②寒假预习-第01讲 共价键-2025年高二化学寒假衔接讲练 (人教版)

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【学习新知】
知识点一 共价键
1．共价键
(1)原子间通过共用电子对所形成的相互作用。本质是电子云(或原子轨道)的重叠。
(2)共价键的特征：
共价键具有饱和性和方向性，饱和性决定分子的组成，方向性决定分子的空间结构。
2．共价键的类型
(1)σ键
(2)π键
【交流讨论】下面是乙烷、乙烯、乙炔的球棍模型和空间填充模型：
1．观察乙烷、乙烯、乙炔的分子结构，它们的分子中的共价键分别由几个σ键和几个π键构成？
2．解释乙烯分子中π键是如何形成的？
提示：乙烯分子中两个碳原子的p轨道“头碰头”重叠形成一个σ键，而两个碳原子间相互垂直的p轨道“肩并肩”重叠形成一个π键，故乙烯分子中的碳碳双键由一个σ键和一个π键构成。
知识点二 键参数——键能、键长与键角
1．键能
键能是指气态分子中1 ml化学键解离成气态原子所吸收的能量。键能的单位是kJ·ml－1。键能通常是298.15K、101kPa条件下的标准值。
2．键长
(1)键长是构成化学键的两个原子的核间距。因此原子半径决定化学键的键长，原子半径越小，共价键的键长越短。
(2)键长与共价键的稳定性之间的关系：共价键的键长越短，往往键能越 eq \a\vs4\al(大) ，表明共价键越稳定。
3．键角
键角是指在多原子分子中，两个相邻共价键之间的夹角。多原子分子的键角一定，表明共价键具有方向性。键角是描述分子空间结构的重要参数，分子的许多性质都与键角有关。
【交流讨论】键能与键长是衡量共价键稳定性的参数，键长和键角是描述分子空间结构的参数。一般来说，如果知道分子中的键长和键角，这个分子的空间结构就确定了。
1．根据元素周期律可知，NH3的稳定性强于PH3，你能利用键参数加以解释吗？
提示：键长：N—HP—H，因此NH3更稳定。
2．在不知下列物质键能的前提条件下，你能比较HF、HCl、HBr、HI的稳定性大小吗？你认为键能、键长对分子的化学性质有什么影响？
提示：能，因为原子半径：I>Br>Cl>F，故键长：HI>HBr>HCl>HF，一般键长越短，键能越大，共价键越牢固，故稳定性：HF>HCl>HBr>HI。分子中共价键的键能越大，键长越短，共价键越牢固，含有该键的分子越稳定，化学性质越不活泼。
核心考点一：共价键
【例1】共价键具有饱和性和方向性。下列有关叙述中不正确的是( )
A．共价键的饱和性是由成键原子的未成对电子数决定的
B．共价键的方向性是由成键原子轨道的方向性决定的
C．共价键的方向性决定了分子的空间结构
D．所有共价键都具有方向性
答案：D
解析：原子的未成对电子一旦配对成键，就不再与其他原子的未成对电子配对成键，故成键原子的未成对电子数决定了该原子形成的共价键数量，即饱和性，A项正确；形成共价键时，为了达到原子轨道的最大重叠程度，成键的方向与原子轨道的伸展方向就存在着必然的联系，则共价键的方向性是由成键原子轨道的方向性决定的，而共价键的方向性又决定了所形成分子的空间结构，B、C项正确；由于s轨道是球形对称的，故两个s轨道重叠形成的共价键无方向性，D项不正确。
【归纳小结】σ键和π键的特点
(1)s轨道与s轨道形成σ键时，电子并不是只在两核间运动，只是电子在两核间出现的概率大。
(2)因s轨道是球形的，故s轨道与s轨道形成σ键时，无方向性。两个s轨道只能形成σ键，不能形成π键。
(3)两个原子间可以只形成σ键，但不能只形成π键。
(4)σ键和π键对分子性质的影响：通常情况下，σ键比π键牢固，π键比较容易断裂，因此含π键的化合物的化学性质比只含σ键的化合物活泼，如乙烯的化学性质比乙烷的活泼。
【变式训练1】下列说法正确的是( )
A．π键是由两个原子的p轨道“头碰头”重叠形成的
B．σ键呈镜面对称，π键呈轴对称
C．C2H6中的化学键全为σ键，而C2H4中含有σ键和π键
D．H2中含有σ键，而Cl2中除含有σ键外还含有π键
答案：C
解析：原子轨道以“头碰头”方式相互重叠形成的共价键为σ键，以“肩并肩”方式相互重叠形成的共价键为π键，A项错误；原子轨道重叠方式的不同决定了σ键呈轴对称，π键呈镜面对称，B项错误；分子中所有的共价单键都是σ键，C2H6、H2、Cl2中都仅含有共价单键，故只含有σ键，而C2H4中含有共价双键，因而含有σ键和π键，C项正确，D项错误。
【变式训练2】有以下物质：①HF ②Cl2 ③H2O ④N2 ⑤C2H4 ⑥C2H6 ⑦H2 ⑧HCN(H—C≡N)，试回答下列问题(用序号回答)：
(1)只含有极性键的是____________；只含有非极性键的是____________；既含有极性键又含有非极性键的是________。
(2)只有σ键的是________________，既有σ键又有π键的是________。
(3)在上述双原子分子中，含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的是__________，含有由一个原子的s轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是________，含有由一个原子的p轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是________。
答案：(1)①③⑧ ②④⑦ ⑤⑥ (2)①②③⑥⑦ ④⑤⑧ (3)⑦ ① ②④
解析：(1)由同种原子形成的共价键，属于非极性共价键，而由不同种原子形成的共价键属于极性共价键，由此可知只含有极性键的是①③⑧，只含有非极性键的是②④⑦，既含有极性键又含有非极性键的是⑤⑥。(2)根据σ键和π键的形成方式可知，两个原子之间只形成单键时，则只有σ键，没有π键；两个原子形成双键或三键时，存在σ键的同时一定存在π键，由此可知只有σ键的是①②③⑥⑦，既有σ键又有π键的是④⑤⑧。(3)①②④⑦为双原子分子，H2分子里的σ键是由两个氢原子的s轨道重叠形成的；HF分子里的σ键是由一个氢原子的1s轨道与一个氟原子的2p轨道重叠形成的；Cl2分子里的σ键是由两个氯原子的3p轨道重叠形成的；N2分子里既有σ键又有π键，其中σ键是由两个氮原子的2p轨道重叠形成的。
核心考点二：键参数
【例2】下列说法正确的是( )
A．分子的空间结构是由键角决定的
B．共价键的键能越大，共价键越牢固，由该键形成的分子越稳定
C．CF4、CCl4、CBr4、CI4中C—X(X＝F、Cl、Br、I)的键长、键角均相等
D．H2O分子中两个O—H的键角为180°
答案：B
解析：分子的空间结构是由键角、键长共同决定的，A项错误；由于F、Cl、Br、I的原子半径不同，故C—X(X＝F、Cl、Br、I)的键长不相等，C项错误；H2O分子中两个O—H的键角为105°，D项错误。
【归纳小结】共价键强弱的判断
(1)由原子半径和共用电子对数判断：成键原子的原子半径越小，共用电子对数越多，则共价键越牢固，含有该共价键的分子越稳定。
(2)由键能判断：共价键的键能越大，共价键越牢固，破坏共价键消耗的能量越大。
(3)由键长判断：共价键的键长越短，共价键越牢固，破坏共价键消耗的能量越大。
(4)由电负性判断：元素的电负性越大，该元素的原子对共用电子对的吸引力越大，与其他元素形成的共价键越稳定。
【变式训练】用“>”或“ > ②> (2)< < (3)①> ②NH3
D．乙烯分子中碳碳键的键能：σ键>π键
答案：C
解析：A对，成键原子相同时，三键的键能大于双键，双键的键能大于单键，故键能：C—NCl—Cl；C错，H2O为V形结构，键角为105°，NH3为三角锥形结构，键角为107°；D对，σ键是原子轨道“头碰头”重叠，重叠程度大，而π键是“肩并肩”重叠，重叠程度小，故碳元素原子间形成的共价键的键能：σ键>π键。
2．已知P元素的价层电子排布为3s23p3，P与Cl形成的化合物有PCl3、PCl5，下列判断正确的是( )
A．磷原子最外层有三个未成对电子，故只能结合三个氯原子形成PCl3
B．PCl3分子中的P—Cl含有π键
C．PCl5分子中的P—Cl既含有σ键又含有π键
D．磷原子最外层有三个未成对电子，但是能形成PCl5，说明传统的价键理论存在缺陷
答案：D
解析：PCl3的电子式为，P—Cl都是σ键；一个PCl5分子中有5个P—Cl σ键，这违背了传统价键理论饱和性原则，说明传统价键理论不能解释PCl5的结构，即传统价键理论存在缺陷。
3．在N2F2分子中，所有原子均符合8电子稳定结构，则该分子中两个氮原子之间的键型构成是( )
A．仅有一个σ键 B．仅有一个π键
C．一个σ键，一个π键 D．一个σ键，两个π键
答案：C
解析：由题给条件所有原子均符合8电子稳定结构可知，其结构式应为F—N===N—F，则两个氮原子之间为氮氮双键，即一个σ键，一个π键。
4．碳、氮、氧、氢是地球上极为丰富的元素。
(1)氢气分子的形成过程示意图如图，请据图回答相关问题。
氢气分子的形成过程示意图
H—H键的键长为_____________，①～⑤中，体系能量由高到低的顺序是___________。
(2)下列说法正确的是___________。
A．一个氢气分子中含有一个π键
B．由①到④，电子在核间出现的概率增大
C．由④到⑤，必须消耗外界的能量
D．一个氢气分子中含有一个σ键
(3)CO和N2分子中根据电子云重叠的方式不同，都包含的共价键类型有___________，CO、N2的结构可表示为C≡O、N≡N，相关化学键的键能如表：(单位kJ·ml-1)
结合数据说明CO比N2活泼的原因_________________________________________。
(4)某有机物的结构式如图所示，则分子中有_______个σ键，______个π键。
(5)肼(N2H4)分子可视为NH3分子中的—个氢原子被—NH2(氨基)取代形成的另一种氮的氢化物。肼可用作火箭燃料，燃烧时发生反应的热化学方程式为N2O4(l)+2N2H4(l)3N2(g)+4H2O(g) ΔH=-1038.7 kJ·ml-1。若该反应中有4 ml N—H键断裂，则形成的π键有___________ml。
答案：(1)0.074 nm ①>⑤>②>③>④
(2)BCD
(3)σ键和π键 CO中断裂第一个π键消耗的能量为1071.9 kJ-745 kJ=326.9 kJ；而N2中断裂第一个π键消耗的能量为946 kJ-418 kJ=528 kJ，可见CO的一个π键容易断裂，因此CO比N2活泼
(4)7 3 (5)3
解析：(1)可以直接从题图中的有关数据读出H—H键的键长为0.074 nm；由题图可以看出体系能量由高到低的顺序是①>⑤>②>③>④。(2)一个氢气分子中含有一个σ键，A错误、D正确；共价键的本质就是高概率地出现在原子核间的电子与原子核间的电性作用，B正确；④已经达到稳定状态，由题图可以看出⑤的能量比④高，C正确。(3)CO与N2的结构相似，所以N2与CO的分子中都包含的共价键有σ键和π键。CO中断裂第一个π键消耗的能量为1071.9 kJ-745 kJ=326.9 kJ；而N2中断裂第一个π键消耗的能量为946 kJ-418 kJ=528 kJ，可见CO的一个π键容易断裂，因此CO比N2活泼。(4)分子中5个共价单键是σ键，双键中有1个σ键和1个π键，三键中有1个σ键，另2个是π键，故σ键总数是7，π键总数是3。(5)反应中有4 ml N—H键断裂，即有1 ml N2H4参加反应，生成1.5 ml N2，则形成的π键有3 ml。
5．X、Y、Z、W是元素周期表前四周期中的常见元素，其原子序数依次增大。X元素的一种核素的质量数为12，中子数为6；Y元素是动植物生长不可缺少的、构成蛋白质的重要组成元素；Z的基态原子核外9个原子轨道上填充了电子且有2个未成对电子，与X、Y不同族；W是一种常见元素，可以形成3种氧化物，其中一种氧化物是具有磁性的黑色晶体。
(1)Y2分子中存在的σ键和π键个数之比为________。
(2)元素X的一种氧化物XO和XY－与Y2结构相似，XO分子内σ键与π键个数之比为________。X、Y与氢元素形成的一种化合物HXY分子中σ键与π键数目之比为________。
(3)写出X的单质与Z的最高价氧化物对应水化物的浓溶液反应的化学方程式：
________________________________________。
(4)W基态原子的价层电子排布为____________。
(5)元素X的一种单质是一种由单层X原子构成的平面结构新型材料如图，1号X与相邻X形成σ键的个数为________。
(6)已知Y2(g)＋O2(g)===2YO(g)为吸热反应，ΔH＝＋180 kJ·ml－1，其中Y≡Y、O===O的键能分别为946 kJ·ml－1、497.3 kJ·ml－1，则YO分子中Y、O之间共价键的键能为________________。
答案：(1)1∶2 (2)1∶2 1∶1
(3)C＋2H2SO4(浓) eq \(=====,\s\up7(△)) CO2↑＋2SO2↑＋2H2O
(4)3d64s2 (5)3 (6)631.65 kJ·ml－1
解析：X、Y、Z、W分别为C、N、S、Fe。
(1)N2中有N≡N，其中有1个σ键、2个π键。
(2)元素X的氧化物CO和CN－与N2结构相似，推知CO的结构式为C≡O，含有1个σ键、2个π键；CN－的结构式为[C≡N]－，HCN的结构式为H—C≡N，HCN中σ键与π键均为2个。
(3)C与浓硫酸加热时反应生成CO2、SO2和H2O。
(4)铁的原子序数为26，其基态原子的价层电子排布为3d64s2。
(5)由图可看出每个碳原子能与三个碳原子形成单键，故能形成3个σ键。
(6)180 kJ·ml－1＝946 kJ·ml－1＋497.3 kJ·ml－1－2E(YO)，所以E(YO)＝631.65 kJ·ml－1。
模块一 思维导图串知识
模块二 基础知识全梳理（吃透教材）
模块三 核心考点精准练
模块四 小试牛刀过关测
1．认识原子间通过原子轨道重叠形成共价键，知道根据原子轨道的重叠方式，共价键可分为σ键和π键等类型。
2．了解共价键具有饱和性和方向性。
3．知道键能、键长和键角的定义，能用键能、键长、键角等说明简单分子的某些性质。
形成
由两个原子的s轨道或p轨道“头碰头”重叠形成
类型
s­s型
s­p型
p­p型
特征
①以形成化学键的两原子核的连线为轴做旋转操作，共价键的电子云的图形不变，这种特征称为轴对称；
②σ键的强度较大。
形成
由两个原子的p轨道“肩并肩”重叠形成
p­p型
特征
①每个π键的电子云由两块组成，它们互为镜像，这种特征称为镜面对称；
②π键不能旋转；不如σ键牢固，比较容易断裂。
乙烷
乙烯
乙炔
σ键数目
7
5
3
π键数目
0
1
2
物质
化学键
单键
双键
三键
CO
351
745
1071.9
N2
193
418
946