对《物质结构与性质》模块教学中疑难问题的解答，本文主要内容关键词为：疑难问题论文,模块论文,物质论文,性质论文,结构论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
2013年12月，三明市严业安名师工作室成员以《物质结构与性质》为载体，对相似相溶原理、氢键等基本概念与知识进行专题研讨。我们查阅有关参考文献并结合自己的理解，将一些不甚成熟的解答整理如下，供广大中学化学教师在平时备课、研讨时参考。 问题1：什么是“相似相溶原理”？ 解答：“相似相溶原理”是一个关于物质溶解性的经验规律，其内涵是“结构相似的化合物容易互相混溶，结构相差很大的化合物不易互溶”。其中“结构”二字主要有两层含义：一是指物质结合在一起所依靠的化学键类型，对于由分子结合成的物质，主要指分子间结合力类型；二是指分子或离子、原子的相对大小以及离子的电价。 水是应用最广的极性溶剂，汽油、煤油等是典型的非极性溶剂，通称为油。溶质分子在水中和油中的溶解性质，可用“相似相溶原理”来解释。水分子之间有较强的氢键生成，水分子既可为生成氢键提供H原子，又有孤对电子能接受其他分子的H原子。氢键是水分子间的主要结合力，油分子不具极性，分子间依靠较弱的范德华力结合。对于溶质分子，凡能为生成氢键提供H或接受H者，均和水“结构相似”，如
等，均可通过氢键与水结合，在水中溶解度较大；而不具极性的碳氢化合物，不能和水生成氢键，在水中溶解度很小。需注意的是，在同一类型溶质分子中，R基团的结构与大小对物质在水中的溶解度也有影响。如ROH，随R基团的增大，非极性基团在分子中所占比重越来越大，与水（极性分子）结构差异增大，所以在水中的溶解度也逐渐下降。 问题2：如何从热力学角度分析“相似相溶原理”？ 解答：溶质A能否溶解于溶质B，与下述过程中的自由能变化（△G）有关： A-A-A…+B-B-B…→A-B-A-B-A-B… 式中A-A、B-B和A-B之间短线分别代表溶质与溶质、溶剂与溶剂、溶质与溶剂的微粒间作用力，它们之间可能是共价键、离子键、金属键、分子间作用力（取向力、诱导力、色散力和氢键等）。如果上述过程△G＜0，溶解易于进行；△G＞0，溶解难以进行。根据公式△G=△H-T△S可知，△G是由焓变项△H和熵变项T△S共同决定的。就溶解过程熵变来说，除少数由电荷高、半径小的离子所形成的化合物，因溶解后离子强烈水合作用（水分子在离子周围有序排列）可引起熵值△S减小外，多数化合物（特别是共价化合物）相互溶解后，体系混乱度增大，熵值增加（△S＞0）。因此，只要△H项不是很大的正值，不超过T△S项，溶解就易于进行。 溶解过程的△H来自溶解前A-A、B-B与溶解后A-B间的作用力的改变，如果溶解前后微粒间作用力差别不大，溶解过程的△H就较小。如果溶质和溶剂相似，溶质与溶剂微粒间作用力、溶质微粒间作用力、溶剂微粒间作用力均相似，溶解过程中微粒间作用能的变化（△H）较小，就容易互溶。如果溶质和溶剂差异很大，溶质与溶剂微粒间、溶质微粒间、溶剂微粒间的相互作用力均不相同，溶解过程的△H变成很大的正值，超过T△S项，溶解就难以进行了。例如水和苯，当苯分子进入水内，会破坏原来水内部分子间较强的氢键和取向力，同时也破坏原来苯分子间的较强的色散力，而代之以水和苯分子间的诱导力，这种诱导力在分子间作用力中占的比重较小，故△H变成较大的正值，超过T△S项，△G＞0，使溶解不能进行，所以水和苯不易互溶。 问题3：“相似相溶原理”在工业生产和实际生活中有哪些用途？ 解答：“相似相溶原理”是从大量事实总结出来的一条规律，在化工、科研和日常生活中有着广泛的应用。
（2）推断物质的极性大小。已知某些物质在某些溶剂中的溶解性大小，根据“相似相溶原理”可反推物质的极性大小。 （3）选择溶剂。已知某些物质的结构，根据“相似相溶原理”可选择结构相似的溶剂来溶解这些物质。如，溶解钾、钠、铝等金属可选用汞做溶剂，溶解油漆可选用汽油、煤油做溶剂。已知某些物质的结构和它们在某种溶剂中的溶解度，根据“相似相溶原理”可改换溶剂，从而改变这些物质的溶解性。例如NaCl易溶于水，在水中不能制成胶体，可改换溶剂，将溶剂换成乙醇、苯等则可制成胶体；丁烷难溶于水，不能做水的喷泉实验，可改换溶剂，将溶剂换成汽油、苯等则可做喷泉实验。 （4）解释一些现象。根据“相似相溶原理”，可解释许多与溶解有关的现象。如，手上沾有的黑色油墨，用肥皂洗不如用洗衣粉洗效果好。原因是：黑色油墨的主要成分通常是苯胺黑，具有苯环结构；通常使用的洗衣粉中的主要成分是烷基磺酸钠，也具有苯环结构；肥皂的主要成分是高级脂肪酸钠，不含苯环结构。黑色油墨和洗衣粉的分子结构更相似，故用洗衣粉效果好。 （5）指导科研、生产和生活。通过改变溶剂来改变反应进行的方向，可制得不同的物质。例如卤代烃，在碱性水溶液中发生取代反应，生成醇类物质，在碱性醇溶液中则发生消去反应，生成不饱和烃；实验完毕试管内壁上附有的硫，不能用水洗法除去，但可用
溶解除去；日常生活中，橡胶制品应避免与油类物质接触，以免遇油发生溶胀而损坏。 问题4：氢键的形成对物质性质有哪些影响？ 解答：氢键通常是物质在液态时形成的，但形成后也能继续存在于某些晶态甚至气态物质中，氢键的形成对物质性质的影响主要有几点。 （1）对物质熔沸点的影响。分子间能形成氢键的物质，一般都具有较高的熔点和沸点，这是因为固体熔化或液体气化时除了破坏范德华力外，还必须破坏分子间氢键，从而需要消耗更多的能量。在同类化合物中能形成分子间氢键的物质，其熔沸点比不能形成分子间氢键的高。如，第ⅥA族元素的氢化物，由
，随相对分子量的递减，分子间作用力递减，熔沸点依次降低；但
分子间形成了O-H…O氢键，分子间作用力增强，
的熔沸点陡然升高。 分子内氢键的形成使物质的熔沸点降低。如，邻、间、对硝基苯酚的熔点分别为45℃、96℃、114℃，这是由于间位、对位硝基苯酚中存在分子间氢键，熔化时必须破坏其中的一部分氢键，熔点较高；而邻硝基苯酚中形成分子内氢键，不形成分子间氢键，故熔点较低。 （2）对物质溶解性的影响。如果溶质分子与溶剂分子之间形成氢键，则溶质的溶解度会骤增。如，氨在水中的溶解度大于其他气体，在20℃时，1体积水吸收700体积的氨。氨在水中的溶解度特别大，是由于水分子和氨分子通过氢键互相结合形成氨的水合物；乙醇、乙二醇、丙三醇等可与水以任意比混溶，皆源于此。 如果溶质分子形成分子内氢键，则在极性溶剂中的溶解度减小，在非极性溶剂中的溶解度增大。 （3）对有机化合物酸性的影响。以羧酸为例，影响羧酸酸性的因素很多，任何能使羧酸负离子比羧酸更加稳定的因素都使羧酸酸性增大；反之，使羧酸酸性减弱。氢键使羧酸根负离子更稳定，使得羧酸的酸性增强。在质子溶剂中，如果羧酸根负离子能被溶剂通过氢键稳定，将同样能观察到其酸性增强的现象。例如乙酸在不同溶剂中的
如表1所示。
分子内氢键的形成同样会影响羧酸的酸性强弱。最典型的例子是邻羟基苯甲酸的酸性，由于它的羧酸根负离子可与邻位羟基生成氢键，使负离子稳定性大大提高，因而酸性比对羟基苯甲酸的酸性（
=4.57）强很多。 （4）对物质粘度和表面张力的影响。当分子间形成氢键时，分子间作用力增大，流动性减小，粘度增大。一般情况是能形成分子间氢键的物质比不能形成分子间氢键的物质的粘度大。醇和羧酸能形成分子间氢键，而烷烃、酮和酯等则不能，因此醇和羧酸的粘度比分子量相同的烷烃、酮和酯大。甘油、磷酸、浓硫酸等多羟基化合物，由于分子间可形成众多的氢键，这些物质通常为粘稠状液体。 分子内氢键对化合物粘度的影响与分子间氢键不同。存在分子内氢键的化合物相对于存在分子间氢键的化合物，其分子间作用力小，分子流动性变大，粘度变小。如，邻羟基苯甲醛的粘度比对位异构体小；在硝基苯酚的异构体中，邻位异构体的粘度小。 水的表面张力很大，其根源也在于水分子间的氢键。物质表面能的大小和分子间作用力大小有关，因为表面分子受到液体内部分子的吸引力，向液体内部挤压，能量较高，有使表面自动缩小的趋势，见表2。
表中所列液态物质中，水的表面能最高，因为水分子之间有强的氢键作用。若加表面活性剂破坏表面层的氢键体系就可降低表面能，这在工业生产中有着重要的意义。 （5）影响物质的密度。物质的分子间作用力越大，分子排列越紧密，密度越大。直链烷烃分子随着碳原子数增多，分子间作用力增大，密度变大。分子间氢键对化合物的密度同样也产生影响。如，醇能形成分子间氢键，低碳醇的密度比分子量相近的烷烃高；随着分子量的增加，烃基部分所占比例增加，阻碍了分子间氢键的形成，高碳醇密度与分子量相近的烷烃的差值逐渐减小。二元醇分子中含有两个羟基，它们形成氢键的能力更强。乙二醇的密度是1.113g·
，比同碳数乙醇密度（0.789g·
高，比分子量相近的丙醇密度（0.804g·
也高。羧酸能形成强的氢键，羧酸的密度比相应的烷烃和醚高，比相应的醇也高。
（6）氢键在生命物质中的作用。生命物质由蛋白质、核酸、糖类、脂类等有机物以及水和无机盐组成，这些物质结合在一起具有生命的特性，氢键在其中起关键的作用。蛋白质是由一定序列的氨基酸缩合形成的多肽链分子，它富含形成氢键结合的能力。在多肽主链中的N-H作为质子给体，C=O作为质子受体，互相形成C=O…H-N氢键，决定了蛋白质的二级结构。脱氧核糖核酸（DNA）分子中，两条多核苷酸链靠碱基（C=O…H-N和C=N…H-N）之间形成氢键配对而相连，即腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对形成2个氢键，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对形成3个氢键，它们盘曲成双螺旋结构的各圈之间也是靠氢键维系而增强其稳定性。一旦氢键被破坏，分子的空间结构发生改变，生物生理功能就会丧失。
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