(共108张PPT)
分子结构与性质
第二章
课程标准要求 学科核心素养
1.能利用电负性判断共价键的极性,能根据共价分子的结构特点说明简单分子的某些性质;能说明分子间作用力(含氢键)对物质熔、沸点等性质的影响,能列举含有氢键的物质及其性质特点。
2.能根据给定的信息分析常见简单分子的空间结构,能利用相关理论解释简单的共价分子的空间结构;能根据分子结构特点和键的极性来判断分子的极性,并据此对分子的一些典型性质及其应用做出解释。 1.宏观辨识与微观探析:能从粒子间相互作用的角度来阐释物质的主要性质;能说明粒子间相互作用的差异对物质性质的影响;能根据粒子间相互作用、分子空间结构等说明或预测物质的性质,评估所作说明或预测的合理性。
3.能从粒子的空间排布及其相互作用的角度对生产、生活、科学研究中的简单案例进行分析,举例说明物质结构研究的应用价值,如氢键对于生命的重大意义。 2.证据推理与模型认知:能将化学事实和粒子间相互作用相关理论模型进行关联和合理匹配,并能选取适当的证据从不同视角分析问题,推出合理的结论;能描述和表示与粒子间相互作用有关的理论模型,指出模型表示的具体含义,并运用理论模型解释或推测物质的组成、结构及变化。
第一节 共价键
1.通过认识原子间以原子轨道重叠形成共价键,能从微观角度分析形成共价键的粒子、类型,能辨识物质中含有的共价键的类型及成键方式,能说明共价键具有饱和性和方向性。2.通过认识原子间形成共价键时原子轨道的不同重叠方式,理解共价键中σ键和π键的区别,能判断分子中 σ键和π键的存在及个数。3.通过认识键参数,能结合实例说明键能、键长及键角对物质性质的影响。
探究共价键
学习任务1
1.共价键的概念和特征
(1)概念。
原子间通过 所形成的相互作用,本质是原子轨道的重叠。
(2)成键的粒子:一般为 原子(相同或不相同)或金属原子与非金属原子。
(3)共价键的特征。
①饱和性。
按照共价键的共用电子对理论,一个原子有几个未成对电子,便可和几个自旋状态相反的电子配对成键,这就是共价键的饱和性。
共用电子对
非金属
[示例] NH3分子中为什么氮原子是1个,而氢原子为3个
②方向性。
除s轨道是球形对称外,其他原子轨道在空间都具有一定的分布特点。在形成共价键时,原子轨道重叠得越多,电子在核间出现的概率越大,所形成的共价键就越牢固,因此共价键将尽可能沿着电子出现概率最大的方向形成,所以共价键具有方向性,如图所示。
水分子中的共价键是由氧原子和氢原子形成的单键;共价键的方向性导致水分子中的三个原子不在一条直线上。
2.共价键的类型——σ键和π键
(1)σ键。
头碰头
特征 ①以形成化学键的两原子核的连线为轴做旋转操作,共价键电子云的图形 ,这种特征称为 ;②σ键的强度
不变
轴对称
较大
(2)π键。
形成 由两个原子的p轨道“ ”重叠形成
p-pπ键
p-p π键的形成
特征 ①π键的电子云具有 性,即每个π键的电子云由两块组成,分别位于由两原子核构成平面的两侧,如果以它们之间包含原子核的平面为镜面,它们互为 ;
②π键 旋转;不如σ键 ,较易断裂
肩并肩
镜面对称
镜像
不能
牢固
下面是乙烷、乙烯、乙炔的分子结构。
探究 σ键和π键判断与比较
问题1:仔细观察乙烷、乙烯、乙炔的分子结构,指出它们的分子中分别含几个σ键和几个π键。
提示:
分子 σ键数目 π键数目
乙烷 7 0
乙烯 5 1
乙炔 3 2
问题2:乙烯、乙炔的化学性质为什么比乙烷活泼
提示:乙烯分子中的碳碳双键由一个σ键和一个π键构成,乙炔分子中的碳碳三键由一个σ键和两个π键构成,乙烷分子中只含σ键不含π键;π键原子轨道的重叠程度小、不稳定,容易断裂,而σ键牢固,不易断裂,故乙烷的化学性质稳定。
问题3:分子中存在π键的物质化学性质一定活泼吗
提示:通常情况下,σ键比π键牢固,π键容易断裂,如乙烯、乙炔的化学性质比乙烷活泼,但N2中的π键由于原子轨道重叠程度大,比较牢固,故N2中的π键不易断裂,不易发生加成反应和氧化反应。
问题4:画出氮原子的轨道表示式,并说明氮气分子中的N≡N是由哪些类型的共价键构成的。
1.共价键的分类方法
归纳拓展
分类依据 类型
形成共价键的原子轨道重叠方式 σ键 原子轨道“头碰头”重叠
π键 原子轨道“肩并肩”重叠
形成共价键的电子对是否偏移 极性键 共用电子对发生偏移
非极
性键 共用电子对不发生偏移
原子间共用电子对的数目 单键 原子间有一对共用电子对
双键 原子间有两对共用电子对
三键 原子间有三对共用电子对
2.σ键和π键的判断方法
(1)依据共价键的类型判断。
归纳拓展
(2)依据共价分子的组成判断σ键。
根据成键原子的价层电子数来判断能形成几对共用电子对。如果成键两原子间只形成一对共用电子对,则该共价键一定是σ键;如果形成多对共用电子对,则先形成1个σ键,另外的原子轨道形成π键。
归纳拓展
题点一 共价键的实质与特征
1.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] 两原子核体积大小要适中
D
【解析】 共价键的成因是当成键原子相互靠近时,原子轨道发生重叠,自旋方向相反的未成对电子形成共用电子对,两原子核间的电子云密度增加,体系的能量降低。
2.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,其共价键数目一定等于该元素原子的价层电子数
[C] 基态碳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个氮原子最多只能与3个氢原子结合形成NH3,这是由共价键的饱和性决定的
D
【解析】 由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层电子数, B不正确;基态碳原子最多只能形成4个共价键,C不正确;氮原子最外层2p轨道上共有3个未成对电子,1个氮原子可以与3个氢原子结合形成NH3,此时共价键饱和, D正确。
题点二 σ键和π键的判断与比较
3. (2024·河北保定二中月考)下列关于σ键和π键的说法正确的是( )
[A] σ键和π键都可以绕键轴旋转
[B] 气体单质分子中一定有σ键,可能含π键
[C] HCHO中σ键与π键的数目之比为1∶3
D
4.下列关于σ键和π键的说法正确的是( )
[A] σ键可以绕键轴旋转,π键一定不能绕键轴旋转
A
【解析】 σ键为单键,可以绕键轴旋转,π键在双键、三键中存在,不能绕键轴旋转,A正确;B项描述的是“头碰头”形成σ键的过程,B错误;烯烃中碳原子间形成σ键时电子云的重叠程度大于“肩并肩”形成π键时电子云的重叠程度,故σ键比π键活泼性差,C错误;N2中两个氮原子“头碰头”形成1个 σ键,两个相互垂直的p轨道“肩并肩”形成2个 π键,D错误。
5.有以下物质:
①HF;②Cl2;③H2O;④N2;⑤C2H4;⑥C2H6;⑦H2;⑧H2O2;⑨HCN(H—C≡N)。
(1)只有σ键的是 (填序号,下同);既有σ键又有π键的是
。
①②③⑥⑦⑧
④⑤⑨
【解析】 (1)单键只有σ键,双键或三键才含有π键,故只有σ键的是①②③⑥⑦⑧;既有σ键又有π键的是④⑤⑨。
①HF;②Cl2;③H2O;④N2;⑤C2H4;⑥C2H6;⑦H2;⑧H2O2;⑨HCN(H—C≡N)。
(2)含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的是 。
⑦
【解析】 (2)氢原子只有s轨道,题给物质中含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的只有H2。
①HF;②Cl2;③H2O;④N2;⑤C2H4;⑥C2H6;⑦H2;⑧H2O2;⑨HCN(H—C≡N)。
(3)含有由一个原子的s轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是
。
①③⑤⑥⑧⑨
【解析】 (3)含有由一个原子的s轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的有①③⑤⑥⑧⑨。
①HF;②Cl2;③H2O;④N2;⑤C2H4;⑥C2H6;⑦H2;⑧H2O2;⑨HCN(H—C≡N)。
(4)含有由一个原子的p轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是
。
②④⑤⑥⑧⑨
【解析】 (4)含有由一个原子的p轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键,说明构成这种σ键的原子中一定没有H,故选②④⑤⑥⑧⑨。
规律方法
对于σ键和π键判断应特别注意的问题
(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)共价双键和三键中既有σ键又有π键。共价双键中有一个σ键、一个π键;三键中有一个σ键、两个π键。
(3)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。
(4)两个原子间可以只形成σ键,但不能只形成π键。
认识键参数——键能、键长与键角
学习任务2
1.键能
(1)定义:气态分子中1 mol化学键解离成气态原子所 的能量称为键能。
(2)意义:衡量共价键强弱的重要参数。
(3)条件和单位:键能通常是298.15 K、101 kPa 条件下的标准值,单位为
。
吸收
kJ·mol-1
2.键长
(1)定义:构成化学键的两个原子的 。
(2)意义:衡量共价键强弱的重要参数。
(3)键长与共价键的稳定性之间的关系。
共价键的键长越短,往往键能越 ,表明共价键越稳定。如H2、Cl2、Br2三种分子中,共价键的键长最长的是 ,键能最大的是 。
核间距
大
Br2
H2
[示例] 根据键长的定义并参考教材表 2-2,可以如何比较同类型共价键的
键长
提示:一般同种类型的共价键,成键原子的原子半径越小,键长越短。成键原子相同的共价键的键长为单键>双键>三键。
3.键角
(1)定义:在多原子分子中,两个相邻共价键之间的夹角。
(2)意义:①键角是描述分子空间结构的重要参数。
②多原子分子的键角一定,表明共价键具有方向性。
(4)键长和键角的数值可以通过晶体的 获得。
X射线衍射实验
下表是某些化学键的键能和键长。
探究 键参数的应用
问题1:试利用表中数据进行计算,1 mol H2与足量的Cl2、Br2(蒸气)反应,分别形成2 mol HCl和2 mol HBr,哪一个反应释放的能量更多,并用计算的结果说明HCl和HBr哪个更容易发生热分解生成相应的单质。
提示:通过计算,1 mol H2分别与足量的Cl2、Br2(蒸气)反应,分别形成2 mol HCl和2 mol HBr,放出能量依次为184.9 kJ、102.3 kJ。1 mol H2与1 mol Cl2反应形成2 mol HCl放出的能量多,则HCl更稳定,HBr更容易发生热分解生成相应的单质。
问题2:N2、O2、F2跟H2反应的能力依次增强,从键能的角度应如何理解这一化学事实
问题3:表中缺少HF和HI的键能、键长数据,试推测HF、HCl、HBr、HI的键长大小关系是什么。结构相似的物质的键长与键能、物质稳定性的关系是怎样的
提示:键长为HF
问题4: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:氟原子的半径比氯原子的半径小,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。
问题5:为什么CH4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。
共价键参数的应用
1.键参数对分子性质的影响
归纳拓展
2.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,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。
归纳拓展
3.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。
归纳拓展
4.键角的应用
(1)键长和键角决定分子的空间结构。如NH3分子的H—N—H键角是107°,N—H键长是 101 pm,则可以判断NH3是三角锥形分子(如图)。
归纳拓展
(2)常见分子的键角与分子空间结构。
归纳拓展
化学式 键角 分子空间结构
CO2 180° 直线形
NH3 107° 三角锥形
H2O 105° V形
BF3 120° 平面三角形
CH4 109°28′ 正四面体形
题点一 键参数的理解、辨析
1.下列说法正确的是( )
[A] 键能越小,表示化学键越牢固,难以断裂
[B] 两原子核越近,键长越长,化学键越牢固,性质越稳定
[C] 破坏化学键时消耗能量,而形成新的化学键时则释放能量
[D] 键能、键长只能定性地分析化学键的特性
C
【解析】 键能越大,表示化学键越牢固,难以断裂,故A错误;两原子核越近,键长越短,化学键越牢固,性质越稳定,故B错误;破坏化学键时消耗能量,而形成新的化学键时则释放能量,故C正确;键能、键长能定量分析化学键的特性,故D错误。
2.(2024·福建厦门一中月考)键长、键角和键能是描述共价键的三个重要参数。下列有关说法错误的是( )
[A] 键长:Si—H>P—H>S—H>Cl—H
[B] 键能:H2O、H2S、H2Se中的键能依次减小
[C] 键角:CO2>CH4>H2O>NH3
[D] 乙烯分子中碳碳键的键能:σ键>π键
C
【解析】 同周期元素,从左到右原子半径依次减小,则半径:Si>P>S>Cl,键长:
Si—H>P—H>S—H>Cl—H,A项正确;同主族元素,从上到下原子半径依次增大,则半径:OCH4>NH3>H2O,C项错误;乙烯是平面形结构,含有碳碳双键,乙烯分子中的碳碳双键中有1个σ键和1个π键,原子轨道形成共价键时,σ键由p轨道“头碰头”重叠形成,π键由p轨道“肩并肩”重叠形成,因此σ键的键长会小于π键的,所以键能σ键大于π键,D项正确。
题点二 键参数的应用
C
[A] σ键一定比π键稳定
[B] N2较易发生加成反应
[C] 乙烯、乙炔较易发生加成反应
[D] 乙烯、乙炔中的π键比σ键稳定
4.已知下列化学键的键能:
回答下列问题。
-213.3 kJ·mol-1
(2)O—H、S—H、Se—H的键能逐渐减小,原因是
, 据此可推测P—H键能的范围为 O、S、Se位于同一主族,原子半径逐渐增大,O—H、S—H、Se—H的键长逐渐变长,因而键能依次减小
247 kJ·mol-1
390.8 kJ·mol-1
【解析】(2)O、S、Se位于同一主族,原子半径逐渐增大,导致O—H、
S—H、Se—H的键长逐渐变长,键长越长,键能越小,所以O—H、S—H、Se—H的键能逐渐减小;N、P、As位于同一主族,原子半径逐渐增大,导致N—H、P—H、As—H的键长逐渐变长,N—H、P—H、As—H的键能依次减小,所以As—H 的键能P—H的键能<390.8 kJ·mol-1。
(3)有机物是以碳骨架为基础的化合物,即碳原子间易形成C—C长链,而氮原子与氮原子间,氧原子与氧原子间难形成N—N长链和O—O长链,原因是
。
C—C的键能较大,较稳定,因而易形成C—C长链,而N—N、O—O的键能小,不稳定易断裂,因此难以形成 N—N、O—O长链
【解析】 (3)键能越大,化学键越稳定,越不容易断裂,分子越稳定,由表中数据可知,C—C的键能较大(347.7 kJ·mol-1),易形成C—C长链,而N—N、O—O的键能较小(分别为193 kJ·mol-1、142 kJ·mol-1),化学键不稳定,容易断裂,所以氮原子与氮原子间,氧原子与氧原子间难形成N—N长链和O—O长链。
知识整合
石墨烯具有优异的性能,被认为是一种未来革命性的材料,单层石墨烯是由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料;肼(N2H4)可用作火箭燃料,肼分子可视为NH3分子中的一个氢原子被—NH2(氨基)取代形成的另一种氮的氢化物;氢气是一种理想的二次能源,航天工业使用液氢作为燃料。这三种物质的结构中都含有共价键。
(1)石墨烯结构示意图如图所示,可由石墨剥离而成。
①石墨烯中的化学键是 (填“极性”或“非极性”)键。
非极性
【解析】 (1)①由题意可知石墨烯就是石墨中的一层,分子中只存在C—C,属于非极性键。
②石墨烯中的键角为 。
120°
【解析】 ②根据石墨烯的结构可知石墨烯中的键角为120°。
③石墨烯中1号C与相邻原子形成σ键的个数为 。
3
【解析】 ③由图可看出,每个碳原子能与三个碳原子形成单键,故能形成3个σ键。
2
【解析】 (2)反应中有4 mol N—H断裂,即有1 mol N2H4参加反应,生成1 mol N2,则形成的π键有2 mol 。
(3)已知构成氢气的氢分子的形成过程示意图如图所示,请据图回答问题。
①H—H的键长为 ,a～e中,体系能量由高到低的顺序是
。
74 pm
aebcd
【解析】 (3)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aebcd。
②下列说法正确的是 (填字母)。
A.氢分子中含有一个π键
B.由a到d,电子在核间出现的概率增大
C.由d到e,必须消耗外界的能量
D.氢分子中含有一个极性共价键
BC
【解析】 ②1个氢分子中含有一个σ键,A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正确;d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正确;1个氢分子中含有一个非极性共价键,D错误。
(选择题1～14题,每小题3分,共42分)
(一)共价键
1.下列说法正确的是( )
[A] 若把H2S写成H3S,则违背了共价键的饱和性
[B] H3O+的存在说明共价键不应有饱和性
[C] 原子轨道在空间都具有方向性
[D] 两个原子轨道发生重叠后,两原子中的电子不仅存在于两核之间,还会绕两核运动
(时间:30分钟 满分:65分)
A
【解析】 硫原子有两个未成对电子,根据共价键的饱和性知,形成的氢化物为H2S,A正确;H2O只能结合一个H+形成H3O+,说明共价键具有饱和性,B错误;s轨道为球形,无方向性,C错误;两个原子轨道发生重叠后,只有共用电子对在两核之间绕两个原子核运动,D错误。
2. (2024·天津市第四十七中学月考)具有下列电子排布式的原子中,不能形成
π键的是( )
[A] 1s22s22p63s23p4 [B] 1s22s22p3
[C] 1s22s22p63s1 [D] 1s22s22p2
C
【解析】 根据电子排布式可知,四种原子分别是S、N、Na、C,其中Na是活泼金属,在化学反应中易失去一个电子,形成的是离子键,而π键是共价键的一种,S、N、C均能形成π键,故选C。
3.下列有关σ键和π键的说法错误的是( )
[A] 在某些分子中,化学键可能只有π键而没有σ键
[B] 当原子形成分子时,首先形成σ键,可能形成π键
[C] σ键的特征是轴对称,π键的特征是镜面对称
[D] 含有π键的分子在反应时,π键是化学反应的积极参与者
A
【解析】 共价键中一定含σ键,则在分子中,化学键可能只有 σ键,而没有π键,
A错误;原子形成分子,优先“头碰头”重叠,则先形成σ键,可能形成π键,B正确;
σ键是“头碰头”重叠形成,可沿键轴自由旋转,为轴对称,而π键是由p电子“肩并肩”重叠形成,重叠程度小,为镜面对称,C正确;π键不稳定,易断裂,则含有π键的分子在反应时,π键是化学反应的积极参与者,D正确。
4.下列关于共价键的描述正确的是( )
[A] 两个原子的单电子若自旋方向相同,则两两配对可形成共价键
[B] 原子轨道具有一定的伸展方向,所形成的共价键都具有方向性
[C] 两个原子的p轨道不仅能形成σ键,也能形成π键
[D] 气体单质中一定存在σ键,可能存在π键
C
【解析】 两个原子的单电子若自旋方向相反,则两两配对可形成共价键,A错误;s电子在形成共价键时,没有方向性,则不是所有共价键都有方向性,B错误;两个原子的p轨道不仅能形成σ键,也能形成π键,C正确;惰性气体为单原子分子,没有化学键,D错误。
5.(2024·湖北襄阳一中月考)下列说法错误的是( )
[A] 氧原子有2个未成对电子,因而能形成2个共价键
[B] 已知N2的分子结构是N≡N,在N2中有1个σ键和2个π键
[C] 已知H2O2的分子结构是H—O—O—H,在H2O2中只有σ键,没有π键
[D] 氧原子可以形成H2O、H2O2,也可能形成H3O
D
【解析】 氧原子有2个未成对电子,其余4个电子形成2个电子对,还缺少
2个电子达到8电子稳定结构,因而能形成2个共价键,A正确; N2的分子结构是N≡N,为氮氮三键,三键中有1个σ键和2个π键,B正确;根据H2O2的分子结构可知,其分子中均为单键,没有双键或三键,即在H2O2中只有σ键,没有π键,
C正确;根据共价键的饱和性可知,氧原子最多形成2个共价键,所以不存在H3O,D错误。
(二)键参数
6.下列说法错误的是( )
[A] 键能是衡量化学键稳定性的参数之一,键能越大,则化学键就越牢固
[B] 键长与共价键的稳定性没有关系
[C] 多原子分子的键角一定,说明共价键有方向性
[D] 共价键是通过原子轨道重叠并共用电子对而形成的,所以共价键有饱
和性
B
【解析】 键能指气态分子中1 mol化学键解离成气态原子所吸收的能量,键能越大,意味着化学键越稳定,越不容易断裂,A正确;键长是构成化学键的两个原子的核间距,键长越短,往往键能越大,共价键越稳定,B错误;多原子分子的键角一定,说明共价键具有方向性,C正确;元素的原子形成共价键时,当一个原子的所有未成对电子和另一些原子中自旋方向相反的未成对电子配对成键后,就不再跟其他原子的未成对电子配对成键,例如H2O中,氧原子有两个未成对电子,它只能跟两个氢原子的未成对电子配对,因此,共价键具有饱和性,D正确。
7.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的键长、键角均相等
[D] NH3中两个N—H的键角为120°
B
【解析】 分子的结构是由键长和键角共同决定的,故A错误;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,故B正确;CF4、CCl4、CBr4、CI4中卤素原子的半径不同,所以C—X的键长不等,但键角均相等,故C错误;
NH3中两个N—H的键角为107°,故D错误。
[A] 断开1 mol Br—Br所需的能量小于b kJ
[B] 上述反应中,反应物的总能量低于生成物的总能量
[C] 向密闭容器中加入2 mol H2(g)和1 mol I2(g),充分反应后放出的热量大于c kJ
[D] 断开2 mol H—I所需的能量为(a+b+c) kJ
D
9.(2024·黑龙江大庆中学月考)下列模型分别表示C2H2、S8、SF6的结构,下列说法正确的是( )
[A] 32 g S8中含有0.125 mol σ键
[B] SF6是由非极性键构成的分子
[C] 1 mol C2H2中有3 mol σ键和2 mol π键
[D] C2H2中不含非极性键
C
综合应用
10.(2024·安徽安庆七中月考)某些化学键的键能如下表所示。
键 键能/(kJ· mol-1)
H—H 436.0
Cl—Cl 242.7
Br—Br 193.7
I—I 152.7
H—Cl 431.8
H—Br 366
H—I 298.7
下列有关说法正确的是( )
[A] 1 mol H2(g)分别与足量的Cl2(g)、Br2(g)、I2(g)反应,则与碘完全反应放出的热量最多
[B] H—F的键能大于431.8 kJ· mol-1
[C] H2与Cl2反应的热化学方程式为H2(g)+Cl2(g) 2HCl(g)
ΔH=-246.9 kJ· mol-1
[D] 稳定性最强的化学键是H—Cl
B
【解析】 反应中的热量变化等于反应物的总键能减去生成物的总键能,则
1 mol H2(g)和足量Cl2(g)反应的反应热ΔH=(436+242.7-2×431.8)kJ· mol-1=
-184.9 kJ· mol-1,1 mol H2(g)和足量Br2(g)反应的反应热ΔH=(436+193.7-2×366)kJ·mol-1=-102.3 kJ· mol-1,1 mol H2(g)和足量I2(g)反应的反应热ΔH=(436+152.7-2×298.7)kJ· mol-1=-8.7 kJ· mol-1,则与氯气完全反应放
出的热量最多,A错误;由表中H—Cl、H—Br、H—I的键能逐渐变小推知,
H—F的键能大于431.8 kJ· mol-1,B正确;由A项分析可知,C错误;键能越大,
键越稳定,则H—H最稳定,D错误。
11.(2024·河南南阳六校联考)键参数是分析化学键性质的重要参考。下列有关叙述正确的是( )
[A] C C的键能是C—C键能的2倍
[B] 已知CO与N2结构相似,CO内σ键与π键的个数之比为2∶1
[C] CO2中C与O可形成π键,但SiO2中Si与O不能形成π键,是因为Si的原子半径较大
[D] C—H的键长小于C—F的,C—F更易断裂,所以用作不粘锅涂层的聚四氟乙烯的化学稳定性低于聚乙烯的
C
12.氰气的化学式为(CN)2,结构式为N≡C—C≡N,其性质与卤素气体单质相似,氰气可用于有机合成、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] 氰气分子中N≡C键长大于C—C键长
[C] 1个氰气分子中含有3个σ键和4个π键
[D] (CN)2不能与氢氧化钠溶液发生反应
C
【解析】 稀有气体单质分子为单原子分子,不存在化学键,A错误;成键原子半径越小,键长越短,氮原子半径小于碳原子半径,故N≡C比C—C的键长短,B错误;单键为σ键、三键为1个σ键和 2个 π键,氰气的结构式为N≡C—C≡N,1个氰气分子中含有3个σ键和4个π键,C正确;卤素单质能与氢氧化钠溶液反应,氰气性质与卤素气体单质相似,则氰气能与氢氧化钠溶液反应,D错误。
13.如图为元素周期表前4周期的一部分,下列有关R、W、X、Y、Z五种元素的叙述正确的是( )
[A] W、R元素单质分子内都存在非极性键
[B] X、Z元素都能形成双原子分子
[C] 第一电离能:X>Y>W
[D] 键长:X—HB
【解析】 由元素在周期表中的位置可知,X为N、W为P、Y为S、R为Ar、Z为Br。白磷单质分子中存在非极性键,但稀有气体分子为单原子分子,分子中没有化学键,A错误;氮气、溴单质都是双原子分子,B正确;第一电离能应是N>P>S,C错误;原子半径:W>X,故键长:W—H>X—H,键长越短,键能越大,故键能:W—H14.下表所列数据是在相同条件下,不同物质中氧氧键的键长和键能的实测数据,下列有关说法正确的是( )
A
15.(12分)回答下列问题。
(1)1 mol CO2中含有的σ键数目为 。
1.204×1024
(2)HCN的结构式为H—C≡N,则该分子中σ键与π键的数目之比为 。
1∶1
【解析】(2)HCN的结构式为H—C≡N,分子中含2个σ键和2个π键,则HCN中σ键与π键的数目之比为1∶1。
3
【解析】 (3)题给反应中有4 mol N—H断裂,则有1 mol N2H4(l)发生反应,同时生成1.5 mol N2(g)和2 mol H2O(g),1个N2(g)中含有2个π键,H2O(g)中不含
π键,故形成的π键有3 mol。
(4)C、H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 。
5∶1
(5)1 mol乙醛分子中含σ键的数目为 ,1个 CO(NH2)2中含有σ键的个数为 。
3.612×1024
7
16.(11分)有A、B、C、D、E、F六种元素,已知:
①它们位于三个不同的短周期,核电荷数依次增大。
②E元素的电离能(单位:kJ·mol-1)数据见下表。
I1 I2 I3 I4
496 4 562 6 919 9 543
③B与F同主族。
④A、E都能与D按原子个数比1∶1和 2∶1形成化合物。
⑤B、C都能与D按原子个数比1∶1和 1∶2形成化合物。
(1)写出只含有A、B、D、E四种元素的两种无水盐的化学式:
。
CH3COONa(或其他合理物质)
NaHCO3、
【解析】 由表中数据可知,E的第二电离能剧增,故E通常为+1价,且E为短周期元素,核电荷数较大,所以推断E是Na;A、B、C、D、E、F六种元素位于三个不同的短周期,A、E都能与D按原子个数比1∶1和2∶1形成化合物,则A和E在该化合物中均显+1价,D能显-1或-2价,所以A是H、D是O;B、C都能与D按原子个数比1∶1和1∶2形成化合物,且B、C、D的核电荷数依次增大,所以B是C,C是N;B与F同主族,所以F是Si。
(1)只含有A、B、D、E四种元素的无水盐有NaHCO3、CH3COONa等。
(2)B2A4分子中存在 个σ键、 个π键。
1
5
【解析】 (2)B2A4分子是C2H4,其分子中存在5个σ键、1个π键。
(3)(5分)人们通常把拆开1 mol 某化学键所吸收的能量看成该化学键的键能。键能的大小可以衡量化学键的强弱,也可以用于计算化学反应的反应热(ΔH)。化学反应的反应热等于反应中断裂旧化学键的键能之和与反应中形成新化学键的键能之和的差。下表列出了上述部分元素形成的化学键的键能:
试计算1 mol F单质完全燃烧时的反应热ΔH= (已知1 mol F单质中含2 mol F—F,1 mol FO2中含4 mol F—O)。
-990.7 kJ·mol-1课程标准要求 学科核心素养
1.能利用电负性判断共价键的极性,能根据共价分子的结构特点说明简单分子的某些性质;能说明分子间作用力(含氢键)对物质熔、沸点等性质的影响,能列举含有氢键的物质及其性质特点。 2.能根据给定的信息分析常见简单分子的空间结构,能利用相关理论解释简单的共价分子的空间结构;能根据分子结构特点和键的极性来判断分子的极性,并据此对分子的一些典型性质及其应用做出解释。 3.能从粒子的空间排布及其相互作用的角度对生产、生活、科学研究中的简单案例进行分析,举例说明物质结构研究的应用价值,如氢键对于生命的重大意义。 1.宏观辨识与微观探析:能从粒子间相互作用的角度来阐释物质的主要性质;能说明粒子间相互作用的差异对物质性质的影响;能根据粒子间相互作用、分子空间结构等说明或预测物质的性质,评估所作说明或预测的合理性。 2.证据推理与模型认知:能将化学事实和粒子间相互作用相关理论模型进行关联和合理匹配,并能选取适当的证据从不同视角分析问题,推出合理的结论;能描述和表示与粒子间相互作用有关的理论模型,指出模型表示的具体含义,并运用理论模型解释或推测物质的组成、结构及变化。
第一节 共价键
[学习目标] 1.通过认识原子间以原子轨道重叠形成共价键,能从微观角度分析形成共价键的粒子、类型,能辨识物质中含有的共价键的类型及成键方式,能说明共价键具有饱和性和方向性。2.通过认识原子间形成共价键时原子轨道的不同重叠方式,理解共价键中σ键和π键的区别,能判断分子中 σ键和π键的存在及个数。3.通过认识键参数,能结合实例说明键能、键长及键角对物质性质的影响。
学习任务1 探究共价键
1.共价键的概念和特征
(1)概念。
原子间通过共用电子对所形成的相互作用,本质是原子轨道的重叠。
(2)成键的粒子:一般为非金属原子(相同或不相同)或金属原子与非金属原子。
(3)共价键的特征。
①饱和性。
按照共价键的共用电子对理论,一个原子有几个未成对电子,便可和几个自旋状态相反的电子配对成键,这就是共价键的饱和性。
[示例] NH3分子中为什么氮原子是1个,而氢原子为3个
提示:N和H的电子式分别为··和H·,氮原子最外层有3个未成对电子,氢原子有1个未成对电子,形成共价键时每个氮原子只须与 3个氢原子分别形成3个共用电子对即可达到稳定状态,共价键达到饱和,从而决定了分子中氢原子个数。
②方向性。
除s轨道是球形对称外,其他原子轨道在空间都具有一定的分布特点。在形成共价键时,原子轨道重叠得越多,电子在核间出现的概率越大,所形成的共价键就越牢固,因此共价键将尽可能沿着电子出现概率最大的方向形成,所以共价键具有方向性,如图所示。
水分子中的共价键是由氧原子和氢原子形成的单键;共价键的方向性导致水分子中的三个原子不在一条直线上。
2.共价键的类型——σ键和π键
(1)σ键。
形成 由两个原子的s轨道或p轨道“头碰头”重叠形成
类型 ss 型 H—H的ss σ键的形成
sp 型 H—Cl的sp σ键的形成
pp 型 Cl—Cl的pp σ键的形成
特征 ①以形成化学键的两原子核的连线为轴做旋转操作,共价键电子云的图形不变,这种特征称为轴对称;②σ键的强度较大
(2)π键。
形成 由两个原子的p轨道“肩并肩”重叠形成
pp π键 pp π键的形成
特征 ①π键的电子云具有镜面对称性,即每个π键的电子云由两块组成,分别位于由两原子核构成平面的两侧,如果以它们之间包含原子核的平面为镜面,它们互为镜像; ②π键不能旋转;不如σ键牢固,较易断裂
下面是乙烷、乙烯、乙炔的分子结构。
探究 σ键和π键判断与比较
问题1:仔细观察乙烷、乙烯、乙炔的分子结构,指出它们的分子中分别含几个σ键和几个
π键。
提示:
分子 σ键数目 π键数目
乙烷 7 0
乙烯 5 1
乙炔 3 2
问题2:乙烯、乙炔的化学性质为什么比乙烷活泼
提示:乙烯分子中的碳碳双键由一个σ键和一个π键构成,乙炔分子中的碳碳三键由一个σ键和两个π键构成,乙烷分子中只含σ键不含π键;π键原子轨道的重叠程度小、不稳定,容易断裂,而σ键牢固,不易断裂,故乙烷的化学性质稳定。
问题3:分子中存在π键的物质化学性质一定活泼吗
提示:通常情况下,σ键比π键牢固,π键容易断裂,如乙烯、乙炔的化学性质比乙烷活泼,但N2中的π键由于原子轨道重叠程度大,比较牢固,故N2中的π键不易断裂,不易发生加成反应和氧化反应。
问题4:画出氮原子的轨道表示式,并说明氮气分子中的N≡N是由哪些类型的共价键构成的。
提示:;在2p能级上有三个未成对电子,分别占据2px、2py、2pz三个原子轨道,当两个氮原子结合成氮气分子时,两个氮原子的2px轨道沿x轴方向以“头碰头”的方式发生重叠,形成一个σ键;同时2py2py和2pz2pz轨道只能以相互平行的“肩并肩”的方式发生重叠,形成两个π键。
1.共价键的分类方法
分类依据 类型
形成共价键的原子轨道重叠方式 σ键 原子轨道“头碰头”重叠
π键 原子轨道“肩并肩”重叠
形成共价键的电子对是否偏移 极性键 共用电子对发生偏移
非极 性键 共用电子对不发生偏移
原子间共用电子对的数目 单键 原子间有一对共用电子对
双键 原子间有两对共用电子对
三键 原子间有三对共用电子对
2.σ键和π键的判断方法
(1)依据共价键的类型判断。
共价键类型
(2)依据共价分子的组成判断σ键。
根据成键原子的价层电子数来判断能形成几对共用电子对。如果成键两原子间只形成一对共用电子对,则该共价键一定是σ键;如果形成多对共用电子对,则先形成1个σ键,另外的原子轨道形成π键。
ABx型分子或原子团中,含σ键的数目为x,如H2O中含2个σ键,NH3中含3个σ键,
C中含3个σ键,S中含4个σ键。
题点一 共价键的实质与特征
1.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] 两原子核体积大小要适中
【答案】 D
【解析】 共价键的成因是当成键原子相互靠近时,原子轨道发生重叠,自旋方向相反的未成对电子形成共用电子对,两原子核间的电子云密度增加,体系的能量降低。
2.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,其共价键数目一定等于该元素原子的价层电子数
[C] 基态碳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个氮原子最多只能与3个氢原子结合形成NH3,这是由共价键的饱和性决定的
【答案】 D
【解析】 由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层电子数, B不正确;基态碳原子最多只能形成4个共价键,C不正确;氮原子最外层2p轨道上共有3个未成对电子,1个氮原子可以与3个氢原子结合形成NH3,此时共价键饱和, D正确。
题点二 σ键和π键的判断与比较
3. (2024·河北保定二中月考)下列关于σ键和π键的说法正确的是( )
[A] σ键和π键都可以绕键轴旋转
[B] 气体单质分子中一定有σ键,可能含π键
[C] HCHO中σ键与π键的数目之比为1∶3
[D] CC中σ键比π键重叠程度大,故CC中σ键强于π键
【答案】 D
【解析】 σ键的电子云呈轴对称,π键的电子云呈镜面对称,π键不能绕键轴旋转,A错误;稀有气体单质分子是单原子分子,既没有σ键也没有π键,B错误; HCHO中σ键与π键的数目之比为3∶1,C错误;σ键的原子轨道采用“头碰头”方式重叠形成,π键的原子轨道采用“肩并肩”方式重叠形成,前者比后者重叠程度大,所以CC中σ键强于π键,D正确。
4.下列关于σ键和π键的说法正确的是( )
[A] σ键可以绕键轴旋转,π键一定不能绕键轴旋转
[B] 描述的是π键的形成过程
[C] 烯烃中碳原子轨道以“头碰头”的方式重叠比以“肩并肩”的方式重叠的程度小,所以σ键比π键活泼
[D] 可以表示N2中σ键和π键存在的情况
【答案】 A
【解析】 σ键为单键,可以绕键轴旋转,π键在双键、三键中存在,不能绕键轴旋转,A正确;B项描述的是“头碰头”形成σ键的过程,B错误;烯烃中碳原子间形成σ键时电子云的重叠程度大于“肩并肩”形成π键时电子云的重叠程度,故σ键比π键活泼性差,C错误;N2中两个氮原子“头碰头”形成1个 σ键,两个相互垂直的p轨道“肩并肩”形成2个 π键,D错误。
5.有以下物质:
①HF;②Cl2;③H2O;④N2;⑤C2H4;⑥C2H6;
⑦H2;⑧H2O2;⑨HCN(H—C≡N)。
(1)只有σ键的是 (填序号,下同);既有σ键又有π键的是 。
(2)含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的是 。
(3)含有由一个原子的s轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是 。
(4)含有由一个原子的p轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是 。
【答案】 (1)①②③⑥⑦⑧ ④⑤⑨
(2)⑦
(3)①③⑤⑥⑧⑨
(4)②④⑤⑥⑧⑨
【解析】 (1)单键只有σ键,双键或三键才含有π键,故只有σ键的是①②③⑥⑦⑧;既有σ键又有π键的是④⑤⑨。
(2)氢原子只有s轨道,题给物质中含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的只有H2。
(3)含有由一个原子的s轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的有①③⑤⑥⑧⑨。
(4)含有由一个原子的p轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键,说明构成这种σ键的原子中一定没有H,故选②④⑤⑥⑧⑨。
对于σ键和π键判断应特别注意的问题
(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)共价双键和三键中既有σ键又有π键。共价双键中有一个σ键、一个π键;三键中有一个σ键、两个π键。
(3)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。
(4)两个原子间可以只形成σ键,但不能只形成π键。
学习任务2 认识键参数——键能、键长与键角
1.键能
(1)定义:气态分子中1 mol化学键解离成气态原子所吸收的能量称为键能。
(2)意义:衡量共价键强弱的重要参数。
(3)条件和单位:键能通常是298.15 K、101 kPa 条件下的标准值,单位为kJ·mol-1。
2.键长
(1)定义:构成化学键的两个原子的核间距。
(2)意义:衡量共价键强弱的重要参数。
(3)键长与共价键的稳定性之间的关系。
共价键的键长越短,往往键能越大,表明共价键越稳定。如H2、Cl2、Br2三种分子中,共价键的键长最长的是Br2,键能最大的是H2。
[示例] 根据键长的定义并参考教材表 22,可以如何比较同类型共价键的键长
提示:一般同种类型的共价键,成键原子的原子半径越小,键长越短。成键原子相同的共价键的键长为单键>双键>三键。
3.键角
(1)定义:在多原子分子中,两个相邻共价键之间的夹角。
(2)意义:①键角是描述分子空间结构的重要参数。
②多原子分子的键角一定,表明共价键具有方向性。
(3)常见分子的键角。
如图所示,CO2中两个CO间的夹角为180°,所以CO2呈直线形;H2O中两个H—O 间的夹角为105°,所以H2O呈V形(或角形);NH3中每两个N—H间的夹角均为107°,所以NH3呈三角锥形。
(4)键长和键角的数值可以通过晶体的X射线衍射实验获得。
下表是某些化学键的键能和键长。
化学键 H—H Cl—Cl Br—Br H—Cl
键能/(kJ·mol-1) 436.0 242.7 193.7 431.8
键长/pm 74 198 228 142
化学键 H—Br N≡N OO F—F
键能/(kJ·mol-1) 366 946 497.3 157
键长/pm 127 110 120 141
探究 键参数的应用
问题1:试利用表中数据进行计算,1 mol H2与足量的Cl2、Br2(蒸气)反应,分别形成2 mol HCl和2 mol HBr,哪一个反应释放的能量更多,并用计算的结果说明HCl和HBr哪个更容易发生热分解生成相应的单质。
提示:通过计算,1 mol H2分别与足量的Cl2、Br2(蒸气)反应,分别形成2 mol HCl和2 mol HBr,放出能量依次为184.9 kJ、102.3 kJ。1 mol H2与1 mol Cl2反应形成2 mol HCl放出的能量多,则HCl更稳定,HBr更容易发生热分解生成相应的单质。
问题2:N2、O2、F2跟H2反应的能力依次增强,从键能的角度应如何理解这一化学事实
提示:N≡N、OO、F—F的键能依次为946 kJ·mol-1、497.3 kJ·mol-1、157 kJ·mol-1,键能依次减小,化学键断裂越来越容易,故N2、O2、F2与H2反应的能力依次增强。
问题3:表中缺少HF和HI的键能、键长数据,试推测HF、HCl、HBr、HI的键长大小关系是什么。结构相似的物质的键长与键能、物质稳定性的关系是怎样的
提示:键长为HF问题4: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:氟原子的半径比氯原子的半径小,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。
问题5:为什么CH4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。
共价键参数的应用
1.键参数对分子性质的影响
2.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,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。
3.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。
4.键角的应用
(1)键长和键角决定分子的空间结构。如NH3分子的H—N—H键角是107°,N—H键长是 101 pm,则可以判断NH3是三角锥形分子(如图)。
(2)常见分子的键角与分子空间结构。
化学式 键角 分子空间结构
CO2 180° 直线形
NH3 107° 三角锥形
H2O 105° V形
BF3 120° 平面三角形
CH4 109°28′ 正四面体形
题点一 键参数的理解、辨析
1.下列说法正确的是( )
[A] 键能越小,表示化学键越牢固,难以断裂
[B] 两原子核越近,键长越长,化学键越牢固,性质越稳定
[C] 破坏化学键时消耗能量,而形成新的化学键时则释放能量
[D] 键能、键长只能定性地分析化学键的特性
【答案】 C
【解析】 键能越大,表示化学键越牢固,难以断裂,故A错误;两原子核越近,键长越短,化学键越牢固,性质越稳定,故B错误;破坏化学键时消耗能量,而形成新的化学键时则释放能量,故C正确;键能、键长能定量分析化学键的特性,故D错误。
2.(2024·福建厦门一中月考)键长、键角和键能是描述共价键的三个重要参数。下列有关说法错误的是( )
[A] 键长:Si—H>P—H>S—H>Cl—H
[B] 键能:H2O、H2S、H2Se中的键能依次减小
[C] 键角:CO2>CH4>H2O>NH3
[D] 乙烯分子中碳碳键的键能:σ键>π键
【答案】 C
【解析】 同周期元素,从左到右原子半径依次减小,则半径:Si>P>S>Cl,键长:Si—H>P—H>
S—H>Cl—H,A项正确;同主族元素,从上到下原子半径依次增大,则半径:OH2OCH4>NH3>H2O,C项错误;乙烯是平面形结构,含有碳碳双键,乙烯分子中的碳碳双键中有1个σ键和1个π键,原子轨道形成共价键时,σ键由p轨道“头碰头”重叠形成,π键由p轨道“肩并肩”重叠形成,因此σ键的键长会小于π键的,所以键能σ键大于π键,D项正确。
题点二 键参数的应用
3.已知N—N、NN和N≡N键能之比为1.00∶2.17∶4.90,而C—C、CC和C≡C键能之比为1.00∶1.77∶2.34。下列说法正确的是( )
[A] σ键一定比π键稳定
[B] N2较易发生加成反应
[C] 乙烯、乙炔较易发生加成反应
[D] 乙烯、乙炔中的π键比σ键稳定
【答案】 C
【解析】 根据N—N、NN和N≡N键能之比为1.00∶2.17∶4.90知,N≡N、NN中π键比σ键稳定,故A、B错误;根据C—C、CC和C≡C键能之比为1.00∶1.77∶2.34知,CC、C≡C中π键比σ键弱,π键不稳定,较易发生加成反应,故C正确,D错误。
4.已知下列化学键的键能:
化学键 C—C N—N O—O OO O—H
键能/ (kJ·mol-1) 347.7 193 142 497.3 462.8
化学键 S—H Se—H N—H As—H
键能/ (kJ·mol-1) 363.5 276 390.8 247
回答下列问题。
(1)过氧化氢不稳定,易发生分解反应:2H2O2(g)2H2O(g)+O2(g),利用键能数据计算该反应的反应热为 。
(2)O—H、S—H、Se—H的键能逐渐减小,原因是 , 据此可推测P—H键能的范围为 (3)有机物是以碳骨架为基础的化合物,即碳原子间易形成C—C长链,而氮原子与氮原子间,氧原子与氧原子间难形成N—N长链和O—O长链,原因是 。
【答案】 (1)-213.3 kJ·mol-1 (2)O、S、Se位于同一主族,原子半径逐渐增大,O—H、S—H、Se—H的键长逐渐变长,因而键能依次减小 247 kJ·mol-1 390.8 kJ·mol-1 (3)C—C的键能较大,较稳定,因而易形成C—C长链,而N—N、O—O的键能小,不稳定易断裂,因此难以形成 N—N、O—O长链
【解析】 (1)反应2H2O2(g)2H2O(g)+O2(g)的反应热ΔH=反应物的键能之和-生成物的键能之和=(462.8×4+142×2)kJ·mol-1-(462.8×4+497.3)kJ·mol-1=-213.3 kJ·mol-1。
(2)O、S、Se位于同一主族,原子半径逐渐增大,导致O—H、S—H、Se—H的键长逐渐变长,键长越长,键能越小,所以O—H、S—H、Se—H的键能逐渐减小;N、P、As位于同一主族,原子半径逐渐增大,导致N—H、P—H、As—H的键长逐渐变长,N—H、P—H、As—H的键能依次减小,所以As—H 的键能(3)键能越大,化学键越稳定,越不容易断裂,分子越稳定,由表中数据可知,C—C的键能较大(347.7 kJ·mol-1),易形成C—C长链,而N—N、O—O的键能较小(分别为193 kJ·mol-1、142 kJ·mol-1),化学键不稳定,容易断裂,所以氮原子与氮原子间,氧原子与氧原子间难形成N—N长链和O—O长链。
[footnoteRef:0] 石墨烯具有优异的性能,被认为是一种未来革命性的材料,单层石墨烯是由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料;肼(N2H4)可用作火箭燃料,肼分子可视为NH3分子中的一个氢原子被—NH2(氨基)取代形成的另一种氮的氢化物;氢气是一种理想的二次能源,航天工业使用液氢作为燃料。这三种物质的结构中都含有共价键。 [0:
命题解密与解题指导
情境解读:本题以新材料、新能源为素材,以共价键判断及键参数为载体,宏微结合,考查共价键类型判断及键参数的应用。
素养立意:借助共价键类型判断,并将物质的宏观应用与键参数的应用结合,强化证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析素养。
思维建模:
]
(1)石墨烯结构示意图如图所示,可由石墨剥离而成。
①石墨烯中的化学键是 (填“极性”或“非极性”)键。
②石墨烯中的键角为 。
③石墨烯中1号C与相邻原子形成σ键的个数为 。
(2)肼燃烧时的化学方程式为N2H4(g)+O2(g)N2(g)+2H2O,若该反应中有4 mol N—H断裂,则形成的π键有 mol。
(3)已知构成氢气的氢分子的形成过程示意图如图所示,请据图回答问题。
①H—H的键长为 ,a～e中,体系能量由高到低的顺序是 。
②下列说法正确的是 (填字母)。
A.氢分子中含有一个π键
B.由a到d,电子在核间出现的概率增大
C.由d到e,必须消耗外界的能量
D.氢分子中含有一个极性共价键
【答案】 (1)①非极性 ②120° ③3 (2)2
(3)①74 pm aebcd ②BC
【解析】 (1)①由题意可知石墨烯就是石墨中的一层,分子中只存在C—C,属于非极性键。②根据石墨烯的结构可知石墨烯中的键角为120°。③由图可看出,每个碳原子能与三个碳原子形成单键,故能形成3个σ键。
(2)反应中有4 mol N—H断裂,即有1 mol N2H4参加反应,生成1 mol N2,则形成的π键有
2 mol 。
(3)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aebcd。②1个氢分子中含有一个σ键,A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正确;d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正确;1个氢分子中含有一个非极性共价键,D错误。
(时间:30分钟 满分:65分)
(选择题1～14题,每小题3分,共42分)
(一)共价键
1.下列说法正确的是( )
[A] 若把H2S写成H3S,则违背了共价键的饱和性
[B] H3O+的存在说明共价键不应有饱和性
[C] 原子轨道在空间都具有方向性
[D] 两个原子轨道发生重叠后,两原子中的电子不仅存在于两核之间,还会绕两核运动
【答案】 A
【解析】 硫原子有两个未成对电子,根据共价键的饱和性知,形成的氢化物为H2S,A正确;H2O只能结合一个H+形成H3O+,说明共价键具有饱和性,B错误;s轨道为球形,无方向性,C错误;两个原子轨道发生重叠后,只有共用电子对在两核之间绕两个原子核运动,D错误。
2. (2024·天津市第四十七中学月考)具有下列电子排布式的原子中,不能形成π键的是( )
[A] 1s22s22p63s23p4 [B] 1s22s22p3
[C] 1s22s22p63s1 [D] 1s22s22p2
【答案】 C
【解析】 根据电子排布式可知,四种原子分别是S、N、Na、C,其中Na是活泼金属,在化学反应中易失去一个电子,形成的是离子键,而π键是共价键的一种,S、N、C均能形成π键,故选C。
3.下列有关σ键和π键的说法错误的是( )
[A] 在某些分子中,化学键可能只有π键而没有σ键
[B] 当原子形成分子时,首先形成σ键,可能形成π键
[C] σ键的特征是轴对称,π键的特征是镜面对称
[D] 含有π键的分子在反应时,π键是化学反应的积极参与者
【答案】 A
【解析】 共价键中一定含σ键,则在分子中,化学键可能只有 σ键,而没有π键,A错误;原子形成分子,优先“头碰头”重叠,则先形成σ键,可能形成π键,B正确;σ键是“头碰头”重叠形成,可沿键轴自由旋转,为轴对称,而π键是由p电子“肩并肩”重叠形成,重叠程度小,为镜面对称,C正确;π键不稳定,易断裂,则含有π键的分子在反应时,π键是化学反应的积极参与者,D正确。
4.下列关于共价键的描述正确的是( )
[A] 两个原子的单电子若自旋方向相同,则两两配对可形成共价键
[B] 原子轨道具有一定的伸展方向,所形成的共价键都具有方向性
[C] 两个原子的p轨道不仅能形成σ键,也能形成π键
[D] 气体单质中一定存在σ键,可能存在π键
【答案】 C
【解析】 两个原子的单电子若自旋方向相反,则两两配对可形成共价键,A错误;s电子在形成共价键时,没有方向性,则不是所有共价键都有方向性,B错误;两个原子的p轨道不仅能形成σ键,也能形成π键,C正确;惰性气体为单原子分子,没有化学键,D错误。
5.(2024·湖北襄阳一中月考)下列说法错误的是( )
[A] 氧原子有2个未成对电子,因而能形成2个共价键
[B] 已知N2的分子结构是N≡N,在N2中有1个σ键和2个π键
[C] 已知H2O2的分子结构是H—O—O—H,在H2O2中只有σ键,没有π键
[D] 氧原子可以形成H2O、H2O2,也可能形成H3O
【答案】 D
【解析】 氧原子有2个未成对电子,其余4个电子形成2个电子对,还缺少2个电子达到8电子稳定结构,因而能形成2个共价键,A正确; N2的分子结构是N≡N,为氮氮三键,三键中有1个σ键和2个π键,B正确;根据H2O2的分子结构可知,其分子中均为单键,没有双键或三键,即在H2O2中只有σ键,没有π键,C正确;根据共价键的饱和性可知,氧原子最多形成2个共价键,所以不存在H3O,D错误。
(二)键参数
6.下列说法错误的是( )
[A] 键能是衡量化学键稳定性的参数之一,键能越大,则化学键就越牢固
[B] 键长与共价键的稳定性没有关系
[C] 多原子分子的键角一定,说明共价键有方向性
[D] 共价键是通过原子轨道重叠并共用电子对而形成的,所以共价键有饱和性
【答案】 B
【解析】 键能指气态分子中1 mol化学键解离成气态原子所吸收的能量,键能越大,意味着化学键越稳定,越不容易断裂,A正确;键长是构成化学键的两个原子的核间距,键长越短,往往键能越大,共价键越稳定,B错误;多原子分子的键角一定,说明共价键具有方向性,C正确;元素的原子形成共价键时,当一个原子的所有未成对电子和另一些原子中自旋方向相反的未成对电子配对成键后,就不再跟其他原子的未成对电子配对成键,例如H2O中,氧原子有两个未成对电子,它只能跟两个氢原子的未成对电子配对,因此,共价键具有饱和性,D正确。
7.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的键长、键角均相等
[D] NH3中两个N—H的键角为120°
【答案】 B
【解析】 分子的结构是由键长和键角共同决定的,故A错误;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,故B正确;CF4、CCl4、CBr4、CI4中卤素原子的半径不同,所以C—X的键长不等,但键角均相等,故C错误;NH3中两个N—H的键角为107°,故D错误。
8.(2024·江苏省射阳中学期末)已知H—H的键能为a kJ/mol,I—I的键能为b kJ/mol,一定条件下:H2(g)+I2(g)2HI(g) ΔH=-c kJ/mol(c>0)。下列说法正确的是( )
[A] 断开1 mol Br—Br所需的能量小于b kJ
[B] 上述反应中,反应物的总能量低于生成物的总能量
[C] 向密闭容器中加入2 mol H2(g)和1 mol I2(g),充分反应后放出的热量大于c kJ
[D] 断开2 mol H—I所需的能量为(a+b+c) kJ
【答案】 D
【解析】 原子半径越小,共价键的键长越短,键能越大,则断开1 mol Br—Br所需的能量大于b kJ,A错误;由热化学方程式可知,该反应是反应物的总能量高于生成物的总能量的放热反应,B错误;题给反应为可逆反应,可逆反应不可能反应完全,则向密闭容器中加入2 mol氢气和1 mol碘蒸气,充分反应后放出的热量小于c kJ,C错误;设氢碘键的键能为x kJ/mol,ΔH=反应物的总键能-生成物的总键能,则-c kJ/mol=(a+b) kJ/mol-2x kJ/mol,解得x=,则断开
2 mol H—I所需的能量为(a+b+c) kJ,D正确。
综合应用
9.(2024·黑龙江大庆中学月考)下列模型分别表示C2H2、S8、SF6的结构,下列说法正确的是( )
[A] 32 g S8中含有0.125 mol σ键
[B] SF6是由非极性键构成的分子
[C] 1 mol C2H2中有3 mol σ键和2 mol π键
[D] C2H2中不含非极性键
【答案】 C
【解析】 1 mol S8中含有8 mol σ键,因此32 g S8中所含σ键为×8=1 mol,A错误;根据SF6的结构模型可知,SF6是由S—F极性键构成的分子,B错误;单键中有1个σ键,三键中有1个σ键和2个π键,因此1 mol乙炔中含有3 mol σ键和2 mol π键,C正确;C2H2中所含的碳碳三键是非极性键,D错误。
10.(2024·安徽安庆七中月考)某些化学键的键能如下表所示。
键 键能/(kJ· mol-1)
H—H 436.0
Cl—Cl 242.7
Br—Br 193.7
I—I 152.7
H—Cl 431.8
H—Br 366
H—I 298.7
下列有关说法正确的是( )
[A] 1 mol H2(g)分别与足量的Cl2(g)、Br2(g)、I2(g)反应,则与碘完全反应放出的热量最多
[B] H—F的键能大于431.8 kJ· mol-1
[C] H2与Cl2反应的热化学方程式为H2(g)+Cl2(g)2HCl(g) ΔH=-246.9 kJ· mol-1
[D] 稳定性最强的化学键是H—Cl
【答案】 B
【解析】 反应中的热量变化等于反应物的总键能减去生成物的总键能,则1 mol H2(g)和足量Cl2(g)反应的反应热ΔH=(436+242.7-2×431.8)kJ· mol-1=-184.9 kJ· mol-1,1 mol H2(g)和足量Br2(g)反应的反应热ΔH=(436+193.7-2×366)kJ·mol-1=-102.3 kJ· mol-1,1 mol H2(g)和足量I2(g)反应的反应热ΔH=(436+152.7-2×298.7)kJ· mol-1=-8.7 kJ· mol-1,则与氯气完全反应放出的热量最多,A错误;由表中H—Cl、H—Br、H—I的键能逐渐变小推知,H—F的键能大于431.8 kJ· mol-1,B正确;由A项分析可知,C错误;键能越大,键越稳定,则H—H最稳定,D错误。
11.(2024·河南南阳六校联考)键参数是分析化学键性质的重要参考。下列有关叙述正确的是( )
[A] CC的键能是C—C键能的2倍
[B] 已知CO与N2结构相似,CO内σ键与π键的个数之比为2∶1
[C] CO2中C与O可形成π键,但SiO2中Si与O不能形成π键,是因为Si的原子半径较大
[D] C—H的键长小于C—F的,C—F更易断裂,所以用作不粘锅涂层的聚四氟乙烯的化学稳定性低于聚乙烯的
【答案】 C
【解析】 CC不是两个C—C的简单加和,故CC的键能不是C—C键能的2倍,A项错误;N2的结构式为N≡N,推知CO的结构式为C≡O,含有1个σ键、2个π键,故分子内σ键与π键的个数之比为1∶2,B项错误;Si的原子半径较大,Si与O的p轨道难以“肩并肩”形成π键,C项正确;氟的非金属性最强,氟与碳成键时对电荷的束缚能力更强,使C—F的键能大于C—H的,且聚四氟乙烯能用作不粘锅涂层,说明聚四氟乙烯耐高温,化学性质稳定,D项错误。
12.氰气的化学式为(CN)2,结构式为N≡C—C≡N,其性质与卤素气体单质相似,氰气可用于有机合成、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] 氰气分子中N≡C键长大于C—C键长
[C] 1个氰气分子中含有3个σ键和4个π键
[D] (CN)2不能与氢氧化钠溶液发生反应
【答案】 C
【解析】 稀有气体单质分子为单原子分子,不存在化学键,A错误;成键原子半径越小,键长越短,氮原子半径小于碳原子半径,故N≡C比C—C的键长短,B错误;单键为σ键、三键为1个σ键和 2个 π键,氰气的结构式为N≡C—C≡N,1个氰气分子中含有3个σ键和4个π键,C正确;卤素单质能与氢氧化钠溶液反应,氰气性质与卤素气体单质相似,则氰气能与氢氧化钠溶液反应,D错误。
13.如图为元素周期表前4周期的一部分,下列有关R、W、X、Y、Z五种元素的叙述正确的是( )
[A] W、R元素单质分子内都存在非极性键
[B] X、Z元素都能形成双原子分子
[C] 第一电离能:X>Y>W
[D] 键长:X—H【答案】 B
【解析】 由元素在周期表中的位置可知,X为N、W为P、Y为S、R为Ar、Z为Br。白磷单质分子中存在非极性键,但稀有气体分子为单原子分子,分子中没有化学键,A错误;氮气、溴单质都是双原子分子,B正确;第一电离能应是N>P>S,C错误;原子半径:W>X,故键长:W—H>X—H,键长越短,键能越大,故键能:W—H14.下表所列数据是在相同条件下,不同物质中氧氧键的键长和键能的实测数据,下列有关说法正确的是( )
粒子 O2
键长/pm 149 128 121 112
键能/(kJ·mol-1) a b 497.3 628
[A] a[B] O—O的键能为497.3 kJ·mol-1
[C] 中存在π键
[D] 键长越长,键能越大
【答案】 A
【解析】 O2和键长分别是121 pm、112 pm,但键能分别为497.3 kJ·mol-1、628 kJ·mol-1,说明键长越短,键能越大,因此a15.(12分)回答下列问题。
(1)1 mol CO2中含有的σ键数目为 。
(2)HCN的结构式为H—C≡N,则该分子中σ键与π键的数目之比为 。
(3)肼(N2H4)分子可视为NH3中的一个氢原子被—NH2(氨基)取代形成的另一种氮的氢化物。肼可用作火箭燃料,燃烧时发生的反应为N2O4(l)+2N2H4(l)3N2(g)+4H2O(g),若该反应中有4 mol N—H断裂,则形成的π键有 mol。
(4)C、H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 。
(5)1 mol乙醛分子中含σ键的数目为 ,1个 CO(NH2)2中含有σ键的个数为 。
【答案】 (1)1.204×1024
(2)1∶1
(3)3
(4)5∶1
(5)3.612×1024 7
【解析】 (1)CO2的结构式为OCO,则1 mol CO2中含有的σ键数目为2×6.02×1023=1.204×1024。
(2)HCN的结构式为H—C≡N,分子中含2个σ键和2个π键,则HCN中σ键与π键的数目之比为1∶1。
(3)题给反应中有4 mol N—H断裂,则有1 mol N2H4(l)发生反应,同时生成1.5 mol N2(g)和2 mol H2O(g),1个N2(g)中含有2个π键,H2O(g)中不含π键,故形成的π键有3 mol。
(4)1个H含有 1个电子,1个C含有6个电子,若C、H形成的化合物分子中共有16个电子,则该分子为C2H4,其结构简式为CH2CH2,故该分子中σ键与π键的个数比为5∶1。
(5)乙醛的结构简式为CH3CHO,则1 mol乙醛分子中含6 mol σ键,其数目为6×6.02×1023=3.612×1024;CO(NH2)2的结构简式为,故1个CO(NH2)2中含有7个σ键。
16.(11分)有A、B、C、D、E、F六种元素,已知:
①它们位于三个不同的短周期,核电荷数依次增大。
②E元素的电离能(单位:kJ·mol-1)数据见下表。
I1 I2 I3 I4
496 4 562 6 919 9 543
③B与F同主族。
④A、E都能与D按原子个数比1∶1和 2∶1形成化合物。
⑤B、C都能与D按原子个数比1∶1和 1∶2形成化合物。
(1)写出只含有A、B、D、E四种元素的两种无水盐的化学式: 。
(2)B2A4分子中存在 个σ键、 个π键。
(3)(5分)人们通常把拆开1 mol 某化学键所吸收的能量看成该化学键的键能。键能的大小可以衡量化学键的强弱,也可以用于计算化学反应的反应热(ΔH)。化学反应的反应热等于反应中断裂旧化学键的键能之和与反应中形成新化学键的键能之和的差。下表列出了上述部分元素形成的化学键的键能:
化学键 F—D F—F B—B F—B BD DD
键能/ (kJ·mol-1) 460 176 347.7 347 745 497.3
试计算1 mol F单质完全燃烧时的反应热ΔH= (已知1 mol F单质中含2 mol F—F,1 mol FO2中含4 mol F—O)。
【答案】 (1)NaHCO3、CH3COONa(或其他合理物质)
(2)5 1
(3)-990.7 kJ·mol-1
【解析】 由表中数据可知,E的第二电离能剧增,故E通常为+1价,且E为短周期元素,核电荷数较大,所以推断E是Na;A、B、C、D、E、F六种元素位于三个不同的短周期,A、E都能与D按原子个数比1∶1和2∶1形成化合物,则A和E在该化合物中均显+1价,D能显-1或-2价,所以A是H、D是O;B、C都能与D按原子个数比1∶1和1∶2形成化合物,且B、C、D的核电荷数依次增大,所以B是C,C是N;B与F同主族,所以F是Si。
(1)只含有A、B、D、E四种元素的无水盐有NaHCO3、CH3COONa等。
(2)B2A4分子是C2H4,其分子中存在5个σ键、1个π键。
(3)Si燃烧反应的热化学方程式为Si(s)+O2(g)SiO2(s) ΔH,ΔH=断裂化学键吸收的能量-形成化学键放出的能量=(2×176+497.3-4×460)kJ·mol-1=-990.7 kJ·mol-1。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)