高中化学人教版物质结构与性质第二章分子结构与性质第一节共价键 第二章第一节

第一节共价键[目标导航]1.了解共价键的主要类型σ键和π键，说出σ键和π键的明显差别和一般规律。2.能应用键参数——键能、键长、键角说明简单分子的某些性质。3.理解键能、键长、键角等键参数的概念。4.了解等电子原理、结合实例说明等电子原理的应用。一、共价键1．概念和特征原子间通过共用电子对形成的化学键为共价键。特征－eq\b\lc\|(\a\vs4\al\co1(→饱和性→决定分子的组成,→方向性→决定分子的立体构型))2．类型(按成键原子的原子轨道重叠方式分类)(1)σ键形成成键原子的s轨道或p轨道“头碰头”重叠而形成类型s－s型H—H的s－sσ键的形成s－p型H—Cl的s－pσ键的形成p－p型Cl—Cl的p－pσ键的形成特征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；σ键的强度较大(2)π键形成由两个原子的p轨道“肩并肩”重叠形成p－pπ键p－pπ键的形成特征π键的电子云具有镜像对称性，即每个π键的电子云由两块组成，分别位于由两原子核构成平面的两侧，如果以它们之间包含原子核的平面为镜面，它们互为镜像；π键不能旋转；不如σ键牢固，较易断裂。(3)σ键、π键的存在规律共价单键为σ键；共价双键中有一个σ键、一个π键；共价三键，由一个σ键和两个π键组成。【议一议】1．观察下图乙烷、乙烯和乙炔分子的结构回答：乙烷、乙烯和乙炔分子中的共价键分别由几个σ键和几个π键组成？答案乙烷分子中由7个σ键组成；乙烯分子中由5个σ键和1个π键组成；乙炔分子中由3个σ键和2个π键组成。二、键参数——键能、键长与键角1．概念和特点概念特点键能气态基态原子形成1mol化学键释放的最低能量键能越大，键越稳定键长形成共价键的两个原子之间的核间距键长越短，键能越大，键越稳定键角分子内两个共价键之间的夹角表明共价键有方向性，决定分子的立体结构2.对物质性质的影响【议一议】2．N2、O2、F2跟H2的反应能力依次增强，从键能的角度应如何理解这一化学事实？答案由教材表2­1中键能的数值可知：H—F>H—O>H—N，而键长：H—F<H—O<H—N，说明分子的稳定性：HF>H2O>NH3，所以N2、O2、F2跟H2的反应能力依次增强。三、等电子体1．等电子原理原子总数相同、价电子总数相同的分子具有相似的结构特征，它们的许多性质是相近的。2．等电子体满足等电子原理的分子称为等电子体。如CO和N2具有相同的原子总数和相同的价电子总数，属于等电子体，它们的许多性质相似。【议一议】3．写出常见的18电子微粒，讨论电子数相同的微粒与等电子体是否相同？答案电子数相同的微粒是指微粒中所有的电子数之和相同，但微粒中原子的数目不一定相同，如18电子的微粒有S2－、HS－、Cl－、Ar、K＋、Ca2＋、H2S、H2O2、N2H4、C2H6、CH3OH等。等电子体是指原子总数相等、价电子总数相同的微粒，其电子总数不一定相同。如N2O与CO2，其原子数、价电子数、电子总数相等；SO2和O3其原子数相同、价电子数相同，但电子总数SO2为32，O3电子总数为24，显然电子总数不同。一、共价键的类型——σ键和π键【例1】下列有关化学键类型的判断不正确的是()A．s—sσ键与s—pσ键的对称性不同B．分子中含有共价键，则至少含有一个σ键C．已知乙炔的结构式为H—C≡C—H，则乙炔分子中存在2个σ键(C—H)和3个π键(C≡C)D．乙烷分子中只存在σ键，即6个C—H键和1个C—C键都为σ键，不存在π键答案C解析s—sσ键无方向性，s—pσ键轴对称，A项对；在含有共价键的分子中一定有σ键，可能有π键，如HCl、N2等，B项对。单键都为σ键，乙烷分子结构式为，其6个C—H键和1个C—C键都为σ键，D项正确；共价双键中有一个为σ键，另一个为π键，共价三键中有一个为σ键，另外两个为π键，故乙炔(H—C≡C—H)分子中有2个C—Hσ键，C≡C键中有1个σ键、2个π键，C项错。规律总结1．共价键eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(本质：原子之间形成共用电子对（或电子云重叠）,特征：具有方向性和饱和性,成键方式\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(σ键\o(→,\s\up7(特征))电子云呈轴对称,π键\o(→,\s\up7(特征))电子云呈镜面对称)),规律\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(共价单键——σ键,共价双键——1个σ键、1个π键,共价三键——1个σ键、2个π键))))2．σ键和π键的比较键类型σ键π键原子轨道重叠方式沿键轴方向相对重叠沿键轴方向平行重叠原子轨道重叠部位两原子核之间，在键轴处键轴上方和下方，键轴处为零原子轨道重叠程度大小键的强度较大较小化学活泼性不活泼活泼变式训练1下列说法中不正确的是()A．σ键比π键重叠程度大，形成的共价键强B．两个原子之间形成共价键时，最多有1个σ键C．气体单质中，一定有σ键，可能有π键D．N2分子中有1个σ键，2个π键答案C解析气体单质分子中，可能有σ键，如Cl2；可能有π键，如N2；也可能没有化学键，如稀有气体。二、键参数——键能、键长与键角【例2】关于键长、键能和键角，下列说法中不正确的是()A．键角是描述分子立体结构的重要参数B．键长的大小与成键原子的半径和成键数目有关C．C=C键等于C—C键键能的2倍D．因为O—H键的键能小于H—F键的键能，所以O2、F2与H2反应的能力逐渐增强答案C解析键角是描述分子立体结构的重要参数，如H2O中两个H—O键的键角为105°，故H2O为V形分子，A项正确；键长的大小与成键原子的半径有关，如Cl的原子半径小于I的原子半径，Cl—Cl键的键长小于I—I键的键长，此外，键长还和成键数目有关，如乙烯分子中C=C键的键长比乙炔分子中C≡C键的键长要大，B项正确；C=C键的键能为615kJ·mol－1，C—C键的键能为kJ·mol－1，二者不是2倍的关系，C项错误；O—H键的键能为kJ·mol－1，H—F键的键能为568kJ·mol－1，O—H键与H—F键的键能依次增大，意味着形成这些键时放出的能量依次增大，化学键越来越稳定，O2、F2跟H2反应的能力依次增强，D项正确。规律总结共价键强弱的判断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。变式训练2下列说法中正确的是()A．分子中键能越大，键长越长，则分子越稳定B．元素周期表中的第ⅠA族(除H外)和第ⅦA族元素的原子间可能形成共价键C．水分子可表示为H—O—H，分子中键角为180°D．H—O键的键能为467kJ·mol－1，即18gH2O分解成H2和O2时，消耗能量为934kJ答案B解析D项中，H—O键键能为467kJ·mol－1，指的是气态基态氢原子和氧原子形成1molH—O键时释放的最低能量，则拆开1molH—O键形成气态氢原子和氧原子所需吸收的能量也为467kJ，18gH2O即1molH2O中含2molH—O键，断开时需吸收934kJ的能量形成气态氢原子和氧原子，再进一步形成H2和O2时，还需释放出一部分能量，故需知H—H键和O=O键的键能，D项错误；查表知Li的电负性为，I的电负性为，其差值为<，所以LiI中存在共价键，B项正确。三、等电子体的判断和应用【例3】(1)根据等电子原理，仅由第二周期元素组成的共价分子中，互为等电子体的是________和________；________和________。(2)根据等电子原理，由短周期元素组成的粒子，只要其原子数相同，各原子最外层电子数之和相同，也可互称等电子体，它们也具有相似的结构特征。在短周期元素组成的物质中，与NO2－互为等电子体的分子有：________。答案(1)N2COCO2N2O(2)SO2、O3解析(1)仅由第二周期元素组成的共价分子中，即C、N、O、F组成的共价分子，如N2与CO价电子总数均为10，CO2与N2O价电子总数均为16个电子。(2)依题意，只要原子数相同，各原子最外层电子数之和也相同，即可互称等电子体，NO2－为三原子，各原子最外层电子数之和为(5＋6×2＋1)，SO2、O3也为三原子，各原子最外层电子数之和为6×3＝18。规律总结1．判断方法原子总数相同，价电子总数相同的分子。2．应用等电子体的许多性质是相近的，空间构型是相同的。利用等电子体可以：(1)判断一些简单分子或离子的立体构型；(2)利用等电子体在性质上的相似性制造新材料；(3)利用等电子原理针对某物质找等电子体。3．一些常见的等电子体二原子10电子的等电子体：N2、CO、CN－、C22－二原子11电子的等电子体：NO、O2＋三原子16电子的等电子体：CO2、CS2、N2O、CNO－、N3－三原子18电子的等电子体：NO2－、O3、SO2四原子24电子的等电子体：NO3－、CO32－、BF3、SO3(g)4．等电子体的快速找法(1)将粒子中的两个原子换成原子序数分别增加n和减少n(n＝1，2等)的原子，如N2与CO、N3－和CNO－互为等电子体。(2)将粒子中的一个或几个原子换成原子序数增加(或减少)n的元素带n个单位电荷的阳离子(或阴离子)，如N2O和N3－互为等电子体。(3)同主族元素最外层电子数相等，故可将粒子中的元素原子换成同主族元素原子，如O3和SO2互为等电子体。变式训练31991年，Langmuir提出：“凡原子数与价电子总数均相等的物质，其结构相同，物理性质相近”，称为等电子原理。相应的物质互称为等电子体。化学科学家常用“等电子体”来预测不同物质的结构与性质。例如，CH4与NH4＋有相同的价电子数及空间构型。请你根据等电子原理在下表空格处填上相应的化学式：CH4CO32－C2O42－NH4＋N2H62＋NO2＋答案见下表：CH4C2H6CO32－CO2C2O42－NH4＋N2H62＋NO3－NO2＋N2O4解析本题考查等电子原理的应用。等电子体的要求是必须具有相同的原子总数和价电子总数，分子与离子也可以是等电子体。N2H62＋是含有8个原子和14个价电子的微粒，比NH4＋多3个原子和6个价电子，NH4＋与CH4互为等电子体，而比CH4多3个原子和6个价电子的微粒为C2H6，同理可得其他几组答案。1．下列关于共价键的说法不正确的是 ()A．H2S分子中两个共价键的键角接近90°的原因是共价键有方向性B．N2分子中有一个σ键，两个π键C．两个原子形成共价键时至少有1个σ键D．在双键中，σ键不如π键稳定答案D2．与NO3－互为等电子体的是 ()A．SO2 B．BF3 C．CH4 D．NO2答案B解析等电子体是原子总数和价电子总数均相同的粒子，NO3－的原子数是4，价电子数是24，与其相同的是BF3。3．下列分子中最难断裂成原子的是 ()A．HF B．HCl C．HBr D．HI答案A解析因为原子半径I>Br>Cl>F，电负性F>Cl>Br>I，所以它们与H原子形成的氢化物分子的键能EH－F>EH－Cl>EH－Br>EH－1。键能越大，化合物越难断裂成原子。4．下列说法中能说明BF3分子中的4个原子位于同一平面的是 ()A．任意两个B—F键间的夹角相等B．3个B—F键键能相等C．3个B—F键键长相等D．任间两个B—F键间的夹角为120°答案D解析键参数中，键能和键长是用于判断共价键稳定性的依据，而键角是判断分子立体构型的依据。3个B—F键间的夹角均为120°时，正好构成一个以B原子为中心的平面结构，因此4个原子共平面。5．下面物质的分子中既有σ键，又有π键的是 ()①HCl②H2O③N2④H2O2⑤C2H4⑥C2H2A．①②③ B．③④⑤⑥ C．①③⑥ D．③⑤⑥答案D解析当两个原子间能形成多对共用电子对时，要先形成一个σ键，另外的原子轨道只能形成π键，N2分子中有三个共价键：一个σ键，两个π键，C2H4分子中两个碳原子之间有两个共价键；一个σ键，一个π键；C2H2分子中碳碳原子之间有三个共价键：一个σ键，两个π键。6．某些共价键的键能数据如下表(单位：kJ·mol－1)共价键键能H—H436Cl—Cl243Br—Br193H—Cl432H—I298I—I151N≡N946H—O463H—N393(1)把1molCl2分解为气态原子时，需要________(填“吸收”或“放出”)________kJ能量。(2)由表中所列化学键形成的单质分子中，最稳定的是________，最不稳定的是________；形成的化合物分子中最稳定的是________，最不稳定的是________。(3)试通过键能数据估算下列反应的反应热：H2(g)＋Cl2(g)=2HCl(g)ΔH＝________。答案(1)吸收243(2)N2I2H2OHI(3)－185kJ·mol－1解析本题主要考查键能的定义以及键能与化学键稳定性的关系。(1)键能是指气态基态原子形成1mol化学键释放的最低能量，新键形成释放能量，则旧键断裂必然吸收能量，根据能量守恒定律断开1molCl—Cl键吸收的能量等于形成1molCl—Cl键释放的能量。(2)键能越大，化学键越稳定，越不容易断裂，化学性质越稳定，因此最稳定的单质为N2，最不稳定的单质是I2，最稳定的化合物是H2O，最不稳定的化合物是HI。(3)ΔH＝E(反应物键能之和)－E(生成物键能之和)＝(436＋243－2×432)kJ·mol－1＝－185kJ·mol－1。[经典基础题]1．下列说法中正确的是 ()A．p轨道之间以“肩并肩”重叠可形成σ键B．p轨道之间以“头对头”重叠可形成π键C．s和p轨道以“头对头”重叠可形成σ键D．共价键是两个原子轨道以“头对头”方式重叠形成的答案C解析A项p轨道之间以“肩并肩”重叠形成的是π键；B项p轨道之间以“头对头”重叠可形成σ键；D项形成共价键还可能是两个原子轨道以“肩并肩”重叠形成。2．下列有关σ键的说法错误的是 ()A．如果电子云图像是由两个s电子重叠形成的，即形成s—sσ键B．s电子与p电子形成s—pσ键C．p电子与p电子不能形成σ键D．HCl分子里含一个s—pσ键答案C解析p电子与p电子若“头碰头”重叠即形成p—pσ键。3．下列分子中存在的共价键类型完全相同的是 ()A．CH4与NH3 B．C2H6与C2H4C．H2与Cl2 D．Cl2与N2答案A解析A项中全是s—pσ键；B项中C2H6只存在σ键，而C2H4存在σ键和π键；C项中H2中的键为s—sσ键，Cl2中的键为p—pσ键；D项与B项类似。4．参考下表化学键的键能数据，判断下列分子中受热最稳定的是 ()化学键H—HH—FH—ClH—Br键能/kJ·mol－1436568431366 B．HF C．HCl D．HBr答案B解析共价键的键能越大，越不容易被破坏，意味着化学键越稳定，分子也越稳定。5．下列说法正确的是 ()A．键角决定了分子的结构B．共价键的键能越大，共价键越牢固，含有该键的分子越稳定C．CH4、CCl4中键长相等，键角不同D．C=C中的键能是C—C中的键能的两倍答案B解析分子结构是由键角和键长共同决定的，A项错。CH4、CCl4分子均为正四面体型，它们的键角相同，键长不等，C错。C=C中的双键由一条σ键和一条π键构成，通常而言σ键键能大于π键键能，故C=C中的键能应小于C—C键键能的两倍，D错。6．N2的结构可以表示为，CO的结构可以表示为，其中椭圆框表示π键，下列说法中不正确的是 ()A．N2分子与CO分子中都含有三键B．CO分子与N2分子中的π键并不完全相同C．N2与CO互为等电子体D．N2与CO的化学性质相同答案D解析从题图可以看出，N2分子与CO分子中均含有一个σ键和两个π键，所以二者都含有三键，A项正确；N2分子中的π键是由每个氮原子各提供两个p电子以“肩并肩”方式形成的，而CO分子中的一个π键是由氧原子单方面提供电子对形成的，B项正确；N2与CO的原子总数和价电子总数均相同，互为等电子体，二者化学性质相似，但并不完全相同，C项正确，D项错误。7．下列说法中正确的是 ()A．在气体单质分子中，一定含有σ键，可能含有π键B．烯烃比烷烃的化学性质活泼是由于烷烃中只含σ键而烯烃含有π键C．等电子体结构相似，化学性质相同D．共价键的方向性决定了原子在形成分子时相互结合的数量关系答案B解析在单质分子中，可能存在σ键(如H2、Cl2)、π键(如N2分子中存在σ键、π键)，而稀有气体为单原子分子，不存在化学键，A项错误；烯烃中含有碳碳双键，其中一个是π键，因π键易断裂，故化学性质较活泼，B项正确；等电子体结构相似，但化学性质不同，C项错误；共价键的方向性决定分子的立体构型，饱和性决定分子中各原子的数量关系，D项错误。8．能够用键能的大小作为主要依据来解释的是 ()A．常温常压下氯气呈气态而溴单质呈液态B．硝酸是挥发性酸，而硫酸、磷酸是难挥发性酸C．稀有气体一般难发生化学反应D．空气中氮气的化学性质比氧气稳定答案D解析共价分子构成物质的状态与分子内共价键的键能无关；物质的挥发性与分子内键能的大小无关；稀有气体是单原子分子，无化学键，难发生化学反应的原因是它们的价电子已达稳定结构；氮气比氧气稳定是由于N2分子中共价键的键能(946kJ·mol－1)比O2分子中共价键的键能kJ·mol－1)大，在化学反应中更难断裂。9．有以下物质：①HF，②Cl2，③H2O，④N2，⑤C2H4，⑥C2H6，⑦H2O2，⑧HCN(H—C≡N)。(1)只含有极性键的是________。(2)只含有非极性键的是________。(3)既有极性键，又有非极性键的是________。(4)只有σ键的是________。(5)既有σ键，又有π键的是________。答案(1)①③⑧(2)②④(3)⑤⑥⑦(4)①②③⑥⑦(5)④⑤⑧解析根据同种原子形成的共价键是非极性键，不同种原子形成的共价键是极性键，共价单键是σ键，双键中一个是σ键、另一个是π键，共价三键由一个σ键、两个π键组成，进行分析、判断。[能力提升题]10．现有四种短周期元素A、B、C、D，已知：①C、D在同一周期，A、B在同一主族；②它们可以组成化合物A2C、B2C2、DC2、D2A4等；③B的阳离子与C的阴离子的核外电子排布相同；④B2C2同A2C或DC2反应都生成气体C2，B与A2C反应生成气体A2，A2与气体C2按体积比2∶1混合后点燃发生爆炸，其产物是一种常温下常见的无色无味的液体。请回答：(1)写出元素符号：A________、B________、C________、D________。(2)在A2C、B2C2、DC2和D2A4中，同时含有离子键和非极性共价键的化合物的电子式为________；按原子轨道重叠方式，其非极性键的类型是________。化合物DC2的结构式________。(3)A2C分子的电子式________，按原子轨道重叠方式，其共价键的类型是________。D2A4是平面形分子，其分子中含有________个σ键，________个π键。(4)写出化学方程式或离子方程式：B2C2与A2C反应的化学方程式______________________________________；B2C2与DC2反应的化学方程式______________________________________；B与A2C反应的离子方程式__________________________________________。答案(1)HNaOC(2)Na＋[·×O··,····O··,···×]2－Na＋p—pσ键O=C=O(3)H··O··,····Hs—pσ键51(4)2Na2O2＋2H2O=4NaOH＋O2↑2Na2O2＋2CO2=2Na2CO3＋O22Na＋2H2O=2Na＋＋2OH－＋H2↑解析由A2与气体C2按体积比2∶1混合后点燃能发生爆炸，其产物是一种常温下常见的无色无味的液体，可知该液体是H2O，A是H元素，C是O元素；由B与A2C反应生成气体A2知，B是Na元素；由B2C2同A2C或DC2反应都生成气体C2知，D是碳元素。11．已知下表中的数据是破坏1mol物质中的化学键所消耗的最低能量(kJ)。物质能量(kJ)Cl2243Br2193I2151H2436HF565HCl431HBr363HI297根据表中数据回答问题：(1)下列物质本身具有的能量最低的是________。A．H2B．Cl2C．Br2D．I2(2)下列氢化物中，最稳定的是________。A．HFB．HClC．HBrD．HI(3)X2＋H2=2HX(X代表F、Cl、Br、I)的反应是吸热反应还是放热反应？________。(4)相同条件下，X2分别与H2反应，当消耗等物质的量的氢气时，放出或吸收的热量最多的是________。2molCl2在一定条件下与等物质的量的H2反应，放出或吸收的热量是________kJ。(5)若无上表中的数据，你能正确回答出问题(4)的第一问吗？________；你的理由是__________________________________________________________。答案(1)A(2)A(3)放热反应(4)F2366(5)能生成物越稳定，放出的热量就越多，在HX中，HF最稳定解析能量越低越稳定，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。12．下列粒子：N2、CO2、NH3、N2O、O2、NO2、NO和CO。(1)互为等电子体的粒子有___________________________________________。(2)过量Mg可以在N2O中燃烧，写出反应的化学方程式_________________。答案(1)N2和CO，CO2和N2O(2)4Mg＋N2Oeq\o(=,\s\up7(点燃))Mg3N2＋MgO解析(1)根据等电子体的概念：等原子数、等价电子数进行判断。(2)据(1)问中N2O和CO2为等电子体，利用等电子原理推出其结构和性质相似，再联想Mg在CO2中燃烧的反应原理，即可得出答案，还要注意“过量”二字。13．有A、B、C、D、E、F六种元素，已知：①它们位于三个不同短周期，核电荷数依次增大。②E元素的电离能数据见下表(kJ·mol－1)：I1I2I3I4…496456269129540…③B与F同主族。④A、E分别都能与D按原子个数比1∶1或2∶1形成化合物。⑤B、C分别都能与D按原子个数比1∶1或1∶2形成化合物。(1)写出只含有A、B、D、E四种元素的两种无水盐的化学式________、________。(2)B2A2分子中存在________个σ键，________个π键。(3)人们通常把拆开1mol某化学键所吸收的能量看成该化学键的键能。键能的大小可以衡量化学键的强弱，也可以用于计算化学反应的反应热(ΔH)，化学反应的ΔH等于反应中断裂旧化学键的键能之和与反应中形成新化学键的键能之和的差。下表列出了上述部分元素形成的化学键的键能：化学键F—DF—FB—BF—BC—DD—D键能/kJ·mol－1460176347745试计算1molF单质晶体燃烧时的反应热ΔH________(要写单位)。答案(1)NaHCO3CH3COONa(或其他有机酸的盐)(2)32(3)－kJ/mol解析由题意可知，E为碱金属，能与D形成1∶1或2∶1的化合物，说明D为O，E为Na，A为H。B、C与O形成1∶1或1∶2的化合物，则B为C，C为N。B与F同主族，F为Si。(1)H、C、O、Na四种元素可组成NaHCO3或CH3COONa等盐。(2)一个C2H2分子中含有1个三键和