2.1 第2课时 键参数 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修2

2.1 第2课时　键参数
【学习目标】
1.知道键长、键角、键能的定义。
2.了解键能与焓变、共价键及物质稳定性的关系。
3.根据键参数判断分子的空间结构。　
【自主预习】
一、键长
1.定义:两个成键原子的原子核间的距离(简称　　　　)。
共价键 键长/pm 共价键 键长/pm
H—H 74 C≡C 121
F—F 143 C—H 109
Cl—Cl 199 O—H 96
Br—Br 228 N—H 101
I—I 266 N≡N 110
C—C 154 Si—Si 234
CC 134 Si—O 161
2.应用
(1)判断共价键的稳定性
键长愈短,化学键就愈强,键愈　　　　。
(2)判断分子的空间结构
二、键角
1.定义:在多原子分子中,两个　　　　　　的夹角。
2.常见分子的键角
分子式 键角 分子空间结构
CO2 180° 直线形
H2O 104.5° 角形
NH3 107.3° 三角锥形
3.意义:键角可反映分子的空间结构,是描述分子结构的重要参数,多原子分子的键角一定,表明共价键具有　　　　　　。
三、键能
1.定义:在　　　　条件下,断开　　　　AB(g)分子中的化学键,使其分别生成　　　　A原子和　　　　B原子所吸收的能量称为A—B键的键能。键能的单位是　　　　。
2.应用
(1)判断共价键的稳定性
从键能的定义可知,键能愈大,断开时需要能量愈多,这个化学键愈　　　　　　　　。
(2)判断分子的稳定性
一般来说,结构相似的分子中,共价键的键能愈大,分子越　　　　。如分子的稳定性:HF　　　　HCl,HBr　　　　HI。
(3)估算化学反应的反应热
同一化学键解离成气态原子所吸收的能量与气态原子结合形成化学键所释放的能量在数值上是相等的,故根据化学键的键能数据可计算化学反应的反应热,即ΔH=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【参考答案】一、1.核间距　2.牢固
二、1.化学键　3.方向性
三、1.01×105 Pa、298 K　1 mol　气态　气态　kJ·mol-1　2.牢固　稳定　>　>　反应物中化学键键能之和-反应产物中化学键键能之和
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)原子轨道在空间都具有方向性。 (　　)
(2)σ键是轴对称而π键是镜像对称。 (　　)
(3)键长的大小与成键原子的半径和成键数目有关。 (　　)
(4)键能越大,键长越长,共价化合物越稳定。 (　　)
(5)在分子中,两个原子间的距离叫键长。 (　　)
(6)非极性键的键能大于极性键的键能。 (　　)
(7)键能越大,表示该分子越容易受热分解。 (　　)
(8)H—Cl键的键能为431 kJ·mol-1,H—I键的键能为297 kJ·mol-1,这可说明HCl分子比HI分子稳定。(　　)
【答案】(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)×　(6)×　(7)×　(8)√
2.三个键参数中,有哪几种决定化学键的稳定性
【答案】键能和键长。
3.如何判断键能大小
【答案】一般来说,键长越短,键能越大,即成键原子间的核间距越短或成键原子的原子半径越小,键能越大。
【合作探究】
任务1：键能及其应用
情境导入　1.说起温室气体,大家最先想到的是二氧化碳。其实还有一个比二氧化碳影响更大的气体——甲烷。有研究证明,以单位分子数而言,甲烷导致温室效应的效果相当于二氧化碳的25倍。
2.硅烷在常温下是一种无色、能与空气反应、并会引起窒息的气体。该气体通常与空气接触会引起燃烧并放出很浓的白色的无定型二氧化硅烟雾。
问题生成
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
键能/ (kJ·mol-1) 347 413 358 226 323 368
1.通常条件下,比较CH4和SiH4的稳定性谁强谁弱
【答案】因为C—H键的键能大于Si—H键的键能,所以CH4比SiH4稳定。
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,原因是什么
【答案】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.SiH4的稳定性小于CH4,更易生成氧化物,原因是什么
【答案】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。
4.N2与H2在常温下很难发生化学反应,必须在高温下才能发生化学反应,而Cl2与H2很容易发生化学反应,为什么
【答案】化学反应包括旧键断裂和新键形成两个过程,N2中存在N≡N,N≡N断裂需要很高的能量,而Cl2中的Cl—Cl断裂需要的能量相对较低,故氯气容易与氢气发生反应。
【核心归纳】
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,则化学键越稳定。
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-反应产物键能总和;ΔH<0时,为放热反应;ΔH>0时,为吸热反应。
4.由键能判断物质的反应能力:如N2、O2、F2与H2反应越来越容易。
【典型例题】
【例1】根据键能数据计算CH4(g)+4F2(g)CF4(g)+4HF(g)的反应热ΔH为(　　)。
化学键 C—H C—F H—F F—F
键能/(kJ·mol-1) 413 453 565 159
A.-1784 kJ·mol-1 　　　　　B.+1784 kJ·mol-1
C.-485 kJ·mol-1 D.+485 kJ·mol-1
【答案】A
【解析】由“ΔH=反应物键能总和-反应产物键能总和”可知:ΔH=(413×4+159×4-453×4-565×4) kJ·mol-1=-1784 kJ·mol-1。
【例2】某些化学键的键能(kJ·mol-1)如下表所示。
化学键 H—H Cl—Cl Br—Br I—I H—Cl H—Br H—I
键能 436 243 193 151 431 363 297
(1)1 mol H2在2 mol Cl2中燃烧,放出热量　　　　kJ。
(2)在一定条件下,1 mol H2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>I2
b.I2>Br2>Cl2
c.Br2>I2>Cl2
(3)预测1 mol H2在足量F2中燃烧比在Cl2中燃烧放热　　　　(填“多”或“少”)。
【答案】(1)183　(2)a　(3)多
【解析】(1)根据键能数据可得,H2(g)+Cl2(g)2HCl(g)　ΔH=436 kJ·mol-1+243 kJ·mol-1-431 kJ·mol-1×2=-183 kJ·mol-1,1 mol H2在2 mol Cl2中燃烧,参加反应的H2和Cl2都是1 mol,生成2 mol HCl,故放出的热量为183 kJ。
(2)由表中数据计算知1 mol H2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。
(3)因稳定性:HF>HCl,故1 mol H2在F2中燃烧比在Cl2中燃烧放热多。
任务2：键长和键角及其应用
情境导入　键能与键长是衡量共价键强弱的参数,键长和键角是描述分子空间结构的参数。一般来说,如果知道分子中的键长和键角,这个分子的空间结构就确定了。
问题生成
1.根据元素周期律可知NH3的稳定性强于PH3,你能利用键参数加以解释吗
【答案】键长:N—HP—H,因此NH3更稳定。
2.如上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
【答案】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的夹角,为109°28'。
3.实验测得BeCl2为共价化合物,两个Be—Cl键间的夹角为180°,键长相同,据此能否判断BeCl2的空间结构
【答案】确定了分子中的键长和键角,分子的空间结构即可确定,2个Cl—Be键的键长相同,Cl—Be—Cl键角为180°,故BeCl2为直线形分子。
4.一般来说,键长越短,键能越大。数据显示F—F键的键长比Cl—Cl键的键长短,而F—F键的键能比Cl—Cl键的键能小,为什么
【答案】氟原子的半径很小,两个氟原子形成共价键时,其键长短,原子核之间的距离很近,排斥力很大,因此键能不大,F2的稳定性差而很容易与其他物质反应。
【核心归纳】
1.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。
2.键角的应用
(1)键长和键角决定分子的空间结构。
(2)常见分子的键角与分子空间结构。
化学式 结构式 键角 空间结构
CO2 OCO 180° 直线形
NH3 107.3° 三角锥形
H2O 104.5° 角形
BF3 120° 平面三角形
CH4 109°28' 正四面体形
【例3】下列说法正确的是(　　)。
A.分子的结构是由键角决定的,与键长无关
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)的键长、键角均相等
D.H2O分子中两个O—H的键角为180°
【答案】B
【解析】分子的结构是由键角、键长共同决定的,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)的键长不相等,C项错误;H2O分子中两个O—H的键角为104.5°,D项错误。
【例4】实验测得四种结构相似的单质分子的键长、键能的数据如下:
键 A—A B—B C—C D—D
键长/10-10 m a 0.74 c 1.98
键能/(kJ·mol-1) 193 b 151 d
已知D2分子的稳定性大于A2,则a　　　(填“>”或“<”,下同)1.98,d　 　　193;a　　 　c,b　　 　d。
【答案】>　>　<　>
【解析】结构相似的单质分子中,键长越短,键能越大,分子越稳定。
方法技巧：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大。
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大。
4.由电负性判断:元素的电负性越大,该元素的原子对键合电子的吸引力越大,与其他元素形成的共价键越稳定。
【随堂检测】
1.下列说法中正确的是(　　)。
A.双原子分子中化学键键能越大,分子越稳定
B.双原子分子中化学键键长越长,分子越稳定
C.双原子分子中化学键键角越大,分子越稳定
D.在双键中,σ键的键能小于π键的键能
【答案】A
【解析】当键能越大,键长越短时,分子越稳定,故A项正确,B项错误;键角是决定分子空间结构的参数,与分子的稳定性无关,故C项错误;σ键的重叠程度大于π键,故σ键的键能大于π键的键能,D项错误。
2.下列比较正确的是(　　)。
A.键长:C—O>Si—O
B.键长:
C.键能:C—OD.键能:
【答案】B
【解析】A项,由于原子半径:Si>C,故键长:Si—O>C—O;B项,由于键长:单键>双键>三键,故键长:C—C>;C、D两项,一般来说键长越短,键能越大,故键能:C—O>Si—O、>C—C。
3.键长、键角和键能是描述共价键的三个重要参数,下列叙述正确的是(　　)。
A.键角是描述分子空间结构的重要参数
B.因为H—O的键能小于H—F的键能,所以O2、F2与H2反应的能力逐渐减弱
C.水分子可表示为H—O—H,分子中的键角为180°
D.H—O的键能为467 kJ·mol-1,即18 g H2O分解成H2和O2时,消耗的能量为2×467 kJ
【答案】A
【解析】H—O、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,O2、F2与H2反应的能力逐渐增强,B项错误;水分子呈角形,键角为104.5°,C项错误;H—O的键能为467 kJ·mol-1,指的是断开1 mol H—O形成气态氢原子和气态氧原子所需吸收的能量为467 kJ,18 g H2O即1 mol H2O中含2 mol H—O,断开时需吸收2×467 kJ的能量形成气态氢原子和气态氧原子,再进一步形成H2和O2时,还需释放出一部分能量,故D项错误。
4.下列能说明BF3分子中4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.3个B—F键的键能相等
D.3个B—F键的键长相等
【答案】A
【解析】本题考查共价键键参数的运用。当键角为120°时,BF3的空间结构为,故分子中4个原子共面,呈平面三角形。
5.KH2PO4晶体具有优异的非线性光学性能。我国科学工作者制备的超大KH2PO4晶体已应用于大功率固体激光器,填补了国家战略空白。已知有关氮、磷的单键和三键的键能(kJ·mol-1)如表:
N—N N≡N P—P P≡P
160 945 200 489
从能量角度看,氮以N2、而白磷以P4(结构式可表示为)形式存在的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】1 mol N≡N键能大于3 mol N—N键能之和,而1 mol P≡P键能小于3 mol P—P键能之和,键能越大物质越稳定,故氮以N2形式存在,而白磷以P4形式存在
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