学年人教版选修3 第二章 第一节 共价键 分子晶体与原子晶体 第2课时 学案.docx
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学年人教版选修3第二章第一节共价键分子晶体与原子晶体第2课时学案
第2课时 共价键的键参数与等电子原理
课程目标
核心素养建构
1.知道键能、键长、键角等键参数的概念,能用键参数说明简单分子的某些性质。
2.知道等电子原理的含义,学会等电子体的判断和应用。
[知识梳理]
一、键参数——键能、键长与键角
1.概念和特点
概 念
特 点
键能
气态基态原子形成1mol化学键释放的最低能量
键能越大,键越稳定
键长
形成共价键的两个原子之间的核间距
键长越短,键能越大,键越稳定
键角
分子内两个共价键之间的夹角
表明共价键有方向性,决定分子的立体结构
2.对物质性质的影响
二、等电子体的判断和应用
1.等电子原理
原子总数相同、价电子总数相同的分子具有相似的化学键特征,它们的许多性质是相近的。
2.等电子体
满足等电子原理的分子称为等电子体。
如CO和N2具有相同的原子总数和相同的价电子总数,属于等电子体,它们的许多性质相似。
3.应用举例
等电子体具有相似的化学键特征和空间构型,它们的许多性质是相似的,利用等电子原理可以判断某些分子或离子的空间构型。
(1)CO、CN-等与N2互为等电子体,则CO和CN-的结构式分别为C≡O、
[C≡N]-。
(2)CS2、N2O等与CO2互为等电子体,则CS2的结构式为S===C===S,空间构型为直线形。
(3)NO、CO、SO3等与BF3互为等电子体,则NO的空间构型为平面三角形。
(4)PH3、H3O+、AsH3等与NH3互为等电子体,则PH3、H3O+、AsH3的空间构型为三角锥形。
(5)SO、PO、SiO、SiCl4等与CCl4互为等电子体,则SO、PO等空间构型为正四面体形。
[自我检测]
1.判断正误,正确的打“√”;错误的打“×”。
(1)键长越短,键能一定越大。
( )
(2)等电子体并不都是电中性的。
( )
(3)双原子分子中化学键键能越大,分子越牢固。
( )
(4)双原子分子中化学键键长越长,分子越牢固。
( )
(5)双原子分子中化学键键角越大,分子越牢固。
( )
(6)同一分子中,σ键与π键的原子轨道重叠程度一样多,只是重叠的方向不同。
( )
答案
(1)×
(2)√ (3)√ (4)× (5)× (6)×
2.关于键长、键能和键角,下列说法中错误的是( )
A.键角是描述分子立体结构的重要参数
B.键长的大小与成键原子的半径和成键数目有关
C.C===C键等于C—C键键能的2倍
D.因为O—H键的键能小于H—F键的键能,所以O2、F2与H2反应的能力逐渐增强
解析 键角是描述分子立体结构的重要参数,如H2O中两个H—O键的键角为105°,故H2O为V形分子,A项正确;键长的大小与成键原子的半径有关,如Cl的原子半径小于I的原子半径,Cl—Cl键的键长小于I—I键的键长,此外,键长还和成键数目有关,如乙烯分子中C===C键的键长比乙炔分子中C≡C键的键长要大,B项正确;C===C键的键能为615kJ·mol-1,C—C键的键能为
347.7kJ·mol-1,二者不是2倍的关系,C项错误;O—H键的键能为
462.8kJ·mol-1,H—F键的键能为568kJ·mol-1,O—H键与H—F键的键能依次增大,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,O2、F2跟H2反应的能力依次增强,D项正确。
答案 C
3.由短周期元素组成的粒子,只要其原子数相同,各原子最外层电子数之和相同,也可互称为等电子体。
等电子体的结构相似、物理性质相近。
根据上述原理,下列各对粒子中,空间结构相似的是( )
A.SO2与O3B.CO2与NO2
C.CS2与NO2D.PCl3与BF3
解析 由题中信息可知,只要算出分子中各原子的最外层电子数之和即可判断。
B的最外层电子数为3;C的最外层电子数为4;N、P的最外层电子数为5;O、S的最外层电子数为6;F、Cl的最外层电子数为7。
答案 A
提升一 共价键参数与分子的性质
【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:
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)SiH4的稳定性小于CH4,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—H键和Si—Si键的键能都大,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键的,C—H键比C—O键稳定,而Si—H的键能却选项小于Si—O键的,所以Si—H键不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O键。
答案
(1)CH4比SiH4稳定
(2)C—C键和C—H键较强,所以青工成的烷烃稳定,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
【名师点拨】
1.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
a.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。
b.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构型
②常见分子的键角与分子空间构型
2.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,由键长和键能共同决定。
【深度思考】
1.半径越小,键能越大吗?
提示 不一定。
F—F的键能为157kJ/mol,Cl—Cl的键能为242.7kJ/mol,说明,半径越小,键能不一定越大。
2.非金属性越强,单质的键能一定越大吗?
提示 不一定。
例如:
F2、Cl2、Br2、I2的键能依次为157kJ/mol、242.7kJ/mol、193.7kJ/mol、152.7kJ/mol。
【变式训练】
1.三氯化磷分子的空间构型是三角锥形而不是平面正三角形,下列关于三氯化磷分子空间构型理由的叙述,正确的是( )
A.PCl3分子中P—Cl三个共价键的键长、键角都相等
B.PCl3分子中P—Cl三个共价键键能、键角均相等
C.PCl3分子中的P—Cl键属于极性共价键
D.PCl3分子中P—Cl键的三个键角都是100.1°,键长相等
解析 PCl3分子是由P—Cl极性键构成的极性分子,其结构类似于NH3。
答案 D
2.下列有关化学键知识的比较肯定错误的是( )
A.键能:
C—N<C===N<C≡N
B.键长:
I—I>Br—Br>Cl—Cl
C.分子中的键角:
H2O>CO2
D.相同元素原子间形成的共价键键能:
σ键>π键
解析 C、N原子间形成的化学键,三键键能最大,单键键能最小,A正确;原子半径:
I>Br>Cl,则键长:
I—I>Br—Br>Cl—Cl,B正确;H2O分子中键角是105°,CO2分子中键角是180°,C错误;相同元素原子之间形成的σ键的键能比π键的大,D正确。
答案 C
3.HBr气体的热分解温度比HI气体的热分解温度高的原因是( )
A.HBr分子中的键长比HI分子中的键长短,键能大
B.HBr分子中的键长比HI分子中的键长长,键能小
C.HBr的相对分子质量比HI的相对分子质量小
D.HBr分子间作用力比HI分子间作用力大
解析 HBr和HI均是共价化合物,含有共价键。
由于HBr分子中的键长比HI分子中的键长短,键能大,破坏共价键消耗的能量多,所以HBr气体的热分解温度比HI气体的热分解温度高。
答案 A
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键是非极性共价键
C.三个B—F键的键能相同
D.三个B—F键的键长相等
解析 本题考查共价键键参数的运用。
当键角为120°时,BF3的空间构型为平面三角形,故分子中四个原子共面。
答案 A
提升二 等电子原理及应用
【例2】
(1)根据等电子原理,仅由第二周期元素组成的共价分子中,互为等电子体的是________和________;________和________。
(2)根据等电子原理,由短周期元素组成的粒子,只要其原子数相同,各原子最外层电子数之和相同,也可互称等电子体,它们也具有相似的结构特征。
在短周期元素组成的物质中,与NO互为等电子体的分子有:
________。
解析
(1)仅由第二周期元素组成的共价分子中,即C、N、O、F组成的共价分子,如N2与CO价电子总数均为10,CO2与N2O价电子总数均为16个电子。
(2)依题意,只要原子数相同,各原子最外层电子数之和也相同,即可互称等电子体,NO为三原子,各原子最外层电子数之和为(5+6×2+1),SO2、O3也为三原子,各原子最外层电子数之和为6×3=18。
答案
(1)N2 CO CO2 N2O
(2)SO2、O3
【名师点拨】
1.等电子体的判断方法
原子总数相同,价电子总数相同的粒子。
2.等电子体的应用
等电子体的许多性质是相近的,空间构型是相同的。
利用等电子体可以:
①判断一些简单分子或离子的立体构型;
②利用等电子体在性质上的相似性制造新材料;
③利用等电子原理针对某物质找等电子体。
3.一些常见的等电子体
二原子10电子的等电子体:
N2、CO、CN-、C、NO+、O;
二原子11电子的等电子体:
NO、O;
三原子16电子的等电子体:
CO2、CS2、N2O、CNO-、N、SCN-;
三原子18电子的等电子体:
NO、O3、SO2;
四原子24电子的等电子体:
NO、CO、BF3、SO3(g)、SiO;
四原子26电子的等电子体:
NF3、PCl3、NCl3、SO;
五原子8电子的等电子体:
CH4、NH、SiH4;
五原子32电子的等电子体:
SiF4、CCl4、BF、SO、SiO、PO、ClO。
4.等电子体的确定方法
(1)将粒子中的两个原子换成原子序数分别增加n和减少n(n=1,2等)的原子,如N2与CO、N和CNO-互为等电子体。
(2)将粒子中的一个或几个原子换成原子序数增加(或减少)n的元素带n个单位电荷的阳离子(或阴离子),如N2O和N互为等电子体。
(3)同主族元素最外层电子数相同,故可将粒子中一个或几个原子换成同主族元素原子,如O3与SO2、CO2与CS2互为等电子体。
(4)互为等电子体的微粒分别再增加一个相同的原子或同主族元素的原子,如N2O与CO2互为等电子体。
【深度思考】
1.等电子体的构成原子的核外电子总数一定相同吗?
提示 不一定。
只要原子总数相同,价电子总数相同即可。
2.计算等电子体的价电子总数的方法?
提示 等电子体的价电子总数可由其电子式或构成微粒的原子的价电子数来判断:
电子式中的键合电子数和孤对电子数之和即为价电子总数;离子中各原子的价电子数之和与离子所带电荷相加(或相减)即得价电子总数。
如NO的价电子总数为5+6×2+1=18。
【变式训练】
5.下列微粒组是等电子体的是( )
A.N2O4和NO2B.Na+和Cl-
C.SO和POD.NO和O2
解析 N2O4的价电子总数是NO2的2倍;NO的价电子总数是11,O2的价电子总数是12,故A、D不正确。
答案 C
6.已知原子总数相同、价电子总数相等的微粒称为等电子体,等电子体的结构相似。
据此回答下列问题:
(1)SCN-、NO的价电子总数都是16,因此它们的结构与第二周期中的两种元素组成的________分子的结构相似,该分子呈________形。
(2)CO、NO等微粒具有相同的通式AX3,且价电子总数都是________,因此它们的结构与由ⅥA族的两种元素组成的________分子的结构相似,呈________形。
解析 根据等电子体的概念及常见等电子体即可回答问题。
答案
(1)CO2或N2O 直线
(2)24 SO3 平面三角
7.根据等电子原理,回答下列问题。
(1)CO分子的结构式为________。
(2)已知反应CaC2+2H2O―→CH≡CH↑+Ca(OH)2。
CaC2中C与O互为等电子体,O的电子式可表示为________;1molO中含有的π键的数目为________。
(3)二氧化钛(TiO2)是常用的、具有较高催化活性和稳定性的光催化剂,常用于污水处理。
O2在其催化作用下,可将CN-氧化成CNO-,进而得到N2。
①写出一种与CN-互为等电子体的单质分子的结构式________,根据等电子原理写出CO、HCN分子的结构式________、________。
②与CNO-互为等电子体的分子、离子化学式分别为________、________(各写一种)。
CNO-的空间构型为________,CNO-中σ键与π键的个数比为________。
解析 根据等电子原理、原子总数、价电子总数相同的分子或离子具有相似的结构特征和许多相近的性质来回答问题。
(1)CO与N2互为等电子体,故CO结构式为C≡O。
(2)由CaC2与H2O反应的产物CH≡CH,可推知CaC2中存在C,其电子式为[C⋮⋮C]2-,结构式为[C≡C]2-,故C的等电子体O的电子式为[O⋮⋮O]2+,结构式为[O≡O]2+,1个O≡O键中含有1个σ键和2个π键,所以1molO中含有2NA个π键。
(3)①用O原子替换CN-中的N原子,同时减少1个负电荷,用N原子替换CN-中的C原子,同时减少1个负电荷,分别得到CN-的两种等电子体CO和N2。
根据等电子体原理可推知CO和CN-的结构式分别为C≡O,[C≡N]-,则HCN的结构式为H—C≡N。
②用O原子替换CNO-中的N原子同时要去掉1个负电荷可得CNO-的等电子体CO2,用S替换CO2中的O原子得等电子体CS2,CO与N2互为等电子体,用N2替换CNO-中的CO可得等电子体N,用N原子替换CNO-中的C原子同时要去掉1个负电荷得其等电子体N2O,CO2的结构式为O=C=O,所以CNO-的结构式为[N=C=O]-,空间构型为直线形,σ键与π键的数目比为2∶2=1∶1。
答案
(1)C≡O
(2)[O⋮⋮O]2+ 2N个 (3)①N≡NC≡OH—C≡N
②CO2(或N2O、CS2、BeCl2等) N 直线形 1∶1
课时作业
基础题组
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(X===F、Cl、Br、I)键的键长、键角均相等
D.H2O分子中两个O—H键的键角为180°
解析 分子的结构是由键参数——键角、键长决定的,A项错误;由于F、Cl、Br、I的原子半径不同,故C—X(X===F、Cl、Br、I)键的键长不相等,C项错误;H2O分子中两个O—H键的键角为105°,D项错误。
答案 B
2.下列说法不正确的是( )
A.键能越大,表示化学键越牢固,越难以断裂
B.一般地,成键的两原子核越近,键长越短,化学键越牢固,形成的物质的性质越稳定
C.破坏化学键时消耗能量,而形成化学键时释放能量
D.碘易升华,这与分子中I—I键的键能大小有关
解析 键能越大,断开该键所需的能量越多,化学键越牢固,形成的物质的性质越稳定,A项正确;一般情况下,键长越短,断开该键越难,该化学键越牢固,形成的物质的性质越稳定,B项正确;破坏化学键时需要吸收能量,形成化学键时释放出能量,C项正确;物质的升华属于物理性质,与化学键的键能大小无关,D项错误。
答案 D
3.等电子体是指原子总数相同、价电子总数也相同的微粒。
下列各选项中的两种微粒不互为等电子体的是( )
A.N2O和CO2B.O3和NO
C.CH4和NHD.OH-和NH
解析 A项中的N2O和CO2均含3个原子和16个价电子,B项中的O3和NO均含3个原子和18个价电子,C项中的CH4和NH均含5个原子和8个价电子,因此,A、B、C三项均符合等电子体的定义。
D项中的OH-和NH虽然都含有8个价电子,但二者所含原子总数不相同,不符合等电子体的定义。
答案 D
4.下列说法正确的是( )
A.离子化合物中不可能存在共价键
B.干冰溶于水时有共价键生成
C.σ键和π键都只能存在于共价化合物中
D.除H2、X2(X为F、Cl、Br、I)和稀有气体外,其他非金属单质中都存在π键
解析 离子化合物NH4Cl中除含有离子键外还含有共价键,A项错误;干冰溶于水生成H2CO3,有H—O键等生成,B项正确;离子化合物Na2O2中存在O—Oσ键,离子化合物CaC2中存在C≡C键,含有1个σ键、2个π键,C项错误;P4、金刚石等非金属单质中,都只存在共价单键(即σ键),D项错误。
答案 B
5.下列有关性质的比较中,正确的是( )
A.微粒半径:
O2-<F-<Na+<Li+
B.第一电离能:
He<Ne<Ar
C.分子中的键角:
CH4>H2O>CO2
D.共价键的键能:
C—C<C===C<C≡C
解析 Li+的电子层数最少,所以离子半径最小,其余三种离子的电子层结构相同,核电荷数越大,离子半径越小,所以O2->F->Na+>Li+,A错误;稀有气体元素的第一电离能随电子层数的增多而减小,所以He>Ne>Ar,B错误;甲烷分子为正四面体形,键角是109°28′,水为V形分子,键角是105°,二氧化碳为直线形分子,键角为180°,所以二氧化碳分子中的键角最大,C错误;键长:
C—C>C===C>C≡C,所以键能:
C—C<C===C<C≡C,D正确。
答案 D
6.下列反应中,有机物化学键的断裂只涉及π键断裂的是( )
A.CH4的燃烧
B.C2H4的加成反应
C.CH4与Cl2的取代反应
D.C2H4被酸性KMnO4溶液氧化
解析 CH4的燃烧和C2H4被酸性KMnO4溶液氧化的反应中断裂了所有化学键,CH4与Cl2的取代反应中只有单键断裂。
答案 B
7.N2的分子结构可以表示为
,CO的分子结构可以表示为
,其中椭圆框表示π键,下列说法中不正确的是( )
A.N2分子与CO分子中都含有三键
B.N2分子与CO分子中的π键并不完全相同
C.N2与CO互为等电子体
D.N2与CO的化学性质相同
解析 从题图可以看出,N2分子与CO分子中均含有1个σ键和2个π键,所以二者都含有三键,A项正确。
N2分子中的2个π键是由每个N原子各提供2个p电子以“肩并肩”的方式重叠形成的,而CO分子中的2个π键,其中1个π键是配位键,成键电子完全由氧原子提供,B项正确。
N2与CO的原子总数和价电子总数均相同,互为等电子体,其物理性质相似,但化学性质差别较大,C项正确、D项错误。
答案 D
8.白磷与氧气可发生反应P4+5O2===P4O10。
已知断列下列化学键需要吸收的能量分别为P—PakJ·mol-1、P—ObkJ·mol-1、P===OckJ·mol-1、O===OdkJ·mol-1。
根据如图所示的分子结构和有关数据估算该反应的ΔH,其中正确的是( )
A.(6a+5d-4c-12b)kJ·mol-1
B.(4c+12b-6a-5d)kJ·mol-1
C.(4c+12b-4a-5d)kJ·mol-1
D.(4a+5d-4c-12b)kJ·mol-1
解析 化学反应的实质是旧化学键的断裂和新化学键的形成。
白磷和氧气反应,就是白磷中磷原子之间的化学键和氧气分子中氧原子之间的化学键断裂和P4O10分子中的化学键新形成的过程,而共价键断裂要吸收能量,共价键形成要放出能量。
从图中可以看出1个白磷分子中有6个P—P共价键,所以1molP4中共价键断裂要吸收6akJ的能量,1mol氧分子中共价键断裂要吸收dkJ的能量;1个P4O10中有4个P===O共价键和12个P—O共价键,所以生成1molP4O10需放出(4c+12b)kJ的能量,所以该化学反应的反应热为(6a+5d-4c-12b)kJ·mol-1。
答案 A
9.Ⅰ.已知氢分子的形成过程示意图如图所示,请据图回答问题。
(1)H—H键的键长为________,①~⑤中,体系能量由高到低的顺序是________。
(2)下列说法中正确的是________(填字母)。
A.氢分子中含有一个π键
B.由①到④,电子在核间出现的概率增大
C.由④到⑤,必须消耗外界的能量
D.氢分子中含有一个极性共价键
Ⅱ.几种常见化学键的键能如下表所示。
化学键
Si—O
H—O
O===O
Si—Si
Si—C
键能/(kJ·mol-1)
452
462.8
497.3
226
X
请回答下列问题:
(1)试比较Si—Si键与Si—C键的键能大小:
X________(填“>”“<”或“=”)226kJ·mol-1。
(2)H2被认为是21世纪人类最理想的燃料,而又有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”等观点。
试计算每千克H2燃烧(生成水蒸气)放出的热量约为________;每摩尔硅完全燃烧放出的热量约为________(已知1molSi中含有2molSi—Si键,1molSiO2中含有4molSi—O键)。
解析 Ⅰ.
(1)可以直接从题图中读出有关数据,H—H键的
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