3.3.2 共价键的键能 共价晶体-2023-2024学年度高二化学同步精品讲义（苏教选择性必修2）

第2课时 共价键的键能 共价晶体

1．认识键能、键长等参数的概念。

2．能分析共价键的键能与化学反应中能量变化的关系。

3．借助金刚石、二氧化硅等模型认识共价晶体的结构特点及物理性质。

4．能根据共价晶体的微观结构预测其性质。

知识点01  共价键键能与化学反应的反应热

1．共价键的键能和键长

(1)键能的定义：

共价键的键能是在101 kPa、298 K条件下，1mol_______AB分子生成_______A原子和B原子的过程中所_______的能量，称为AB间共价键的键能。其单位为__________。

如：断开1 mol H—H键吸收的能量为436 kJ，即H—H键的键能为__________。

(2)键长的定义：

两原子间形成共价键时，__________的平均间距。

(3)键能与键长的关系：

当两个原子形成共价键时，原子轨道发生重叠，重叠程度越大，键长_______，键能_______。

2．键能与反应热的关系

(1)反应物和生成物中化学键的_______直接决定着化学反应过程中的_______变化。

(2)若化学反应中旧化学键断裂所吸收的总能量_______新化学键形成所放出的总能量，该反应通常为_______反应。反之，该反应为_______反应。

(3)由键能计算化学反应的反应热

ΔH＝_____________________－_____________________。

【即学即练1】下列关于共价键的说法正确的是（    ）

A．键能是衡量化学键强度的物理量

B．键长是指形成共价键的两个原子之间的间距

C．两个原子形成共价键时，原子轨道重叠程度越大，键能越大

D．单键一般比双键的键能更大

【即学即练2】根据下表中所列的键能数据，判断下列分子中最不稳定的是(　　)

A．HCl          B．HBr        C．H2       D．Br2

【即学即练3】已知N2＋O2 = 2NO为吸热反应，ΔH＝180 kJ·mol－1，其中N≡N、O=O键的键能分别为 946 kJ·mol－1、498 kJ·mol－1，则氮氧原子之间的键能为(　　)

A．1264 kJ·mol－1             B．632 kJ·mol－1 

C．316 kJ·mol－1              D．1624 kJ·mol－1

知识点02  共价晶体

1．共价晶体

(1)概念：晶体中所有原子通过_______结合，形成____________结构，这样的晶体叫做共价晶体。

(2)共价晶体中只存在_______键，原子间全部通过_______相结合。

(3)共价晶体中不存在单个分子。如SiO2代表硅原子也氧原子的原子个数比为_______，并不代表分子。

2．常见的共价晶体

(1)某些单质，如：_______、_______、晶体硼、晶体Ge等。

(2)某些化合物，如：___________、___________、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅（Si3N4）等。

3．常见的共价晶体的结构

(1)金刚石晶体

①在晶体中每个碳原子以共价键与相邻的______个碳原子相结合，形成__________结构。

②晶体中C—C—C夹角为_______。

③最小环上有_____个碳原子。

④金刚石晶胞中共有______个碳原子，配位数为______。

(2)二氧化硅晶体

①在晶体中每个硅原子与_____个氧原子形成_____个共价键；每个氧原子与_____个硅原子相结合，形成__________结构。

②硅原子位于___________的中心，氧原子位于___________的顶点。

③SiO2晶体中硅原子与氧原子的个数比为_______。

4．共价晶体的物理性质

(1)共价晶体一般有_______的熔点、沸点和_______的硬度。

(2)结构相似的共价晶体，共价键的键长越长，键能越小，晶体的熔、沸点_______，硬度_______。

【即学即练4】有关共价晶体的叙述，错误的是(　　)

A．共价晶体中，原子不遵循紧密堆积原则

B．共价晶体中不存在独立的分子

C．共价晶体的熔点和硬度较高

D．共价晶体熔化时不破坏化学键

【即学即练5】氮化硅是一种高温陶瓷材料，它硬度大，熔点高，化学性质稳定。工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃反应制得。

（1）氮化硅属于_______晶体。

（2）已知氮化硅晶体结构中，原子间都以共价键相连，且N原子与N原子之间，Si原子与Si原子之间不直接相连，同时每个原子都满足8电子结构，请写出氮化硅的化学式___________。

考法01  键参数与化学反应的反应热

1．键能及其应用

(1)键能的意义：

键能是衡量共价键稳定性的一个重要参数。键能越大，即形成共价键时放出的热量越多，共价键越稳定。

①N2分子的化学性质很稳定，是因为N≡N的键能很大（946kJ·mol-1）。

②H-F、H-Cl、H-Br、H-I键的键能依次为567 kJ·mol-1、431 kJ·mol-1、366 kJ·mol-1、298 kJ·mol-1，键能逐渐减小，HF、HCl、HBr、HI分子的稳定性逐渐减弱。

③CH2=CH2中C=C键的键能（615 kJ·mol-1）小于C2H6中C-C键的键能（348 kJ·mol-1）的两倍，CH≡CH中C≡C键的键能（812 kJ·mol-1）小于C-C键的键能的3倍，也小于C-C键、C=C键的键能之和，表明乙烯、乙炔分子中的π键不如σ键牢固，比较容易断裂。

(2)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．键长及其应用

(1)键长的意义：

键长是衡量共价键稳定性的另一个参数。键能越短，往往键能越大，表明共价键越稳定。键能和键长共同决定键的稳定性和分子的性质。例如：F-F、Cl-Cl、Br-Br、I-I的键长逐渐增大，分子的稳定性逐渐减弱。

(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。如：当两个原子间形成双键、叁键时，由于原子轨道的重叠程度增大，原子之间的核间距减小，即键长变短。如C-C、C=C、C≡C的键长分别为154pm、133pm、120pm。

【典例1】碳和硅的有关化学键键能如表所示，简要分析和解释下列有关事实：

(1)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_____________ _____________________________________________________。

(2)SiH4的稳定性小于CH4，更易生成氧化物，原因是___________________________________。

(3) 根据题目中所给信息，你可以判断硅单质与二氧化硅晶体的熔点和硬度大小吗？

考法02  共价晶体

1．共价晶体的结构特点

(1)共价晶体中不存在分子，晶体中所有原子全部参与形成共价键，故共价晶体中一定存在共价键。但含有共价键的晶体却不一定是共价晶体，只有原子间的共价键形成空间立体网状结构时才形成共价晶体。

(2)共价晶体的晶胞中，原子间为空间的立体网状结构，晶体中不存在单个分子，共价晶体的化学式仅表示物质中的原子个数的比例关系，不是分子式。

(3) 共价键的饱和性和方向性分别决定了每个原子周围配位数的多少和键角的大小，所以共价晶体不遵循紧密堆积原则，而是较松散排列的结构。如金刚石晶体中，每个碳原子周围排列的碳原子只能有四个。

2．常见的共价晶体的结构

(1)金刚石晶体的结构

①成键特征：每个碳原子与相邻的4个碳原子形成4个共价键，键长相等，键角为109°28’，每个碳原子的配位数为4。

②结构单元：每个碳原子均与相邻的4个碳原子构成正四面体，向空间无限延伸得到立体网状结构的晶体，在1个正四面体中含有1+4×1/4=2个碳原子。

③晶胞：①8个顶点，6个面心上各有1个碳原子；②把晶胞分割分8个小立方体，则每个小立方体的互为对角位置的4个顶点各有1个碳原子，4个互不相邻的小立方体的体心各有1个碳原子。则每个金刚石晶胞中有8个碳原子。

④金刚石晶体中每个C原子形成4个C—C键，而每个键为2个C原子所共有，故碳原子的个数与C—C键数比为1∶(4×1/2)=1∶2。因此12g（1mol）金刚石中含有2mol（2NA个）C—C键。

(2)晶体硅、碳化硅晶体的结构

①晶体硅：将金刚石晶胞中的碳原子换成硅原子，就是晶体硅的晶胞。

每个晶体硅晶胞中有8个硅原子。

②碳化硅：将晶体硅晶胞的顶点、面心上的硅原子换成碳原子，体内4个硅原子不变，就是碳化硅的晶胞。

每个碳化硅晶胞中有4个碳原子、4个硅原子。

③1mol晶体硅中含有2molSi—Si键，1molSiC中含有4molSi—C键。

(3)二氧化硅（石英）晶体的结构

①二氧化硅晶体可以看作是在晶体硅中2个硅原子之间插入了1个氧原子。每个硅原子与4个氧原子结合，硅原子位于正四面体的中心，氧原子位于正四面体的顶点。

②每个氧原子为2个正四面体共有，每个正四面体中占有1个完整的硅原子。因此硅氧原子的个数比为1：（4×1/2）=1：2。因此二氧化硅晶体中并不存在单个的SiO2分子，它是由硅原子和氧原子按1：2的比例组成的空间立体网状结构的晶体。

③1molSiO2含有4molSi—O键。

【典例2】科学家成功地制成了一种新型的碳氧化合物，该化合物晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为空间网状的无限伸展结构。下列对该晶体叙述错误的是(　　)

A．晶体的熔、沸点高，硬度大

B．该物质的化学式为CO2

C．晶体中C原子数与C—O化学键数之比为1∶6

D．晶体的空间最小环由12个原子构成

题组A  基础过关练

1．根据H+H→H2同时放出436 kJ·mol-1的能量，可以说明（　　）

A．氢原子比氢分子稳定

B．氢分子跟氢原子稳定性一样

C．两个氢原子比一个氢分子能量高

D．氢气分子离解成氢原子的放出能量

2．下列说法正确的是(　　)

A．键能越大，表示该分子越容易受热分解

B．共价键都具有方向性

C．在分子中，两个成键的原子间的距离叫键长

D．H—Cl键的键能为431.8 kJ·mol-1，H—Br键的键能为366 kJ·mol-1，这可以说明HCl比HBr分子稳定

3．下列晶体中属于共价晶体且为单质的是 (　　)

A．金属铜   B．金刚砂        C．金刚石       D．水晶

4．下列说法中正确的是(　　)

A．金刚石晶体中的最小碳原子环由6个碳原子构成

B．共价晶体中除极性键外不存在其它类型的化学键

C．SiO2晶体中存在SiO2分子

D．金刚石化学性质稳定，即使在高温下也不会和O2反应

5．氮化硼(BN)是一种新型结构材料，具有超硬、耐磨、耐高温等优良特性，下列各组物质熔化时，所克服的微粒间作用与氮化硼熔化时克服的微粒间作用都相同的是(　　)

A．硝酸钠和金刚石　　　      B．晶体硅和水晶

C．冰和干冰             D．苯和萘

6．根据下列性质判断，属于共价晶体的物质是(　　)

A．熔点2 700 ℃，导电性好，延展性强

B．无色晶体，熔点3 550 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂

C．无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800 ℃，熔化时能导电

D．熔点-56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电

7．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．卤族元素氢化物的稳定性逐渐减弱

C．稀有气体一般难发生反应

D．O元素的电负性大于Cl，但Cl2比O2活泼性强

8．下列说法正确的是（　　）

A．在含2mol Si﹣O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4NA

B．30g二氧化硅晶体中含有0.5NA个二氧化硅分子

C．金刚石晶体中，碳原子数与C﹣C键数之比为1：2

D．晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的共价晶体

9．A、B、C、D四种元素处于同一周期，在同族元素中，A的氢化物最稳定，在所有元素中电负性最大。B的最高价氧化物对应的水化物的酸性在同周期中是最强的，C的电负性介于A、B之间，D与B相邻。

（1）C的原子的价电子排布式为________________。

（2）A、B、C三种元素原子的第一电离能由大到小的顺序是(写元素符号)____________。

（3）B的单质分子中存在________个π键。

（4）D和B形成一种超硬、耐磨、耐高温的新型化合物，该化合物属于________晶体，其硬度比金刚石________(填“大”或“小”)。

10．氮是地球上极为丰富的元素。

(1)Li3N晶体中氮以N3-存在，基态N3-的核外电子的轨道表示式为__________________________。 

(2)根据如表数据，写出氮气与氢气反应生成氨气的热化学方程式

_____________________________________________________。 

题组B  能力提升练

1．表中列出部分化学键的键能：

据此判断下列说法正确的是(　　)

A．表中最稳定的共价键是Si—Si键

B．Cl2(g) →2Cl(g)　ΔH=-243 kJ·mol-1

C．H2(g)+Cl2(g) ===2HCl(g)  ΔH=-183 kJ·mol-1

D．根据表中数据能计算出SiCl4(g)+2H2(g) ===Si(s)+4HCl(l)的ΔH

2．氮氧化铝(AlON)属于共价晶体，是一种超强透明材料。下列描述错误的是(　　)

A．AlON和石英的化学键类型相同

B．电解熔融AlON可得到Al

C．AlON的N元素化合价为-1

D．AlON和石英晶体类型相同

3．下列说法正确的是(NA为阿伏加德罗常数)(　　)

A．1 mol P4含有P—P键的个数为4NA

B．1 mol SiC中含有C—Si键的个数为2NA

C．含C为1 mol的金刚石中含有C—C键的个数为2NA

D．1 mol SiO2中含Si—O键的个数为2NA

4．氮化碳结构如图所示，其中β－氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。下列关于氮化碳晶体的说法正确的是(　　)

A．C3N4晶体中微粒间通过离子键结合

B．C3N4晶体中，C－N键的键长比金刚石中C－C键的键长要大

C．C3N4晶体中每个C原子连接4个N原子，而每个N原子连接3个C原子

D．由化学式可知，C3N4晶体中碳元素显－4价，氮元素显＋3价

5．已知下列氨分解的活化能Ea1＝600kJ/mol。2NH3(g)⇌N2(g)+3H2(g)  △H

反应中相关的化学键的键能数据如下：

由此计算合成氨反应[N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)]的活化能Ea2＝___________kJ•mol﹣1。

题组C  培优拔尖练

1．某共价晶体A，其空间结构中的一部分如图所示。A与某物质B反应生成C，其实质是在每个A—A键中插入一个B原子，则C的化学式为 (　　)

A．AB          B．A5B4        C．AB2          D．A2B5

2．在高压下氮气会聚合生成高聚氮，这种高聚氮的晶体中每个氮原子都通过三个单键与其他氮原子结合并向空间发展构成立体网状结构。已知晶体中N—N键的键能为160 kJ·mol-1，而N≡N的键能为942 kJ·mol-1。则下列有关说法不正确的是(　　)

A．键能越大说明化学键越牢固．所构成物质越稳定

B．高聚氮晶体属于共价晶体

C．高聚氮晶体中n(N)∶n(N—N)=1∶3

D．用作炸药或高能材料可能是高聚氮潜在的应用

3．金刚石是由碳原子所形成的正四面体结构向空间无限延伸而得到的具有空间网状结构的共价晶体。在立方体中，若一碳原子位于立方体体心，则与它直接相邻的四个碳原子位于该立方体互不相邻的四个顶角上(如图中的小立方体)。请问，图中与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数为多少？它们分别位于大立方体的什么位置(　　)

A．12，大立方体的12条棱的中点

B．8，大立方体的8个顶角

C．6，大立方体的6个面的中心

D．14，大立方体的8个顶角和6个面的中心

4．单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据：

（1）晶体硼的晶体类型属于________，理由是______________________________________。

（2）已知晶体硼的结构单元是由硼原子组成的正二十面体如图所示，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点各有一个硼原子。通过观察图形及推算，得出此基本结构单元由_____个硼原子构成，其中B—B键的键角为________，共含有____个B—B键。

5．硼及其化合物应用广泛。回答下列问题：

(1)基态B原子的外围电子层轨道表达式为___________________，其第一电离能位于同周期元素的第________位(按照由大到小顺序)。 

(2)立方氮化硼(BN)是特殊的耐磨和切削材料，其晶胞结构与金刚石相似，如图所示。

①1 mol BN晶体中，共价键的个数为________。硼原子和氮原子所连接的最小环为________元环。 

②晶胞有两个基本要素：原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置。如图所示，其中原子坐标参数X为(0，0，0)，Y原子的坐标参数为，则Z原子的坐标参数为________。晶胞参数，描述晶胞的大小和形状。已知最近的两个B原子的距离a nm，阿伏加德罗常数值为NA，则立方氮化硼的密度d=___________________g·cm-3。(列出计算式即可)