高中化学专题3微粒间作用力与物质性质第三单元第3课时共价键的键能原子晶体学案苏教选修3Word文档格式.docx
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[归纳总结]
1.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。
2.键能与化学反应过程中的能量关系
(1)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,反之则为放热反应。
(2)定量关系:
能量变化=反应物键能总和-生成物键能总和,即ΔH=E反应物-E生成物。
[活学活用]
1.下列说法正确的是( )
A.分子中键能越大,表示分子拥有的能量越高,共价键越难断裂
B.分子中键长越长,表示成键原子轨道重叠越大,键越牢固
C.化学键形成的过程是一个吸收能量的过程
D.化学键形成的过程是一个放出能量的过程
答案 D
解析 键能大,表示破坏该键需要的能量大,并不是分子拥有的能量大;
键长越长,表示成键的两原子的核间距越长,分子越不稳定;
化学键的形成是原子由高能量状态向稳定状态(低能量)转变的过程,所以是一个放热过程。
2.已知H—H键键能为436kJ·
mol-1,H—N键键能为391kJ·
mol-1,根据化学方程式N2+3H2
2NH3,1molN2与足量H2反应放出的热量为92.4kJ·
mol-1,则N≡N键的键能是( )
A.431kJ·
mol-1B.945.6kJ·
C.649kJ·
mol-1D.896kJ·
答案 B
解析 本题与热化学反应方程式有关,N≡N、H—H的断裂需要吸收能量,而N—H的形成要放出能量,根据能量守恒可得如下关系式:
Q+436kJ·
mol-1×
3-391kJ·
6=-92.4kJ·
mol-1,解得Q=945.6kJ·
二 原子晶体的概念及其性质
1.金刚石的晶体结构模型如下图所示。
回答下列问题:
(1)在晶体中每个碳原子以4个共价单键对称地与相邻的4个碳原子相结合,形成正四面体结构,这些正四面体向空间发展,构成彼此联结的立体网状结构。
(2)最小环上有6个碳原子。
(3)晶体中C原子个数与C—C键数之比为1∶2。
(4)晶体中C—C键长很短,键能很大,故金刚石的硬度很大,熔点很高。
2.通过以上分析,总结原子晶体的概念
(1)概念:
相邻原子间以共价键相结合形成的具有空间立体网状结构的晶体,称为原子晶体。
(2)构成微粒:
原子晶体中的微粒是原子,原子与原子之间的作用力是共价键。
3.
(1)常见的原子晶体:
①常见的非金属单质,如金刚石(C)、硼(B)、晶体硅(Si)等。
②某些非金属化合物,如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、二氧化硅(SiO2)等。
SiO2晶体的结构:
在SiO2晶体中,1个Si原子和4个O原子形成4个共价键,每个Si原子周围结合4个O原子,同时,每个O原子跟2个Si原子相结合(硅为+4价,氧为-2价)。
实际上,SiO2是由Si原子和O原子按1∶2的比例所构成的立体网状结构(如图所示),最小的环上有12个原子。
(2)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:
①熔、沸点很高,②硬度大,③一般不导电,④难溶于溶剂。
(3)共价键键长越短,共价键越稳定,原子晶体的熔、沸点越高,硬度也越大。
1.构成原子晶体的微粒是原子,其相互作用是共价键。
2.原子晶体中不存在单个分子,化学式仅仅表示的是物质中的原子个数比关系,不是分子式。
3.关于二氧化硅晶体的下列说法中,正确的是( )
A.1molSiO2晶体中Si—O键为2mol
B.二氧化硅晶体的分子式是SiO2
C.晶体中Si、O原子最外电子层都满足8电子结构
D.晶体中最小环上的原子数为8
答案 C
解析 A选项错误,SiO2晶体中,1个硅原子与周围4个氧原子形成Si—O键,所以1molSiO2晶体中Si—O键为4mol;
B选项错误,晶体中1个硅原子与周围4个氧原子形成共价键,1个氧原子与周围2个硅原子形成共价键,SiO2表示晶体中Si、O原子个数比为1∶2,并不是分子式;
C选项正确,1个硅原子分别与4个氧原子形成4对共用电子对,1个氧原子分别与2个硅原子形成2对共用电子对,所以Si、O原子最外电子层都满足8电子结构;
D选项错误,晶体中最小环上硅与氧交替连接,SiO2晶体中最小环上的原子数为12,其中6个硅原子,6个氧原子。
4.已知C3N4晶体很可能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C3N4晶体的说法正确的是( )
A.C3N4是分子晶体
B.C3N4晶体中,C—N键的键长比金刚石中的C—C键的键长长
C.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.C3N4晶体中微粒间通过分子间作用力相结合
解析 根据C3N4的性质可知其为原子晶体,C—N键为极性共价键,由于原子半径:
r(N)<
r(C),故C—N键的键长比C—C键的键长短,由碳、氮原子间以单键相结合,且根据化学式可知,一个碳原子可连接4个氮原子,同时一个氮原子可连接3个碳原子,故C正确。
反应热(ΔH)=反应物总键能-生成物总键能。
当堂检测
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.下列分子中最难断裂成原子的是( )
A.HFB.HCl
C.HBrD.HI
解析 因为原子半径I>
Br>
Cl>
F,电负性F>
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—I。
键能越大,化合物越难断裂成原子。
3.有关原子晶体的叙述,错误的是( )
A.原子晶体中,原子不遵循紧密堆积原则
B.原子晶体中不存在独立的分子
C.原子晶体的熔点和硬度较高
D.原子晶体熔化时不破坏化学键
解析 原子晶体中原子之间通过共价键相连,而共价键具有方向性和饱和性,所以原子晶体中,原子不遵循紧密堆积原则。
4.碳化硅(SiC)的一种晶体具有类似金刚石的结构,其中碳原子与硅原子的位置是交替的,在下列三种晶体中,它们的熔点从高到低的顺序是( )
①金刚石 ②晶体硅 ③碳化硅
A.①③②B.②③①
C.③①②D.②①③
解析 这三种晶体属于同种类型,熔化时需破坏共价键,①金刚石中为C—C键,②晶体硅中为Si—Si键,③SiC中为Si—C键,由原子半径可知Si—Si键键长最大,C—C键键长最短,键长越短共价键越稳定,破坏时需要的热量越多,故熔点从高到低顺序为①③②。
5.单质硼有无定形和晶体两种,参考下表数据:
金刚石
晶体硅
晶体硼
熔点/K
>3823
1683
2573
沸点/K
5100
2628
2823
硬度
10
7.0
9.5
(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Si和金刚石之间,而金刚石和晶体Si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 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3/5×
20=12个。
40分钟课时作业
[基础过关]
一、共价键的键能、键长及应用
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反应
C.HF、HCl、HBr、HI的稳定性逐渐减弱
D.F2比O2更容易与H2反应
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H—F的键能大于H—O,所以二者比较更容易生成HF。
2.从实验测得不同物质中氧氧之间的键长和键能的数据:
O—O键
数据
O
O2
键长(10-12m)
149
128
121
112
键能(kJ·
mol-1)
x
y
z=494
w=628
其中x、y的键能数据尚未测定,但可根据规律推导键能的大小顺序为w>
z>
y>
x;
该规律是( )
A.成键的电子数越多,键能越大
B.键长越长,键能越小
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
解析 研究表中数据发现,O2与O
的键能大者键长短。
按此规律,O
中O—O键长比O
中的长,所以键能要小。
按O—O键长由短到长的顺序为O
<
O2<
,键能为w>
x。
故B正确,A不正确。
这些微粒都是由相同的原子组成,电子对无偏移,D项错误;
对于这些微粒,在成键时所用电子情况,题中无信息,已有的知识中也没有,说明这不是本题考查的知识点,故不选C项。
3.化学反应可视为旧键的断裂和新键的形成过程。
化学键的键能是形成化学键时释放的能量。
已知白磷和P4O6的分子结构如图所示,现提供以下化学键的键能(kJ·
mol-1):
P—P:
198 P—O:
360 O===O:
498,则反应P4(白磷)+3O2===P4O6的反应热ΔH为( )
A.-1638kJ·
mol-1B.1638kJ·
C.-126kJ·
mol-1D.126kJ·
解析 反应中的键能包括:
断裂1molP4和3molO2分子中共价键吸收的能量和形成1molP4O6分子中共价键放出的能量。
由各物质的分子结构知1molP4含6molP—P键,3molO2含3molO===O键,化学反应的反应热ΔH=反应物的总键能—生成物的总键能。
故ΔH=(198kJ·
6+498kJ·
3)-360kJ·
12=-1638kJ·
4.已知N2+O2===2NO为吸热反应,ΔH=180kJ·
mol-1,其中N≡N、O===O键的键能分别为946kJ·
mol-1、498kJ·
mol-1,则N—O键的键能为( )
A.1264kJ·
mol-1B.632kJ·
C.316kJ·
mol-1D.1624kJ·
解析 180kJ·
mol-1=946kJ·
mol-1+498kJ·
mol-1-2EN-O,所以EN-O=632kJ·
二、原子晶体类型的判断
5.下列晶体中属于原子晶体且为单质的是( )
A.金属铜B.金刚砂
C.金刚石D.水晶
解析 金属铜属于金属晶体,金刚砂(SiC)、水晶(SiO2)属于原子晶体,但为化合物,故A、B、D三项均不符合。
6.根据下列性质判断,属于原子晶体的物质是( )
A.熔点2700℃,导电性好,延展性强
B.无色晶体,熔点3550℃,不导电,质硬,难溶于水和有机溶剂
C.无色晶体,能溶于水,质硬而脆,熔点为800℃,熔融时能导电
D.熔点-56.6℃,微溶于水,硬度小,固态或液态时不导电
解析 本题考查的是各类晶体的物理性质特征。
A项中延展性好,不是原子晶体的特征,因为原子晶体中原子与原子之间以共价键结合,而共价键有一定的方向性,使原子晶体质硬而脆,A项不正确;
B项符合原子晶体的特征;
C项符合离子晶体的特征;
D项符合分子晶体的特征。
7.氮化碳结构如图,其中β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C3N4
D.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
解析 根据β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。
三、原子晶体的结构特点
8.下列关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是( )
A.存在四面体结构单元,O处于中心,Si处于4个顶角
B.最小的环上,有3个Si原子和3个O原子
C.最小的环上,Si和O原子数之比为1∶2
D.最小的环上,有6个Si原子和6个O原子
解析 晶体硅的结构与金刚石相似(金刚石中最小碳环为6个碳原子),而SiO2晶体只是在两个Si原子间插入1个O原子,即最小环含6个Si原子和6个O原子。
9.据报道:
用激光可将置于铁室中的石墨靶上的碳原子“炸松”,再用一个射频电火花喷射出氮气,可使碳、氮原子结合成碳氮化合物(C3N4)的薄膜,该碳氮化合物比金刚石还坚硬,则下列说法正确的是( )
A.该碳氮化合物呈片层状结构
B.该碳氮化合物呈立体网状结构
C.该碳氮化合物中C—N键键长大于金刚石中C—C键键长
D.相邻主族非金属元素形成的化合物的硬度比单质小
解析 由题意知,该碳氮化合物的硬度比金刚石还大,说明该碳氮化合物为原子晶体,因此是立体网状结构;
因为碳原子半径大于氮原子半径,所以C—N键的键长小于C—C键的键长。
10.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A—A键中插入一个B原子,则C的化学式为( )
A.AB
B.A5B4
C.AB2
D.A2B5
解析 由于处于中心的A原子实际结合的B原子为
×
4=2,故C的化学式为AB2(如图)。
[能力提升]
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)
Cl2
243
Br2
193
I2
151
H2
436
HF
565
HCl
431
HBr
363
HI
297
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________(填字母序号下同)
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 (4)F2 366 (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 能量越低物质本身越稳定,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.
金刚砂(SiC)与金刚石具有相似的晶体结构(如图所示),在金刚砂的空间网状结构中,碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。
试回答:
(1)金刚砂属于________晶体。
(2)在金刚砂的结构中,一个硅原子周围结合________个碳原子。
(3)金刚砂的结构中含有共价键形成的原子环,其中最小的环上有________个硅原子。
答案
(1)原子
(2)4 (3)3
解析 由于金刚砂的晶体构型是空间立体网状结构,碳原子、硅原子交替以共价键相结合,故金刚砂是原子晶体;
硅和碳的电子层结构相似,成键方式相同,硅原子周围有4个碳原子;
组成的六元环中,有3个碳原子、3个硅原子。
13.三种常见元素的性质或结构信息如下表,试根据信息回答有关问题。
元素
A
B
C
性质结
构信息
原子核外有两个电子层,最外层有3个未成对的电子
原子的M层有1对成对的p电子
有两种常见氧化物,其中一种是冶金工业常用的还原剂
(1)写出B原子的核外电子排布式____________________________________________。
(2)写出A的气态氢化物的电子式,并指出它的共价键属于极性键还是非极性键________________________________________________________________________。
(3)C的一种单质在自然界中硬度最大,则这种单质的晶体类型是______________。
答案
(1)1s22s22p63s23p4
(2)
、极性键
(3)原子晶体
解析 由所给信息,可知A的核外电子排布式为1s22s22p3,A为氮;
B的核外电子排布式为1s22s22p63s23p4,B为硫;
常见冶金还原剂为H2和CO,由C的一种单质在自然界中硬度最大可确定C为碳。
[拓展探究]
14.二氧化硅晶体是立体的网状结构,其晶体结构模型如图。
请认真观察该模型后回答下列问题:
(1)二氧化硅晶体中最小环上有______个原子,晶体结构中存在以__________原子为中心、________原子为顶点的正四面体结构。
(2)晶体中存在的作用力有________(填字母,下同)。
A.共价键B.离子键
C.配位键D.金属键
(3)美国LawreceLiremore国家实验室(LLNL)的V.Lota.C.S.Yoo和Cynn成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的原子晶体,下列关于CO2的原子晶体说法正确的是________。
A.CO2的原子晶体和分子晶体互为同素异形体
B.在一定条件下,CO2原子晶体转化为分子晶体是物理变化
C.CO2的原子晶体和CO2的分子晶体具有相同的物理性质
D.在CO2的原子晶体中,每个C原子结合4个O原子,每个O原子结合2个C原子
答案
(1)12 Si O(或Si)
(2)A (3)D
解析
(1)二氧化硅晶体中最小环上有6个硅原子和6个氧原子,并形成以硅原子为中心、氧原子(或硅原子)为顶点的正四面体结构。
(2)原子晶体中只存在共价键,且Si—O键为极性键,不是配位键。
(3)同素异形体的研究对象是单质;
CO2的晶体类型发生转变说明已生成了新物质,故为化学变化;
CO2的不同晶体具有不同的物理性质;
CO2原子晶体类似于SiO2晶体,属于原子晶体,每个C原子结合4个O原子,每个O原子结合2个C原子。
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