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第一节 共价键
目 标 素 养
1.认识原子间通过原子轨道重叠形成共价键,了解共价键具有饱和性和方向性。形成宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。
2.知道根据原子轨道的重叠方式,共价键可以分为σ键和π键等类型。形成证据推理与模型认知的化学学科核心素养。
3.知道共价键的键能、键长和键角可以用来描述键的强弱和分子的空间结构。形成宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。
知 识 概 览
一、共价键
1.定义:原子间通过 共用电子对 所形成的相互作用为共价键。
2.共价键的特征:共价键的定义表明共价键具有 饱和性 。
3.共价键的类型。
(1)σ键。
(2)π键。
(3)判断σ键、π键的一般规律。
共价单键为 σ 键;共价双键中有一个 σ 键、一个 π 键;共价三键由一个 σ 键和两个 π 键构成。
微思考1分子中的σ键和π键的对称因素不同,若围绕两成键原子所在直线旋转,σ键和π键将会发生怎样的变化
提示:σ键不受影响,π键因轨道重叠部分发生变化而破坏。
微判断1(1)氯气的分子式是Cl2而不是Cl3,是由共价键的饱和性决定的。( )
(2)任何分子中,σ键比π键强度大,更稳定。( )
(3)CS2分子中有一个σ键和一个π键。( )
(4)N2分子中σ键与π键的个数比是2∶1。( )
(5)形成Cl2分子时,p轨道的重叠方式为 。( )
√
×
×
×
×
二、键参数——键能、键长与键角
1.键能。
(1)键能是指气态分子中1 mol化学键解离成气态原子所
吸收 的能量,常用单位是 kJ·mol-1 。
①若使2 mol H—Cl断裂为气态原子,则发生的能量变化是 吸收863.6 kJ的能量 。
②表中共价键最强的是 H—F ,最弱的是 H—I 。
(2)键能可用于衡量共价键的 强弱 。下表中是H—X的键能数据:
③分子稳定性与键能有密切的关系。由表中键能数据可知, HF 分子最稳定, HI 分子最不稳定。
(3)键能可用于估算化学反应的反应热。已知共价键H—H、Cl—Cl、H—Cl的键能(kJ·mol-1)数值分别为:436、242.7、431.8,则反应H2+Cl2 2HCl的反应热为ΔH=-184.9 kJ·mol-1,该反应为放热反应。
微思考2分子中的σ键和π键强弱不同,请根据教材中键能数据描述C=C、N=N、O=O等共价键中π键和σ键强弱情况。
提示:将C=C、N=N、O=O的键能分别与C—C、N—N、O—O的键能作比较,确定其中π键和σ键的强弱。
2.键长。
(1)键长是构成化学键的两个原子的 核间距 。因此
原子半径 决定化学键的键长, 原子半径 越小,共价键的键长越小。
(2)键长与共价键强弱的关系:共价键的键长越小,往往键能越 大 ,表明共价键越 强 。
3.键角。
(1)键角是指多原子分子中 两个相邻共价键 之间的夹角。多原子分子的键角一定,表明共价键具有 方向 性。键角是描述分子 空间结构 的重要参数。
(2)根据分子的空间结构填写下列分子的键角:
4.键参数的应用。
微思考3分子中键长越小的,是否其键能一定越大
提示:一般共价键键长越小,键能越大,但有例外,如F—F的键长比Cl—Cl的键长小,但F—F的键能比Cl—Cl的键能小。
微判断2(1)所有共价键都具有方向性。( )
(2)键角是描述分子空间结构的唯一参数。( )
(3)键长是成键两原子半径的和。( )
(4)C=C的键能等于C—C的键能的2倍。( )
(5)键长小,键能就一定大,分子就一定稳定。( )
×
√
×
×
×
微训练1.下列关于键长、键角和键能的说法中,不正确的是( )。
A.键角是描述分子空间结构的重要参数
B.键长的大小与成键原子的半径有关
C.键能越大,键长越长,共价键越牢固
D.利用键能数据,可估算化学反应的能量变化
答案:C
解析:键长和键角常被用来描述分子的空间结构,键角是描述分子空间结构的重要参数,故A项正确;键长的大小与成键原子的半径有关,如原子半径越大,键长越长,故B项正确;键能越大,键长越短,共价键越强,越不易断裂,故C项错误;断键吸热、成键放热,所以利用键能数据,可估算化学反应的能量变化,故D项正确。
2.(1)下列三种分子中:①I2、②Cl2、③Br2,共价键的键长最大的是 ,键能最大的是 。
(2)实验测得四种结构相似的单质分子中共价键的键长、键能的数据如下:
已知D2分子的稳定性大于A2分子的稳定性,则a (填“>”或“<”,下同)1.98,d 193;a c,b d。
答案: (1)① ② (2)> > < >
解析:(2)结构相似的单质分子中,共价键的键长越短,键能越大,分子越稳定。
问题探究
共价键形成的本质是原子间通过原子轨道重叠产生的强烈的相互作用。原子轨道在两个原子核间重叠,意味着电子出现在核间的概率增大。不同原子轨道之间相互重叠的方式有多种,部分情况的示意图如下:
(1)根据图示思考,共价键为什么有方向性
提示:如题图所示,共价键形成时,两个参与成键的原子轨道总是尽可能沿着电子出现概率最大的方向重叠,重叠程度越大,形成的共价键越牢固,所以共价键有方向性。
(2)是否所有的共价键都有方向性
提示:不是所有的共价键都有方向性,如H2分子中的共价键没有方向性。
(3)p原子轨道互相重叠,除了题中所给方式外,还可能有什么方式
提示:如题图所示,p原子轨道互相重叠属于“头碰头”方式,还可以“肩并肩”方式重叠,如下图:
归纳总结
1.共价键的特征。
(1)饱和性。
①一个原子有几个未成对电子,便可以和几个自旋相反的电子配对成键,形成几个共价键。如H、Cl都只有一个未成对电子,因而只能形成H2、HCl、Cl2,即分子中只有一个共价键,而不能形成H3、HCl2、Cl3;一个N有3个未成对电子,两个N可以形成N≡N,一个N可与3个H形成 ,1个NH3分子中含有3个共价键。
②共价键的饱和性决定了共价化合物的分子组成。
(2)方向性。
①共价键形成时,两个参与成键的原子轨道总是尽可能沿着电子出现概率最大的方向重叠,重叠程度越大,形成的共价键越牢固。结构相似的分子(如HX)中成键原子电子云(原子轨道)重叠程度越大,形成的共价键越牢固,分子越稳定。如HX的稳定性:HF>HCl>HBr>HI。
②共价键的方向性决定了分子的空间结构。
③并不是所有的共价键都具有方向性,如两个s轨道形成的共价键没有方向性。
2.共价键的存在范围。
(1)共价化合物。共价化合物的组成粒子(原子)通过共价键结合,因此共价化合物中一定存在共价键。如SO2、CO2、CH4、H2O2、CS2、H2SO4、SiO2、SiC等。
(2)非金属单质分子。如O2、F2、H2、C60、金刚石等。
(3)活泼的金属元素和非金属元素之间也可以形成共价键,如AlCl3中存在共价键。
典例剖析
【例1】 下列说法正确的是( )。
A.所有的原子轨道都具有一定的伸展方向,因此所有的共价键都具有方向性
B.某原子跟其他原子形成共价键时,其共价键数一定等于该元素原子的价电子数
C.基态C原子有两个未成对电子,所以最多只能形成2个共价键
D.1个N原子最多只能与3个H原子结合形成NH3分子,是由共价键的饱和性决定的
答案:D
解析:只有2个s原子轨道重叠形成的共价键没有方向性,其他原子轨道重叠形成的共价键都有方向性,A项不正确。非金属元素的原子形成的共价键数目一般等于该原子最外层的未成对电子数,不能说一定等于该元素原子的价电子数,B项不正确。在形成CH4分子的过程中,1个碳原子与4个氢原子形成了4个C—H共价键,C项不正确。N原子最外层2p轨道上共有3个未成对电子,1个N原子可以与3个H原子结合形成NH3,此时共价键饱和,D项正确。
学以致用
1.硫化氢(H2S)分子中两个共价键的夹角约为92°,其原因是( )。
①共价键的饱和性 ②S原子的电子排布
③共价键的方向性 ④S原子中p轨道的伸展方向
A.①② B.①③ C.②③ D.③④
答案:D
解析:S原子的价层电子排布式是3s23p4,有2个未成对电子,并且分布在相互垂直的两个p轨道中,当与两个H原子配对成键时,形成的两个共价键间夹角约为90°,这体现了共价键的方向性,是由p轨道的伸展方向决定的。
2.下列关于共价键的说法正确的是( )。
A.共价键只存在于非金属原子间
B.两个原子形成共价键时,原子之间只能存在一对共用电子对
C.两个原子形成共价键时,每个原子周围都有8个电子
D.共价键是通过共用电子对形成的一种相互作用
答案:D
解析:共价键可能存在于金属和非金属原子之间,如AlCl3中铝原子和氯原子之间存在共价键,故A项错误;两个原子形成共价键时,原子之间可能存在2对、3对共用电子对,如O=O中存在2对共用电子对、N≡N中存在3对共用电子对,故B项错误;两个原子形成共价键时,每个原子周围不一定都有8个电子,如HCl、NH3、H2S等氢化物中氢原子周围不是8个电子,故C项错误;原子间通过共用电子对所形成的相互作用叫做共价键,所以共价键是通过共用电子对形成的一种相互作用,故D项正确。
问题探究
防晒霜是防止皮肤受紫外线晒伤的护肤品,可通过无机或有机活性成分起防晒作用。无机防晒成分通常是氧化锌、氧化钛等无机物,它们可以反射和散射紫外线辐射;有机防晒成分通常是甲氧基肉桂酸辛酯、二苯甲酮,这些分子中含有π键,它们可以吸收紫外线辐射,把辐射能转化成热能。
(1)分子中所有的原子轨道都能形成π键吗
提示:s轨道与s轨道、s轨道与p轨道之间重叠只能形成σ键,不能形成π键。
(2)分子中两个原子间能否只形成π键
提示:两个原子间可以只形成σ键,但不可以只形成π键。
(3)根据共价键的成键特点,指出下图所表示的共价键名称,并列举含有该共价键的一种物质(用分子式表示)。
提示:①s-s σ键 H2 ②s-p σ键 HCl ③p-p σ键 Cl2
④pz-pz π键 N2 ⑤py-py π键 N2
归纳总结
典例剖析
【例2】 下列关于σ键与π键的说法正确的是( )。
A.σ键是以“头碰头”方式形成的共价键,π键是以“肩并肩”方式形成的共价键
B. 描述的是π键的形成过程
C.原子轨道以“头碰头”方式相互重叠比以“肩并肩”方式相互重叠的程度小,所以σ键比π键活泼
D. 可以表示N2分子中σ键和π键存在的情况
答案:A
解析:B项中描述的是“头碰头”方式的相互重叠,所以形成的是σ键;σ键的相互重叠程度大于π键,所以σ键更稳定,C项错误。考虑到σ键和π键的相互重叠方式,中间位置形成的是σ键,其他位置形成的是π键,D项错误。
易错警示
(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)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。两个s轨道只能形成σ键,不能形成π键。 (3)两个原子间可以只形成σ键,但不能只形成π键。
学以致用
3.氰的化学式为(CN)2,结构式为N≡C—C≡N,其性质与卤素气体单质相似,氰可用于有机合成和制农药,也可用作消毒、杀虫的熏蒸剂等。下列叙述正确的是( )。
A.在所有气体单质分子中,一定有σ键,可能有π键
B.氰分子中N≡C的键长大于C—C的键长
C.1个氰分子中含有3个σ键和4个π键
D.与N2相似,(CN)2不能与氢氧化钠溶液发生反应
答案:C
解析:稀有气体为单原子分子,不存在化学键,A项错误。成键原子半径越小,键长越短;两原子间成键越多,半径越小。氮原子半径小于碳原子半径,故N≡C比C—C的键长小,B项错误。单键为σ键、三键为1个σ键和2个π键,氰的结构式为N≡C—C≡N,1个氰分子中含有3个σ键和4个π键,C项正确。卤素单质能与氢氧化钠溶液反应,则氰也能与氢氧化钠溶液反应,D项错误。
4.下列物质的分子中既有σ键又有π键的是( )。
①HCl ②H2O ③N2 ④H2O2 ⑤C2H4 ⑥C2H2
A.③⑤⑥ B.③④⑤⑥
C.①②④ D.①②③
答案:A
解析:①HCl中只有1个σ键;②H2O中只有2个σ键;③N2中含N≡N,含1个σ键、2个π键;④H2O2中,只有单键,则只有σ键;⑤C2H4中,含单键和双键,则既有σ键,又有π键;⑥C2H2中,含单键和三键,则既有σ键,又有π键。
问题探究
(1)根据下表中的HCl、HBr和HI的键长、键能的数据和热分解温度,考查它们之间的相关性。通过这个例子说明分子的结构如何影响分子的化学性质。
提示:数据表明:共价键的键长越短,键能越大,该共价键越稳定,含该键的分子越稳定,越不容易分解。
(2)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:氟原子的半径很小,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。
(3)为什么CH4分子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。
归纳总结
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,共价键越强,分子越稳定。
②键长的比较方法:
a.根据原子半径比较,同种类型的共价键,成键原子半径越小,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:键长和键角决定分子的空间结构。
2.共价键强弱的判断。
(1)由原子半径和共用电子对数判断:成键原子半径越小,共用电子对数越多,则共价键越强,含有该共价键的分子越稳定。
(2)由键能、键长判断:共价键的键能越大,共价键的键长越短,共价键越强,破坏共价键消耗的能量越多。
(3)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(键合电子)的吸引力越大,形成的共价键越强。
典例剖析
【例3】 已知键能、键长部分数据如下表:
(1)把1 mol Cl2(g)分解为气态原子时,需要 (填“吸收”或“放出”) kJ能量。
(2)根据表中数据判断,下列分子中,最不稳定的单质分子是 (填化学式,下同);最稳定的化合物分子是 。
①CH4 ②H2O ③NH3 ④I2 ⑤Br2 ⑥Cl2
(3)下列有关推断正确的是 。
A.同种元素形成的共价键,强度:三键>双键>单键
B.同种元素形成双键键能一定小于单键的2倍
C.键长越短,键能一定越大
D.氢化物的键能越大,其稳定性一定越强
(4)在相同条件下,将乙烯、乙炔以相同速率通入等体积同浓度的溴的四氯化碳溶液中,对观察到的现象描述正确的是
。
A.前者和后者同时褪色
B.前者后褪色,后者先褪色
C.前者先褪色,后者后褪色
D.无法判断
答案:(1)吸收 242.7 (2)I2 H2O (3)A (4)C
解析:(1)键能是指气态分子中1 mol 化学键解离成气态原子所吸收的能量。
(2)键能越大,化学键越稳定,越不容易断裂,物质的化学性质越稳定,因此最不稳定的单质是I2,最稳定的化合物是H2O。
(3)由碳碳键的数据知A项正确;由O—O、O=O的键能知,B项错误;C—H的键长大于N—H的键长,但是N—H的键能反而较小,C项错误;由C—H、N—H的键能知,CH4的键能较大,而稳定性较弱,D项错误。
(4)乙烯分子中一个π键的键能为(615-347.7) kJ·mol-1=267.3 kJ·mol-1,乙炔分子中2个π键总键能为(812-347.7) kJ·mol-1= 464.3 kJ·mol-1,说明断裂乙炔分子中两个π键难于断裂乙烯分子中一个π键,C项正确。
易错警示 (1)键长和键角共同决定分子的空间结构。 (2)键长不是成键两原子的原子半径之和,而是小于其半径之和。 (3)键能越大,一般键长越小,分子越稳定。
学以致用
5.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462.8 kJ·mol-1,即18 g H2O分解成H2和O2时,消耗的能量为2×462.8 kJ
答案:A
解析:键长和键角可用来描述分子的空间结构,键角是描述分子空间结构的重要参数,A项正确。H—O的键能小于H—F的键能,则稳定性:HF>H2O,所以O2、F2与H2反应的能力逐渐增强,B项错误。水分子的结构式可表示为H—O—H,但分子的空间结构是V形,不是直线形,分子中的键角大约为105°,C项错误。H—O的键能为462.8 kJ·mol-1,18 g H2O为1 mol H2O,1 mol H2O 分解成2 mol H和1 mol O 时消耗的能量为2×462.8 kJ,D项错误。
6.已知各共价键的键能如表所示,下列说法正确的是( )。
A.化学键的稳定性:H—I>H—Cl>H—F
B.表中最稳定的共价键是F—F
C.432 kJ·mol-1>E(H—Br)>298 kJ·mol-1
D.H2(g)+F2(g)═2HF(g) ΔH=+25 kJ·mol-1
答案:C
解析:键能大小顺序为H—I1.如图表示氢原子的电子云重叠示意图。以下各种说法中错误的是( )。
A.图中电子云重叠意味电子在核间出现的机会多
B.氢原子核外的s电子云重叠形成共价键
C.氢原子的核外电子呈云雾状,在两核间分布得密一些,将两核吸引
D.氢原子之间形成σ键,s-s σ键没有方向性
答案:C
解析:电子云是对处于一定空间运动状态的电子在原子核外空间的概率密度分布的形象化描述,并不是指电子呈云雾状,图中“小点”的疏密表示电子出现概率密度的大小。
2.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.两原子体积大小要适中
答案:D
解析:两原子形成共价键时,原子轨道发生重叠,电子在两核之间出现的概率更大;两原子成键时原子轨道重叠越多,键越牢固,体系的能量也越低;原子的体积大小与能否形成共价键无必然联系。
3.共价键是有饱和性和方向性的,下列关于共价键这两个特征的叙述中不正确的是( )。
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伸展方向决定的
C.共价键的方向性决定了分子的组成
D.共价键的强弱与原子轨道的重叠程度有关
答案:C
解析:共价键的方向性与原子轨道的伸展方向有关,决定了分子的空间结构。
4.下列有关化学键参数的比较中错误的是( )。
A.键能:C—NB.键长:I—I>Br—Br>Cl—Cl
C.键角:H2O>CO2
D.乙烯分子中碳碳键的键能:σ键>π键
答案:C
解析:相同原子形成的共价键中,三键的键能>双键的键能>单键的键能,A项正确;原子半径:Clπ键,D项正确。
5.下列有关共价键和键参数的说法不正确的是( )。
A.1个乙烯(C2H4)分子中含有5个σ键和1个π键
B.C—H比Si—H的键长更短,故CH4比SiH4更稳定
C.HF、H2O、NH3中共价键键长逐渐增大,键能逐渐增大
D.N与3个H结合形成NH3分子,体现了共价键的饱和性
答案:C
解析:C2H4分子中含有4个C—H和1个C=C,1个C=C含有1个σ键和1个π键,即C2H4分子中含有5个σ键和1个π键,故A项正确;碳的原子半径小于硅的,所以C—H比Si—H键长更短,所以C—H比Si—H的键能大,故CH4比SiH4更稳定,故B项正确;原子半径:N>O>F,HF、H2O、NH3中共价键键长逐渐增大,键能逐渐减小,故C项错误;氮原子的最外层有5个电子,因此N与3个H结合形成NH3分子满足8电子稳定结构,体现了共价键的饱和性,故D项正确。
6.(1)1个CO(NH2)2分子中含有σ键的个数为 。1 mol乙醛分子中含有 σ键的数目为 。(设NA为阿伏加德罗常数的值)
(2)已知CO、CN-与N2结构相似,CO分子内σ键与π键的个数之比为 。HCN分子内σ键与π键的数目之比为 。
(3)C、H元素形成的化合物分子中共有16个电子,该分子中σ键与π键的个数比为 。
答案:(1) 7 6NA (2) 1∶2 1∶1 (3)5∶1
(2)N2的结构式为N≡N,可推知CO结构式为C≡O,1个CO分子中含有1个σ键和2个π键;HCN的结构式为H—C≡N,1个HCN分子中σ键与π键均为2个。
(3)设分子式为CmHn,则6m+n=16,解得m=2,n=4,即分子式为C2H4,结构式为 。单键为σ键,双键中有1个σ键和1个π键,所以1个C2H4分子中共含有5个σ键和1个π键。第一节 共价键
课后·训练提升
基础巩固
1.下列关于共价键的说法正确的是( )。
A.H2O和H2O2分子内的共价键均是s-p σ键
B.N2分子内的共价键电子云形状均是镜面对称
C.H2、Cl2、HCl分子内的键均无方向性
D.共价化合物一定含σ键,可能含π键
答案D
解析H2O2分子的结构式为H—O—O—H,共价键为s-p σ键和p-p σ键,故A项错误;N2分子的结构式为N≡N,既有σ键又有π键,σ键为轴对称,π键为镜面对称,因此N2分子内的共价键电子云形状既有镜面对称,又有轴对称,故B项错误;Cl2、HCl分子内形成的共价键分别为p-p σ键和s-p σ键,二者均具有方向性,故C项错误;共价化合物中只含有共价键,可能只有单键,也可能含有双键或三键,因此共价化合物中一定含σ键,可能含π键,故D项正确。
2.根据氢原子和氟原子的核外电子排布,对F2和HF分子中形成的共价键描述正确的是( )。
A.两者都为s-s σ键
B.两者都为p-p σ键
C.前者为p-p σ键,后者为s-p σ键
D.前者为s-s σ键,后者为s-p σ键
答案C
解析F2分子中,两个F原子的2p轨道“头碰头”重叠,形成p-p σ键;HF分子中,H原子的1s轨道与F原子的2p轨道重叠,形成s-p σ键。
3.1个丁烯二酸(HOOCCHCHCOOH)分子结构中含有σ键、π键的个数分别是( )。
A.4个σ键、1个π键
B.11个σ键、3个π键
C.4个σ键、3个π键
D.9个σ键、5个π键
答案B
解析丁烯二酸的结构式为
,每个共价单键是1个σ键,每个共价双键是1个σ键和1个π键,则1个丁烯二酸分子中含有11个σ键、3个π键。
4.六氟化硫分子呈正八面体结构(如图所示),在高电压下仍有良好的绝缘性,性质稳定,在电器工业方面有着广泛的用途,逸散到空气中会引起强温室效应。下列有关六氟化硫的推测正确的是( )。
A.六氟化硫中各原子均为8电子稳定结构
B.六氟化硫易燃烧生成二氧化硫
C.六氟化硫分子中含极性键、非极性键
D.S—F是σ键,且键长、键能都相等
答案D
解析根据题图知,每个F原子和1个S原子形成1个共用电子对,每个S原子和6个F原子形成6个共用电子对,所以F原子都达到8电子稳定结构,但S原子最外层达到12电子,A项错误。六氟化硫性质稳定,不易燃烧,B项错误。不同种元素原子间形成极性键,六氟化硫分子中只有S—F,均为极性键,C项错误。六氟化硫分子中的S—F都是σ键,为正八面体结构,所以键长、键能都相等,D项正确。
5.X、Y、Z、W是元素周期表前四周期中的四种常见元素,其相关信息如下表:
元素 相关信息
X X基态原子核外3个能级上有电子,且每个能级上的电子数相等
Y 常温常压下,Y单质是淡黄色固体,常在火山口附近沉积
Z Z和Y同周期,Z的电负性大于Y
W W的一种核素的质量数为63,中子数为34
下列说法中错误的是( )。
A.W位于元素周期表第四周期第ⅠB族
B.XZ4是一种常用的溶剂,1个XZ4的分子中存在4个σ键
C.键长:H—Y>H—Z
D.XY2分子中Y—X—Y的键角为120°
答案D
解析由题给信息推出X元素基态原子的电子排布式为1s22s22p2,为碳元素;Y为硫元素;Z为氯元素;W为铜元素。铜元素位于元素周期表第四周期第ⅠB族,A项正确。CCl4是一种常用的溶剂,1个CCl4分子中的共价键全部为单键,有4个σ键,B项正确。原子半径S>Cl,所以键长H—S>H—Cl,C项正确。XY2为CS2,结构式为SCS,直线形分子,键角为180°,D项错误。
6.乙烯是一种植物生长调节剂,对水果具有催熟作用。下列对乙烯中化学键的描述不正确的是( )。
A.在乙烯分子中有4个σ键、1个π键
B.乙烯在发生加成反应时,断裂的是碳原子间的π键
C.乙烯可以在一定条件下制得氯乙烯,在该过程中断裂的是C—H σ键
D.乙烯分子中的π键关于镜面对称
答案A
解析在乙烯分子中存在4个C—H σ键和1个C—C σ键,同时还含有1个碳碳原子间的π键,A项错误。由于乙烯分子中的σ键比π键稳定,故乙烯在发生加成反应时断裂的是碳碳原子间的π键,B项正确。由乙烯制得氯乙烯可看作是乙烯中的1个氢原子被氯原子取代,故断裂的是C—H σ键,C项正确。
7.工业上制备粗硅的反应为2C+SiO2Si+2CO↑,若C过量,还会生成SiC。下列叙述错误的是( )。
A.1个CO分子内只含有1个σ键和2个π键
B.键能:C—H>Si—H,因此甲硅烷没有甲烷稳定
C.键长:C—SiSi
D.键长:C—C答案D
解析CO的结构式为,则1个CO分子内只含有1个σ键和2个π键,故A项正确;原子半径:CSi—H,共价键的牢固程度:C—H>Si—H,因此甲硅烷没有甲烷稳定,故B项正确;原子半径:CSi—Si,因此熔点:SiC>Si,故C项正确;键长:C—CSi—Si,键长越短,性质越稳定,因此C的还原性小于Si的还原性,故D项错误。
8.下列有关化学键类型的判断中正确的是( )。
A.全部由非金属元素组成的化合物中不可能存在离子键
B.物质中有σ键一定有π键,有π键一定有σ键
C.已知乙炔的结构式为H—C≡C—H,则1个乙炔分子中存在2个σ键(C—H)和3个π键(C≡C)
D.乙烷分子中只存在σ键,即C—H和C—C均为σ键
答案D
解析NH4Cl、(NH4)2SO4均是由非金属元素组成的,均存在离子键,A项错误。共价三键中有1个σ键和2个π键,1个乙炔(H—C≡C—H)分子中有2个C—H σ键,C≡C中有1个σ键、2个π键,C项错误。共价单键为σ键,乙烷分子的结构式为,其分子中所含的6个C—H σ键和1个C—C σ键,D项正确。
9.下表是一些键能数据(单位为kJ·mol-1):
化学键 键能 化学键 键能 化学键 键能 化学键 键能
H—H 436 Cl—Cl 243 H—Cl 432 H—O 463
SS 255 H—S 339 C—F 427 C—O 351
C—Cl 330 C—I 218 H—F 568
回答下列问题。
(1)①由表中数据能否得出下列结论:半径越小的原子形成的共价键越牢固(即键能越大) (填“能”或“不能”,下同);非金属性越强的原子形成的共价键越牢固 。
②请从数据中找出一些规律,并写出一条:
。
③试预测C—Br的键能范围: kJ·mol-1(2)①利用键能数据可估算化学反应的热效应。根据表中有关数据可计算出化学反应H2(g)+Cl2(g)2HCl(g)的反应热ΔH= kJ·mol-1。
②由热化学方程式2H2(g)+S2(s)2H2S(g) ΔH=-224.5 kJ·mol-1和表中数值可计算出1 mol S2(s)汽化时将 (填“吸收”或“放出”) kJ的热量。
答案(1)①不能 不能 ②与相同原子结合时同主族元素形成的共价键,原子半径越小,共价键越牢固(其他合理答案也可) ③218 330
(2)①-185 ②吸收 4.5
解析(2)①ΔH=(436+243-432×2) kJ·mol-1=-185 kJ·mol-1。
②2H2(g)+S2(g)2H2S(g) ΔH=(2×436+255-4×339) kJ·mol-1=-229 kJ·mol-1,根据盖斯定律可得S2(s)S2(g) ΔH=-224.5 kJ·mol-1-(-229 kJ·mol-1)=+4.5 kJ·mol-1,即1 mol S2(s)汽化时将吸收4.5 kJ的热量。
能力提升
1.二氯化二硫(S2Cl2),非平面结构,常温下是一种黄红色液体,有刺激性恶臭,熔点-80 ℃,沸点137.1 ℃,对于二氯化二硫叙述正确的是( )。
A.二氯化二硫的电子式为
B.分子中既有极性键又有非极性键
C.分子中S—Cl键长大于S—S的键长
D.分子中S—Cl键能小于S—S的键能
答案B
解析S2Cl2分子中S原子之间形成1个共用电子对,Cl原子与S原子之间形成1个共用电子对,结合分子结构可知S2Cl2的结构式为Cl—S—S—Cl,电子式为
,故A项错误;S2Cl2中S—Cl属于极性键,S—S属于非极性键,既有极性键又有非极性键,故B项正确;Cl原子半径小于S原子半径,则分子中S—Cl键长小于S—S的键长,故C项错误;同周期从左往右半径逐渐减小,所以氯原子半径小于硫原子半径,键长越短键能越大,所以分子中S—Cl键能大于S—S的键能,故D项错误。
2.S中存在一种特殊的π键,它是由配位氧原子p轨道上的孤电子对与中心硫原子的空3d轨道发生“肩并肩”重叠而形成,称为d-p π键。下列粒子中可能含有d-p π键的是( )。
A.C
B.NCl3
C.Cl
D.PH3
答案C
解析PH3、NCl3中只有单键,即只含有σ键,没有π键;Cl中Cl原子的3p轨道含有电子,3d为空轨道,所以氧原子p轨道上的孤电子对与中心原子的空3d轨道发生“肩并肩”重叠而形成d-p π键,而C中C原子有一个2p轨道为空轨道,综上可知,可能含有d-p π键的是Cl。
3.第ⅤA族元素的原子R与A原子结合形成RA3气态分子,其空间结构呈三角锥形。RCl5在气态和液态时,分子结构如图所示。下列关于RCl5分子的说法中不正确的是 ( )。
RCl5的分子结构
A.RCl5分子中R原子形成了5个σ键,不满足8电子稳定结构
B.键角Cl—R—Cl有90°、120°、180°三种
C.RCl5受热后分解生成RCl3和Cl2,RCl3分子中只有1种Cl—R—Cl键角,为109°28'
D.RCl5分子中的R—Cl与RCl3分子中的R—Cl的键能不同
答案C
解析R原子最外层有5个电子,与5个Cl形成5个σ键,有5个共用电子对,RCl5中R原子的最外层电子数为10,不满足8电子稳定结构,A项正确。RCl5中上下两个顶角的Cl与中心原子R所形成Cl—R—Cl键角为180°,中间平面三角形中的Cl与R形成的Cl—R—Cl键角为120°,中间平面上的一个Cl和顶角的一个Cl与R形成的键角Cl—R—Cl为90°,所以Cl—R—Cl键角有90°、120°、180°三种,B项正确。RCl3分子呈三角锥形,受孤电子对影响,键角Cl—R—Cl小于109°28',C项错误。RCl5与RCl3是不同的分子,其中的R—Cl的键能不可能相同;在RCl5中R—Cl有两种键长,其键能也不相同,D项正确。
4.意大利罗马大学的学者获得了极具理论研究意义的气态N4分子,其分子结构如图所示。已知断裂1 mol N—N吸收167 kJ热量,生成1 mol N≡N放出942 kJ热量,根据以上信息和数据,判断下列说法正确的是( )。
A.N4属于一种新型的化合物
B.N4分子中只有σ键
C.N4分子中N—N的键角为109.5°
D.1 mol N4转变成N2将吸收882 kJ热量
答案B
解析N4是由N元素形成的单质,A项错误。N4分子中N与N之间形成单键,且全部为σ键,B项正确。N4分子是正四面体结构,N—N的键角为60°,C项错误。1 mol N4转变为N2放出的热量为2×942 kJ-6×167 kJ=882 kJ,D项错误。
5.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。
氢分子的形成过程示意图
(1)H—H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 。
A.一个氢分子中含有一个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.氢分子中含有一个共价键,具有方向性
Ⅱ.几种常见化学键的键能如下表所示。
化学键 Si—O H—H H—O OO Si—Si Si—C
452 436.0 462.8 497.3 226 x
请回答下列问题。
(1)试比较Si—Si与Si—C的键能大小:x (填“>”“<”或“=”)226 kJ·mol-1。
(2)氢气被认为是21世纪人类最理想的燃料,而有科学家提出单质硅是“21世纪的能源”“未来的石油”等观点。试计算常温下每克氢气和单质硅分别完全燃烧放出的热量,并据此判断哪种作燃料更理想。
已知:①常温下,1 mol水蒸气转化为1 mol液态水放出44.0 kJ热量。
②1 mol单质硅中含有2 mol Si—Si,1 mol SiO2中含有4 mol Si—O。
答案Ⅰ.(1)74 pm ①⑤②③④
(2)BC
Ⅱ.(1)>
(2)每克氢气完全燃烧放出热量142.5 kJ,每克单质硅完全燃烧放出热量30.7 kJ,H2放出的热量多,H2作燃料更理想。
解析Ⅰ.(1)可以直接从题图中读出有关数据,H—H的键长为74 pm;体系能量由高到低的顺序是①⑤②③④。(2)一个氢分子中含有一个σ键,A项错误。核间距逐渐减小时,两个氢原子的原子轨道会相互重叠,导致电子在核间出现的概率增大,B项正确。④已经达到稳定状态,当改变构成氢分子的两个氢原子的核间距时,必须消耗外界的能量,C项正确。一个氢分子中含有一个共价键为s-s σ键,无方向性,D项错误。Ⅱ.(1)Si—Si的键长比Si—C的键长长,Si—Si的键能比Si—C的键能小。(2)2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH=(2×436.0+497.3-4×462.8) kJ·mol-1=-481.9 kJ·mol-1,H2O(g)H2O(l) ΔH=-44.0 kJ·mol-1,根据盖斯定律,2H2(g)+O2(g)2H2O(l) ΔH=-569.9 kJ·mol-1,常温下每克H2完全燃烧生成液态水放出的热量为569.9 kJ÷4=142.5 kJ;Si(s)+O2(g)SiO2(s) ΔH=(226×2+497.3-452×4) kJ·mol-1=-858.7 kJ·mol-1,常温下每克单质硅完全燃烧放出的热量为858.7 kJ÷28=30.7 kJ,因此常温下相同质量的H2和单质Si分别完全燃烧,H2放出的热量多,H2作燃料更理想。
6.下表列出了前20号元素中某些元素性质的一些数据:
元素序号 最高价态 最低价态
① 1.02 +6 -2
② 2.27 +1 —
③ 0.74 — -2
④ 1.43 +3 —
⑤ 0.77 +4 -4
⑥ 1.10 +5 -3
⑦ 0.99 +7 -1
⑧ 1.86 +1 —
⑨ 0.75 +5 -3
⑩ 1.17 +4 -4
试回答下列问题。
(1)以上10种元素中,第一电离能最小的是 (填元素符号)。
(2)上述⑤、⑥、⑦三种元素中的某两种元素形成的化合物中,每一个原子都满足8e-稳定结构的物质可能是 (写化学式,答一条即可)。元素⑨和⑩形成的化合物的化学式为 ;元素①的原子价层电子排布式是 。
(3)①、⑥、⑦、⑩四种元素的电负性,由大到小的顺序是 (填元素符号)。
(4)③和⑨两元素比较,非金属性较弱的是 (填名称),可以验证你的结论的是下列中的 (填字母)。
A.气态氢化物的稳定性
B.单质分子中的键能
C.两元素的电负性
D.最高价含氧酸的酸性
答案(1)K
(2)CCl4 Si3N4 3s23p4
(3)Cl>S>P>Si
(4)氮 AC
解析由分析可知,①为S,②为K,③为O,④为Al,⑤为C,⑥为P,⑦为Cl,⑧为Na,⑨为N,⑩为Si。
(1)一般同周期主族元素随原子序数增大第一电离能呈增大趋势,同主族自上而下第一电离能减小,以上10种元素中,第一电离能最小的是K。
(2)上述⑤、⑥、⑦三种元素中的某两种元素形成的化合物中,每一个原子都满足8e-稳定结构的物质可能是CCl4等;元素⑨和⑩形成的化合物的化学式为Si3N4;元素①是S,其原子价层电子排布式是3s23p4。
(3)同周期主族元素自左而右电负性逐渐增大,①、⑥、⑦、⑩四种元素的电负性由大到小的顺序是Cl>S>P>Si。
(4)同周期主族元素自左而右非金属性逐渐增强,③和⑨两元素比较,非金属性较弱的是氮。
元素非金属性强弱与气态氢化物的稳定性一致,故A项正确;单质分子中共价键类型不同,键能不能比较元素非金属性强弱,故B项错误;电负性越大,获得电子的能力越强,元素的非金属性越强,故C项正确;氧元素不存在最高价含氧酸,故D项错误。
