人教版 (2019)选择性必修2第一节 共价键学案

第一节　共价键

基础课时5　共价键

一、共价键

1．共价键的概念和特征

原子间通过共用电子对所形成的相互作用。

微点拨：共价键的方向性决定了分子的立体构型，并不是所有共价键都具有方向性，如两个s电子形成共价键时就没有方向性。

2．共价键的类型(按成键原子的原子轨道重叠方式分类)

(1)σ键

(2)π键

(3)判断σ键、π键的一般规律

共价单键为σ键；共价双键中有一个σ键，另一个是π键；共价三键由一个σ键和两个π键构成。

　(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)只有非金属原子之间才能形成共价键。 (×)

(2)两个原子之间形成共价键时，至少有一个σ键。 (√)

(3)σ键和π键都只能存在于共价化合物中。 (×)

二、键参数——键能、键长与键角

1．键能

(1)键能是指气态分子中1 mol化学键解离成气态原子所吸收的能量。键能的单位是kJ·mol－1。键能通常是298.15 K、101 kPa条件下的标准值。例如，H—H的键能为436.0 kJ·mol—1。

(2)下表中是H—X的键能数据

①若使2 mol H—Cl断裂为气态原子，则发生的能量变化是吸收863.6_kJ的能量。

②表中共价键最难断裂的是H—F，最易断裂的是H—I。

③由表中键能数据大小说明键能与分子稳定性的关系：HF、HCl、HBr、HI的键能依次减小，说明四种分子的稳定性依次减弱，即HF分子最稳定，最难分解，HI分子最不稳定，最易分解。

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，往往键能越大，表明共价键越稳定。

(3)下列三种分子中：①H2、②Cl2、③Br2，共价键的键长最长的是③(填序号，下同)，键能最大的是①。

3．键角

(1)键角是指在多原子分子中，两个相邻共价键之间的夹角。在多原子分子中的键角是一定的，这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。

(2)根据空间结构填写下列分子的键角：

　(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)键角的大小与键长、键能的大小无关。 (√)

(2)键长的大小与成键原子的半径有关。 (√)

(3)元素非金属性越强，对应的单质分子中共价键的键能一定越大。 (×)

(4)H—Cl的键能为431.8 kJ·mol－1，H—Br的键能为366 kJ·mol－1，这可以说明HCl比HBr分子稳定。              (√)

　下列有关化学键的比较一定错误的是(　　)

A．键能：C—N<C===N<C≡N

B．键长：I—I>Br—Br>Cl—Cl

C．分子中的键角：H2O>CO2

D．碳原子间形成的共价键键能：σ键>π键

C　[C、N原子间形成的共价键，C≡N键能最大，C—N键能最小，A项正确；双原子分子中，成键原子半径越大，键长越长，B项正确；H2O分子呈V形，H—O—H键角小于180°，CO2分子呈直线形，O===C===O键角是180°，C项错误；C2H2、C2H4分子中碳原子间形成的σ键比π键的稳定性强，σ键的键能大于π键的键能，D项正确。]

沃尔特·海特勒(W．H．Heitler)和弗里茨·伦敦(F．London)在运用量子力学方法处理氢气分子的过程中，得到了体系能量和核间距之间的关系曲线，发现：若两个氢原子自旋状态相反，随着轨道的重叠(波函数相加)会出现一个概率密度较大的区域，氢原子将在体系能量最低核间距处成键。

氢气分子的形成过程示意图

[问题1]　材料提供的示意图中，①～⑤体系能量由高到低的顺序是怎样的？

提示：①⑤②③④。根据示意图知，④的能量最低，①的能量最高，故体系能量由高到低的顺序是①⑤②③④。

[问题2]　材料提供的示意图中，由①到④过程中，电子在核间出现的概率是增大还是减小？

提示：增大。由①到④过程是两个氢原子的核间距逐渐减小的过程，核间距逐渐减小时，两个氢原子的原子轨道会相互重叠，导致电子在核间出现的概率增大。

[问题3]　为什么两个氢原子形成氢分子，两个氯原子形成氯分子，而不是3个或4个呢？为什么1个氢原子和1个氯原子结合成氯化氢分子，而不是以其他的原子个数比相结合呢？

提示：氢原子和氯原子都有一个未成对电子，从分子的形成过程来看，只有未成对电子才能形成共用电子对，在H2、HCl、Cl2分子中，由两个原子各提供一个未成对电子形成一个共用电子对，因此H2、HCl、Cl2只能由两个原子形成。   

1．共价键的特征

(1)共价键的饱和性

①按照共价键的共用电子对理论，一个原子有几个未成对电子，便可和几个自旋状态相反的电子配对成键，这就是共价键的饱和性。

②用电子排布图表示HF分子中共用电子对的形成如下：

③由以上分析可知，F原子与H原子间只能形成1个共价键，所形成的简单化合物为HF而不是H2F。同理，H原子、F原子分别只能形成H2、F2，不能形成H3、F3。

④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。

(2)共价键的方向性

共价键形成时，两个参与成键的原子轨道总是尽可能沿着电子出现概率最大的方向重叠，而且原子轨道重叠越多，电子在两核间出现的概率越大，形成的共价键就越牢固。电子所在的原子轨道都有一定的形状，所以要达到最大重叠，共价键必然有方向性。

共价键的方向性决定了分子的空间结构，并不是所有共价键都具有方向性，如两个s轨道上的电子形成的共价键就没有方向性。

2．σ键与π键的比较

3．对于σ键和π键应特别注意的问题

(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。

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

C　[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π键，C项正确，D项错误。]

2．有以下物质：

①HF，②Cl2，③H2O，④N2，⑤C2H4，⑥C2H6，⑦H2，

⑧H2O2，⑨HCN(H—C≡N)。

(1)只有σ键的是________________(填序号，下同)；既有σ键又有π键的是________。

(2)含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的是______________。

(3)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________。

(4)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________。

[解析]　(1)单键只有σ键，双键或三键才含有π键，故只有σ键的是①②③⑥⑦⑧；既有σ键又有π键的是④⑤⑨。

(2)H原子只有s轨道，题给物质中含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的只有H2。

(3)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键的有①③⑤⑥⑧⑨。

(4)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，说明构成这种σ键的原子中一定没有H原子，故正确答案为②④⑤⑥⑧⑨。

[答案]　(1)①②③⑥⑦⑧　④⑤⑨　(2)⑦

(3)①③⑤⑥⑧⑨　(4)②④⑤⑥⑧⑨

材料1　已知电负性：N＝3.0，Cl＝3.0。

材料2　氮气的化学性质不活泼，在高温、高压、催化剂存在的条件下，氮气和氢气作用生成氨气。空气中的氮气和氧气在雷电的作用下，可反应生成一氧化氮。

氯气与氢气的混合气体，若氢气的体积分数大于5%，在强光照射时可能会爆炸。点燃密闭容器中的氢气与氯气的混合气体时，大量氢气与氯气接触，迅速化合放出大量热，使气体体积急剧膨胀而发生爆炸。

[问题1]　氮元素和氯元素的电负性相同，二者对应单质的活泼性是否相同？

提示：不同。N2中存在N≡N，氮氮三键的键能比较大，断开氮氮三键需要较高的能量，故单质的活泼性：N2<Cl2。

[问题2]　N2与H2在常温下很难发生化学反应，必须在高温下才能发生化学反应，而Cl2与H2很容易发生化学反应，为什么？

提示：化学反应包括旧键断裂和新键形成两个过程，N2中存在氮氮三键，N≡N断裂需要很高的能量，而Cl2中的Cl—Cl键断裂需要的能量相对较低，故氯气容易与氢气发生反应。

[问题3]　你能比较出HF、HCl、HBr、HI稳定性大小吗？

提示：HF>HCl>HBr>HI。因原子半径：F<Cl<Br<I，故键长：H—F<H—Cl<H—Br<H—I，键能：H—F>H—Cl> H—Br>H—I，稳定性：HF>HCl>HBr>HI。

1．共价键参数的应用

(1)键能的应用

①表示共价键的强弱

键能越大，断开化学键时需要的能量越多，化学键越稳定。

②判断分子的稳定性

结构相似的分子中，共价键的键能越大，分子越稳定。

③判断化学反应的能量变化

在化学反应中，旧化学键的断裂吸收能量，新化学键的形成释放能量，因此反应焓变与键能的关系为ΔH＝反应物键能总和－生成物键能总和；ΔH＜0时，为放热反应；ΔH＞0时，为吸热反应。

(2)键长的应用

①一般键长越短，键能越大，共价键越稳定，分子越稳定。

②键长的比较方法

a．根据原子半径比较，同类型的共价键，成键原子的原子半径越小，键长越短。

b．根据共用电子对数比较，相同的两个原子间形成共价键时，单键键长＞双键键长＞三键键长。

(3)键角的应用

①键长和键角决定分子的空间结构。

②常见分子的键角与分子空间结构

2．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，形成的共价键越稳定。

3．下列说法不正确的是(　　)

A．键能越大，表示化学键越牢固，越难断裂

B．一般地，成键的两原子核越近，键长越短，化学键越牢固，形成的物质的性质越稳定

C．破坏化学键时吸收能量，形成化学键时释放能量

D．碘易升华，这与分子中I—I的键能大小有关

D　[键能越大，断裂该键所需的能量越多，化学键越牢固，越难断裂，A项正确；一般情况下，成键的两原子核越近，键长越短，断开该键越难，化学键越牢固，形成的物质的性质越稳定，B项正确；破坏化学键时需要吸收能量，形成化学键时释放能量，C项正确；物质的升华属于物理变化，与化学键的键能大小无关，D项错误。]

4．下列事实不能用键能的大小来解释的是(　　)

A．氮元素的电负性较大，但N2的化学性质很稳定

B．稀有气体一般难发生反应

C．HF、HCl、HBr、HI的稳定性逐渐减弱

D．HF比H2O稳定

B　[由于N2分子中存在三键，键能很大，破坏共价键需要很大的能量，所以N2的化学性质很稳定；稀有气体都为单原子分子，没有化学键；卤族元素从F到I，原子半径逐渐增大，其氢化物中化学键的键长逐渐变长，键能逐渐变小，所以稳定性：HF＞HCl＞HBr＞HI；由于H—F的键能大于H—O，所以稳定性：HF＞H2O。]

由分子构成的物质，其熔、沸点与共价键的键能和键长无关。而分子的稳定性，由键长和键能决定。

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

D　[一般地，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项错误。]

2．根据H原子和F原子的核外电子排布，判断下列关于F2和HF分子中共价键的描述正确的是(　　)

A．两者都为s­s σ键

B．两者都为p­p σ键

C．前者为p­p σ键，后者为s­p σ键

D．前者为s­s σ键，后者为s­p σ键

C　[H原子核外电子排布式为1s1，F原子核外电子排布式为1s22s22p5，形成共价键时，F原子的2p轨道电子参与成键，H原子的1s轨道电子参与成键，则F2分子中的共价键为p­p σ键，HF分子中的共价键为s­p σ键。]

3．下列能说明BF3分子中4个原子在同一平面的理由是(　　)

A．任意两个键的夹角为120°

B．B—F是非极性共价键

C．3个B—F的键能相等

D．3个B—F的键长相等

A　[本题考查共价键键参数的运用。当键角为120°时，BF3的空间结构为，故分子中4个原子共面，呈平面三角形。]

4．下列说法中正确的是(　　)

A．双原子分子中化学键键能越大，分子越稳定

B．双原子分子中化学键键长越长，分子越稳定

C．双原子分子中化学键键角越大，分子越稳定

D．在双键中，σ键的键能要小于π键

A　[共价键键能越大、键长越短，分子越稳定，A正确，B错误；在双原子分子中没有键角，且分子稳定性与键角无关，C错误；一般σ键的重叠程度大于π键，σ键的键能大于π键，D错误。]

5．碳和硅的有关化学键键能如下所示，简要分析和解释下列有关事实：

回答下列问题：

(1)通常条件下，比较CH4和SiH4的稳定性强弱：___________。

(2)硅与碳同族，也有系列氢化物，但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多，原因是_______________________________________________________________

_____________________________________________________________________

____________________________________________________________________。

(3)SiH4的稳定性小于CH4，更易生成氧化物，原因是__________________

_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

____________________________________________________________________。

[解析]　(1)因为C—H的键能大于Si—H的键能，所以CH4比SiH4稳定。

(2)C—C和C—H的键能比Si—H和Si—Si的键能都大，因此烷烃比较稳定，而硅烷中Si—Si和Si—H的键能较小，易断裂，导致长链硅烷难以形成。

(3)C—H的键能大于C—O的，C—H比C—O稳定，而Si—H的键能却小于Si—O的，所以Si—H不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O。

[答案]　(1)CH4比SiH4稳定

(2)C—C和C—H的键能较大，不易断裂，所以形成的烷烃比较稳定，而硅烷中Si—Si和Si—H的键能较小，易断裂，导致长链硅烷难以形成

(3)C—H的键能大于C—O，C—H比C—O稳定，而Si—H的键能却小于Si—O，所以Si—H不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O