新设计化学苏教选修3专题3 第三单元第2课时.docx
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新设计化学苏教选修3专题3第三单元第2课时
第2课时 共价键的键能与化学反应的反应热 原子晶体
[目标导航] 1.掌握共价键的键能与键长的概念以及它们之间的关系。
能用键能、键长等说明简单分子的某些性质。
2.掌握共价键的键能与化学反应过程中的能量变化之间的关系。
3.掌握原子晶体的概念及原子晶体的结构与物理性质特点。
一、共价键的键能与化学反应的反应热
1.共价键的键能
共价键的键能是在101kPa、298K条件下,1mol气态AB分子生成气态A原子和B原子的过程中所吸收的能量,称为AB间共价键的键能。
其单位为kJ·mol-1。
如断开1molH—H键吸收的能量为436.0kJ,即H—H键的键能为436.0kJ·mol-1。
键能越大,形成化学键时放出的能量越多,意味着化学键越稳定,越不容易被破坏。
2.键长
两个成键原子的原子核间的距离叫做该共价键的键长。
一般而言,化学键的键长越短,键能越大,化学键越强,键越牢固。
当两个原子形成共价键时,原子轨道发生重叠,重叠程度越大,键长越短,键能越大。
3.键能与化学反应过程中的能量关系
(1)化学反应的实质是旧化学键断裂和新化学键形成的过程。
(2)旧化学键断裂吸收能量,新化学键形成放出能量。
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,否则,反应为放热反应。
反应热(ΔH)=反应物总键能-生成物总键能。
(3)反应物和生成物的化学键的强弱决定着化学反应过程中的能量变化。
议一议
1.根据下表中的H—X键的键能回答下列问题:
共价键
H—F
H—Cl
H—Br
H—I
键能/kJ·mol-1
567
431
366
298
(1)若使2molH—Cl键断裂为气态原子,则发生的能量变化是吸收862kJ的能量。
(2)表中共价键最难断裂的是H—F,最易断裂的是H—I。
(3)由表中键能数据的大小说明键能与分子稳定性的关系:
HF、HCl、HBr、HI的键能依次减小,说明四种分子的稳定性依次减弱,即HF分子很稳定,最难分解,HI分子最不稳定,易分解。
2.下列三种分子中:
①H2、②Cl2、③Br2,共价键的键长最长的是③,键能最大的是①。
3.已知H—H、Cl—Cl、H—Cl键的键能分别为436kJ·mol-1、243kJ·mol-1、431kJ·mol-1。
试通过键能数据估算H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g)反应的反应热是多少?
答案 ΔH=E(反应物键能之和)-E(生成物键能之和)=(436+243-2×431)kJ·mol-1=-183kJ·mol-1。
二、原子晶体
1.原子晶体的概念
相邻原子间以共价键相互结合形成的晶体叫做原子晶体。
2.原子晶体中存在的微粒
原子晶体中存在的微粒为原子;微粒间的相互作用为共价键。
3.典型的原子晶体——金刚石
在金刚石晶体中,每个碳原子被周围4个碳原子包围,以共价键跟4个碳原子结合形成4个共价单键,其C—C—C夹角为109.5°。
金刚石晶体中C原子个数与C—C键数之比为1∶
=1∶2。
金刚石结构中最小的环中,有6个C原子,金刚石晶胞中含8个C原子。
4.原子晶体的物理性质
熔点高,硬度大,不导电,难溶于一般溶剂。
5.常见的原子晶体
(1)某些非金属单质,如晶体硼(B)、晶体硅(Si)和金刚石等。
(2)某些非金属化合物,如金刚砂(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。
议一议
1.原子晶体的物理性质有哪些?
答案 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。
2.氮化碳晶体是新发现的一种高硬度材料,该晶体类型应该是晶体。
试根据物质结构知识推测氮化碳晶体与金刚石比较,硬度更大的应该是晶体,熔点较低的应是晶体。
答案 原子 氮化碳 金刚石
解析 根据氮化碳为高硬度材料且都由非金属元素组成,推断该晶体应为原子晶体。
又因为N原子半径小于C原子半径,所以C—N键比C—C键更强,硬度更大的应该是氮化碳,熔点较低的是金刚石。
一、键长、键能与反应热
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
结构相似的分子中,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>叁键键长。
3.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。
特别提醒
由分子构成的物质,其熔、沸点与共价键的键能和键长无关。
而分子的稳定性,由键长和键能决定。
例1
碳和硅的有关化学键键能如下所示,简要分析和解释下列有关事实:
化学键
C—C
C—H
C—O
Si—Si
Si—H
Si—O
356
413
336
226
318
452
回答下列问题:
(1)通常条件下,比较CH4和SiH4的稳定性强弱:
。
(2)硅与碳同族,也有系列氢化物,但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多,原因是。
(3)Si与C相比更易生成氧化物,原因是。
解析
(1)因为C—H键的键能大于Si—H键的键能,所以CH4比SiH4稳定。
(2)C—C键和C—H键的键能比Si—Si键和Si—H键都大,因此烷烃比较稳定,而硅烷中Si—Si键和Si—H键的键能较低,易断裂,导致长链硅烷难以生成。
(3)C—H键的键能大于C—O键,C—H键比C—O键稳定,而Si—H键的键能却远小于Si—O键,所以Si—H键不稳定而倾向于形成稳定性更强的SiO键。
答案
(1)CH4比SiH4稳定
(2)C—C键和C—H键较强,所形成的烷烃稳定,而硅烷中
Si—Si键和Si—H键的键能较低,易断裂,导致长链硅烷难以生成
(3)C—H键的键能大于C—O键,C—H键比C—O键稳定,而Si—H键的键能却远小于
Si—O键,所以Si—H键不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O键
解题反思
键能和键长决定分子的稳定性,许多物质的化学性质与键能有关,例如N2、SiO2等的化学性质不活泼就与键能的大小有关。
变式训练1 某些化学键的键能如下表所示(kJ·mol-1):
键
H—H
Br—Br
I—I
Cl—Cl
H—Cl
H—I
H—Br
H—F
键能
436
193
151
243
431
297
363
565
根据表中数据回答下列问题:
(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.Cl2
C.Br2D.I2
(2)下列氢化物中,最稳定的是。
A.HFB.HCl
C.HBrD.HI
(3)X2+H2===2HX(X代表F、Cl、Br、I,下同)的反应是(填“吸热”或“放热”)反应。
(4)1molCl2在一定条件下与等物质的量的H2反应,放出的热量是kJ。
相同条件下,X2分别与H2反应,当消耗等物质的量的氢气时,放出的热量最多的是。
答案
(1)A
(2)A (3)放热 (4)183 F2
解析
(1)和
(2)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。
(3)和(4),ΔH=反应物的总键能-生成物的总键能。
解题反思
化学反应的焓变=反应物的总键能-生成物的总键能,计算反应热时,要准确计算出每摩尔物质所含有的各共价键的数目。
二、典型的原子晶体
金刚石(晶体硅)、二氧化硅、碳化硅的晶胞
1.金刚石(晶体硅)
金刚石(晶体硅)晶胞的每个顶点和面心均有1个C(Si)原子,晶胞内部有4个C(Si)原子,每个金刚石(晶体硅)晶胞中含有8个C(Si)原子。
2.二氧化硅晶胞
SiO2晶体结构相当于在晶体硅结构中每两个Si原子中间插入一个O原子,参照金刚石晶胞模型,在SiO2晶胞中有8个Si原子位于立方晶胞的顶点,有6个Si原子位于立方晶胞的面心,还有4个Si原子与16个O原子在晶胞内构成4个硅氧四面体,均匀排列于晶胞内。
每个SiO2晶胞中含有8个Si原子和16个O原子。
3.碳化硅晶胞
(1)每个硅(碳)原子与周围紧邻的4个碳(硅)原子以共价键结合成正四面体结构,向空间伸展形成空间网状结构。
(2)最小碳环由6个原子组成且不在同一平面内,其中包括3个C原子和3个Si原子。
(3)每个SiC晶胞中含有4个C原子和4个Si原子。
例2
碳化硅和立方氮化硼的结构与金刚石类似,碳化硅硬度仅次于金刚石,立方氮化硼硬度与金刚石相当,其晶胞结构如图所示。
请回答下列问题:
(1)每个硅原子周围与其距离最近的碳原子有个;设晶胞边长为acm,密度为bg·cm-3,则阿伏加德罗常数可表示为(用含a、b的式子表示)。
(2)立方氮化硼晶胞中有个硼原子,个氮原子,若晶胞的边长为acm,则立方氮化硼的密度表达式为g·cm-3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。
解析
(1)SiC晶体中,每个Si原子与4个C原子形成4个σ键,每个Si原子距离最近的C原子有4个。
SiC晶胞中,碳原子数为6×
+8×
=4个,硅原子位于晶胞内,硅原子数为4个,1个晶胞的质量为
g,体积为a3cm3,因此晶体密度:
bg·cm-3=
,故NA=
mol-1。
(2)立方氮化硼晶胞中,含有N原子数为6×
+8×
=4个,B原子位于晶胞内,立方氮化硼晶胞中含硼原子4个。
每个立方氮化硼晶胞的质量为
g,体积为a3cm3,故密度为
g·cm-3。
答案
(1)4
mol-1
(2)4 4
解题反思
晶胞中原子个数
配位数
金刚石
8个
4
碳化硅
C4个 Si4个
4
氮化硼
N4个 B4个
4
变式训练2 关于SiO2晶体的叙述正确的是( )
A.60gSiO2晶体中含有NA个分子(NA表示阿伏加德罗常数的数值)
B.60gSiO2晶体中,含有2NA个Si—O键
C.SiO2晶体中与同一Si原子相连的4个O原子处于同一四面体的4个顶点
D.SiO2晶体中,1个Si原子和2个O原子形成2个共价键
答案 C
解析 SiO2晶体为原子晶体,晶体中不存在单个分子,A不正确;1molSiO2晶体含有Si—O键4mol,B不正确;SiO2晶体中,与每个Si原子相连的4个O构成正四面体结构,O原子位于顶点,Si原子位于四面体的中心,C正确;SiO2晶体中,1个Si原子和4个O原子形成4个共价键,D不正确。
解题反思
硅晶体
二氧化硅晶体
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.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.ABB.A5B4C.AB2D.A2B5
答案 C
3.下列分子中最难断裂成原子的是( )
A.HFB.HCl
C.HBrD.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E(H—F)>E(H—Cl)>E(H—Br)>E(H—I)。
键能越大,化合物越难断裂成原子。
4.已知C3N4晶体具有比金刚石更大的硬度,且原子间均以单键结合。
下列关于晶体的说法正确的是( )
A.C3N4晶体是离子晶体
B.C3N4晶体中,C—N键的键长比金刚石中C—C键的键长要长
C.C3N4晶体中微粒间通过离子键结合
D.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
答案 D
解析 C3N4晶体原子间均以单键结合,则原子间为共价键,且硬度比金刚石大,所以C3N4晶体是原子晶体,A、C错;因为氮原子比碳原子半径小,所以C—N键比C—C键的键长要短,B错误;因为碳原子最外层有4个孤电子对,易形成4个共价键,氮原子最外层有3个孤电子对,易形成3个共价键,所以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正确。
5.金刚石具有硬度大、熔点高等特点,大量用于制造钻头、金属切割刀具等。
其结构如图所示。
下列判断正确的是( )
A.金刚石中C—C键的键角均为109.5°,所以金刚石和CH4的晶体类型相同
B.金刚石熔点高与C—C键的键能无关
C.金刚石中碳原子个数与C—C键个数之比为1∶2
D.金刚石熔点高,所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却
答案 C
解析 选项A,金刚石是原子晶体,CH4是分子晶体,二者的晶体类型不同;选项B,金刚石熔化过程中C—C键断裂,因C—C键的键能大,断裂时需要的能量多,故金刚石熔点很高;选项C,金刚石中每个C参与了4个C—C键的形成,而每个C对每条键的贡献只有一半,故C原子个数与C—C键个数之比为(4×
)∶4=1∶2;选项D,金刚石熔点高,但在打孔过程中会产生极高的温度,如不浇水冷却钻头,会导致钻头熔化。
6.单质硼有无定形和晶体两种,参考下表数据,回答下列问题:
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硅和金刚石之间,而金刚石和晶体硅均为原子晶体,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
(2)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。
[基础过关]
一、共价键的键能与化学反应的反应热及分子的稳定性
1.下列说法正确的是( )
A.键能越大,表示该分子越容易受热分解
B.共价键都具有方向性
C.在分子中,两个成键的原子间的距离叫键长
D.H—Cl键的键能为431kJ·mol-1,H—Br键的键能为366kJ·mol-1,这可以说明HCl比HBr分子稳定
答案 D
解析 键能越大,分子越稳定,A错,D正确;H—H键没有方向性,B错;形成共价键的两个原子之间的核间距叫键长,C错。
2.已知:
2H2(g)+O2(g)===2H2O(g) ΔH=-483.6kJ·mol-1,有关键能数据如下表:
化学键
H—H
O===O
键能/kJ·mol-1
436
498
则水分子中O—H键键能为( )
A.463.4kJ·mol-1B.926.8kJ·mol-1
C.221.6kJ·mol-1D.413kJ·mol-1
答案 A
解析 水的结构式为H—O—H,2mol水分子中含有4molH—O键,2H2(g)+O2(g)===2H2O(g) ΔH=-483.6kJ·mol-1,反应物总键能-生成物总键能=反应热,则:
436kJ·mol-1×2+498kJ·mol-1-4E(O—H)=-483.6kJ·mol-1,故E(O—H)=463.4kJ·mol-1,故选A。
3.下表列出部分化学键的键能:
化学键
Si—O
Si—Cl
H—H
H—Cl
Si—Si
Si—C
Cl—Cl
键能/kJ·mol-1
460
360
436
431
176
347
243
据此判断下列说法正确的是( )
A.表中最稳定的共价键是Si—Si
B.Cl2(g)―→2Cl(g) ΔH=-243kJ·mol-1
C.H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g)
ΔH=-183kJ·mol-1
D.根据表中数据能计算出SiCl4(g)+2H2(g)===Si(s)+4HCl(l)的ΔH
答案 C
解析 A项,键能越大形成的化学键越稳定,表中键能最大的是Si—O键,最稳定的共价键是Si—O键,故A错误;B项,氯气变化为氯原子吸热等于氯气中断裂化学键需要的能量,Cl2(g)―→2Cl(g) ΔH=243kJ·mol-1,故B错误;C项,依据键能计算,反应焓变=反应物键能总和-生成物键能总和,ΔH=436kJ·mol-1+243kJ·mol-1-2×431kJ·mol-1=-183kJ·mol-1,H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g) ΔH=-183kJ·mol-1,故C正确;D项,HCl(g)===HCl(l)的ΔH未告知,故无法计算SiCl4(g)+2H2(g)===Si(s)+4HCl(l)的ΔH,故D错误。
4.化学反应可视为旧键断裂和新键形成的过程。
化学键的键能是形成(或拆开)1mol化学键时释放(或吸收)的能量。
已知白磷和P4O6的分子结构如下图所示。
现提供以下化学键的键能(kJ·mol-1):
P—P:
198 P—O:
360O===O:
498,则反应P4(白磷)+3O2===P4O6的反应热ΔH为( )
A.-1638kJ·mol-1B.1638kJ·mol-1
C.-126kJ·mol-1D.126kJ·mol-1
答案 A
解析 由反应方程式知,该反应的能量变化包括1molP4和3molO2断键吸收的能量和1molP4O6成键放出的能量。
由各物质的分子结构知1molP4含6molP—P键,3molO2含3molO===O键,1molP4O6含12molP—O键,故ΔH=198kJ·mol-1×6+498kJ·mol-1×3-360kJ·mol-1×12=-1638kJ·mol-1。
5.已知:
①1molH2分子中化学键断裂时需要吸收436kJ的能量
②1molCl2分子中化学键断裂时需要吸收243kJ的能量
③由H原子和Cl原子形成1molHCl分子时释放431kJ的能量
下列叙述正确的是( )
A.氢气和氯气反应生成氯化氢气体的热化学方程式是H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g)
B.氢气和氯气反应生成2mol氯化氢气体,反应的ΔH=183kJ·mol-1
C.氢气和氯气反应生成2mol氯化氢气体,反应的ΔH=-183kJ·mol-1
D.氢气和氯气反应生成1mol氯化氢气体,反应的ΔH=-183kJ·mol-1
答案 C
解析 氢气和氯气生成氯化氢的反应热等于氢气键能加氯气键能减去氯化氢键能的2倍,即ΔH=436kJ·mol-1+243kJ·mol-1-2×431kJ·mol-1=-183kJ·mol-1,故氢气和氯气反应生成氯化氢的热化学方程式为H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g) ΔH=-183kJ·mol-1。
6.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
答案 B
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。
二、原子晶体的结构与性质
7.氮氧化铝(AlON)属于原子晶体,是一种超强透明材料。
下列描述错误的是( )
A.AlON和石英的化学键类型相同
B.电解熔融AlON可得到Al
C.AlON的N元素化合价为-1价
D.AlON和石英晶体类型相同
答案 B
解析 A项,AlON和石英均属于原子晶体,只含有共价键,正确;B项,AlON属于原子晶体,只含有共价键,熔融时不导电,电解时不能得到Al,错误;C项,AlON中O为-2价,Al为+3价,所以N元素的化合价为-1价,正确;D项,AlON和石英均属于原子晶体,正确。
8.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
答案 B
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。
9.下表是某些原子晶体的熔点和硬度:
原子晶体
金刚石
氮化硼
碳化硅
石英
硅
锗
熔点/℃
3900
3000
2700
1710
1410
1211
硬度
10
9.5
9.5
7
6.5
6.0
分析表中的数据,判断下列叙述正确的是( )
①构成原子晶体的原子种类越多,晶体的熔点越高
②构成原子晶体的原子间的共价键键能越大,晶体的熔点越高 ③构成原子晶体的原子的半径越大,晶体的硬度越大 ④构成原子晶体的原子的半径越小,晶体的硬度越大
A.①②B.③④
C.①③D.②④
答案 D
解析 原子晶体的熔点和硬度与构成原子晶体的原子间的共价键键能有关,而原子间的共价键键能与原子半径的大小有关。
10.下列说法正确的是( )
A.在含4molSi—O键的二氧化硅晶体中,氧原子的数目为4NA
B.金刚石晶体中,碳原子数与C—C键数之比为1∶2
C.30g二氧化硅晶体中含有0.5NA个二氧化硅分子
D.晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的原子晶体
答案 B
解析 在二氧化硅晶体中,每
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