师：同学们大家好，今天我们一起来复习物质结构与性质专题。首先，我们来看一段视频。

　　（播放视频）

　　师：科技发展让环境问题加剧，全球变暖尤为突出。全球变暖致使冰川融化、海平面上升。近期，美国科学家在《美国国家科学院学报》发表报道，自2019年起，南极洲每年冰川融化量达2520亿吨。而1979 - 2017年，南极洲每年冰川容量仅400亿吨，从400亿到2500多亿，增长超6倍。若全球变暖得不到抑制，情况恐更严峻。且当前形势未见好转，曾被认为稳定的东南极洲也在融化，人类和地球都面临危险，所以发展科技的同时不能忽视环境治理。

　　视频中我们看到，全球气候变暖导致冰川融化和海平面上升，且趋势在加速，令人担忧。我们知道，冰由水分子组成，水是地球表面最多的分子，没有水就没有生命。除气态存在于大气，其液态和固态形式占据地面近3/4。水在固、液、气之间存在动态平衡，这节课我们有必要重新思考水。接下来，请同学们看这些有关水的问题。第一，水为什么常温下是液体？第二，多数物质固态时密度比液态高，为什么冰却浮在水面上？第三，水为什么是重要溶剂？第四，纯水中只有一种微粒吗？

　　我们先看第一个问题：水为什么常温下是液体？这要从水的分子结构思考。水分子由氢、氧两种原子构成，氢氧原子个数比为2 : 1，氢显 + 1价，氧显 - 2价。为什么呢？我们来看氢氧原子的核外电子排布。这是氢核外电子的轨道表示式，氧核外有8个电子，这是氧核外电子的轨道表示式。电子为何这样排布？描述核外电子运动状态一般涉及电子层、原子轨道、电子自旋，原子轨道包含电子亚层和伸展方向。排布电子要遵循三大原理：能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则。

　　具体复习一下，能量最低原理，要符合能量构造图，按轨道能量顺序排列电子；泡利不相容原理，每个原子轨道最多容纳两个自旋状态相反的电子；洪特规则，原子核外电子在能量相同轨道排布时，尽可能分占不同原子轨道，且自旋状态相同，这样原子能量较低。对于同一电子亚层，全满、半满、全空时较稳定。电子排布表示方法除轨道表示式，还有常用的电子排布式。接下来，请同学们写出前四周期最外层电子数为1的元素的外围电子排布式。最外层电子数为1，我们想到周期表第一主族，前四周期有氢、锂、钠、钾，氢的价电子排布是1S1，锂是2S1，钠是3S1，钾是4S1。此外，第四周期还有两种元素，铬的外围电子排布为3d?4S1，铜为3d1?4S1。我们看到，它们的电子亚层处于半满和全满，比较稳定。

　　电子排布清楚后，我们看氢氧成键。氢氧中的未成对电子按自旋方向相反形成共用电子对，一个氧需两个氢，所以水分子分子式为H?O。氢元素显 + 1价，氧元素显 - 2价，原因是氧的非金属性比氢强，使共用电子对强烈偏向氧。非金属性属于元素性质，此外还有金属性、电负性、第一电离能、原子半径、化合价（主要针对主族元素最高正价和最低负价）。元素性质随核外电子排布呈周期性变化，我们重点看电负性和第一电离能。电负性在周期表中从左往右越来越大，从上到下越来越小；第一电离能从左往右依次增大，从上到下依次减小，但也有反常。比如第一电离能，第二主族、第五主族和零族元素，因处于半满、全满，失去一个电子需更高能量，所以第一电离能比相邻元素大。接下来，请同学排序。

　　假设同层设为m = 2，a可看作碳元素，b可看作氮元素，c可看作氧元素。电负性从左往右依次增大，所以氧的电负性大于氮，氮大于碳，用字母表示为c > b > a。第一电离能，氮元素是第五主族元素，处于半满，第一电离能比相邻元素大，所以c和b位置互换，最终顺序为b > c > a。

　　水的结构式一般写成直线型，但水的构型究竟怎样？分子有极性吗？根据价键理论，氢氧成键时，氧的2p上未成对电子和氢的1s电子头碰头形成σ键。我们知道2p上三个轨道相互垂直，那两根氧氢键键角是否也应为90度？但实际键角为104.5度，为什么呢？按照杂化理论，能量相近的2s和2p上三个轨道杂化形成4个相同的sp3杂化轨道。我们也可按价层电子对互斥理论计算，水分子中，中心原子氧最外层6个电子，每个氢提供一个电子，电子总数为8个，价电子对数再除以2为4对，n = 4，所以可推出是sp3杂化。

　　sp3杂化应呈正四面体构型，夹角应为109度28分。但其中两个sp3杂化轨道被孤电子对占据，另外两个sp3杂化轨道占据两对成键电子对，孤电子对电子云密度比成键电子对大，造成强烈排斥，使两根氧氢键受到压缩，键角小于109度28分，为104.5度。整个分子构型呈V型。负电荷中心在氧上，正电荷中心在两个氢连线的中心处，正负电荷中心不重合，所以水分子是极性分子。

　　还有个普遍规律叫等电子原理，相同价电子数或电子总数，且原子数相同，具有相同结构，这些分子和离子互称等电子体。与水分子互为等电子体的微粒有哪些？可采用上下、左右移动方法。上下移动，氧换成硫，可写成硫化氢分子；左右移动，氧用氟替换，多一个电子就少掉一个电子，写成阳离子形式；往左移，氧换成氮，少一个电子就给它一个电子，整个分子带一个单位负电荷。这些分子空间构型都和水一样，呈V形。

　　我们看甲醛分子，这是甲醛的结构式。甲醛中，单键碳呈sp3杂化，双键碳呈sp2杂化，三键碳为sp杂化。这里是碳氧双键，碳应为sp2杂化，空间构型是平面三角形。碳氧双键中一根是π键，一根是σ键，单键都是σ键，所以1摩尔甲醛分子中含有的σ键数目为3摩尔。

　　我们来看一张沸点周期图，这是第六主族元素对应的氢化物，它们属于等电子体，组成结构相似。有个规律，组成结构相似时，随分子量递增，分子间范德华力依次递增，熔沸点依次增大。按此道理，硫化氢是气体，水更应是气体，但这里出现反常。

　　水的沸点为100摄氏度，常温是液体，为什么？因为水中有氧，氧电负性很强，使氧氢之间共用电子对被氧强烈吸引，氢几乎裸露成氢离子，这个氢离子再吸引另一个水分子中的氧，形成氢键。我们通常这样表示，氢键属于分子间作用力，但比范德华力强得多，破坏它需更高能量，所以水沸点更高。

　　再看这张图，第七主族、第五主族和第四主族氢化物中，氟化氢和氨气沸点也反常，和水同理，分子间形成了氢键。所以一般氮、氧、氟元素会形成氢键，即与氮、氧、氟相连的氢和另外的氮、氧、氟可形成氢键。这是一张氨气的喷泉实验图，说明氨气极易溶于水。

　　氨气和硫化氢组成结构相似，都是极性分子，从相似相溶角度看，溶解度应差距不大，但磷化氢微溶于水，为什么？还是因为氢键。氨分子和水分子能形成氢键，氨气溶于水时，大部分氨与水以氢键结合形成一水合氨分子。接下来，请同学根据氨水性质推知一水合氨分子的结构式并书写。

　　水中与氧相连的氢可跟氨分子中的氮形成氢键，氨分子中与氮相连的氢可与水分子中的氧形成氢键，所以可能写出这两种结构式。究竟哪种对呢？我们知道氨水呈碱性，少部分一水合氨在水溶液中能电离生成铵根离子和氢氧根离子。若按第一种结构式，电离为铵根离子和氢氧根离子，因为此时氮上孤对电子把氢夺过来形成一根配位键，所以电离为铵根离子和氢氧根离子；同理，第二种结构式应电离成氨基负离子和水合氢离子。显然第一种结构式更符合一水合氨结构。