化氢却没有这样的性质。通过这两道题,我们发现除了相似相溶以外,影响物质溶解性的因素还有我们需要进一步学习和认识的地方。
相似相溶在有机中的应用也十分广泛。我们看到甲醇、乙醇、丙醇都能以无限比例与水互溶,为什么到了丁醇、戊醇随着碳增多溶解度反而下降了呢?其实这个地方也可用相似相溶解释。醇类物质一般由烃基和羟基组成,当烃基含碳量较低时,羟基数决定这个有机物水溶性非常好。水可看作是由氢和羟基数组成的物质,它们都有强极性,这也是一种相似性,所以它们与水可以无限比例互溶。但是随着碳数增多,烃基属于疏水基团,碳越多跟水越不相似,因此高级醇反而难溶于水。在这里我们可以适当总结一下,溶解性的一个影响因素就是分子的极性以及物质的结构,而这背后还有一个非常重要的机制在起作用,那就是氢键。
还记得氢键的形成吗?当一个分子含有氮、氧、氟三个元素时,这三个元素电负性比较大,那么与氮、氧、氟直接相连的氢就能和另一个分子中的氮、氧、氟形成静电作用力,也就是氢键。
如果有两个结构相似的极性分子,但是氨气的溶解度会比磷化氢更大,这是为什么呢?因为氨气可以跟水形成氢键,而氯化氢的氢电负性较小,无法与水形成氢键,因此氢键会极大地提高物质在水中的溶解性。
同学们翻到书本上关于气体溶解度的表格,先点暂停按钮,找出表格中反映出影响物质溶解性的因素,并用我们刚才学习的原理去解释这些现象。我们先看氨气,它的溶解度比较大,高一我们学过用右边这个装置进行氨气的尾气处理,能起到防倒吸作用,因为氨气极易溶于水,在尾气处理中加入四氯化碳可防止它与水直接接触而导致倒吸。这里面氨气是极性分子,四氯化碳是非极性溶剂,不相似则不相溶。但是氨气相比其他分子,却极易溶于水,除了极性以外,还有其他可能的原因吗?氨气可以跟水发生反应。同样道理,二氧化碳虽然也是非极性分子,但由于它可以跟水形成碳酸,也有一定的溶解度。但相比之下,像甲烷、氮气、氧气,它们既不能与水反应,同时又是非极性分子,因此溶解度非常低。
