人教版 (2019)选择性必修2第一节 共价键学案

第一节　共　价　键

必备知识·自主学习

一、共价键

1．共价键的概念和特征

(1)概念：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．共价键的类型

(1)σ键

(2)π键：

(1)为什么2个氢原子、2个氯原子结合成氢分子、氯分子，1个氢原子只能和1个氯原子结合成氯化氢分子，而不是以3个、4个或其他个数比相结合？

提示：氢原子和氯原子的两原子都只有一个未成对电子，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，因此氢分子、氯分子和氯化氢分子中只能由两个原子各提供1个未成对电子形成共用电子对，也决定了其分子中的原子个数。

(2)原子间形成分子时，决定各原子相互结合的数量关系的是什么？

提示：共价键的饱和性。共价键的饱和性决定各原子相互结合的数量关系。

(3)(情境思考)COCl2是一种毒性非常强的气体，分子结构为CClClO，则1 mol COCl2分子内含有σ键和π键数目分别是多少？

提示：σ键3NA，π键1NA。

二、键参数——键能、键长与键角

1．键能

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298.15K、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，往往键能越大，表明共价键越稳定。

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，分子的许多性质都与键角有关。

(2)常见分子的键角：

(1)根据教材P37～38表2­1、2­2分析下列三种分子中：H2、Cl2、Br2，共价键的键长最长的是哪种分子？键能最大的是哪种分子？

提示：Br2　H2。

(2)(情境思考)一般来说，如果已知某分子中的键长和键角的数据，就可确定该分子的几何构型(分子在空间呈现的几何形状)，据此也可推断它的物理性质。

已知CO2的C===O键长是0.116 nm，O===C===O键角等于180°，由此可推断CO2的分子构型是什么？

提示：CO2是含有极性键的直线形分子。

关键能力·合作学习

知识点一　共价键

1．σ键与π键的比较

2.乙烷、乙烯、乙炔成键分析

乙炔成键分析：

　 (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)(思维升华)H原子和H原子、H原子和Cl原子、Cl原子和Cl原子分别均以σ键结合成H2、HCl和Cl2分子，共价键轨道完全相同吗？

提示：不相同。H原子的未成对电子位于1s轨道，Cl原子的未成对电子位于3p轨道，即H原子和H原子成键以1s和1s轨道“头碰头”重叠，H原子和Cl原子以1s和3p轨道“头碰头”重叠，Cl原子和Cl原子以3p和3p轨道“头碰头”重叠。

(2)(情境应用)在大气中存在一种潜在的温室气体SF5—CF3。虽然其数量有限，但它是已知气体中吸热最高的气体，则分子中是什么类型的共价键？

提示：σ键。分子中只有共价单键，则分子中只有σ键，没有π键。

【典例】有以下物质：①HF　②Cl2　③H2O　④N2　⑤C2H4　⑥C2H6　⑦H2　⑧H2O2　⑨H—C≡N　⑩Na2O2。只含有σ键的是________；既含有σ键又含有π键的是________；含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的是______________。

　【解题指南】解答本题需要注意以下两个方面：

(1)共价键包含σ键、π键。

(2)根据物质分子中所含有共价键是单键、双键还是三键判断是否含有π键。

【解析】只存在单键的分子中只含有σ键；存在双键或三键的分子中既含有σ键又含有π键；只有H2中含有两个原子的s轨道重叠形成的σ键。

答案：①②③⑥⑦⑧　④⑤⑨　⑦

【母题追问】为什么C2H4的化学性质比C2H6的化学性质活泼？

提示：C2H6中只含σ键而C2H4含有π键。

　 分子中σ键与π键的判断方法

(1)根据成键原子的价电子数来判断能形成几个共用电子对。

(2)如果只有一个共用电子对，则该共价键一定是σ键；如果形成多个共用电子对时，则先形成1个σ键，另外的原子轨道形成π键。

防晒霜是指添加了能阻隔或吸收紫外线的防晒剂来达到防止肌肤被晒黑、晒伤目的的化妆品。有研究表明分子结构中含有π键的物质能吸收紫外线，日常生活中用的防晒霜的主要成分是氨基苯甲酸或羟基丙酮，它们能防晒的原因是什么？

提示：氨基苯甲酸或羟基丙酮中均含有羰基()，其中含有π键，含有π键的物质能吸收紫外线。

知识点二　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，则化学键越稳定。

(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

①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。

②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

　【方法导引】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。

　(1)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多少？

②表中共价键最难断裂的是哪种？最易断裂的是哪种？

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________(填“减弱”或“增强”)，说明四种分子的稳定性依次________(填“减弱”或“增强”)，即HF分子最稳定，最难分解，HI分子最不稳定，最______(填“难”或“易”)分解。

提示：①吸收863.6 kJ的能量　②H—F　H—I　③减弱　减弱　易

(2)(情境应用)实验测得不同物质中氧原子之间的键长和键能的数据如下：

其中x、y的键能数据尚未测定，但可根据规律性推导键能的大小顺序为w>z>y>x，该规律是什么？

提示：对比后两种粒子中键长和键能大小关系，键长越长，键能越小。

【典例】用“>”或“<”填空。

(1)比较键长大小：

①C—H________N—H________H—O；

②N2H4分子的N—N________N2分子的N≡N

(2)比较键能大小：

C—H________N—H________H—O；

(3)比较键角大小：

①CO2________NH3；②H2O________NH3。

　【解题指南】解答本题需要注意以下两点：

(1)根据元素周期律分析原子半径大小。

(2)根据原子半径大小判断键长、键能大小。

【解析】(1)①由于C、N、O原子的半径依次减小，所以C—H、N—H、H—O键的键长依次减小；②N2H4分子的N—N大于N2分子的N≡N。(2)由于C—H、N—H、H—O键的键长依次减小，因此键能依次增大。(3)CO2为直线形分子，NH3为三角锥形分子，故键角CO2大于NH3。H2O为V形分子，H2O分子键角是105°，NH3分子键角是107°，H2O分子中键角小于NH3分子。

答案：(1)①>　>　②>　(2)<　<　(3)①>　②<

　【母题追问】N≡N键的键能为946 kJ·mol－1，N—N键的键能为193 kJ·mol－1，计算说明N2分子中的σ键和π键谁更稳定？

提示：π键比σ键稳定。N≡N键中有一个σ键和两个π键，其中σ键的键能约是193 kJ·mol－1，则π键平均键能＝kJ·mol－1＝376.5 kJ·mol－1，键能越大，共价键越稳定，故N≡N键中π键比σ键稳定。

　 (1)键能越大，键长越短，分子越稳定。

(2)分子的稳定性，由键长和键能决定；分子的空间结构由键长和键角决定。

　不同物质的分子其空间结构不一定相同，如水分子、甲烷分子和乙烯分子的球棍模型如图：

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。如NH3分子的H—N—H键角是107°，N—H的键长是101pm，就可以断定NH3分子是三角锥形分子，如图

(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：由于键长：N—H＜P—H，因此键能：N—H＞P—H，因此NH3更稳定。

(2)元素的非金属性N>P，为什么N2的化学性质非常稳定，而白磷P4的化学性质非常活泼？

提示：因为N2分子中存在N≡N键，该键键能大，破坏该共价键需要很大的能量；而P4分子中的P—P键的键能较小，破坏该共价键所需能量较小，化学性质较活泼。

(3)一般来说，键长越短，键能越大。教材P37～38表2­1、表2­2中的数据显示F—F键的键长比Cl—Cl键长短，而F—F键的键能比Cl—Cl键小，为什么？

提示：氟原子的半径很小，两个氟原子形成共价键时，其键长短，原子核之间的距离很近，排斥力很大，因此键能不大，F2的稳定性差而很容易与其他物质反应。

三言两语话重点

1．共价键的特征：共价键具有饱和性和方向性。

2．σ键和π键的判断规律：

(1)共价单键是σ键；

(2)共价双键中有一个是σ键，另一个是π键；

(3)共价三键由一个σ键和两个π键组成。

3．共价键强弱的判断：

(1)共价键的键能越大，共价键越牢固。

(2)共价键的键长越短，共价键越牢固。

(3)分子的稳定性与键能和键长有关，而物质的熔、沸点高低与键能和键长无关。

课堂检测·素养达标

1．(2021·哈尔滨高二检测)氰气的化学式为(CN)2，结构式为N≡C—C≡N，其性质与卤素气体单质相似，氰气可用于有机合成，制作农药，也可用作消毒、杀虫的熏蒸剂等。下列叙述正确的是(　　)

A．气体单质中，一定有σ键，可能有π键

B．氰气分子中N≡C键的键长大于C—C键的键长

C．氰气分子中含有3个σ键和4个π键

D．(CN)2不能与氢氧化钠溶液发生反应

【解析】选C。在气体单质分子中一般存在σ键(如Cl2、H2)、π键(如N2中存在σ键和π键)，稀有气体为单原子分子，不存在化学键，A错误；成键原子半径越小，键长越短，氮原子半径小于碳原子半径，故N≡C键比C—C键的键长短，B错误；(CN)2分子中含有3个σ键和4个π键，C正确；由于(CN)2与卤素单质性质相似，故可以和氢氧化钠溶液反应，D错误。

　　　【补偿训练】

比较下列共价键的形成过程，其中形成的是π键的是(　　)

【解析】选A。A项是2个p轨道“肩并肩”重叠形成的π键；B项是s轨道与p轨道“头碰头”重叠形成的σ键；C项是2个p轨道“头碰头”重叠形成的σ键；D项是两个s轨道“头碰头”重叠形成的σ键。

2．σ键可由s轨道与s轨道、s轨道与p轨道以及p轨道与p轨道以“头碰头”方式重叠而成。则下列分子中的σ键是由s轨道与p轨道以“头碰头”方式重叠而成的是(　　)

A．H2　　　　B．HBr　　　　C．Cl2　　　　D．F2

【解析】选B。H2分子中的σ键为s­s σ键，HBr分子中的σ键为s­p σ键，Cl2、F2分子中的σ键均为p­p σ键。

3．键长、键角和键能是描述共价键的三个重要参数，下列叙述正确的是(　　)

A．键角是描述分子空间结构的重要参数

B．因为H—O键的键能小于H—F键的键能，所以O2、F2与H2反应的能力逐渐减弱

C．水分子可表示为H—O—H，分子中的键角为180°

D．H—O键的键能为462.8 kJ·mol－1，即18 g H2O分解成H2和O2时，消耗的能量为2×462.8 kJ

【解析】选A。H—O键、H—F键的键能依次增大，O2、F2与H2反应的能力逐渐增强，B错误；水分子的键角为105°，C错误；断开1 mol H—O键形成气态氢原子和气态氧原子所需吸收的能量为462.8 kJ，18 g H2O即1 mol H2O，其中含2 mol H—O键，断开时需吸收2×462.8 kJ的能量形成气态氢原子和气态氧原子，再进一步形成H2和O2时，还会释放出一部分能量，D错误。

【补偿训练】

1．下列事实不能用键能的大小来解释的是(　　)

A．N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．O2比N2更容易与H2反应

【解析】选B。由于N2分子中存在N≡N键，键能很大，破坏共价键需要很大的能量，N2的化学性质很稳定，A正确；稀有气体都为单原子分子，分子内部没有化学键，B错误；卤族元素从F到I原子半径逐渐增大，其氢化物中的键长逐渐变长，键能逐渐变小，所以稳定性逐渐减弱，C正确；由于N≡N键的键能大于O===O键的键能，所以更容易生成H2O，D正确。

2．(2021·天津高二检测)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

【解析】选C。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．(2021·河北选择考节选)KH2PO4晶体具有优异的非线性光学性能。我国科学工作者制备的超大KH2PO4晶体已应用于大功率固体激光器，填补了国家战略空白。已知有关氮、磷的单键和三键的键能(kJ·mol－1)如表：

从能量角度看，氮以N2、而白磷以P4(结构式可表示为)形式存在的原因是__________________________________________。

【解析】根据表中的相关共价键的键能可知，若6 mol N形成类似白磷分子结构的N4分子，可以释放出的能量为193 kJ×6＝1 158 kJ；若6 mol N形成N2分子，则可释放的能量为946 kJ×2＝1 892 kJ，则形成N2分子放出的能量更多，故在N数目相同的条件下，N2具有更低的能量，能量越低越稳定。同理，若6 mol P形成P4分子，可以释放出的能量为197 kJ×6＝1 182 kJ；若6 mol P形成P2分子，则可释放的能量为489 kJ×2＝978 kJ，显然，形成P4分子放出的能量更多，故在P数目相同的条件下，P4具有更低的能量，能量越低越稳定。

答案：在原子数目相同的条件下，N2比N4具有更低的能量，而P4比P2具有更低的能量，能量越低越稳定

素养新思维

5．六氟化硫气体是法国两位化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性气体。六氟化硫分子呈正八面体结构(如图所示)，在高电压下仍有良好的绝缘性，性质稳定，在电器工业方面有着广泛的用途，但逸散到空气中会引起强温室效应。请结合六氟化硫的结构，回答下列问题。

(1)六氟化硫分子中的各原子是否均为8电子稳定结构？

提示：根据结构图分析每个F原子和1个S原子形成1对共用电子对，每个S原子和6个F原子形成6对共用电子对，所以F原子都达到8电子稳定结构，但S原子最外层达到12电子。

(2)六氟化硫分子中含哪些共价键？其分子中键长、键能是否都相等？

提示：六氟化硫分子中的S—F键都是σ键，为正八面体结构，所以键长、键能都相等。