2024年高中化学新教材同步选择性必修第二册 第2章　第1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1mol化学键解离成气态原子所吸收的能量。键能通常是298.15K、101kPa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)计算反应热ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能。1．结合教材中某些共价键的键能数据，思考讨论：(1)成键原子相同而共价键数目不同时，键能强弱规律：__________________________。(2)判断HF、HCl、HBr、HI的热稳定性强弱：________________________；其中________更容易发生热分解生成相应的单质。(3)若形成1molH—Cl释放的能量是________kJ。答案(1)单键键能<双键键能<三键键能(2)HF>HCl>HBr>HIHI(3)431.8解析(1)由教材键能数据可知，以N—O、N=O，O—O、O=O，C—C、C=C、C≡C等为例，成键原子相同而共价键数目不同时，键能强弱规律：单键键能＜双键键能＜三键键能。(3)气态原子形成1mol化学键变成气态分子释放的能量与气态分子中1mol化学键解离成气态原子所吸收的能量相等，故形成1molH—Cl释放的能量是431.8kJ。2．已知N—N、N=N和N≡N的键能之比为1.00∶2.17∶4.90，而C—C、C=C、C≡C的键能之比为1.00∶1.77∶2.34。如何用这些数据理解氮分子不容易发生加成反应而乙烯和乙炔容易发生加成反应？提示键能数据表明，N≡N的键能大于N—N键能的三倍，N=N的键能大于N—N键能的两倍；而C≡C的键能却小于C—C键能的三倍，C=C的键能小于C—C键能的两倍，说明乙烯和乙炔中的π键不牢固，易发生加成反应，而N2分子中N≡N非常牢固，所以氮分子不易发生加成反应。3．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(利用课本中键能的相应数据分析)。提示从课本中键能数据可知，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。1．正误判断(1)N—H的键能是很多分子中的N—H的键能的平均值()(2)O—H的键能是指在298.15K、101kPa下，1mol气态分子中1molO—H解离成气态原子所吸收的能量()(3)C=C的键能等于C—C的键能的2倍()(4)σ键一定比π键牢固()答案(1)√(2)√(3)×(4)×2．表中的数据是破坏1mol物质中的化学键所消耗的能量：物质Cl2Br2I2H2能量/(kJ·mol－1)242.7193.7152.7436下列物质本身具有的能量最低的是()A．H2B．Cl2C．Br2D．I2答案A解析根据表中数据可知，破坏1mol氢气消耗能量最高，所以氢气最稳定，能量最低。3．碳和硅的有关化学键的键能如表所示。化学键C—CC—HC—OSi—SiSi—HSi—O键能/(kJ·mol－1)356413336226318452分析数据，下列说法不正确的是()A．C=O的键能为672kJ·mol－1B．SiH4的稳定性小于CH4C．一般原子半径越大，键能越小D．C与C之间比Si与Si之间更易形成π键答案A解析C=O之间存在一个σ键和一个π键，C=O的键能并不是C—O键能的两倍，A项不正确；根据表中数据，Si—H的键能小于C—H的键能，所以CH4的稳定性强于SiH4的稳定性，B项正确；Si原子半径大，相邻Si原子间距离远，p与p轨道“肩并肩”更难重叠形成π键，D项正确。4．某些化学键的键能(kJ·mol－1)如表所示：化学键H—HCl—ClBr—BrI—IH—ClH—BrH—I键能436242.7193.7152.7431.8366298.7(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＞I2b．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。1．根据表中的HCl、HBr和HI的键长、键能的数据和热分解温度，考察它们之间的相关性。通过这个例子说明分子的结构如何影响分子的化学性质？键键长/pm键能/(kJ·mol－1)HX的热分解温度/℃H—Cl127.4431.81000H—Br141.4366600H—I160.9298.7300提示数据表明：共价键的键长越短，键能越大，该共价键越稳定，含该键的分子越稳定，越不容易分解。2．为什么F—F的键长比Cl—Cl的键长短，但键能却比Cl—Cl的键能小？提示氟原子的半径很小，因而F—F的键长比Cl—Cl的键长短，但也是由于F—F的键长短，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的键能小。1．正误判断(1)双原子分子中化学键键长越长，分子越稳定()(2)键长：H—I>H—Br>H—Cl、C—C>C=C>C≡C()(3)键长的大小与成键原子的半径和成键数目有关()答案(1)×(2)√(3)√2．已知X—X、Y—Y、Z—Z的键长分别为198pm、74pm、154pm，则它们单质分子的稳定性：Y2>Z2>X2。3．下表是从实验中测得的不同物质中的键长和键能数据：O—OOeq\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，该规律性是键长越短，键能越大。4．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)。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。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。三、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≡CH4.部分键角图解1．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之间的夹角，为109°28′。2．实验测得H2S为共价化合物，H—S—H的夹角为92.3°，键长相同，则H2S的空间结构是什么？提示H2S分子是V形结构。1．下列说法正确的是()A．分子的结构是由键角决定的B．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C．CF4、CCl4、CBr4、CI4中C—X的键长、键角均相等D．NH3分子中两个N—H的键角为120°答案B解析分子结构涉及原子在空间中的位置，与化学键的种类有关，包括键长、键角以及相邻三个键之间的二面角，故A错误；CF4、CCl4、CBr4、CI4中卤素原子的半径不同，所以C—X的键长不等，但键角均相等，故C错误；NH3分子中两个N—H的键角为107°，故D错误。2．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。3．下列说法正确的是()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，键能越大，则分子越稳定，A不正确；元素周期表中的第ⅠA族(除H外)和第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；molH2O分解成2molH和1molO时消耗的能量为2×463kJ，故D错误。4．(2022·宜昌高二期中)下列有关说法不正确的是()A．CH4、NH3、CO2分子中的键角依次增大B．HCl、HBr、HI分子中的键长依次增大C．H2O、H2S、H2Se分子中的键能依次减小D．H2O、PH3、SiH4分子的稳定性依次减弱答案A解析CH4、NH3、CO2分子中的键角分别为109°28′、107°、180°，故A错误；原子半径越大，形成的共价键的键长越长，Cl、Br、I的原子半径依次增大，所以与H形成的共价键的键长依次增大，故B正确；元素的非金属性越强，形成的共价键越稳定，共价键的键能越大，则H2O、H2S、H2Se分子中的键能依次减小，故C正确；非金属性：O>P>Si，则简单氢化物的稳定性：H2O>PH3>SiH4，故D正确。共价键稳定性强弱的判断方法(1)根据原子半径和共用电子对数目判断：成键原子的原子半径越小，共用电子对数越多，共价键越牢固，含有该共价键的分子越稳定。(2)根据键能判断：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)根据键长判断：共价键的键长越短，共价键越牢固，破坏共价键所消耗的能量越多。题组一键参数——键能、键长与键角1．下列说法错误的是()A．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B．键长与共价键的稳定性没有关系C．键角是两个相邻共价键之间的夹角，说明共价键有方向性D．共价键是通过原子轨道重叠并共用电子对而形成的，所以共价键有饱和性答案B解析键能是指气态分子中1mol化学键解离成气态原子所吸收的能量，键能越大，意味着化学键越稳定，越不容易断裂，A正确；键长是形成共价键的两个原子之间的核间距，键长越短，往往键能越大，共价键越稳定，B错误；相邻两个共价键之间的夹角称为键角，多原子分子的键角一定，说明共价键具有方向性，C正确；元素的原子形成共价键时，当一个原子的所有未成对电子和另一些原子中的未成对电子配对成键后，就不再跟其他原子的未成对电子配对成键，因此，共价键具有饱和性，D正确。2．下列说法正确的是()A．在分子中，两个原子间的距离叫键长B．非极性键的键能大于极性键的键能C．键能越大，表示该分子越容易受热分解D．H—Cl的键能为431kJ·mol－1，H—I的键能为297kJ·mol－1，这可说明HCl分子比HI分子稳定答案D解析形成共价键的两个原子的核间距为键长，A项不正确；键能的大小取决于成键原子的电负性，与键的极性无必然联系，B项不正确；键能越大，分子越稳定，C项不正确、D项正确。3．(2022·长沙高二检测)下列关于键参数的说法错误的是()A．双键的键能比单键的键能大B．一般来说，原子半径越小的原子形成的共价键键长越短C．H—F的键长是H—X中最短的D．可以利用X射线衍射实验测定共价键的键长等参数答案A解析题干未告知成键元素的种类，无法比较双键和单键的键能相对大小，但成键原子相同的双键的键能比单键的键能要大，A错误。4．(2022·海南国兴中学高二检测)NH3分子的空间结构是三角锥形，而不是正三角形的平面结构，解释该事实的充分理由是()A．NH3分子中的共价键为极性键B．分子内3个N—H的键长相等，键角相等C．NH3分子内3个N—H的键长相等，3个键角都等于107°D．NH3分子内3个N—H的键长相等，3个键角都等于120°答案C解析A项，NH3分子中的共价键为极性键不能说明NH3一定为三角锥形，错误；B项，3个N—H的键长相等，键角相等仍有可能为正三角形，错误；D项，与事实不符，错误。题组二键参数的应用5．(2022·西安高二检测)关于键长、键能和键角，下列说法不正确的是()A．通过反应物和生成物分子中键能数据可以粗略预测反应热的大小B．键长越长，键能越小，共价化合物越稳定C．键角是确定多原子分子空间结构的重要参数D．同种原子间形成的共价键键长长短总是遵循：三键＜双键＜单键答案B解析反应热＝反应物的总键能－生成物的总键能，则通过反应物和生成物分子中键能数据可以粗略预测反应热的大小，故A正确；键长越长，键能越小，共价化合物越不稳定，故B错误；键长和键角常被用来描述分子的空间结构，键角是描述多原子分子空间结构的重要参数，故C正确；原子间键能越大，核间距越小，键长越短，键能的一般关系为三键＞双键＞单键，则键长：三键＜双键＜单键，故D正确。6．(2022·武汉高二期中)下列关于共价键的描述错误的是()A．键长：O—H<N—H<C—HB．C2H4中碳碳键的键能：σ键>π键C．分子中的键角：NH3<CH4D．气体单质中一定存在σ键答案D解析一般来说，原子半径越小，化学键越短，同周期元素从左到右原子半径逐渐减小，键长：O—H<N—H<C—H，A正确；σ键为“头碰头”重叠，强度大，π键为“肩并肩”重叠，强度小，C2H4中碳碳键的键能：σ键>π键，B正确；NH3为三角锥形，键角为107°，CH4为正四面体形，键角为109°28′，故键角：NH3<CH4，C正确；稀有气体单质属于单原子分子，不含σ键，D错误。7．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)的总能量小于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元素形成的，属于极性共价键，A错误；反应热等于断键吸收的能量与成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)的总能量大于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。8．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，下列叙述正确的是()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N—N的键能不是N≡N键能的eq\f(1,3)，故A错误；氢原子半径在所有原子中是最小的，所以氮气分子中的共价键的键长比氢气分子中的长，故B错误；氧气分子中氧原子是以共价双键结合的，故C错误；键能越大，越稳定，所以氮气分子比氯气分子稳定，故D正确。9．NH3、NF3、NCl3等分子中心原子相同，如果周围原子电负性大则键角小。NH3、NF3、NCl3三种分子中，键角大小的顺序是()A．NH3＞NF3＞NCl3 B．NCl3＞NF3＞NH3C．NH3＞NCl3＞NF3 D．NF3＞NCl3＞NH3答案C解析因电负性：F＞Cl＞H，故键角大小为NH3＞NCl3＞NF3。10.意大利罗马大学的FulvioCacace等人获得了极具理论研究意义的气态N4分子，其分子结构如图所示。已知断裂1molN—N吸收167kJ热量，生成1molN≡N放出942kJ热量，根据以上信息和数据，判断下列说法正确的是()A．N4属于一种新型的化合物B．N4分子中存在非极性键C．N4分子中N—N的键角为109°28′D．1molN4转变成N2将吸收882kJ热量答案B解析N4是由氮元素组成的一种单质，不是新型的化合物，A错误；N4分子中氮原子与氮原子之间形成的是非极性键，B正确；N4分子是正四面体结构，键角是60°，C错误；已知断裂1molN—N吸收167kJ热量，生成1molN≡N放出942kJ热量，则N4(g)2N2(g)ΔH＝6×167kJ·mol－1－2×942kJ·mol－1＝－882kJ·mol－1，即该反应是放热反应，因此1molN4转变成N2将放出882kJ热量，D错误。11．如图为元素周期表前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。12．(2022·广东广雅中学高二检测)断开1mol化学键形成气态原子所需要的能量用E表示。结合表中信息判断下列说法不正确的是()共价键H—HF—FH—FH—ClH—IE/(kJ·mol－1)436157568432298A．432kJ·mol－1>E(H—Br)>298kJ·mol－1B．表中最稳定的共价键是H—FC．键的极性：H—F>H—Cl>H—ID．H2(g)＋F2(g)=2HF(g)ΔH＝＋25kJ·mol－1答案D解析A项，键长越短，键能越大，共价键越稳定，键长可以通过原子半径进行比较，同主族元素从上到下原子半径逐渐增大，则H—Br的键能在H—Cl和H—I之间，正确；B项，键能越大，共价键越稳定，表中H—F的键能最大，因此H—F最稳定，正确；C项，元素非金属性越强，得电子能力越强，电子对越偏向此元素，形成共价键的极性越强，即极性：－1＝－543kJ·mol－1，错误。13．(2022·宁夏六盘山检测)下表是一些常见共价键的键能，其中O—H百位数被污渍遮住了，请回答下列问题：共价键H—HN—HO—HF—HO=O键能/(kJ·mol－1)436390.8568497.3(1)O—H键能为________kJ·mol－1，根据表中数据计算，电解1mol水，需要吸收________kJ能量。(2)O—H键长比F—H键长____(填“长”或“短”)。(3)H2O中的H—O—H键角比NH3中的H—N—H键角________(填“大”或“小”)，原因是________________________________________________________。答案(1)462.8240.95(2)长(3)小H2O分子呈V形，键角为105°，NH3分子呈三角锥形，键角为107°解析(1)原子半径：N>O>F，原子半径越小，键长越短，键能越大，所以O—H的键能应介于N—H和F—H之间，因此O—H的键能为462.8kJ·mol－1；电解水的化学方程式为2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))2H2↑＋O2↑，根据表中数据计算，电解1molH2O，需要吸收的能量为(462.8×2－436－0.5×497.3)kJ＝240.95kJ。14．已知下列化学键的键能：化学键C—CN—NO—OO=OO—HS—HSe—HN—HAs—H键能/(kJ·mol－1)347.7193142497.3462.8363.5276390.8247回答下列问题：(1)过氧化氢不稳定，易发生分解反应：2H2O2(g)=2H2O(g)＋O2(g)，利用键能数据计算该反应的反应热为__________。(2)O—H、S—H、Se—H的键能逐渐减小，原因是_________________________________，据此可推测P—H的键能范围为________＜P—H的键能＜________。(3)有机物是以碳骨架为基础的化合物，即碳原子间易形成C—C长链，而氮原子与氮原子间，氧原子与氧原子间难形成N—N长链和O—O长链，原因是____________________________。答案(1)－