高中化学专题3共价键的键能与化学反应的反应热原子晶体学案苏教版.docx

第2课时共价键的键能与化学反应的反应热原子晶体目标导航1.掌握共价键的键能与键长的概念以及它们之间的关系。能用键能、键长等说明简单分子的某些性质。2.掌握共价键的键能与化学反应过程中的能量变化之间的关系。3.掌握原子晶体的概念及原子晶体的结构与物理性质特点。一、共价键的键能与化学反应的反应热1共价键的键能共价键的键能是在101 kPa、298 K条件下，1mol气态AB分子生成气态A原子和B原子的过程中所吸收的能量，称为AB间共价键的键能。其单位为kJmol1。如断开1 mol HH键吸收的能量为436.0 kJ，即HH键的键能为436.0kJmol1。键能越大，形成化学键时放出的能量越多，意味着化学键越稳定，越不容易被破坏。2键长两个成键原子的原子核间的距离叫做该共价键的键长。一般而言，化学键的键长越短，键能越大，化学键越强，键越牢固。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，键长越短，键能越大。3键能与化学反应过程中的能量关系(1)化学反应的实质是旧化学键断裂和新化学键形成的过程。(2)旧化学键断裂吸收能量，新化学键形成放出能量。化学反应过程中，旧键断裂所吸收的总能量大于新键形成所放出的总能量，反应为吸热反应，否则，反应为放热反应。反应热(H)反应物总键能生成物总键能。(3)反应物和生成物的化学键的强弱决定着化学反应过程中的能量变化。议一议1根据下表中的HX键的键能回答下列问题：共价键HFHClHBrHI键能/kJmol1567431366298(1)若使2 mol HCl键断裂为气态原子，则发生的能量变化是吸收862kJ的能量。(2)表中共价键最难断裂的是HF，最易断裂的是HI。(3)由表中键能数据的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分子很稳定，最难分解，HI分子最不稳定，易分解。2下列三种分子中：H2、Cl2、Br2，共价键的键长最长的是，键能最大的是。3已知HH、ClCl、HCl键的键能分别为436 kJmol1、243 kJmol1、431 kJmol1。试通过键能数据估算H2(g)Cl2(g)=2HCl(g)反应的反应热是多少？答案HE(反应物键能之和)E(生成物键能之和)(4362432431) kJmol1183 kJmol1。二、原子晶体1原子晶体的概念相邻原子间以共价键相互结合形成的晶体叫做原子晶体。2原子晶体中存在的微粒原子晶体中存在的微粒为原子；微粒间的相互作用为共价键。3典型的原子晶体金刚石在金刚石晶体中，每个碳原子被周围4个碳原子包围，以共价键跟4个碳原子结合形成4个共价单键，其CCC夹角为109.5。金刚石晶体中C原子个数与CC键数之比为112。金刚石结构中最小的环中，有6个C原子，金刚石晶胞中含8个C原子。4原子晶体的物理性质熔点高，硬度大，不导电，难溶于一般溶剂。5常见的原子晶体(1)某些非金属单质，如晶体硼(B)、晶体硅(Si)和金刚石等。(2)某些非金属化合物，如金刚砂(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。议一议1原子晶体的物理性质有哪些？答案由于原子晶体中原子间以较强的共价键相结合，故原子晶体：熔、沸点很高，硬度大，一般不导电，难溶于溶剂。2氮化碳晶体是新发现的一种高硬度材料，该晶体类型应该是晶体。试根据物质结构知识推测氮化碳晶体与金刚石比较，硬度更大的应该是晶体，熔点较低的应是晶体。答案原子氮化碳金刚石解析根据氮化碳为高硬度材料且都由非金属元素组成，推断该晶体应为原子晶体。又因为N原子半径小于C原子半径，所以CN键比CC键更强，硬度更大的应该是氮化碳，熔点较低的是金刚石。一、键长、键能与反应热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H反应物键能总和生成物键能总和，H0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。根据共用电子对数比较，相同的两个原子间形成共价键时，单键键长双键键长叁键键长。3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多。(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多。(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。特别提醒由分子构成的物质，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。例1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：化学键CCCHCOSiSiSiHSiO356413336226318452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)Si与C相比更易生成氧化物，原因是。解析(1)因为CH键的键能大于SiH键的键能，所以CH4比SiH4稳定。(2)CC键和CH 键的键能比SiSi键和SiH键都大，因此烷烃比较稳定，而硅烷中SiSi键和SiH键的键能较低，易断裂，导致长链硅烷难以生成。(3)CH键的键能大于CO键，CH键比CO键稳定，而SiH键的键能却远小于SiO键，所以SiH键不稳定而倾向于形成稳定性更强的SiO键。答案(1)CH4比SiH4稳定(2)CC键和CH键较强，所形成的烷烃稳定，而硅烷中SiSi键和SiH键的键能较低，易断裂，导致长链硅烷难以生成(3)CH键的键能大于CO键，CH键比CO键稳定，而SiH键的键能却远小于SiO键，所以SiH键不稳定而倾向于形成稳定性更强的SiO键解题反思键能和键长决定分子的稳定性，许多物质的化学性质与键能有关，例如N2、SiO2等的化学性质不活泼就与键能的大小有关。变式训练1某些化学键的键能如下表所示(kJmol1)：键HHBrBrIIClClHClHIHBrHF键能436193151243431297363565根据表中数据回答下列问题：(1)下列物质本身具有的能量最低的是(填字母序号，下同)。AH2BCl2CBr2DI2(2)下列氢化物中，最稳定的是。AHF BHClCHBr DHI(3)X2H2=2HX(X代表F、Cl、Br、I，下同)的反应是(填“吸热”或“放热”)反应。(4)1 mol Cl2在一定条件下与等物质的量的H2反应，放出的热量是kJ。相同条件下，X2分别与H2反应，当消耗等物质的量的氢气时，放出的热量最多的是。答案(1)A(2)A(3)放热(4)183F2解析(1)和(2)能量越低越稳定，破坏其中的化学键需要的能量就越多，形成其中的键时放出的能量也越多。(3)和(4)，H反应物的总键能生成物的总键能。解题反思化学反应的焓变反应物的总键能生成物的总键能，计算反应热时，要准确计算出每摩尔物质所含有的各共价键的数目。二、典型的原子晶体金刚石(晶体硅)、二氧化硅、碳化硅的晶胞1金刚石(晶体硅)金刚石(晶体硅)晶胞的每个顶点和面心均有1个C(Si)原子，晶胞内部有4个C(Si)原子，每个金刚石(晶体硅)晶胞中含有8个C(Si)原子。2二氧化硅晶胞SiO2晶体结构相当于在晶体硅结构中每两个Si原子中间插入一个O原子，参照金刚石晶胞模型，在SiO2晶胞中有8个Si原子位于立方晶胞的顶点，有6个Si原子位于立方晶胞的面心，还有4个Si原子与16个O原子在晶胞内构成4个硅氧四面体，均匀排列于晶胞内。每个SiO2晶胞中含有8个Si原子和16个O原子。3碳化硅晶胞(1)每个硅(碳)原子与周围紧邻的4个碳(硅)原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成空间网状结构。(2)最小碳环由6个原子组成且不在同一平面内，其中包括3个C原子和3个Si原子。(3)每个SiC晶胞中含有4个C原子和4个Si原子。例2碳化硅和立方氮化硼的结构与金刚石类似，碳化硅硬度仅次于金刚石，立方氮化硼硬度与金刚石相当，其晶胞结构如图所示。请回答下列问题：(1)每个硅原子周围与其距离最近的碳原子有个；设晶胞边长为a cm，密度为b gcm3，则阿伏加德罗常数可表示为(用含a、b的式子表示)。(2)立方氮化硼晶胞中有个硼原子，个氮原子，若晶胞的边长为a cm，则立方氮化硼的密度表达式为gcm3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。解析(1)SiC晶体中，每个Si原子与4个C原子形成4个键，每个Si原子距离最近的C原子有4个。SiC晶胞中，碳原子数为684个，硅原子位于晶胞内，硅原子数为4个，1个晶胞的质量为 g，体积为a3 cm3，因此晶体密度：b gcm3，故NA mol1。(2)立方氮化硼晶胞中，含有N原子数为684个，B原子位于晶胞内，立方氮化硼晶胞中含硼原子4个。每个立方氮化硼晶胞的质量为 g，体积为a3 cm3，故密度为 gcm3。答案(1)4 mol1(2)44解题反思晶胞中原子个数配位数金刚石8个4碳化硅C 4个Si 4个4氮化硼N 4个B 4个4变式训练2关于SiO2晶体的叙述正确的是()A60 g SiO2晶体中含有NA个分子(NA表示阿伏加德罗常数的数值)B60 g SiO2晶体中，含有2NA个SiO键CSiO2晶体中与同一Si原子相连的4个O原子处于同一四面体的4个顶点DSiO2晶体中，1个Si原子和2个O原子形成2个共价键答案C解析SiO2晶体为原子晶体，晶体中不存在单个分子，A不正确；1 mol SiO2晶体含有SiO键4 mol，B不正确；SiO2晶体中，与每个Si原子相连的4个O构成正四面体结构，O原子位于顶点，Si原子位于四面体的中心，C正确；SiO2晶体中，1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，D不正确。解题反思硅晶体二氧化硅晶体1下列说法不正确的是( )A键能越小，表示化学键越牢固，越难以断裂B成键的两原子核越近，键长越短，化学键越牢固，性质越稳定C破坏化学键时消耗能量，而形成化学键时释放能量D键能、键长只能定性地分析化学键的强弱答案A解析键能越大，断开该键所需的能量越多，化学键越牢固，性质越稳定，故A项错误。2某原子晶体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AA键中插入一个B原子，则C的化学式为()AAB BA5B4 CAB2 DA2B5答案C3下列分子中最难断裂成原子的是( )AHF BHClCHBr DHI答案A解析因为原子半径IBrClF，电负性FClBrI，所以它们与H原子形成的氢化物分子的键能E(HF)E(HCl)E(HBr)E(HI)。键能越大，化合物越难断裂成原子。4已知C3N4晶体具有比金刚石更大的硬度，且原子间均以单键结合。下列关于晶体的说法正确的是()AC3N4晶体是离子晶体BC3N4晶体中，CN键的键长比金刚石中CC键的键长要长CC3N4晶体中微粒间通过离子键结合DC3N4晶体中每个碳原子连接4个氮原子，而每个氮原子连接3个碳原子答案D解析C3N4晶体原子间均以单键结合，则原子间为共价键，且硬度比金刚石大，所以C3N4晶体是原子晶体，A、C错；因为氮原子比碳原子半径小，所以CN键比CC键的键长要短，B错误；因为碳原子最外层有4个孤电子对，易形成4个共价键，氮原子最外层有3个孤电子对，易形成3个共价键，所以C3N4晶体中每个碳原子连接4个氮原子，而每个氮原子连接3个碳原子，D正确。5金刚石具有硬度大、熔点高等特点，大量用于制造钻头、金属切割刀具等。其结构如图所示。下列判断正确的是()A金刚石中CC键的键角均为109.5，所以金刚石和CH4的晶体类型相同B金刚石熔点高与CC键的键能无关C金刚石中碳原子个数与CC键个数之比为12D金刚石熔点高，所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却答案C解析选项A，金刚石是原子晶体，CH4是分子晶体，二者的晶体类型不同；选项B，金刚石熔化过程中CC键断裂，因CC键的键能大，断裂时需要的能量多，故金刚石熔点很高；选项C，金刚石中每个C参与了4个CC键的形成，而每个C对每条键的贡献只有一半，故C原子个数与CC键个数之比为(4)412；选项D，金刚石熔点高，但在打孔过程中会产生极高的温度，如不浇水冷却钻头，会导致钻头熔化。6单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据，回答下列问题：金刚石晶体硅晶体硼熔点/K3 8231 6832 573沸点/K5 1002 6282 823硬度107.09.5(1)晶体硼的晶体类型属于晶体，理由是。(2)已知晶体硼的基本结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图)，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点上各有1个B原子。通过观察图形及推算，此晶体结构单元由个B原子组成。答案(1)原子晶体硼的熔、沸点和硬度都介于晶体硅和金刚石之间，而金刚石和晶体硅均为原子晶体，B与C相邻且与Si处于对角线位置，也应为原子晶体(2)12解析(2)每个三角形的顶点被5个三角形所共有，所以，此顶点完全属于一个三角形的只占到1/5，每个三角形中有3个这样的点，且晶体B中有20个这样的三角形，因此，晶体B中这样的顶点(B原子)有3/52012个。基础过关一、共价键的键能与化学反应的反应热及分子的稳定性1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DHCl键的键能为431 kJmol1，HBr键的键能为366 kJmol1，这可以说明HCl比HBr分子稳定答案D解析键能越大，分子越稳定，A错，D正确；HH键没有方向性，B错；形成共价键的两个原子之间的核间距叫键长，C错。2已知：2H2(g)O2(g)=2H2O(g)H483.6 kJmol1，有关键能数据如下表：化学键HHO=O键能/kJmol1436498则水分子中OH键键能为()A463.4 kJmol1B926.8 kJmol1C221.6 kJmol1D413 kJmol1答案A解析水的结构式为HOH,2 mol水分子中含有4 mol HO键，2H2(g)O2(g)=2H2O(g)H483.6 kJmol1，反应物总键能生成物总键能反应热，则：436 kJmol12498 kJmol14E(OH)483.6 kJmol1，故E(OH)463.4 kJmol1，故选A。3下表列出部分化学键的键能：化学键SiOSiClHHHClSiSiSiCClCl键能/kJmol1460360436431176347243据此判断下列说法正确的是()A表中最稳定的共价键是SiSiBCl2(g)2Cl(g)H243 kJmol1CH2(g)Cl2(g)=2HCl(g)H183 kJmol1D根据表中数据能计算出SiCl4(g)2H2(g)=Si(s)4HCl(l)的H答案C解析A项，键能越大形成的化学键越稳定，表中键能最大的是SiO键，最稳定的共价键是SiO键，故A错误；B项，氯气变化为氯原子吸热等于氯气中断裂化学键需要的能量，Cl2(g)2Cl (g)H243 kJmol1 ，故B错误；C项，依据键能计算，反应焓变反应物键能总和生成物键能总和，H436 kJmol1243 kJmol12431 kJmol1183 kJmol1，H2(g)Cl2(g)=2HCl(g)H183 kJmol1，故C正确；D项，HCl(g)=HCl(l)的H未告知，故无法计算SiCl4(g)2H2(g)=Si(s)4HCl(l)的H，故D错误。4化学反应可视为旧键断裂和新键形成的过程。化学键的键能是形成(或拆开)1 mol化学键时释放(或吸收)的能量。已知白磷和P4O6的分子结构如下图所示。现提供以下化学键的键能(kJmol1)：PP：198PO：360O=O：498，则反应P4(白磷)3O2=P4O6的反应热H为()A1 638 kJmol1B1 638 kJmol1C126 kJmol1D126 kJmol1答案A解析由反应方程式知，该反应的能量变化包括1 mol P4和3 mol O2断键吸收的能量和1 mol P4O6成键放出的能量。由各物质的分子结构知1 mol P4含6 mol PP键，3 mol O2含3 mol O=O键，1 mol P4O6含12 mol PO 键，故H198 kJmol16498 kJmol13360 kJmol1121 638 kJmol1。5已知：1 mol H2分子中化学键断裂时需要吸收436 kJ的能量1 mol Cl2分子中化学键断裂时需要吸收243 kJ的能量由H原子和Cl原子形成1 mol HCl分子时释放431 kJ的能量下列叙述正确的是()A氢气和氯气反应生成氯化氢气体的热化学方程式是H2(g)Cl2(g)=2HCl(g)B氢气和氯气反应生成2 mol 氯化氢气体，反应的H183 kJmol1C氢气和氯气反应生成2 mol 氯化氢气体，反应的H183 kJmol1D氢气和氯气反应生成1 mol 氯化氢气体，反应的H183 kJmol1答案C解析氢气和氯气生成氯化氢的反应热等于氢气键能加氯气键能减去氯化氢键能的2倍，即H436 kJmol1243 kJmol12431 kJmol1183 kJmol1，故氢气和氯气反应生成氯化氢的热化学方程式为H2(g)Cl2(g)=2HCl(g)H183 kJmol1。6下列事实不能用键能的大小来解释的是( )AN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CHF、HCl、HBr、HI的稳定性逐渐减弱DF2比O2更容易与H2反应答案B解析本题主要考查键参数的应用。由于N2分子中存在叁键，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，分子内部没有化学键；卤族元素从F到I原子半径逐渐增大，其氢化物中的键长逐渐变长，键能逐渐变小，所以稳定性逐渐减弱；由于HF的键能大于HO，所以二者比较更容易生成HF。二、原子晶体的结构与性质7氮氧化铝(AlON)属于原子晶体，是一种超强透明材料。下列描述错误的是()AAlON和石英的化学键类型相同B电解熔融AlON可得到AlCAlON的N元素化合价为1价DAlON和石英晶体类型相同答案B解析A项，AlON和石英均属于原子晶体，只含有共价键，正确；B项，AlON属于原子晶体，只含有共价键，熔融时不导电，电解时不能得到Al，错误；C项，AlON中O为2价，Al为3价，所以N元素的化合价为1价，正确；D项，AlON和石英均属于原子晶体，正确。8氮化碳结构如图，其中氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。下列有关氮化碳的说法不正确的是( )A氮化碳属于原子晶体B氮化碳中碳显4价，氮显3价C氮化碳的化学式为C3N4D每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连答案B解析根据氮化碳硬度超过金刚石晶体判断，氮化碳属于原子晶体，A项正确；氮的非金属性大于碳的非金属性，氮化碳中碳显4价，氮显3价，B项错误；氮化碳的化学式为C3N4，每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连，C项和D项正确。9下表是某些原子晶体的熔点和硬度：原子晶体金刚石氮化硼碳化硅石英硅锗熔点/3 9003 0002 7001 7101 4101 211硬度109.59.576.56.0分析表中的数据，判断下列叙述正确的是()构成原子晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高构成原子晶体的原子间的共价键键能越大，晶体的熔点越高构成原子晶体的原子的半径越大，晶体的硬度越大构成原子晶体的原子的半径越小，晶体的硬度越大ABCD答案D解析原子晶体的熔点和硬度与构成原子晶体的原子间的共价键键能有关，而原子间的共价键键能与原子半径的大小有关。10下列说法正确的是()A在含4 mol SiO键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4NAB金刚石晶体中，碳原子数与CC键数之比为12C30 g二氧化硅晶体中含有0.5NA个二氧化硅分子D晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的原子晶体答案B解析在二氧化硅晶体中，每个硅原子形成4个SiO键，故含有4 mol SiO键的二氧化硅晶体的物质的量为1 mol，即含有2NA个氧原子，A项错误；金刚石中每个碳原子均与另外4个碳原子形成共价键，且每两个碳原子形成一个CC键，故1 mol碳原子构成的金刚石中共有2 mol CC键，因此碳原子数与CC键数之比为12，B项正确；二氧化硅晶体中不存在分子，C项错误；氖晶体是由单原子分子通过分子间作用力结合在一起形成的，属于分子晶体，D项错误。能力提升11某些共价键的键能数据如下(单位：kJmol1)共价键HHClClBrBrHClHI键能436247193431299共价键IINNHOHN键能151946463391(1)把1 mol Cl2分解为气态原子时，需要 (填“吸收”或“放出”) kJ能量。(2)由表中所列化学键所形成的分子中，最稳定的是，最不稳定的是(写出物质的化学式)。(3)试通过键能数据估算下列反应的反应热：3H2(g)N2(g)2NH3(g)H。答案(1)吸收247(2)N2I2(3)92 kJmol1解析(2)比较这些共价键键能的数值可知，NN键的键能最大，II键的键能最小，所以N2分子最稳定，I2分子最不稳定。(3)在反应3H2(g)N2(g)2NH3(g)中，有3 mol HH键和1 mol NN键断裂，共吸收能量3436 kJ946 kJ2 254 kJ，形成6 mol HN键共放出能量391 kJ62 346 kJ。放出的能量大于吸收的能量，所以该反应为放热反应，H2 254 kJmol12 346 kJmol192 kJmol1。12根据氢分子的形成过程示意图回答下列问题：(1)HH键的键长为，中，体系能量由高到低的顺序是。(2)下列说法中正确的是(填字母)。A氢气分子中含有一个键B由到，电子在核间出现的概率增大C氢气分子中含有极性共价键(3)几种常见化学键的键能如下表：化学键SiOHOO=OSiSiSiC键能/kJmol1460464498176x请回答下列问题：比较SiSi键与SiC键的键能大小：x(填“”、“121 500 kJ990 kJ解析(1)可以直接从题图上有关数据得出HH键的键长为74 pm；体系能量由高到低的顺序是。(2)氢气分子中含有一个键，A错误；由到原子的核间距逐渐减小，电子云的重叠程度增大，电子在核间出现的概率增大，B正确；氢气分子中含有非极性共价键，C错误。(3)SiSi键的键长比SiC键的键长长，键能小。由题图可知HH键的键能为436 kJmol1，每千克H2燃烧(生成水蒸气)放出的热量约为(4642436498) kJmol1121 500 kJ；每摩尔硅完全燃烧放出的热量约为460