高中化学新教材同步选择性必修第二册 第2章 第一节 第2课时 键参数-键能、键长与键角

第2课时键参数——键能、键长与键角[核心素养发展目标]1.了解共价键键参数的含义，能用键能、键长、键角说明简单分子的某些性质。2.通过认识共价键的键参数对物质性质的影响，探析微观结构对宏观性质的影响。一、键能1．概念气态分子中1_mol化学键解离成气态原子所吸收的能量。它通常是298.15K、100kPa条件下的标准值，单位是kJ·mol－1。2．应用(1)判断共价键的稳定性原子间形成共价键时，原子轨道重叠程度越大，释放能量越多，所形成的共价键键能越大，共价键越稳定。(2)判断分子的稳定性一般来说，结构相似的分子，共价键的键能越大，分子越稳定。(3)利用键能计算反应热ΔH＝反应物总键能－生成物总键能(1)共价键的键能越大，共价键越牢固，由该键形成的分子越稳定()(2)N—H键能是很多分子中的N—H键能的平均值()(3)O—H键能是指在298.15K、100kPa下，1mol气态分子中1molO—H键解离成气态原子所吸收的能量()(4)C=C键能等于C—C键能的2倍()答案(1)√(2)√(3)√(4)×1．根据价键理论分析氮气分子中的成键情况，并解释N2通常很稳定的原因。提示两个氮原子各自用三个p轨道分别形成一个σ键和两个π键。N2分子中存在N≡N，键能大，破坏它需要消耗较高的能量，因而N2通常很稳定。2．N2、O2、F2与H2的反应能力依次增强，从键能的角度如何理解这一化学事实。(利用课本表2－1的相应数据分析)提示从表2－1的数据可知，N—H、O—H与H—F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。所以N2、O2、F2与H2的反应能力依次增强。3．某些化学键的键能(kJ·mol－1)如下表所示。化学键H—HCl—ClBr—BrI—IH—ClH—BrH—I键能436242.7193151431.8363297(1)1molH2在2molCl2中燃烧，放出热量________kJ。(2)在一定条件下，1molH2与足量的Cl2、Br2、I2分别反应，放出热量由多到少的顺序是________(填字母)。a．Cl2＞Br2＞I2 b．I2＞Br2＞Cl2c．Br2＞I2＞Cl2预测1molH2在足量F2中燃烧比在Cl2中燃烧放热________(填“多”或“少”)。答案(1)184.9(2)a多解析(1)根据键能数据可得，H2(g)＋Cl2(g)=2HCl(g)ΔH＝436kJ·mol－1＋242.7kJ·mol－1－431.8kJ·mol－1×2＝－184.9kJ·mol－1，1molH2在2molCl2中燃烧，参加反应的H2和Cl2都是1mol，生成2molHCl，故放出的热量为184.9kJ。(2)由表中数据计算知1molH2在Cl2中燃烧放热最多，在I2中燃烧放热最少；由以上结果分析，生成物越稳定，放出热量越多。因稳定性：HF＞HCl，故1molH2在F2中燃烧比在Cl2中燃烧放热多。二、键长和键角1．键长(1)概念：构成化学键的两个原子的核间距，因此原子半径决定共价键的键长，原子半径越小，共价键的键长越短。(2)应用：共价键的键长越短，往往键能越大，表明共价键越稳定，反之亦然。2．键角(1)概念：在多原子分子中，两个相邻共价键之间的夹角。(2)应用：在多原子分子中键角是一定的，这表明共价键具有方向性，因此键角影响着共价分子的空间结构。(3)试根据空间结构填写下列分子的键角分子的空间结构键角实例正四面体形109°28′CH4、CCl4平面形120°苯、乙烯、BF3等三角锥形107°NH3V形(角形)105°H2O直线形180°CO2、CS2、CH≡CH(4)部分键角图解(1)分子中通常键能越大，键长越短，分子越稳定()(2)键角是描述分子空间结构的重要参数()(3)键长H—I＞H—Br＞H—Cl；C—C＞C=C＞C≡C()答案(1)√(2)√(3)√1．为什么F—F键长比Cl—Cl键长短，但键能却比Cl—Cl键能小？提示氟原子的半径很小，因而F—F键长比Cl—Cl键长短，但也是由于F—F键长短，两个氟原子在形成共价键时，原子核之间的距离就小，排斥力大，因此键能比Cl—Cl键能小。2．(2019·山西省实验中学高二月考)下表是从实验中测得的不同物质中的键长和键能数据：O—O键Oeq\o\al(2－,2)Oeq\o\al(－,2)O2Oeq\o\al(＋,2)键长/(10－12m)149128121112键能/(kJ·mol－1)xya＝494b＝628其中x、y的键能数据尚未测定，但可根据规律推导键能大小的顺序是b>a>y>x，该规律性是()A．成键时，电子数越多，键能越大B．键长越短，键能越大C．成键所用的电子数越少，键能越小D．成键时电子对越偏移，键能越大答案B解析观察表中数据发现，测定的化学键都是O—O，因此不存在成键时电子数多少的问题，也不存在电子对偏移的问题，但是O2与Oeq\o\al(＋,2)比较，键能大的对应的键长短，据此分析Oeq\o\al(2－,2)的键长比Oeq\o\al(－,2)的键长长，所以Oeq\o\al(2－,2)中O—O的键能比Oeq\o\al(－,2)的小。若按照此规律，键长由短到长的顺序为Oeq\o\al(＋,2)＜O2＜Oeq\o\al(－,2)＜Oeq\o\al(2－,2)，键能大小的顺序应为b＞a＞y＞x，与题意吻合，所以B项正确。3．如图白磷和甲烷均为正四面体结构它们的键角是否相同，为什么？提示不同，白磷分子的键角是指P—P之间的夹角，为60°；而甲烷分子的键角是指C—H的夹角，为109°28′。(1)键长与分子空间结构的关系：键长是影响分子空间结构的因素之一。如CH4分子的空间结构是正四面体，而CH3Cl只是四面体而不是正四面体，原因是C—H和C—Cl的键长不相等。(2)定性判断键长的方法①根据原子半径进行判断。在其他条件相同时，成键原子的半径越小，键长越短。②根据共用电子对数判断。就相同的两原子形成的共价键而言，当两个原子形成双键或者三键时，由于原子轨道的重叠程度增大，原子之间的核间距减小，键长变短，故单键键长＞双键键长＞三键键长。1．(2020·云南省禄丰县第一中学高二月考)下列各说法中正确的是()A．分子中键能越高，键长越长，则分子越稳定B．元素周期表中的ⅠA族(除H外)和ⅦA族元素的原子间不能形成共价键C．水分子可表示为H—O—H，分子中键角为180°D．H—O的键能为463kJ·mol－1，即18gH2O分解成H2和O2时，消耗能量为2×463kJ答案B解析分子中键长越短，键能越高，则分子越稳定，键长越长，键能越低，则分子越不稳定，A不正确；元素周期表中的ⅠA族(除H外)和ⅦA族元素都是典型的金属和非金属元素，所以形成的化学键是离子键，B正确；水分子的结构是V形，键角是105°，C不正确；H—O的键能为463kJ·mol－1，18gH2O即1molH2O分解成2molH和1molO时消耗的能量为2×463kJ，故D错误。2．(2019·四川雅安中学高二月考)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的键能小于H—F的键能，所以O2、F2与H2反应的能力逐渐减弱C．H—F的键长是H—X中最长的D．碳碳三键和碳碳双键的键能分别是单键键能的3倍和2倍答案A解析当物质分子内有多个化学键时，化学键之间的夹角叫键角，它反映了分子内原子的空间分布情况，因此键角是描述分子空间结构的重要参数，A正确；O2分子内两个O原子形成2对共用电子对，结合力强，断裂吸收的能量高，而F2内的2个F原子形成1对共用电子对，结合力相对O2来说弱，断裂吸收的能量低，因此与H2反应F2更容易发生反应，而O2相对来说弱，即F2比O2与H2反应的能力强，B错误。3．已知H—H的键能为436kJ·mol－1，O=O的键能为497.3kJ·mol－1，Cl—Cl的键能为242.7kJ·mol－1，N≡N的键能为946kJ·mol－1，则下列叙述中正确的是()A．N—N的键能为eq\f(1,3)×946kJ·mol－1＝315.3kJ·mol－1B．氮气分子中的共价键的键长比氢气分子中的短C．氧气分子中氧原子是以共价单键结合的D．氮气分子比氯气分子稳定答案D解析在N2分子中，N原子间以N≡N结合，其中有一个σ键和两个π键，但σ键的键能大于π键的键能，故A项错误；共价键的键长和成键原子的半径有关，由于原子半径r(H)<r(N)，所以H—H的键长小于N≡N，故B项错误；氧气分子中的化学键由一个σ键和一个π键组成，故C项错误；由于N≡N的键能很大，所以N2比Cl2稳定。4．能说明BF3分子中四个原子在同一平面的理由是()A．任意两个键的夹角为120°B．B—F是非极性共价键C．三个B—F的键能相同D．三个B—F的键长相等答案A解析当键角为120°时，BF3的空间结构为平面三角形，故分子中四个原子共面。5．已知某些共价键的键能、键长数据如表所示：共价键Cl—ClBr—BrI—IH—FH—ClH—BrH—IH—O键能/(kJ·mol－1)242.7193.7152.7568431.8366298.7462.8键长/pm19822826796共价键C—CC=CC≡CC—HN—HN=OO—OO=O键能/(kJ·mol－1)347.7615812413.4390.8607142497.3键长/pm154133120109101(1)下列推断正确的是________(填字母，下同)。A．热稳定性：HF>HCl>HBr>HIB．氧化性：I2>Br2>Cl2C．沸点：H2O>NH3D．还原性：HI>HBr>HCl>HF(2)在HX(X＝F、Cl、Br、I)分子中，键长最短的是______，最长的是________；O—O的键长________(填“大于”“小于”或“等于”)O=O的键长。答案(1)ACD(2)HFHI大于解析(1)根据表中数据知，同主族元素从上至下气态氢化物的键能逐渐减小，热稳定性逐渐减弱，A项正确；从键能看，氯气、溴单质、碘单质的热稳定性逐渐减弱，由原子结构知，氧化性也逐渐减弱，B项错误；H2O在常温下为液态，NH3在常温下为气态，则H2O的沸点比NH3的高，C项正确；还原性与得失电子能力有关，还原性：HI>HBr>HCl>HF，D项正确。题组一键参数的理解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化学反应C．HF、HCl、HBr、HI的热稳定性逐渐减弱D．F2比O2更容易与H2反应答案B解析由于N2分子中存在三键，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，其氢化物中的化学键键长逐渐变长，键能逐渐变小，所以热稳定性逐渐减弱；由于H—F的键能大于H—O，所以二者相比较，更容易生成HF。2．根据π键的成键特征判断C=C的键能是C—C的键能的()A．2倍 B．大于2倍C．小于2倍 D．无法确定答案C解析由于π键的键能比σ键键能小，双键中有一个π键和一个σ键，所以双键的键能小于单键的键能的2倍。3．下列单质分子中，键长最长，键能最小的是()A．H2B．Cl2C．Br2D．I2答案D解析键长与原子的半径有关，原子半径越大，形成的分子的键长越长；键能与得失电子的难易有关，得电子越容易，键能越大。四种原子中，I的原子半径最大，且得电子最难，故D项正确。4．关于键长、键能和键角，下列说法错误的是()A．键角是描述分子空间结构的重要参数B．键长是形成共价键的两原子间的核间距C．键能越大，键长越长，共价化合物越稳定D．键角的大小与键长、键能的大小无关答案C解析键角是描述分子空间结构的重要参数，如CO2中的2个C=O的键角为180°，故分子为直线形分子，A正确；键长是形成共价键的两个原子间的核间距，B正确；键能越大，键长越短，共价键越强，共价化合物越稳定，故C错误；键角的大小取决于成键原子轨道的夹角，D正确。题组二键参数的应用5．H2和I2在一定条件下能发生反应：H2(g)＋I2(g)2HI(g)ΔH＝－akJ·mol－1，下列说法正确的是()已知：(a、b、c均大于零)A．H2、I2和HI分子中的化学键都是非极性共价键B．断开2molHI分子中的化学键所需能量约为(c＋b＋a)kJC．相同条件下，1molH2(g)和1molI2(g)总能量小于2molHI(g)的总能量D．向密闭容器中加入2molH2(g)和2molI2(g)，充分反应后放出的热量为2akJ答案B解析HI分子中共价键是由不同种非金属形成的，属于极性共价键，A错误；反应热等于断键吸收的能量与形成化学键放出的能量的差值，则－a＝b＋c－2x，解得x＝eq\f(a＋b＋c,2)，所以断开2molHI分子中的化学键所需能量约为(c＋b＋a)kJ，B正确；该反应是放热反应，则相同条件下，1molH2(g)和1molI2(g)总能量大于2molHI(g)的总能量，C错误；该反应是可逆反应，则向密闭容器中加入2molH2(g)和2molI2(g)，充分反应后放出的热量小于2akJ，D错误。6．已知N2＋O2=2NO为吸热反应，ΔH＝＋180kJ·mol－1，其中N≡N、O=O的键能分别为946kJ·mol－1、498kJ·mol－1，则N—O的键能为()A．1264kJ·mol－1 B．632kJ·mol－1C．316kJ·mol－1 D．1624kJ·mol－1答案B解析反应热就是断键吸收的能量和形成化学键所放出的能量的差值，即946kJ·mol－1＋498kJ·mol－1－2x＝180kJ·mol－1，解得x＝632kJ·mol－1。7．三氯化磷分子的空间结构不是平面正三角形，其理由叙述中正确的是()A．PCl3分子中3个共价键的键角均相等B．PCl3分子中P—Cl属于极性共价键C．PCl3分子中3个共价键的键长均相等D．PCl3分子中P—Cl的3个键角都是100.1°答案D解析PCl3分子若是平面正三角形，键角应为120°。8．氨分子、水分子、甲烷分子中共价键的键角分别为a、b、c，则a、b、c的大小关系为()A．a<b<c B．c<b<aC．b<c<a D．b<a<c答案D解析甲烷是正四面体形分子，键角为109°28′，氨分子是三角锥形分子，键角为107°，水分子是V形分子，键角为105°，若氨分子、水分子、甲烷分子中共价键的键角分别为a、b、c，则b<a<c。9．对比以下几个反应式：Cl＋Cl→Cl2ΔH1＝－247kJ·mol－1；O＋O→O2ΔH2＝－493kJ·mol－1；N＋N→N2ΔH3＝－946kJ·mol－1。可以得出的结论是()A．在常温下氮气比氧气和氯气稳定B．氮、氧和氯的单质常温下为气体C．氮、氧和氯都是双原子分子D．氮气、氧气和氯气的密度不同答案A解析成键释放出能量时，ΔH3最小，常温下氮气最稳定，A正确；常温下三种物质均为气体，与上述反应式无关，B错误；气体的密度与上述反应式无关，D错误。10．下图为元素周期表前4周期的一部分，下列有关R、W、X、Y、Z五种元素的叙述中，正确的是()A．W、R元素单质分子内都存在非极性键B．X、Z元素都能形成双原子分子C．第一电离能：X>Y>WD．键长：X—H<W—H，键能：X—H<W—H答案B解析由元素在周期表中的位置可知，X为N、W为P、Y为S、R为Ar、Z为Br。白磷单质中存在非极性键，但稀有气体分子为单原子分子，分子中没有化学键，A错误；氮气、溴单质都是双原子分子，B正确；第一电离能应是N>P>S，C错误；原子半径：W>X，故键长：W—H>X—H，键长越短，键能越大，故键能：W—H<X—H，D错误。11．有A、B、C、D、E、F六种元素，已知：①它们位于三个不同的短周期，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按原子个数比为1∶1或2∶1形成化合物。⑤B、C分别都能与D按原子个数比为1∶1或1∶2形成化合物。请回答下列问题：(1)写出只含有A、B、D、E四种元素的两种无机盐的化学式：________、________。(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，化学反应的反应热等于反应物的键能之和与生成物的键能之和的差，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—BB=DD=D键能/(kJ·mol－1)452226347.7745497.3①1mol下列三种物质所具有的化学键全部断裂所需要的能量由高到低的顺序为________(用a、b、c表示)。a．B与D形成的稳定化合物b．F的单质c．F与D形成的化合物②试计算1molF单质燃烧时的反应热ΔH＝________(已知1molF原子可以形成2molF—F)。解析由题意可知，E为碱金属，A、E均能与D形成原子个数比为1∶1或2∶1的化合物，说明D为O，E为Na，A为H。B、C都能与O形成原子个数比为1∶1或1∶2的化合物，则B为C，C为N。B与F同主族，则F为Si。(1)H、C、O、Na四种元素可形成NaHCO3或CH3COONa等盐。(2)1个C2H2分子中含有1个三键和2个单键，有3个σ键和2个π键。(3)②反应热等于反应物的键能总和减去生成物的键能总和：ΔH＝2ESi—Si＋EO=O－4ESi—O＝2×226kJ·mol－1＋497.3kJ·mol－1－4×452kJ·mol－1＝－858.7kJ·mol－1。12．下表是一些键能数据(单位：kJ·mol－1)：化学键键能化学键键能化学键键能化学键键能H—H436Cl—Cl243H—Cl432H—O467S=S255H—S339C—F427C—O347C—Cl330C—I218H—F565回答下列问题：(1)①由表中数据能否得出下列结论：半径越小的原子形成的共价键越牢固(即键能越大)________(填“能”或“不能”，下同)；非金属性越强的原子形成的共价键越牢固________。②能否从数据中找出一些规律，请写出一条：________________________________________；试预测C—Br的键能范围：________kJ·mol－1＜C—Br键能＜________kJ·mol－1。(2)由热化学方程式H2(g)＋Cl2(g)=2HCl(g)ΔH＝－185kJ·mol－1并结合上表数据可推知一个化学反应的反应热(设反应物和生成物均为气态)与反应物和生成物的键能之间的关系是_______________________________________________________________________________，由热化学方程式2H2(g)＋S2(s)=2H2S(g)ΔH＝－224.5kJ·mol－1和表中数值可计算出1molS2(s)气化时将________(填“吸收”或“放出”)________kJ的热量。(3)卤代烃RX在同样条件下发生碱性水解反应时，RF、RCl、RBr、RI(R相同)的反应活性由大到小的顺序是________________。答案