2023年高考中有關共價鍵極性的試題探析

倪建娥

(江蘇省常熟市教育局教學研究室,江蘇 常熟 215500)

共價鍵的極性在《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》中有明確的要求.在“物質結構和性質”模塊中的學業要求是“能利用電負性判斷共價鍵的極性,能根據分子結構特點和鍵的極性來判斷分子的極性”;在“有機化學基礎”模塊中的內容要求是“認識有機化合物分子中共價鍵的類型、極性及其與有機反應的關系,知道有機化合物分子中基團之間的相互影響會導致鍵的極性發生改變”[1].本文結合新版課標要求及人教版、蘇教版兩版教材對2023年各地高考卷中涉及共價鍵極性的部分試題,進行分類探析.

1 判斷共價鍵的極性

共價鍵的極性是由成鍵原子吸引電子能力不同所造成的.蘇教版教材選擇性必修2“物質結構和性質”模塊中對非極性共價鍵和極性共價鍵的描述是:當原子間形成共價鍵時,若兩個成鍵原子吸引電子的能力相同,共用電子對不發生偏移,這樣的共價鍵叫做非極性共價鍵;若兩個成鍵原子吸引電子的能力不同,共用電子對發生偏移,這樣的共價鍵叫做極性共價鍵[2].

在教學中,通常會總結這樣的規律:同種元素原子間形成的共價鍵是非極性鍵,不同種元素原子間形成的共價鍵是極性鍵.事實上,同種元素原子吸引電子的能力不一定相同,這與原子在分子中所處的化學環境有關.同種元素原子間形成極性共價鍵的情況在有機化學中普遍存在,例如CH3COOH中的C—C鍵就是極性共價鍵.所以需要嚴謹地對待平時教學中的經驗規律,或在使用時加上某些限定條件.

例1 (2023年江蘇卷5節選)下列說法正確的是( ).

C．H2O2分子中的化學鍵均為極性共價鍵

解析H2O2分子的結構式為H—O—O—H,由于H和O原子吸引電子的能力不同,分子中的兩個O—H鍵為極性共價鍵;由于兩個氧原子所處的化學環境相同,吸引電子的能力相同,分子中的O—O鍵為非極性共價鍵,所以H2O2分子中既有非極性共價鍵又有極性共價鍵.此題C選項不正確.

2 利用元素電負性判斷共價鍵極性的強弱

在極性共價鍵中,成鍵原子吸引電子能力有差別,共用電子對的偏移程度不同,共價鍵的極性強弱就不同.通常根據元素電負性差值的大小,判斷共價鍵極性的強弱.兩種成鍵元素間的電負性差值越大,共價鍵極性就越強.共價鍵極性的強弱對物質的化學性質有重要的影響.

例2 (2023年北京卷10節選)下列事實不能通過比較氟元素和氯元素的電負性進行解釋的是( ).

B. 三氟乙酸的Ka大于三氯乙酸的Ka

解析氟的電負性大于氯的電負性,氟和碳的電負性差值大于氯和碳的電負性差值,所以F—C鍵的極性大于Cl-C鍵的極性,使F3C-的極性大于Cl3C-的極性,導致三氟乙酸羧基中羥基的極性更大,更容易電離出氫離子[3],酸性更強,所以三氟乙酸的Ka大于三氯乙酸的Ka.此題,B選項能通過比較氟元素和氯元素的電負性進行解釋,不符合題意.

例3 (2023年湖北卷16節選)導致SiCl4比CCl4易水解的因素有____.

a．Si—Cl鍵極性更大 b．Si的原子半徑更大

解析a選項:硅的電負性小于碳的電負性,硅和氯的電負性差值大于碳和氯的電負性差值,所以Si—Cl鍵的極性大于C—Cl鍵的極性, Si—Cl鍵更易斷裂,SiCl4比CCl4更易水解.b選項:Si的原子半徑比C的原子半徑大,吸引電子能力弱,所以SiCl4中的共用電子對更偏向于Cl,導致Si—Cl鍵極性更大, Si—Cl鍵更易斷裂,因此SiCl4比CCl4易水解.此題a、b選項均符合題意.

3 有機化合物分子中基團之間的相互影響導致共價鍵極性的改變

有機物中某些基團之間的相互影響,可以從化學鍵的角度去解釋,其會導致共價鍵極性的改變,從化學鍵極性變化的角度解釋和理解有機化合物分子中基團之間的影響,有助于拓展學習的視野和深度.

解析羰基為強吸電子基團,使相鄰碳原子上的電子偏向羰基上的碳原子,使得相鄰碳原子上的C-H鍵極性增強,易斷裂.

例5 (2023年江蘇卷15節選)化合物I是鞘氨醇激酶抑制劑,其合成路線如圖1所示.

圖1 合成路線

化合物A的酸性比環己醇的____(填“強”或“弱”或“無差別”).

解析化合物A中,羥基直接與苯環相連,羥基中氧原子p軌道上有孤電子對,氧的p電子云與苯環的大π鍵電子云從側面重疊,形成p-π共軛體系,氧原子上的p電子云分散到整個共軛體系中,使氧原子上的p電子云向苯環轉移,導致氧原子和氫原子間的電子云向氧原子方向轉移,即O-H鍵極性增大,容易離解出H+.在環己醇分子中,環己基與苯基相比,有推斥電子的作用,使O-H鍵的電子云少偏向氧原子一點,所以O-H鍵極性較化合物A中酚羥基O-H鍵極性小.因此化合物A的酸性比環己醇的酸性強.

4 形成新的化學鍵后引起共價鍵極性的變化

分子或離子中化學鍵的極性,可能會在發生化學反應后引起改變,從而造成化學性質的變化.

例6 (2023年浙江卷6月17節選)給出H+的能力:NH3____[CuNH3]2+(填“>”或“<”),理由是____.

解析[CuNH3]2+中Cu2+和NH3形成配位鍵后,由于Cu2+對電子的吸引,電子云偏向Cu2+,使NH3中的N-H鍵極性變強,更易斷裂,因此給出H+的能力:NH3<[CuNH3]2+.

例7 (2023年湖南卷14節選) N2H4是一種強還原性的高能物質,在航天、能源等領域有廣泛應用.我國科學家合成的某Ru(Ⅱ)催化劑(用[L-Ru-NH3]+表示)能高效電催化氧化NH3合成 N2H4,其反應機理如圖2所示.下列說法錯誤的是( ).

圖2 反應機理

A. Ru(Ⅱ)被氧化至Ru(Ⅲ)后,配體NH3失去質子能力增強

解析根據圖2[L-Ru-NH3]+→[L-Ru-NH3]2+的過程失去電子,即為Ru(Ⅱ)被氧化至Ru(Ⅲ)的過程.[L-Ru-NH3]2+中的Ru(Ⅲ)帶有更多的正電荷,吸引電子的能力比Ru(Ⅱ)強,電子云偏向Ru(Ⅲ)更多,使配體NH3中的N-H鍵極性變強,更易斷裂,因此失去質子(H+)的能力增強.此題A選項正確,不符合題意.

5 根據鍵的極性和分子結構特點判斷分子的極性

對于分子極性的判斷,蘇教版教材主要是從分子的正電荷重心和負電荷重心是否重合的角度來研究;人教版教材側重從分子中化學鍵極性的向量和是否等于零角度來研究.無論是哪個角度,都需要結合共價鍵的極性和分子的空間結構來確定.

D．H2O為非極性分子

解析水分子中含有兩個O—H極性共價鍵,根據價層電子對互斥模型,水分子的空間結構呈V型,分子的正電荷重心和負電荷重心不重合或者是分子中化學鍵極性的向量和不等于零,H2O為極性分子.此題D選項不正確,不符合題意.

例9 (2023年北京卷10節選)下列事實不能通過比較氟元素和氯元素的電負性進行解釋的是( ).

C. 氟化氫分子的極性強于氯化氫分子的極性

解析雙原子分子的極性取決于成鍵原子之間的共價鍵是否有極性,分子極性的強弱取決于共價鍵極性的強弱.氟的電負性大于氯的電負性,氟和氫的電負性差值大于氯和氫的電負性差值,F-H鍵的極性大于Cl-H鍵的極性,所以HF分子的極性強于HCl分子的極性.此題,C選項能通過比較氟元素和氯元素的電負性進行解釋,不符合題意.