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第4節(jié) 分子間作用力與物質(zhì)性質(zhì)
[學習目標定位] 1.了解分子間作用力的廣泛存在及對物質(zhì)性質(zhì)的影響。2.了解氫鍵的形成條件、類型和特點。3.列舉含有氫鍵的物質(zhì)，知道氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)的影響。
一、范德華力與物質(zhì)性質(zhì)
1．分析討論，回答下列問題：
(1)液態(tài)苯、汽油等發(fā)生汽化時，為何需要加熱？
答案 液態(tài)苯、汽油等發(fā)生汽化需要吸收能量克服其分子間的相互作用。
(2)降低氯氣的溫度，為什么能使氯氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)或固態(tài)？
答案 降低氯氣的溫度時，氯氣分子的平均動能逐漸減小。當分子靠自身的動能不足以克服分子間相互作用力時，分子就會凝聚在一起，形成液體或固體。
(3)鹵素單質(zhì)F2、Cl2、Br2、I2，按其相對分子質(zhì)量增大的順序，物理性質(zhì)(如顏色、狀態(tài)、熔點、沸點)有何變化規(guī)律？
答案 顏色逐漸加深；由氣態(tài)到液態(tài)、固態(tài)；熔、沸點逐漸升高。
2．根據(jù)上述事實總結范德華力的概念及影響因素
(1)概念：物質(zhì)的分子之間存在一種相互作用力叫分子間作用力，又叫范德華力。
(2)影響因素：一般來說，相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大；分子的極性越大，范德華力越大。
1.范德華力
(1)實質(zhì)：電性作用。
(2)大?。悍兜氯A力的作用能通常比化學鍵的鍵能小得多，化學鍵的鍵能一般為100～600 kJmol－1，而范德華力的作用能一般只有2～20 kJmol－1。
(3)特征：范德華力沒有方向性和飽和性，只要分子周圍空間允許，當氣體分子凝聚時，它總是盡可能多的吸引其他分子。
(4)影響因素：主要包括相對分子質(zhì)量的大小、分子的空間構型以及分子中電荷分布是否均勻等。
2．范德華力對物質(zhì)性質(zhì)的影響
(1)對物質(zhì)熔、沸點的影響
①組成和結構相似的物質(zhì)，相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大，物質(zhì)的熔、沸點就越高。例如熔、沸點：CF4
N2。
③在同分異構體中，一般來說，支鏈數(shù)越多，熔、沸點就越低，如沸點：正戊烷>異戊烷>新戊烷。
(2)對物質(zhì)溶解性的影響
溶質(zhì)分子與溶劑分子之間的范德華力越大，溶解度越大。
例1 下列有關范德華力的敘述正確的是( )
A．范德華力的實質(zhì)是一種電性作用，所以范德華力是一種較弱的化學鍵
B．范德華力與化學鍵的區(qū)別是作用力的強弱不同
C．稀有氣體固態(tài)時原子間不存在范德華力
D．范德華力非常微弱，故破壞范德華力不需要消耗能量
答案 B
解析 范德華力是分子與分子之間的一種相互作用，其實質(zhì)與化學鍵類似，也是一種電性作用，但兩者的區(qū)別是作用力的強弱不同，化學鍵必須是強烈的相互作用(100～600 kJmol－1)，范德華力只有 2～20 kJmol－1，故范德華力不是化學鍵；雖然范德華力非常微弱，但破壞它時也要消耗能量；范德華力普遍存在于分子之間，稀有氣體固態(tài)時存在范德華力。
規(guī)律總結
(1)范德華力是分子之間普遍存在的一種相互作用力，作用微弱，只影響物理性質(zhì)；化學鍵是相鄰的原子之間強烈的相互作用，作用強烈，主要影響化學性質(zhì)。
(2)范德華力的作用能遠小于化學鍵的鍵能，范德華力不屬于化學鍵。
例2 下列敘述與范德華力無關的是( )
A．氣體物質(zhì)加壓或降溫時能凝結或凝固
B．熔、沸點高低：CH3CH3PH3；同分異構體分子間形成氫鍵的物質(zhì)比分子內(nèi)形成氫鍵的物質(zhì)熔、沸點高，如鄰羥基苯甲酸<對羥基苯甲酸。
(2)對物質(zhì)溶解度的影響：溶劑和溶質(zhì)之間形成氫鍵使溶質(zhì)的溶解度增大，如NH3、甲醇、甲酸等易溶于水。
(3)對物質(zhì)密度的影響：氫鍵的存在會使某些物質(zhì)的密度反常，如水的密度比冰的密度大。
(4)氫鍵對物質(zhì)電離性質(zhì)的影響：如鄰苯二甲酸的電離平衡常數(shù)Ka1比對苯二甲酸的電離平衡常數(shù)Ka1小很多。
(1)氫鍵比化學鍵弱，比范德華力強。既可以存在于分子之間又可以存在于分子內(nèi)部。
(2)氫鍵有飽和性、方向性。一般X—H…Y中三原子在同一直線上。如水結冰體積膨脹，是因為冰中所有水分子通過有方向性和飽和性的氫鍵互相聯(lián)結成晶體，而液態(tài)水中只有大部分水分子以氫鍵結合成為(H2O)n。
(3)氫鍵的存在大大增強了分子間作用力，引起物質(zhì)的熔、沸點反常。如H2O、HF、NH3的沸點分別比ⅥA、ⅦA、ⅤA族其他元素的氫化物的沸點高出許多。
例3 下列每組物質(zhì)都能形成分子間氫鍵的是( )
A．HClO4和H2SO4
B．CH3COOH和H2Se
C．C2H5OH和NaOH
D．H2O2和HNO3
答案 A
解析 HClO4和H2SO4可形成分子間氫鍵，A正確；Se的非金屬性較弱，H2Se不能形成分子間氫鍵，B錯誤；NaOH是離子化合物，不能形成分子間氫鍵，C錯誤；HNO3主要形成的是分子內(nèi)氫鍵，D錯誤。
例4 下列物質(zhì)的性質(zhì)可用氫鍵來解釋的是( )
A．HF、HCl、HBr、HI的熱穩(wěn)定性依次減弱
B．F2、Cl2、Br2、I2的熔、沸點依次升高
C．、C2H5—OH中—OH上氫原子的活潑性依次減弱
D．CH3—O—CH3、C2H5OH的沸點依次升高
答案 D
解析 HF、HCl、HBr、HI的熱穩(wěn)定性依次減弱是由于H—X鍵能依次減小；F2、Cl2、Br2、I2的相對分子質(zhì)量依次增大，分子間的范德華力也依次增大，所以其熔、沸點也依次增大；、H—O—H、C2H5—OH中—OH 上氫原子的活潑性依次減弱，與O—H的極性有關；CH3—O—CH3的沸點比C2H5OH的低是由于C2H5OH分子間形成氫鍵而增大了分子間作用力。
方法規(guī)律
比較由分子構成的物質(zhì)熔、沸點大小時，首先應考慮分子間是否存在氫鍵。
化學鍵、范德華力、氫鍵的比較
化學鍵
范德華力
氫鍵
概念
相鄰的兩個或多個原子之間強烈的相互作用
物質(zhì)的分子間存在的微弱相互作用力
是已經(jīng)與電負性很大的原子形成共價鍵的氫原子與另一個分子中電負性很大的原子之間的作用力
大小
鍵能一般在100～600 kJmol－1
一般只有2～20 kJmol－1
一般不超過40 kJmol－1
性質(zhì)
影響
主要影響物質(zhì)的化學性質(zhì)
主要影響物質(zhì)的物理性質(zhì)
主要影響物質(zhì)的物理性質(zhì)
大小
關系
化學鍵>氫鍵>范德華力
1．下列關于范德華力影響物質(zhì)性質(zhì)的敘述中，正確的是( )
A．范德華力是決定由分子構成的物質(zhì)的熔、沸點高低的唯一因素
B．范德華力與物質(zhì)的性質(zhì)沒有必然的聯(lián)系
C．范德華力能夠影響物質(zhì)的化學性質(zhì)和物理性質(zhì)
D．范德華力僅是影響物質(zhì)部分物理性質(zhì)的一種因素
答案 D
解析 范德華力不能影響物質(zhì)的化學性質(zhì)，僅能影響由分子構成的物質(zhì)的部分物理性質(zhì)，如熔、沸點及溶解性，并且不是唯一的影響因素。例如氫鍵也影響物質(zhì)的物理性質(zhì)。
2．下列敘述與范德華力無關的是( )
A．CO2加壓時形成干冰
B．通常狀況下氯化氫為氣體
C．氟、氯、溴、碘單質(zhì)的熔、沸點依次升高
D．氯化鉀的熔點較高
答案 D
3．下列物質(zhì)中不存在氫鍵的是( )
A．冰醋酸中醋酸分子之間
B．液態(tài)氟化氫中氟化氫分子之間
C．NH3H2O中的NH3與H2O分子之間
D．可燃冰(CH48H2O)中甲烷分子與水分子之間
答案 D
解析 只有非金屬性很強的元素與氫元素形成強極性的共價鍵之間才可能形成氫鍵(如N、O、F)。C—H鍵不是強極性共價鍵，CH4與H2O分子間不存在氫鍵。
4．下列現(xiàn)象不能用氫鍵知識解釋的是( )
A．葡萄糖易溶于水 B．在4 ℃時水的密度最大
C．硫酸是一種強酸 D．水通常情況下為液態(tài)
答案 C
解析 葡萄糖易溶于水是因為葡萄糖分子和水分子間可以形成氫鍵，A正確；水通常情況下為液態(tài)，在4 ℃時水的密度最大，是因為水分子之間形成氫鍵，降溫時，水分子間形成的氫鍵數(shù)目增多，水分子排列比較松，使密度減小，B正確；硫酸是一種強酸，在水中能全部電離，與氫鍵無關，C不正確；水分子間形成氫鍵，因此水的熔點較高，所以水通常情況下為液態(tài)。
5．(1)我國科學家最近成功合成了世界上首個五氮陰離子鹽(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl(用R代表)?；卮鹣铝袉栴}：
經(jīng)X射線衍射測得化合物R的晶體結構，其局部結構如圖所示。
圖中虛線代表氫鍵，其表示式為(NH)N—H…Cl、________、________。
(2)在CO2低壓合成甲醇反應(CO2＋3H2===CH3OH＋H2O)所涉及的4種物質(zhì)中，沸點從高到低的順序為______________________，原因是____________________________________
________________________________________________________________________。
答案 (1)(H3O＋)O—H…N(N) (NH)N—H…N(N)
(2)H2O＞CH3OH＞CO2＞H2 H2O與CH3OH均為極性分子，H2O中氫鍵比甲醇多；CO2與H2均為非極性分子，CO2分子量較大、范德華力較大
解析 (1)結合題圖可知，N與H3O＋中的H原子，與NH中的H原子間均存在氫鍵。(2)比較分子晶體的沸點時注意考慮范德華力和氫鍵。
[對點訓練]
題組1 范德華力及其對物質(zhì)性質(zhì)的影響
1．下列關于范德華力的敘述正確的是( )
A．是一種較弱的化學鍵
B．分子間存在的較強的電性作用
C．直接影響物質(zhì)的熔、沸點
D．稀有氣體的原子間存在范德華力
答案 D
解析 范德華力是分子間存在的較弱的相互作用，它不是化學鍵且比化學鍵弱得多，只能影響由分子構成的物質(zhì)的熔、沸點；稀有氣體為單原子分子，分子之間靠范德華力相結合。
2．鹵素單質(zhì)從F2到I2，在常溫、常壓下的聚集狀態(tài)由氣態(tài)、液態(tài)到固態(tài)的原因是( )
A．原子間的化學鍵鍵能逐漸減小
B．范德華力逐漸增大
C．原子半徑逐漸增大
D．氧化性逐漸減弱
答案 B
解析 鹵素單質(zhì)結構相似，相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大。
3．下列物質(zhì)發(fā)生狀態(tài)變化時，克服了范德華力的是( )
A．食鹽熔化 B．晶體硅熔化
C．碘升華 D．氫氧化鈉熔化
答案 C
解析 氯化鈉、氫氧化鈉均是離子化合物，熔化時離子鍵斷裂，A、D項錯誤；晶體硅熔化時克服的是共價鍵，B項錯誤；碘升華時克服的是范德華力，C項正確。
題組2 氫鍵的形成及其對物質(zhì)性質(zhì)的影響
4．氨氣溶于水中，大部分NH3與H2O以氫鍵(用“…”表示)結合形成NH3H2O分子。根據(jù)氨水的性質(zhì)可推知NH3H2O的結構式為( )
A． B．
C． D．
答案 B
解析 從氫鍵的成鍵原理上講，A、B都成立；但從空間構型上講，由于氨分子是三角錐形，易于提供孤電子對，所以以B方式結合空間阻礙最小，結構最穩(wěn)定；從事實上講，依據(jù)NH3H2ONH＋OH－可知答案是B。
5．下列物質(zhì)中含有氫鍵，且氫鍵最強的是( )
A．甲醇 B．NH3
C．冰 D．(HF)n
答案 D
解析 氫鍵可表示為X—H…Y—(X、Y可相同也可不同，一般為N、O、F)，當X、Y原子半徑越小、電負性越大時，在分子間H與Y產(chǎn)生的靜電吸引作用越強，形成的氫鍵越牢固。
6．在硼酸[B(OH)3]分子中，B原子與3個羥基相連，其晶體具有與石墨相似的層狀結構。則分子中B原子雜化軌道的類型及同層分子間的主要作用力分別是( )
A．sp，范德華力 B．sp2，范德華力
C．sp2，氫鍵 D．sp3，氫鍵
答案 C
解析 石墨晶體中C原子為sp2雜化，層與層之間以范德華力結合，在硼酸[B(OH)3]分子中，B原子也為sp2雜化，但由于B(OH)3中B原子與3個羥基相連，羥基間能形成氫鍵，故同層分子間的主要作用力為氫鍵。
7．下列有關氫鍵的說法中錯誤的是( )
A．通常說氫鍵是較強的分子間作用力
B．因為水分子間存在氫鍵，所以冰能浮在水面上
C．氫鍵比范德華力強，所以氫鍵是一種相對較弱的化學鍵
D．氫鍵是由氫原子與非金屬性極強的原子相互作用而形成的
答案 C
解析 氫鍵比范德華力強，比化學鍵弱，屬于較強的分子間作用力，不屬于化學鍵。氫鍵是由帶正電荷的H原子與強極性的非金屬原子間發(fā)生相互作用而形成的，對物質(zhì)的熔、沸點和溶解度等物理性質(zhì)有明顯的影響。
8．下列與氫鍵有關的說法中錯誤的是( )
A．氨水中存在分子間氫鍵
B．形成氫鍵A—H…B—的三個原子總在一條直線上
C．鹵化氫中HF沸點較高，是由于HF分子間存在氫鍵
D．鄰羥基苯甲醛()的熔、沸點比對羥基苯甲醛()的熔、沸點低
答案 B
解析 氨水中氨分子之間、水分子之間以及氨分子與水分子之間都存在氫鍵，A正確；氫鍵具有一定的方向性，但不是一定在一條直線上，如，故B錯誤。HF分子間存在氫鍵A—H…B—，使氟化氫分子間作用力增大，所以氟化氫的沸點較高，C正確；鄰羥基苯甲醛可形成分子內(nèi)氫鍵，而對羥基苯甲醛可形成分子間氫鍵，所以鄰羥基苯甲醛的熔、沸點比對羥基苯甲醛的熔、沸點低，D正確。
題組3 化學鍵、范德華力、氫鍵的綜合
9．下列關于范德華力與氫鍵的敘述中正確的是( )
A．范德華力比氫鍵的作用還要弱
B．范德華力與氫鍵共同決定物質(zhì)的物理性質(zhì)
C．范德華力與氫鍵的強弱都只與相對分子質(zhì)量有關
D．任何物質(zhì)中都存在范德華力，而氫鍵只存在于含有N、O、F的物質(zhì)中
答案 A
解析 范德華力弱于氫鍵，A項正確；只有由分子組成且分子之間存在氫鍵的物質(zhì)，其物理性質(zhì)才由范德華力和氫鍵共同決定，B項錯誤；氫鍵的強弱主要與形成氫鍵的原子的電負性有關，C項錯誤；只有由分子組成的物質(zhì)中才存在范德華力，D項錯誤。
10．下列說法正確的是( )
A．冰融化時，分子中H—O鍵發(fā)生斷裂
B．隨著鹵素原子電子層數(shù)的增加，鹵化物CX4(X為鹵素原子)分子間作用力逐漸增大，所以它們的熔、沸點也逐漸升高
C．由于H—O鍵比H—S鍵牢固，所以水的熔、沸點比H2S的高
D．在由分子構成的物質(zhì)中，分子間作用力越大，該物質(zhì)越穩(wěn)定
答案 B
解析 冰融化時發(fā)生物理變化，只破壞H2O分子間的分子間作用力而不破壞化學鍵，A項錯誤；結構相似的分子中，物質(zhì)的熔、沸點與其相對分子質(zhì)量成正比，所以隨著鹵素原子電子層數(shù)的增加，鹵化物CX4的分子間作用力逐漸增大，所以它們相應的熔、沸點也逐漸升高，B項正確；物質(zhì)的熔、沸點與化學鍵無關，水的熔、沸點比H2S的高是因為水分子間存在氫鍵，C項錯誤；物質(zhì)的穩(wěn)定性與化學鍵有關，與范德華力無關，D項錯誤。
11．若不斷地升高溫度，實現(xiàn)“雪花→水→水蒸氣→氧氣和氫氣”的變化。在變化的各階段被破壞的粒子間主要的相互作用依次是( )
A．氫鍵 分子間作用力 非極性鍵
B．氫鍵 氫鍵 極性鍵
C．氫鍵 極性鍵 分子間作用力
D．分子間作用力 氫鍵 非極性鍵
答案 B
解析 固態(tài)的水與液態(tài)的水分子間的作用力種類相同，均為氫鍵和范德華力，區(qū)別在于氫鍵的數(shù)目，故由固態(tài)水―→液態(tài)水破壞氫鍵，同樣，由液態(tài)水變?yōu)樗魵鈺r，破壞的也是氫鍵，而由H2O(氣)―→H2(氣)＋O2(氣)時破壞的是極性鍵，故選B。
12．關于氫鍵 ，下列說法正確的是( )
A．由于冰中的水分子間存在氫鍵，所以其密度大于液態(tài)水
B．可以用氫鍵解釋接近沸點的水蒸氣的相對分子質(zhì)量測定值比用化學式(H2O)計算出來的相對分子質(zhì)量大
C．分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵都會使熔、沸點升高
D．每個水分子內(nèi)平均含有兩個氫鍵
答案 B
解析 由于冰中的水分子間的氫鍵多于液態(tài)水中的氫鍵，分子間的距離較大，所以其密度小于液態(tài)水，A項錯誤；由于水分子之間存在氫鍵，水分子通常以幾個分子聚合的形式存在，所以接近沸點的水蒸氣的相對分子質(zhì)量測定值比用化學式(H2O)計算出來的相對分子質(zhì)量大，B項正確；分子間氫鍵可使物質(zhì)的熔、沸點升高，分子內(nèi)氫鍵可使物質(zhì)的熔、沸點降低，C項錯誤；水分子內(nèi)不含氫鍵，水中的氫鍵只存在于水分子之間，D項錯誤。
[綜合強化]
13．(1)一定條件下，CH4、CO2都能與H2O形成籠狀結構(如下圖所示)的水合物晶體，其相關參數(shù)見下表。CH4與H2O形成的水合物晶體俗稱“可燃冰”。
參數(shù)
分子
分子直徑/nm
分子與H2O的結合能E/kJmol－1
CH4
0.436
16.40
CO2
0.512
29.91
①“可燃冰”中分子間存在的兩種作用力是___________________________________。
②為開采深海海底的“可燃冰”，有科學家提出用CO2置換CH4的設想。已知上圖中籠狀結構的空腔直徑為0.586 nm，根據(jù)上述圖表，從物質(zhì)結構及性質(zhì)的角度分析，該設想的依據(jù)是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)H2O與CH3CH2OH可以任意比例互溶，除因為它們都是極性分子外，還因為________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案 (1)①氫鍵、范德華力 ②CO2的分子直徑小于籠狀空腔直徑，且與H2O的結合能大于CH4
(2)H2O與CH3CH2OH之間可以形成氫鍵
解析 (1)②根據(jù)題給數(shù)據(jù)可知，籠狀空腔的直徑是0.586 nm，而CO2分子的直徑是0.512 nm，籠狀空腔直徑大于CO2分子的直徑，而且CO2與水分子之間的結合能大于CH4，因此可以實現(xiàn)用CO2置換CH4的設想。(2)水可以與乙醇互溶，是因為H2O與CH3CH2OH之間可以形成分子間氫鍵。
14．水是自然界中普遍存在的一種物質(zhì)，也是維持生命活動所必需的一種物質(zhì)。
信息一：水的性質(zhì)存在許多反?，F(xiàn)象，如固態(tài)密度小于液態(tài)密度使冰浮在水面上，沸點相對較高使水在常溫常壓下呈液態(tài)等。
信息二：在20 ℃、1個大氣壓下，水可以結成冰，稱為“熱冰”(如圖)：
試根據(jù)以上信息回答下列問題：
(1)s軌道與s軌道重疊形成的共價鍵可用符號表示為δss，p軌道以“頭碰頭”方式重疊形成的共價鍵可用符號表示為δpp，則H2O分子中含有的共價鍵用符號表示為__________________________。
(2)下列物質(zhì)熔化時，所克服的微粒間的作用與“熱冰”熔化時所克服的作用類型完全相同的是______________(填字母)。
A．金剛石 B．干冰
C．食鹽 D．固態(tài)氨
(3)已知：2H2OH3O＋＋OH－，H3O＋的立體構型是______________，在OH－、H2O、H3O＋、H2O2中均含有的化學鍵是________(填字母)。
A．極性鍵 B．非極性鍵
C．配位鍵 D．氫鍵
(4)根據(jù)等電子原理，寫出短周期元素原子形成的與H3O＋互為等電子體的分子或離子________________________________________________________________________。
(5)水的分解溫度遠高于其沸點的原因是_______________________________________
________________________________________________________________________。
答案 (1)δsp (2)D (3)三角錐形 A (4)NH3 (5)水分解必須破壞分子內(nèi)部O—H共價鍵，而水沸騰只需破壞分子間作用力
15．短周期的5種非金屬元素，其中A、B、C的特征電子排布可表示為A：asa，B：bsbbpb，C：csccp2c，D與B同主族，E在C的下一周期，且是同周期元素中電負性最大的元素。
回答下列問題：
(1)由A、B、C、E四種元素中的兩種元素可形成多種分子，下列分子：①BC2?、贐A4?、跘2C2 ④BE4，其中屬于極性分子的是________(填序號)。
(2)C的氫化物比下周期同族元素的氫化物沸點還要高，其原因是_______________________
________________________________________________________________________。
(3)B、C兩元素都能和A元素組成兩種常見的溶劑，其分子式分別為____________、____________。DE4在前者中的溶解性________(填“大于”或“小于”)在后者中的溶解性。
(4)BA4、BE4和DE4的沸點從高到低的順序為___________________________________
_____________________________________________________________(用化學式表示)。
答案 (1)③ (2)H2O分子間形成氫鍵 (3)C6H6 H2O 大于 (4)SiCl4>CCl4>CH4
解析 由s軌道最多可容納2個電子可得：a＝1，b＝c＝2，即A為H元素，B為C元素，C為O元素。由D與B同主族，且為非金屬元素得D為Si元素；由E在C的下一周期且E為同周期電負性最大的元素可知E為Cl元素。
(1)①、②、③、④分別為CO2、CH4、H2O2、CCl4，其中H2O2為極性分子，其他為非極性分子。
(2)C的氫化物為H2O，H2O分子間可形成氫鍵是其沸點較高的重要原因。
(3)B、A兩元素組成苯，C、A兩元素組成水，兩者都為常見的溶劑，SiCl4為非極性分子，易溶于非極性溶劑苯中。
(4)BA4、BE4、DE4分別為CH4、CCl4、SiCl4，三者結構相似，相對分子質(zhì)量逐漸增大，分子間作用力逐漸增強，故它們的沸點順序為SiCl4>CCl4>CH4。
2018-2019版高中化學 第2章 化學鍵與分子間作用力 第4節(jié) 分子間作用力與物質(zhì)性質(zhì)學案 魯科版選修3.doc
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