高中第二章 分子结构与性质第一节 共价键学案

这是一份高中第二章 分子结构与性质第一节 共价键学案，共10页。学案主要包含了共价键及其特征，键参数——键能等内容，欢迎下载使用。

1．了解共价键的主要类型σ键和π键。
2．了解σ键和π键的明显差别和一般规律。
3．理解键长、键能、键角等键参数的概念。
4．能运用键参数说明简单分子的某些性质。
图说考点
必备基础——自学·尝试
一、共价键及其特征
1．共价键的形成
(1)概念：原子间通过________所形成的相互作用，叫做共价键。
(2)成键的粒子：一般为________原子(相同或不相同)或金属原子与非金属原子。
(3)键的本质：原子间通过__________________产生的强烈相互作用。
(4)键的形成条件：非金属元素的________之间形成共价键；大多数电负性之差小于1.7的金属与非金属原子之间形成共价键。
2．共价键的类型及特征
共价键依据________________分为极性键和非极性键。按________________分为σ键和π键。
(1)σ键
(2)π键
(3)判断σ键和π键的一般规律
①共价单键是______键；
②共价双键和共价三键中有一个键是______键，其他的都是______键。
二、键参数——键能、键长与键角
1．概念和特点
2.对物质性质的影响
[即学即练]
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)原子轨道在空间都具有方向性。( )
(2)σ键是轴对称而π键是镜面对称。( )
(3)一般来说，σ键比π键强度大，更稳定。( )
(4)N2分子中σ键与π键的个数比是2∶1。( )
(5)键能越大，键长越长，共价化合物越稳定。( )
(6)键角是描述分子立体结构的重要参数。( )
(7)两个原子之间形成的双键中σ键与π键各一个，且键能一定小于单键的两倍。( )
2．下列不属于共价键成键因素的是( )
A．形成共用电子对
B．成键原子的原子轨道在空间重叠
C．形成化学键，体系能量降低，趋于稳定
D．两原子体积大小要适中
3．下列元素的原子间易形成共价键的是( )
A．Na和Cl B．K和F
C．H和Cl D．Ca和O
4．下列关于σ键的说法错误的是( )
A．如果电子云图像是由两个s电子重叠形成的，即形成s­s σ键
B．s电子与p电子形成s­p σ键
C．p电子与p电子不能形成σ键
D．HCl分子里含一个s­p σ键
5．有以下物质：①HF ②Cl2 ③H2O ④N2
⑤C2H4 ⑥C2H6 ⑦H2 ⑧H2O2
⑨HCN(H—C≡N)。
(1)只含有极性键的是________。
(2)只含有非极性键的是________。
(3)既有极性键，又有非极性键的是________。
(4)只有σ键的是________。
(5)既有σ键，又有π键的是________。
6．实验测得四种结构相似的单质分子的键长、键能的数据如下：
已知D2分子的稳定性大于A2，则a________(填“>”或“<”，下同)1.98，d________193；a________c，b____________d。
核心素养——合作·分享
提升点一 共价键的特征和分类
例1 有下列十种物质：①CH4②CH3CH2OH ③N2④HCl ⑤CO2 ⑥CH3CH3 ⑦C2H4 ⑧C2H2⑨H2O2 ⑩HCHO
有机物中碳原子要满足四个价键！
请按要求回答下列问题(填写编号)：
(1)只有σ键的有________，既有σ键又有π键的有________。
(2)只含有极性键的化合物有____________，既含有极性键又含有非极性键的化合物有____________。
(3)含有双键的有____________，含有三键的有____________。
状元随笔 共价键可从不同角度分类，从电子的重叠方式可分为σ键和π键；从共用电子对偏向可分为极性键和非极性键。
[提升1] 下列物质的分子中既有σ键，又有π键，并含有非极性键的是( )
①C2H2 ②N2 ③H2O ④HCl ⑤C2H4
A．①②⑤B．①②④
C．②④⑤D．②③④
状元随笔 ABx型分子或原子团中的σ键：如H2O有2个σ键；CO2有2个σ键；有3个σ键；有4个σ键。在一个ABx型分子或原子团中，有x个σ键。
【关键能力】
共价键的特征和分类方法
1．共价键特征
(1)当成键原子相互接近时，原子轨道发生重叠，两原子核间的电子密度增大，体系的能量降低。
(2)共价键的饱和性决定了各种原子形成分子时相互结合的数量关系。
(3)共价键的方向性决定了分子的空间结构。但并不是所有共价键都具有方向性，如两个s轨道形成共价键时就没有方向性。
2．共价键的分类方法
3.σ键与π键的比较
状元随笔 两个自旋方向相反的s电子或s电子与p电子只能形成σ键不能形成π键，而两个自旋方向相反的p电子既可形成σ键，又可形成π键，但是首先要形成σ键。因为形成σ键时原子轨道重叠的程度比形成π键时原子轨道重叠的程度大，电子在核间出现的概率大，共价键强，形成的分子更稳定。
提升点二 键参数及其应用
例2Ⅰ.已知氢分子的形成过程示意图如图所示，请据图回答问题。
核间距过小时，原子核间排斥力增强。
(1)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________(填字母)。
A．氢分子中含有一个π键
B．由①到④，电子在核间出现的概率增大
C．由④到⑤，需要消耗外界的能量
D．氢分子中含有一个极性共价键
Ⅱ.几种常见化学键的键能如表所示。
请回答下列问题：
(1)试比较Si—Si键与Si—C键的键能大小：X________(填“>”“<”或“＝”)226 kJ·ml－1。
(2)H2被认为是21世纪人类最理想的燃料，而又有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”等观点。试计算每千克H2燃烧(生成水蒸气)放出的热量约为________；每摩尔硅完全燃烧放出的热量约为________(已知1 ml Si中含2 ml Si—Si键，1 ml SiO2中含4 ml Si—O键)。
状元随笔 断键吸热，成键放热，化学反应的反应热ΔH ＝反应物总键能－生成物总键能。
[提升2] 下表是一些键能数据(单位：kJ·ml－1)：
由上表中数据能否得出这样的结论：
(1)半径越小的原子形成的共价键越牢固(即键能越大)。________(填“能”或“不能”)。
(2)非金属性越强的原子形成的共价键越牢固。________(填“能”或“不能”)。
(3)能否从数据中找出一些规律，请写出一条：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)试预测C－Br键的键能范围：____________状元随笔 非金属性强弱主要由原子结构决定，而共价键强弱则与原子半径、共用电子对多少有关。
【关键能力】
共价键参数与分子的性质
1．一般来讲，形成共价键的两原子半径之和越小，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。如HF、HCl、HBr、HI中，分子的共用电子对数相同(1对)，因F、Cl、Br、I的原子半径依次增大，故共价键牢固程度H—F＞H—Cl＞H—Br＞H—I，因此，稳定性HF＞HCl＞HBr＞HI。
2．键长越短，往往键能越大，共价键越稳定。
3．键能与键长是衡量共价键稳定性的参数，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角，这个分子的空间结构就确定了。
4．键能与化学反应的能量变化关系：
(1)化学反应过程中，旧键断裂吸收的总能量大于新键形成所放出的总能量，则反应为吸热反应，吸热反应使反应体系的能量增加，故规定反应的热量变化ΔH为“＋”。
化学反应过程中，旧键断裂所吸收的总能量小于新键形成放出的总能量，则反应为放热反应，放热反应使反应体系的能量降低，故规定反应的热量变化ΔH为“－”。
(2)利用键能计算反应的热量变化：ΔH＝反应物的键能总和－生成物的键能总和。
状元随笔 认识键参数的几个误区
(1)键长和键角共同决定分子的空间结构。
(2)键长不是成键两原子的原子半径之和，而是小于其半径之和。
(3)键能越大，一般键长越短，分子越稳定。
素养形成——自测·自评
1.下列关于σ键和π键的说法正确的是( )
A.σ键是以“头碰头”方式形成的共价键，π键是以“肩并肩”方式形成的共价键
B．描述的是π键的形成过程
C．原子轨道以“头碰头”方式相互重叠比以“肩并肩”方式相互重叠的程度小，所以σ键比π键活泼
D．可以表示N2分子中σ键和π键存在的情况
2．下列说法中正确的是( )
A．分子中键能越大，键长越短，则分子越稳定
B．只有非金属原子之间才能形成共价键
C．水分子可表示为H—O—H，分子中键角为180°
D．H—O键键能为463 kJ·ml－1，即18 g水分子生成H2和O2时，放出能量为(2×463) kJ
3．气态N4分子结构如右图所示。已知断裂1 ml N—N键吸收167 kJ热量，生成1 ml N≡N键放出942 kJ热量，根据以上信息和数据，判断下列说法正确的是( )
A．N4属于一种新型的化合物
B．N4分子中存在非极性键
C．N4分子中N—N键角为109°28′
D．1 ml N4转变成N2将吸收882 kJ热量
4．下列分子的结构式与共价键的饱和性不相符的是( )
A．H2O2：H—O===O—H
B．CH3COOOH：
C．CH4S：
D．SiHCl3：
5．下列物质中，σ键和π键数目相等的是：________；σ键数目小于π键数目的是________；σ键和π键数目之比为2∶1的是________。
A．丙烯氰 CH2===CH—C≡N
B．N≡C—C≡N
C．丙烯酸：CH2===CH—COOH
D．乙烯基乙炔：
E. 羰基硫：COS
6．某些共价键的键能数据如下表(单位：)：
(1)把1 ml Cl2(g)分解为气态原子时，需要________(填“吸收”或“放出”)________kJ能量。
(2)由表中所列化学键形成的单质分子中，最稳定的是________，最不稳定的是________；形成的化合物分子中最稳定的是________。
(3)试通过键能数据估算下列反应的反应热：
H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g) ΔH＝________________。
第一节 共价键
必备基础
一、
1．(1)共用电子对 (2)非金属 (3)共用电子对(即原子轨道重叠) (4)原子
2．共用电子对是否偏移 原子轨道重叠方式 (1)头碰头 连线 不变 轴对称 较大 (2)肩并肩 两原子核 镜像 镜面 不能 断裂 (3)σ σ π
二、
1．气态 解离 稳定 核间距 越大 稳定 相邻共价键方向性 空间结构
即学即练
1．(1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)× (6)√ (7)×
2．解析：共价键的本质是在原子之间形成共用电子对。两原子形成共价键时原子轨道发生重叠，两原子的原子轨道重叠越多，键越牢固，体系的能量也越低，但对成键原子体积的大小没有要求。综上所述，D项错误。
答案：D
3．解析：非金属元素的原子间容易形成共价键，活泼的金属和非金属元素的原子间容易形成离子键。则Na和Cl形成的是离子键，A错误；K和F形成的是离子键，B错误；H和Cl均是非金属元素，形成的是共价键，C正确；Ca和O形成的是离子键，D错误。
答案：C
4．解析：s电子与s电子、s电子与p电子只能形成σ键；p电子与p电子“头碰头”形成σ键，“肩并肩”形成π键。HCl分子中的σ键是由H的s电子和Cl的p电子形成的s­p σ键。
答案：C
5．解析：根据共价键的存在范围、极性键与非极性键的区别、σ键和π键的形成条件和特征，便可得出各题答案。
答案：(1)①③⑨ (2)②④⑦ (3)⑤⑥⑧
(4)①②③⑥⑦⑧ (5)④⑤⑨
6．解析：结构相似的单质分子中，键长越短，键能越大，分子越稳定。
答案：> > ＜ ＞
核心素养
例1 解析：十种物质的结构式分别为①②③N≡N、④H—Cl、⑤O===C===O、⑥⑦⑧H—C≡C—H、⑨H—O—O—H、⑩根据以下两点判断化学键类型：①单键只有是σ键，双键中有1个σ键和1个π键，三键中有1个σ键和2个π键；②同种元素原子之间形成的共价键是非极性键，不同种元素原子之间形成的共价键是极性键。
答案：(1)①②④⑥⑨ ③⑤⑦⑧⑩ (2)①④⑤⑩ ②⑥⑦⑧⑨ (3)⑤⑦⑩ ③⑧
提升1 解析：C2H2中存在C—H键和C≡C键，含有σ键和π键，C≡C键为非极性键，①符合题意；N2的结构式为N≡N，含有σ键和π键，N≡N键为非极性键，②符合题意；H2O中只存在H—O键，只有σ键，没有π键，③不符合题意；HCl中只存在H—Cl键，只有σ键，没有π键，④不符合题意；C2H4中存在C—H键和碳碳双键，含有σ键和π键，C与C之间为非极性键，⑤符合题意。
答案：A
例2 解析：Ⅰ.(1)可以直接从题图中得到有关数据，H—H键的键长为74 pm；体系能量由高到低的顺序是①⑤②③④。(2)氢分子中含有一个σ键，A项错误；两个氢原子的核间距逐渐减小时，原子轨道会相互重叠，导致电子在核间出现的概率增大，B项正确；④已经达到稳定状态，当改变构成氢分子的两个氢原子的核间距时，需要消耗外界的能量，C项正确；氢分子中含有一个非极性共价键，D项错误。
Ⅱ.(1)Si－Si键的键长比Si－C键的键长长，Si－Si键的键能比Si－C键的键能小。(2)由题图可知，H－H键的键能为436 kJ·ml－1，每千克H2燃烧(生成水蒸气)放出的热量约为1 000g÷2 g·ml-1×(462.8 kJ·ml－l×2－436 kJ·ml－1－497.3 kJ·ml－1×)＝120 475 kJ；每摩尔硅完全燃烧放出的热量约为452 kJ·ml－1×4 ml－497.3 kJ·ml－1×1 ml－226 kJ·ml－1×2 ml＝858.7 kJ。
答案：Ⅰ.(1)74 pm ①⑤②③④ (2)BC
Ⅱ.(1)> (2)120 475 kJ 858.7 kJ
提升2 解析：根据表中的有关数据及元素周期律知识分析可知氯原子的原子半径小于硫原子的原子半径，且硫元素的非金属性较氯元素的非金属性弱，但硫硫键的键能大于氯氯键的键能，因此不能说半径越小的原子形成的共价键越牢固，也不能说非金属性越强的原子形成的共价键越牢固。根据表中数据分析可以得出如下规律：同主族元素与相同原子结合形成共价键时，原子半径越小，共价键越强；根据此规律可知C－Br键的键能介于C－Cl键的键能和C－I键的键能之间，即218 kJ·ml－1～330 kJ·ml－1。
答案：(1)不能 (2)不能
(3)能，同主族元素与相同原子结合形成共价键时，原子半径越小，共价键越强
(4)218 kJ·ml－1 330 kJ·ml－1
素养形成
1．解析：共价键的分类依据有多种，不同的分类依据可以得到不同的分类结果，从原子轨道的相互重叠方式来看，如果两个原子的成键轨道沿键轴方向以“头碰头”方式相互重叠，这样形成的共价键为σ键，如果两个原子的成键轨道以“肩并肩”方式相互重叠，这样形成的共价键称为π键，A项正确；B项中描述的是“头碰头”方式的相互重叠，所以形成的是σ键，B项错误；σ键的相互重叠程度大于π键，所以σ键更稳定，C项错误；考虑到σ键和π键的相互重叠方式，中间位置形成的是σ键，其他位置形成的是π键，D项错误。
答案：A
2．解析：在分子中键能越大，结合力就越强，键长应越短，分子越稳定，所以A正确；B中有些不活泼金属形成的化学键可能是共价键；C中水分子的两个O—H键的键角小于180°，其分子结构式虽为H—O—H，但不能表示分子真正的空间结构；D中给出H—O键的键能是破坏1 ml H—O键所吸收的能量，在H2O分子中有两个H—O键，应吸收能量2×463 kJ，而当H、O形成H2和O2在成键时需放出能量，应是其键能及其化学计量数的乘积，所以反应放出的能量应是它们的代数和，故D错误。
答案：A
3．解析：N4是由氮元素形成的一种单质，A错误；氮元素为活泼非金属元素，氮元素与氮元素之间形成的是非极性键，B正确；N4是正四面体结构，键角为60°，C错误；已知断裂1 ml N—N键吸收167 kJ热量，生成1 ml N≡N键放出942 kJ热量，则转变成N2将放出882 kJ热量，D错误。
答案：B
4．解析：由共价键的饱和性可知：C、Si均形成4个共价键，H形成1个共价键，O、S均形成2个共价键。A项中O原子之间不可能形成双键，B项是过氧乙酸，含有过氧键“O—O”，C项相当于S取代了CH3OH中的氧原子，D项中Si原子形成4个共价键。
答案：A
5．答案：E B A
6．解析：(1)键能是指气态基态原子形成1 ml化学键释放的最低能量。新键形成释放能量，则旧键断裂吸收能量，根据能量守恒定律，断开1 ml Cl—Cl键吸收的能量等于形成1 ml Cl—Cl键释放的能量。
(2)键能越大，化学键越牢固，越不容易断裂，化学性质越稳定，因此最稳定的单质为N2；最不稳定的单质是I2，最稳定的化合物是H2O，最不稳定的化合物是HI。
(3)ΔH＝反应物键能之和－生成物键能之和＝(436＋243－2×432)kJ·ml－1＝－185 kJ·ml－1。
答案：(1)吸收 243 (2)N2 I2 H2O
(3)－185 kJ·ml－1形成
成键原子的s轨道或p轨道“______”重叠而形成
类型
s­s型
H—H的s­s σ键的形成
s­p型
H—Cl的s­p σ键的形成
p­p型
Cl—Cl的p­p σ键的形成
特征
①以形成化学键的两原子核的______为轴作旋转操作，共价键电子云的图形______，这种特征称为______
②σ键的强度______
形成
由两个原子的p轨道“______”重叠形成
p­p型
p­p π键的形成
特征
①每个π键的电子云由两块组成，分别位于由________构成平面的两侧，如果以它们之间包含原子核的平面为镜面，它们互为______，这种特征称为______对称
②π键______旋转；不如σ键牢固，较易______
概念
特点
键能
________分子中1 ml化学键________成气态原子所吸收的能量
键能越大，键越________
键长
构成化学键的两个原子的________
键长越短，键能________，键越________
键角
多原子分子内两个________之间的夹角
表明共价键有__________，决定分子的____________
A—A
B—B
C—C
D—D
键长/10－10 m
a
0.74
c
1.98
键能/kJ·ml－1
193
b
151
d
分类标准
类型
共用电子对数
单键、双键、三键
共用电子对的偏移程度
极性键、非极性键
原子轨道重叠方式
σ键、π键
共价键类型
σ键
π键
示意图
原子轨道重叠方式
“头碰头”重叠
“肩并肩”重叠
原子轨道重叠部位
两原子核之间，在键轴处
键轴上方和下方，键轴处为零
原子轨道重叠程度
大
小
键的强度
较大
较小
活泼性
不活泼
活泼
成键规律
共价单键是σ键；双键中一个键是σ键，一个键是π键；三键中一个键是σ键，另外两个键是π键
化学键
Si—O
H—O
O===O
Si—Si
Si—C
键能/(kJ·ml－1)
452
462.8
497.3
226
X
键能
键能
键能
键能
H—H
436
Cl—Cl
242.7
H—Cl
431.8
H—O
462.8
S===S
255
H—S
339
C—F
427
C—O
351
C—Cl
330
C—I
218
H—F
568
共价键
H—H
Cl—Cl
Br—Br
H—Cl
H—I
键能
436
243
193
432
298
共价键
I—I
N≡N
H—O
H—N
键能
151
946
463
393