【化学up】高考化学全国版+ 结构与性质 02 考点二 共价键（教师版）+讲义

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【必备知识】
一、共价键的分类
1、共价键的本质及特征
共价键是原子间通过共用电子形成的化学键，其特征是具有方向性和饱和性。
(1)饱和性：每个原子所能形成共价键的数目是一定的。
(2)方向性：在形成共价键时，原子轨道重叠越大，电子在核间出现的概率越大，所形成的共价键越稳定，因此，共价键将尽可能沿着电子出现概率最大的方向形成，这就是共价键的方向性。
2、分类
3、σ键与π键的形成过程
（1）σ键：电子云“头碰头”重叠
①分类：σ键可分为s­s σ键、s­p σ键、p­p σ键。
s­s σ键：两个成键原子均提供s电子形成的共价键。
s­p σ键：两个成键原子分别提供s、p电子形成的共价键。
p­p σ键：两个成键原子均提供p、p电子形成的共价键。
②σ键的特征
a．以形成化学键的两原子核的连线为轴作旋转操作，共价键电子云的图形不变，这种特征称为轴对称。
b．形成σ键的原子轨道重叠程度大，故σ键有较强的稳定性，优先形成。
（2）π键：电子云“肩并肩”重叠
π键的特征
a．每个π键的电子云由两块组成，它们互为镜面，这种特征称为镜面对称。
b．形成π键时原子轨道重叠程度比形成σ键时小，π键没有σ键稳定。
例1、有以下物质：①HF ②Cl2 ③H2O ④N2 ⑤C2H4 ⑥C2H6 ⑦H2 ⑧H2O2 ⑨HCN
(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______________。
【答案】（1）①②③⑥⑦⑧；④⑤⑨（2）⑦（3）①③⑤⑥⑧⑨（4）②④⑤⑥⑧⑨
例2、（1）1ml有________个σ键，________个π键。
（2）1ml有________个σ键，________个π键。
（3）分子中σ键和π键的比例为______。
【答案】（1）8；2（2）10；3（3）9：1
二、键参数
1、键长
（1）概念：键长是构成化学键的两个原子处于平衡位置时的核间距。
（2）比较：原子半径越小，共价键的键长越小。同种原子形成共价键键长：单键>双键>三键。
例3、设石墨晶体中碳碳键的键长为a，金刚石中碳碳键和键长为b，比较a回答下列问题
（1）(2015 海南卷)SO3的三聚体环状结构如图所示，该结构中S原子的杂化轨道类型为sp3；该结构中S与O形成的共价键的键长有两类，一类键长约140 pm，另一类键长约为160 pm，较短的键为 （填a或b）。该分子中含有 个σ键。
（2）（2023 海南卷，节选）我国科学家发现一种钒配合物Ⅰ可以充当固氮反应的催化剂，反应过程中经历的中间体包括Ⅱ和Ⅲ。(代表单键、双键或叁键)
配合物Ⅱ和Ⅲ中，钒的化合价分别为+4和+3，配合物Ⅱ、Ⅲ和N2三者中，两个氮原子间键长最长的是_______。
【答案】（1）a 12 （2）配合物Ⅱ
【解析】（1）a为碳氧双键，b为碳氧单键。（2）配合物Ⅱ是氮氮单键
2、键能
（1）概念：气态分子中断裂（形成）1ml化学键解离成气态原子所吸收（释放）的能量。
（2）比较：
同种元素形成共价键键能：单键<双键<三键。（碳碳双键键能不等于碳碳单键键能的两倍）
一般键长越长，键能越小。
例5、（2014 山东卷）石墨烯(图甲)是一种由单层碳原子构成的平面结构新型碳材料，石墨烯中部分碳原子被氧化后，其平面结构会发生改变，转化为氧化石墨烯(图乙)。1号C与相邻C键能变化是 。（填“增大”“减小”或“不变”）
【答案】减小
【解析】碳原子的杂化方式由sp2杂化变为sp3杂化，碳碳键为σ键和离域大π键，而金刚石中碳碳键为σ键。
例6、简答题
（1）N2为什么化学性质稳定？
（2）比较CH4（3）比较金刚石和晶体硅的熔点，并说明原因。
【答案】（1）氮气存在在氮氮三键。
（2）因为原子半径C>N>O>F，所为键能C-H（3）金刚石与硅是共价晶体，熔点由键能决定。因为原子半径C3、键角
（1）键长和键角的数值可通过晶体的x射线衍射实验获得。
键角表明共价键具有方向性，键角决定分子的空间构型。
【概念辨析】
碳碳三键和碳碳双键的键能分别是碳碳单键的3倍和2倍。（ ）
键长等于成键两原子的半径之和。（ ）
键能是衡量化学键稳定性的参数之一，键能越大，则化学键就越牢固。（ ）
键长与共价键的稳定性没有关系。（ ）
键角是两个相邻共价键之间的夹角，说明共价键有方向性。（ ）
共价键是通过原子轨道重叠并共用电子对而形成的，说明共价键有饱和性。（ ）
共价键的成键原子只能是非金属原子。( )
在任何情况下，都是σ键比π键强度大。( )
分子的稳定性与分子间作用力的大小无关。( )
s-sσ键与s-pσ键的电子云形状对称性相同。( )
σ键能单独形成，而π键一定不能单独形成。( )
σ键可以绕键轴旋转，π键一定不能绕键轴旋转。( )
H2中的共价键不具有方向性。（ ）
B3N3H6(无机苯)的结构与苯类似，也有大π键。B3N3H6的熔点主要取决于所含化学键的键能 (2020·山东)( )
键能C—C＞Si—Si、C—H＞Si—H，因此C2H6稳定性大于Si2H6(2020·山东，4A)( )
28 g C2H4分子中含有的σ键数目为4NA( 2022·辽宁，3B)( )
【答案】 1.× 2.× 3.√ 4.× 5.√ 6.√ 7.× 8.× 9.√ 10.√ 11.√ 12.√ 13.√ 14.× 15.√ 16.×
【跟踪练习】
1、下列实验事实可以用共价键键能解释的是( )
A.氯化氢的沸点低于溴化氢 B.金刚石熔点高于晶体硅
C.氦气的化学性质稳定 D.甲烷是正四面体形分子
【答案】B
2、二氯化二硫(S2Cl2)，非平面结构，常温下是一种黄红色液体，有刺激性恶臭，熔点：－80℃，沸点：137.1 ℃。下列对于二氯化二硫叙述正确的是（ ）
A.二氯化二硫的电子式为 B.分子中既有极性键又有非极性键
C.分子中S—Cl的键长大于S—S的键长 D.分子中S—Cl的键能小于S—S的键能
【答案】B
3、 (2022·北京，9)由键能数据大小，不能解释下列事实的是( )
A.稳定性：CH4>SiH4 B．键长：C==O晶体硅
【答案】 C
【解析】 键能越大， 键长越短，分子越稳定，CO2是分子晶体，熔点由分子间作用力决定，与化学键无关；金刚石、晶体硅都是共价晶体，共价晶体中键能越大，晶体的硬度越大。
4、关于σ键和π键的形成过程，下列说法不正确的是( )
A．HCl分子中的σ键为两个s轨道“头碰头”重叠形成
B．N2分子中的π键为p-p π键，π键不能绕键轴旋转
C．CH4中的碳原子为sp3杂化，4个sp3杂化轨道分别与氢原子s轨道形成σ键
D．乙烯(CH2==CH2)中的碳碳之间形成了1个σ键和1个π键
【答案】 A
【解析】 HCl分子中的σ键由氢原子提供的未成对电子的1s原子轨道和氯原子提供的未成对电子的3p原子轨道“头碰头”重叠形成，故A错误；N2分子中p轨道与p轨道通过“肩并肩”重叠形成p-p π键，π键为镜面对称，不能绕键轴旋转，故B正确；CH4中的碳原子为sp3杂化，碳原子的4个sp3杂化轨道分别与氢原子s轨道重叠，形成C—H σ键，故C正确；CH2==CH2中的碳碳之间形成双键，双键中有1个σ键和1个π键，故D正确。
5、已知C3N4晶体很可能具有比金刚石更大的硬度，且原子间以单键结合。下列有关C3N4晶体的说法中错误的是( )
A、C3N4晶体与金刚石同属于共价晶体
B、C3N4晶体中C—N的键长比金刚石中C—C的键长长
C、C3N4晶体中每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子
D、C3N4晶体中含有极性共价键，不含非极性共价键
【答案】B
【解析】原子半径N6、氰气的化学式为(CN)2，结构式为N≡C—C≡N，性质与卤素相似，下列叙述正确的是( )
A．不和氢氧化钠溶液发生反应 B．分子中N≡C的键长大于C≡C的键长
C．分子中既有极性键，又有非极性键 D．分子中含有2个σ键和4个π键
【答案】 C
【解析】 氰气性质与卤素相似，能和氢氧化钠溶液发生反应，故A错误；同一周期元素中，原子半径随着原子序数的增大而减小，原子半径越大其键长越长，碳原子半径大于氮原子，所以氰分子中C≡N的键长小于C≡C的键长，故B错误；该分子的结构式为N≡C—C≡N，该分子中含有3个σ键、4个π键，故D错误。
7、二茂铁[(C5H5)2Fe]分子是一种金属有机配合物，是燃料油的添加剂，用以提高燃烧的效率和去烟，可作为导弹和卫星的涂料等。它的结构如图所示，下列说法正确的是( )
A．二茂铁中Fe2＋与环戊二烯离子(C5Heq \\al(－,5))之间为离子键 B．1 ml环戊二烯()中含有σ键的数目为5NA
C．分子中存在π键 D．Fe2＋的电子排布式为1s22s22p63s23p63d44s2
【答案】 C
【解析】 含有孤电子对和空轨道的原子之间存在配位键，所以二茂铁中Fe2＋与环戊二烯离子(C5Heq \\al(－,5))之间为配位键，故A错误；一个环戊二烯分子中含有σ键的数目为11，则1 ml环戊二烯中含有σ键的数目为11NA，故B错误；碳碳双键之间存在π键，所以该分子中存在π键，故C正确；铁原子核外有26个电子，铁原子失去最外层两个电子变为亚铁离子，根据构造原理可知，亚铁离子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d6，故D错误。
8、MO3可以催化1,2-丙二醇()获得多种有机物，其反应历程如图所示。下列说法正确的是( )
A．转化过程中涉及非极性共价键断裂与形成 B．反应过程中M形成共价键的数目始终保持不变
C．如果原料是乙二醇，则主要有机产物是乙二醛和乙烯
D．Cu催化氧化1,2-丙二醇所得产物与MO3催化时相同
【答案】 A
【解析】 历程③中有碳碳单键断裂，历程④中有碳碳双键形成，A正确；M周围形成共价键数目有6个、4个两种情况，B错误；根据题中信息可知，由历程③反应生成和，由历程④反应生成CH3CH==CH2，若乙二醇为原料历程③反应生成，由历程④反应生成CH2==CH2，C 错误；Cu催化氧化1,2-丙二醇生成物为，与MO3催化产物不同，错误。
9、(1)1 ml苯酚分子中含有的σ键数目为________。1 ml苯酚钠中含有的σ键数目为________。
(2)1 ml化合物A()中含有的σ键数目为________。
(3)[Cu(CH3CN)4]＋是非常稳定的络合离子，配体中σ键和π键个数之比为________。
(4)1 ml碳酸二乙酯(DEC，)中含有σ键的数目为______。
(5)1 ml [Ni(NH3)6]SO4中σ键的数目为________。
【答案】 (1)13NA 12NA (2)24NA (3)5∶2 (4)17NA (5)28NA
【解析】 (3)配体CH3CN中含有3个C—H、1个C—C和1个C≡N，故1 ml CH3CN中含有5NA σ键、2NA π键，σ键与π键个数之比为5∶2。
10、简单题
（1）Ge与C是同族元素，C原子之间可以形成双键、三键，但Ge原子之间难以形成双键或三键。从原子结构角度分析，原因是___________________________________________________________。
（2）硅是重要的半导体材料，构成了现代电子工业的基础。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____________________________________________________________________________。
②SiH4的稳定性小于CH4，更易生成氧化物，原因是______________________________。
（3）[2020·浙江7月选考，26(1)(2)]①气态氢化物热稳定性HF大于HCl的主要原因是_____________________________________________________________________________。
②CaCN2是离子化合物，各原子均满足8电子稳定结构，CaCN2的电子式是________。
（4）下列图像可表示两个F原子间成键后的电子云的图像是______(填字母)。
【答案】 （1）Ge原子半径大，原子间形成的σ单键较长，p-p轨道肩并肩重叠程度很小或几乎不能重叠，难以形成π键，不易形成双键或三键
(2)①C—C和C—H的键能较大，所形成的烷烃稳定。而硅烷中Si—Si和Si—H的键能较小，易断裂，导致长链硅烷难以生成
②C—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
(3)①原子半径：F＜Cl，键能：F—H＞Cl—H ②
(4)E分类依据
类型
形成共价键的原子轨道重叠方式
σ键
轨道“头碰头”重叠
π键
轨道“肩并肩”重叠
形成共价键的电子对是否偏移
极性键
共用电子对发生偏移
非极性键
共用电子对不发生偏移
原子间共用电子对的数目
单键
原子间有一对共用电子对，σ键
双键
原子间有两对共用电子对，σ键+π键
三键
原子间有三对共用电子对，σ键+2π键
化学键
C—H
Si—H
C==O
C—O
Si—O
C—C
Si—Si
键能/ (kJ·ml－1)
411
318
799
358
452
346
222
化学键
C—C
C—H
C—O
Si—Si
Si—H
Si—O
键能/ (kJ·ml－1)
365
413
336
226
318
452