2025春高二化学选择性必修2 （配人教版）第二章 分子结构与性质 第一节 共价键

第二章分子结构与性质课程标准要求学科核心素养1.能利用电负性判断共价键的极性,能根据共价分子的结构特点说明简单分子的某些性质;能说明分子间作用力(含氢键)对物质熔、沸点等性质的影响,能列举含有氢键的物质及其性质特点。1.宏观辨识与微观探析:能从粒子间相互作用的角度来阐释物质的主要性质;能说明粒子间相互作用的差异对物质性质的影响;能根据粒子间相互作用、分子空间结构等说明或预测物质的性质,评估所作说明或预测的合理性。2.能根据给定的信息分析常见简单分子的空间结构,能利用相关理论解释简单的共价分子的空间结构;能根据分子结构特点和键的极性来判断分子的极性,并据此对分子的一些典型性质及其应用做出解释。3.能从粒子的空间排布及其相互作用的角度对生产、生活、科学研究中的简单案例进行分析,举例说明物质结构研究的应用价值,如氢键对于生命的重大意义。2.证据推理与模型认知:能将化学事实和粒子间相互作用相关理论模型进行关联和合理匹配,并能选取适当的证据从不同视角分析问题,推出合理的结论;能描述和表示与粒子间相互作用有关的理论模型,指出模型表示的具体含义,并运用理论模型解释或推测物质的组成、结构及变化。共价键第一节学习目标1.通过认识原子间以原子轨道重叠形成共价键,能从微观角度分析形成共价键的粒子、类型,能辨识物质中含有的共价键的类型及成键方式,能说明共价键具有饱和性和方向性。2.通过认识原子间形成共价键时原子轨道的不同重叠方式,理解共价键中σ键和π键的区别,能判断分子中σ键和π键的存在及个数。3.通过认识键参数,能结合实例说明键能、键长及键角对物质性质的影响。任务分项突破『自主梳理』1.共价键的概念和特征(1)概念。原子间通过

所形成的相互作用,本质是原子轨道的重叠。(2)成键的粒子:一般为

原子(相同或不相同)或金属原子与非金属原子。学习任务1探究共价键共用电子对非金属按照共价键的共用电子对理论,一个原子有几个未成对电子,便可和几个自旋状态相反的电子配对成键,这就是共价键的饱和性。[示例]NH3分子中为什么氮原子是1个,而氢原子为3个?(3)共价键的特征。①饱和性。②方向性。除s轨道是球形对称外,其他原子轨道在空间都具有一定的分布特点。在形成共价键时,原子轨道重叠地越多,电子在核间出现的概率越大,所形成的共价键就越牢固,因此共价键将尽可能沿着电子出现概率最大的方向形成,所以共价键具有方向性,如图所示。[示例]水分子中的共价键是由氧原子和氢原子形成的单键;共价键的方向性导致水分子中的三个原子不在一条直线上。2.共价键的形成共价键的形成过程(以H2为例)本质原子相互靠拢原子轨道在

重叠产生的强烈作用,好比在核间架起一座带负电的桥梁,把带正电的两个原子核“黏结”在一起了原子轨道相互重叠形成共价键两个原子核间3.共价键的类型(按成键原子轨道的重叠方式分类)共价键类型σ键π键示意图s-s型s-p型p-p型原子轨道重叠方式

重叠

重叠“头碰头”“肩并肩”特征以形成化学键的两原子核的

为轴做旋转操作,共价键的电子云的图形

,这种特征称为

.每个π键的电子云由两块组成,它们互为

,这种特征称为

.键的强度较大较小化学活泼性不活泼活泼连线不变轴对称镜像镜面对称4.判断σ键、π键的一般规律共价单键为

键;共价双键中有一个

键,另一个是

键;共价三键由一个

键和两个

键构成。σσ(或π)π(或σ)σπ『互动探究』下面是乙烷、乙烯、乙炔的分子结构。探究σ键和π键判断与比较问题1:仔细观察乙烷、乙烯、乙炔的分子结构,指出它们的分子中分别含几个σ键和几个π键。提示:分子σ键数目π键数目乙烷70乙烯51乙炔32问题2:乙烯、乙炔的化学性质为什么比乙烷活泼?提示:乙烯分子中的碳碳双键由一个σ键和一个π键构成,乙炔分子中的碳碳三键由一个σ键、两个π键构成,乙烷分子中只含σ键不含π键;π键原子轨道的重叠程度小、不稳定,容易断裂,而σ键牢固,不易断裂,故乙烷的化学性质稳定。问题3:分子中存在π键的物质化学性质一定活泼吗?提示:通常情况下,σ键比π键牢固,π键容易断裂,如乙烯、乙炔的化学性质比乙烷活泼,但N2中的π键由于原子轨道重叠程度大,比较牢固,故N2中的π键不易断裂,不易发生加成反应和氧化反应。归纳拓展1.共价键的分类方法分类依据类型形成共价键的原子轨道重叠方式σ键原子轨道“头碰头”重叠π键原子轨道“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双键原子间有两对共用电子对三键原子间有三对共用电子对2.σ键和π键的判断方法(1)依据共价键的类型判断。(2)依据共价分子的组成判断σ键。根据成键原子的价层电子数来判断能形成几对共用电子对。如果成键两原子间只形成一对共用电子对,则该共价键一定是σ键;如果形成多对共用电子对,则先形成1个σ键,另外的原子轨道形成π键。『题组例练』题点一共价键的实质与特征1.下列不属于共价键成键因素的是(

)A.共用电子对在两原子核之间高概率出现B.共用的电子必须配对C.成键后体系能量降低,趋于稳定D.两原子核体积大小要适中√解析:共价键的成因是当成键原子相互靠近时,原子轨道发生重叠,自旋方向相反的未成对电子形成共用电子对,两原子核间的电子云密度增加,体系的能量降低。2.共价键具有饱和性和方向性,下列关于共价键这两个特征的叙述不正确的是(

)A.共价键的饱和性是由成键原子的未成对电子数决定的B.共价键的方向性是由成键原子的轨道的方向性决定的C.共价键的饱和性决定了分子内部的原子的数量关系D.共价键的饱和性与原子轨道的重叠程度有关√解析:原子的未成对电子配对成键后,一般就不再与其他原子的未成对电子配对成键了,故原子的未成对电子数决定了该原子形成的共价键具有饱和性,饱和性决定了该原子成键时最多连接的原子数,故A、C正确;形成共价键时,原子轨道重叠的程度越大越好,为了达到原子轨道的最大重叠程度,成键的方向与原子轨道的伸展方向就存在着必然的联系,故B正确。题点二σ键和π键的判断与比较3.下列关于σ键和π键的说法不正确的是(

)A.σ键和π键能同时存在于同一个分子中B.σ键是原子轨道“头碰头”重叠形成的,π键是原子轨道“肩并肩”重叠形成的C.乙烯分子中含有5个σ键和1个π键D.H2中只存在σ键,N2中只存在π键√解析:σ键和π键能同时存在于同一个分子中,如N2中含有1个σ键和2个π键,A正确;σ键是原子轨道“头碰头”重叠形成的,π键是原子轨道“肩并肩”重叠形成的,B正确;单键为σ键,双键中有1个σ键和1个π键,乙烯分子的结构式为,含有5个σ键和1个π键,C正确;H2的结构式为H—H,单键为σ键,则H2中只存在σ键,N2中含有1个σ键和2个π键,D错误。4.下列关于σ键和π键的说法正确的是(

)A.σ键可以绕键轴旋转,π键一定不能绕键轴旋转B.描述的是π键的形成过程C.烯烃中碳原子轨道以“头碰头”的方式重叠比以“肩并肩”的方式重叠的程度小,所以σ键比π键活泼D.可以表示N2中σ键和π键存在的情况√解析:σ键为单键,可以绕键轴旋转,π键在双键、三键中存在,不能绕键轴旋转,A正确;B项描述的是“头碰头”形成σ键的过程,B错误;烯烃中碳原子间形成σ键时电子云的重叠程度大于“肩并肩”形成π键时电子云的重叠程度,故σ键比π键活泼性差,C错误;N2中两个氮原子“头碰头”形成1个σ键,两个相互垂直的p轨道“肩并肩”形成2个π键,D错误。5.有以下物质:①HF;②Cl2;③H2O;④N2;⑤C2H4;⑥C2H6;⑦H2;⑧H2O2;⑨HCN(H—C≡N)。(1)只有σ键的是

(填序号,下同);既有σ键又有π键的是

。

①②③⑥⑦⑧④⑤⑨解析:(1)单键只有σ键,双键或三键才含有π键,故只有σ键的是①②③⑥⑦⑧;既有σ键又有π键的是④⑤⑨。(2)含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的是

。解析:(2)氢原子只有s轨道,题给物质中含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的只有H2。⑦(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

。

①③⑤⑥⑧⑨解析:(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键的有①③⑤⑥⑧⑨。(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

。

②④⑤⑥⑧⑨解析:(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,说明构成这种σ键的原子中一定没有H,故选②④⑤⑥⑧⑨。规律方法对于σ键和π键判断应特别注意的问题(1)s轨道与s轨道形成σ键时,电子并不是只在两核间运动,只是电子在两核间出现的概率大。(2)共价双键和三键中既有σ键又有π键。共价双键中有一个σ键、一个π键;三键中有一个σ键、两个π键。(3)因s轨道是球形的,故s轨道与s轨道形成σ键时,无方向性。(4)两个原子间可以只形成σ键,但不能只形成π键。学习任务2认识键参数——键能、键长与键角『自主梳理』1.键能(1)定义:气态分子中1mol化学键解离成气态原子所

的能量称为键能。(2)意义:衡量共价键强弱的重要参数。(3)条件和单位:键能通常是298.15K、101kPa条件下的标准值,单位为

。吸收kJ·mol-1(1)定义:构成化学键的两个原子的

。(2)意义:衡量共价键强弱的重要参数。(3)键长与共价键的稳定性之间的关系。共价键的键长越短,往往键能越

,表明共价键越稳定。如H2、Cl2、Br2三种分子中,共价键的键长最长的是

,键能最大的是

。[示例]根据键长的定义并参考教材表2-2,可以如何比较同类型共价键的键长?提示:一般同种类型的共价键,成键原子的原子半径越小,键长越短。成键原子相同的共价键的键长为单键>双键>三键。核间距2.键长大Br2H23.键角(1)定义:在多原子分子中,两个相邻共价键之间的夹角。(2)意义:①键角是描述分子空间结构的重要参数。②多原子分子的键角一定,表明共价键具有方向性。[示例]常见分子的键角。如图所示,CO2中两个CO间的夹角为180°,所以CO2呈直线形;H2O中两个H—O间的夹角为105°,所以H2O呈V形(或角形);NH3中每两个N—H间的夹角均为107°,所以NH3呈三角锥形。『互动探究』下表是某些化学键的键能和键长。化学键H—HCl—ClBr—BrH—Cl键能/(kJ·mol-1)436.0242.7193.7431.8键长/pm74198228142化学键H—BrN≡NOOF—F键能/(kJ·mol-1)366946497.3157键长/pm127110120141探究键参数的应用问题1:试利用表中数据进行计算,1molH2与足量的Cl2、Br2(蒸气)反应,分别形成2molHCl和2molHBr,哪一个反应释放的能量更多,并用计算的结果说明HCl和HBr哪个更容易发生热分解生成相应的单质。提示:通过计算,1molH2分别与足量的Cl2、Br2(蒸气)反应,分别形成2molHCl和2molHBr,放出能量依次为184.9kJ、102.3kJ。1molH2与1molCl2反应形成2molHCl放出的能量多,则HCl更稳定,HBr更容易发生热分解生成相应的单质。问题2:N2、O2、F2跟H2反应的能力依次增强,从键能的角度应如何理解这一化学事实?提示:N≡N、OO、F—F的键能依次为946kJ·mol-1、497.3kJ·mol-1、157kJ·mol-1,键能依次减小,化学键断裂越来越容易,故N2、O2、F2与H2反应的能力依次增强。问题3:表中缺少HF和HI的键能、键长数据,试推测HF、HCl、HBr、HI的键长大小关系是什么。结构相似的物质的键长与键能、物质稳定性的关系是怎样的?提示:键长为HF<HCl<HBr<HI。对于结构相似的物质,键长越长,键能越小,物质稳定性越差。问题4: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:氟原子的半径比氯原子的半径小,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。问题5:为什么CH4的空间结构是正四面体,而CH3Cl只是四面体而不是正四面体?提示:C—H和C—Cl的键长不相等。归纳拓展共价键参数的应用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,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,旧化学键的断裂吸收能量,新化学键的形成释放能量,因此反应焓变与键能的关系为ΔH=反应物键能总和-生成物键能总和;ΔH<0时,为放热反应;ΔH>0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。①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。②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>三键键长。3.键角的应用(1)键长和键角决定分子的空间结构。如NH3分子的H—N—H键角是107°,N—H键长是101pm,则可以判断NH3分子是三角锥形分子,如图:(2)常见分子的键角与分子空间结构。化学式键角分子空间结构CO2180°直线形NH3107°三角锥形H2O105°V形BF3120°平面三角形CH4109°28′正四面体形『题组例练』题点一键参数的理解、辨析1.下列说法正确的是(

)A.键能越小,表示化学键越牢固,难以断裂B.两原子核越近,键长越长,化学键越牢固,性质越稳定C.破坏化学键时消耗能量,而形成新的化学键时则释放能量D.键能、键长只能定性地分析化学键的特性√解析:键能越大,表示化学键越牢固,难以断裂,故A错误;两原子核越近,键长越短,化学键越牢固,性质越稳定,故B错误;破坏化学键时消耗能量,而形成新的化学键时则释放能量,故C正确;键能、键长能定量分析化学键的特性,故D错误。2.下列有关共价键键参数的比较不正确的是(

)A.键能:C—N<CN<C≡NB.键长:I—I>Br—Br>Cl—ClC.分子中的键角:H2O>NH3D.键长:C—C>CC>C≡C√题点二键参数的应用3.已知N—N、NN和N≡N键能之比为1.00∶2.17∶4.90,而C—C、CC和C≡C键能之比为1.00∶1.77∶2.34。下列说法正确的是(

)A.σ键一定比π键稳定B.N2较易发生加成反应C.乙烯、乙炔较易发生加成反应D.乙烯、乙炔中的π键比σ键稳定√4.已知下列化学键的键能:化学键C—CN—NO—OOOO—H键能/(kJ·mol-1)347.7193142497.3462.8化学键S—HSe—HN—HAs—H键能/(kJ·mol-1)363.5276390.8247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

。

-213.3kJ·mol-1解析:(1)反应2H2O2(g)2H2O(g)+O2(g)的反应热ΔH=反应物的键能之和-生成物的键能之和=(462.8×4+142×2)kJ·mol-1-(462.8×4+497.3)kJ·mol-1=-213.3kJ·mol-1。(2)O—H、S—H、Se—H的键能逐渐减小,原因是

,

据此可推测P—H键能的范围为

.

<P—H键能<

。

O、S、Se位于同一主族,原子半径逐渐增大,O—H、S—H、Se—H的键长逐渐变长,因而键能依次减小247kJ·mol-1390.8kJ·mol-1解析:(2)O、S、Se位于同一主族,原子半径逐渐增大,导致O—H、S—H、Se—H的键长逐渐变长,键长越长,键能越小,所以O—H、S—H、Se—H的键能逐渐减小;N、P、As位于同一主族,原子半径逐渐增大,导致N—H、P—H、As—H的键长逐渐变长,N—H、P—H、As—H的键能依次减小,所以As—H的键能<P—H的键能<N—H的键能,即247kJ·mol-1<P—H的键能<390.8kJ·mol-1。(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

。C—C的键能较大,较稳定,因而易形成C—C长链,而N—N、O—O的键能小,不稳定易断裂,因此难以形成N—N、O—O长链解析:(3)键能越大,化学键越稳定,越不容易断裂,分子越稳定,由表中数据可知,C—C的键能较大(347.7kJ·mol-1),易形成C—C长链,而N—N、O—O的键能较小(分别为193kJ·mol-1、142kJ·mol-1),化学键不稳定,容易断裂,所以氮原子与氮原子间,氧原子与氧原子间难形成N—N长链和O—O长链。『知识整合提升』学科素养测评石墨烯具有优异的性能,被认为是一种未来革命性的材料,单层石墨烯是由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料;肼(N2H4)可用作火箭燃料,肼分子可视为NH3分子中的一个氢原子被—NH2(氨基)取代形成的另一种氮的氢化物;氢气是一种理想的二次能源,航天