【2012优化方案 精品课件】苏教版 化学 选修3专题3第3单元　共价键　原子晶体（共75张PPT）

(共75张PPT)
第三单元　共价键　原子晶体
学习目标
1.知道共价键的主要类型σ键和π键。
2.能用键能、键长、键角等键参数说明简单分子的某些性质。
3.能举例说明“等电子原理”的含义和应用。
4.了解原子晶体的特征。
5.以典型的物质为例描述原子晶体的结构与性质的关系。
6.掌握金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构。
课时1　共价键的形成与类型
课堂互动讲练
探究整合应用
知能优化训练
课时1
课前自主学案
课前自主学案
自主学习
一、共价键的形成
1．概念
吸引电子能力相近的原子间通过___________形成。2．成键本质
当成键原子相互接近时，原子轨道发生______，自旋方向_____的未成对电子形成___________，两原子核之间的电子云密度_____，体系的能量_____。
共用电子对
重叠
相反
共用电子对
增加
降低
3．共价键的特点
(1)共价键有_______。
成键过程中，每种原子有几个_______电子，就能和几个自旋方向_____的电子成键。故在共价分子中，每个原子成键的数目是_____的。
(2)共价键有_______。
成键时，两个参与成键的_________总是尽可能沿着电子出现机会_____的方向重叠，且_________重叠越多，电子在两核间出现的机会_____，体系的能量_____就越多，形成的共价键就越_____。(但s轨道与s轨道形成的共价键_________)
饱和性
未成对
相反
一定
方向性
原子轨道
最大
原子轨道
越多
下降
牢固
无方向性
【提示】　氢原子和氯原子的电子式为 ，两原子都只有一个未成对电子，从分子的形成过程来看，只有未成对电子才能形成共用电子对，因此氢分子、氯分子和氯化氢分子中只能由两个原子各提供1个未成对电子形成共用电子对，也决定了其分子中的原子个数。
思考感悟
1．为什么2个氢原子、2个氯原子结合成氢分子、氯分子，1个氢原子只能和1个氯原子结合成氯化氢分子，而不是以3个、4个或其他个数比相结合？
二、共价键的类型
1．σ键和π键
(1)σ键
原子轨道沿核间连线以“_______”的方式重叠形成的共价键。(如图所示)
以上三种重叠的方式
是轴向重叠，重叠后
的分子轨道图象具有
轴对称性。
头碰头
(2)π键
原子轨道在核间以“_______”的方式形成的共价键。(如图所示)氮分子中含有一个__键和两个__键,氮分子的结构式为N≡N。
两个p轨道肩并肩重叠得到的图象是通过成键核的平面呈镜像对称的。
肩并肩
σ
π
(3)有机物中，碳原子间形成的____比____牢固，故反应中____易断裂。
2．非极性键、极性键和配位键
(1)非极性键
两个成键原子_____电子的能力_____，__________不发生偏移。
(2)极性键
两个成键原子_____电子的能力_____，__________发生偏移。
σ键
π键
π键
吸引
相同
共用电子对
吸引
不同
共用电子对
在极性键中，成键原子_____电子的能力差别_____,
___________发生偏移的程度_____，共价键的极性_____。
(3)配位键
由一个原子提供_______，与另一个提供_________的原子形成的共价键。
思考感悟
2．配位键与共价键的区别是什么？
【提示】　键长、键能、键角均相同，只是共用电子对的来源不同。
吸引
越大
共用电子对
越大
越强
空轨道
孤电子对
自主体验
解析：选D。两原子形成共价键时原子轨道发生重叠，即电子在两核之间出现的机会更多；两原子原子轨道重叠越多，键越牢固，体系的能量也越低；原子的大小与能否形成共价键无必然联系。
解析：选D。由共价键的饱和性可知：C、Si都形成4个共价键；H形成1个共价键，N形成3个共价键，O、S、Se都形成2个共价键。
3．下列分子中，既含有σ键又含有π键的是(　　)
A．CH4　　　　　 B．HCl
C．CH2===CH2 D．F2
解析：选C。乙烯分子中碳原子之间有一个σ键，一个π键。
课堂互动讲练
共价键的特征和本质
1．共价键的特征
(1)饱和性
因为每个原子所能提供的未成对电子的数目是一定的，因此在共价键的形成过程中，一个原子中的一个未成对电子与另一个原子中的一个未成对电子配对成键后，一般来说就不能再与其他原子的未成对电子配对成键了，即每个原子所能形成共价键的总数或以单键连接的原子数目是一定的，所以共价键具有饱和性。
(2)方向性
除s轨道是球形对称的外，其他的原子轨道在空间都具有一定的分布特点。在形成共价键时，原子轨道重叠得愈多，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。
2．共价键的本质
(1)共价键形成过程的分析(以H2为例)
①两个氢原子核外电子的自旋方向相反，当它们接近到一定距离时，两个1s轨道重叠，电子在两原子核间出现的概率较大。随着核间距减小，电子在核间出现的概率增大，体系能量逐渐下降，达到能量最低状态；进一步减小时，原子间的
斥力使体系能量迅速上升，排斥作用
将氢原子推回到平衡位置(如图中a曲
线)。
②两个氢原子核外电子的自旋方向相同，相互接近时，排斥总是占主导地位，这样的两个氢原子不能形成氢气分子(如图中b曲线)。
(2)共价键形成的本质
当成键原子相互接近时，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，两原子核间的电子密度增加，体系的能量降低。
例1
【解析】　非金属元素的原子形成的共价键数目取决于该原子最外层的不成对电子数，一般最外层有几个不成对电子就能形成几个共价键，A项不正确；一个原子的未成对电子一旦与另一个自旋相反的未成对电子成键后，就不能再与第三个电子配对成键，因此，一个原子有几个不成对电子，就会与几个自旋相反的未成对电子成键，这
就是共价键的饱和性，故一个氧原子只能与两个氢原子结合生成水，B项正确；非金属元素原子之间形成的化合物也可能是离子化合物，如NH4Cl等铵盐，C项正确；不管是阴离子还是阳离子，核内质子数与核外电子数必定存在差别，此差值就是离子所带的电荷数，D项正确。
【答案】　A
变式训练1　(2011年湖北黄冈高二质检)下列说法正确的是(　　)
A．若把H2S分子写成H3S分子，违背了共价键的饱和性
B．H3O＋离子的存在，说明共价键不应有饱和性
C．所有共价键都有方向性
D．两个原子之间形成共价键时，可形成多个σ键
解析：选A。H2分子中的s轨道成键时，因s轨道为球形，故H2分子中的H—H共价键无方向性。
共价键的类型
1．按原子轨道重叠方式分为σ键、π键等。
(1)σ键是两原子轨道“头碰头”重叠形成；π键是两原子轨道“肩并肩”重叠形成。
(2)如果原子间只有1个共用电子对，形成的共价单键常为σ键；如果原子间的共价键是双键，则有一个σ键和1个π键；如果是叁键，则有一个σ键和2个π键。
(3)σ键相对稳定，π键易断裂。
2.按共用电子对是否发生偏移分为非极性共价键、极性共价键。
(1)非极性键
同种元素的原子间形成的共价键，共用电子对不偏向任何一方，成键原子不显电性。如H2中H—H键,
Cl2中Cl—Cl键等。
(2)极性键
由不同种元素的原子间形成的共价键。共用电子对偏向吸引电子能力强的一方，因而该方原子显负电性，化合价为负值，另一方显正电性，化合价为正值，如H—Cl中，Cl显－1价，H显＋1价。
特别提醒：成键的两原子吸引电子对的能力(即非金属性)差别越大，电子对偏移的程度越大，键的
极性越强。例如由处于短周期的四种元素
形成的共价健，键的极性最强的是：X—Y，键的极性最弱的是：W—Z。
W X
Y Z
3．按提供电子对的方式分为：一般共价键、配位键。
(1)配位键
①孤电子对
分子(或离子)中，没有跟其他原子共用的电子对就是孤电子对。如NH3、H2O、HF分子中分别有
1对、2对、3对孤电子对： 。
铵根和水合氢离子中的配位键： 、
H2SO4分子中的配位键： 。
(2)一般共价键：共用电子对由成键双方共同提供。
例2
分析下列化学式中画有横线的元素，选出符合要求的物质填空。
A．NH3　B．H2O　C．HCl　D．CH4　E．C2H6　F．N2
(1)所有的价电子都参与形成共价键的是_______。
(2)只有一个价电子参与形成共价键的是_______。
(3)最外层有未参与成键的电子对的是_______。
(4)既有σ键又有π键的是________。
【解析】　NH3中N原子分别与3个H原子形成3个σ键，还有一对不成键电子；H2O中O原子与2个H原子形成2个σ键，还有两对不成键电子；HCl中Cl原子与1个H原子形成1个σ键，还有3对不成键电子；CH4中C原子与4个H原子形成4个σ键，所有价电子都参与成键；C2H6中C原子分别与3个H原子及另1个C原子形成4个σ键，所有电子都参与成键；N2中N原子与另1个N原子形成1个σ键，2个π键，还有一对不成键电子。
【答案】　(1)DE　(2)C　(3)ABCF　(4)EF
变式训练2　下列有关σ键和π键的说法错误的是(　　)
A．含有π键的分子在反应时，π键是化学反应的积极参与者
B．当原子形成分子时，首先形成σ键，可能形成π键
C．有些原子在与其他原子形成分子时只能形成σ键，不能形成π键
D．在分子中，化学键可能只有π键而没有σ键
解析：选D。本题主要考查σ键和π键的形成。由于π键的键能小于σ键的键能，所以反应时易断裂，故A项说法正确。在原子形成分子时为了使其能量最低，必然首先形成σ键，再根据形成原子的核外电子排布来判断是否形成π键，所以B项说法正确。C项中如H，只能形成σ键，不能形成π键，故C项说法正确。D项说法错误，当原子形成分子时，首先形成σ键，故分子中不可能只有π键而没有σ键。
探究整合应用
如何解答有关等电子体问题
凡原子数与价电子总数均相等的物质，其结构相同，物理性质相近，称为等电子原理，相应的物质互称为等电子体。
几种常见的等电子体：
例
原子数相等、电子总数相等的分子互称为等电子体，等电子体的结构相似、物理性质相近。
(1)根据上述原理，仅由第2周期元素组成的共价分子中，互为等电子体的是__________和_________；________和__________。
(2)等电子原理又有所发展，例如，由短周期元素组成的粒子，只要其原子数相等，各原子最外层电子数之和相等，也可互称为等电子体，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______、________。
【答案】　(1)N2　CO　CO2　N2O　(2)SO2　O3
知能优化训练
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课时2　共价键的键能与化学反应的反应热　原子晶体
课堂互动讲练
探究整合应用
知能优化训练
课时2
课前自主学案
课前自主学案
自主学习
一、共价键的键能与化学反应的反应热
1．键参数
(1)键能
在_______________条件下，___________AB分子生成_____A原子和B原子的过程中所_____的能量。
单位：_________。
101 kPa、298 K
1 mol 气态
气态
吸收
kJ·mol－1
(2)键长：两原子间形成共价键时，两原子核间的_________。
(3)键角：在分子中键与键之间的_____叫键角。
思考感悟
1．共价键的牢固性与共价键的键长、键能有何关系？
【提示】　共价键的键长越短，键能越大，键越牢固。
平均间距
夹角
2．键能与反应热的关系
(1)化学反应的实质是反应物分子内旧化学键的___
___和产物分子中新化学键的_____。
(2)化学反应中发生旧化学键的_____和新化学键的_____，若化学反应中旧化学键_____所_____的能量_____新化学键形成所_____的能量，该反应为吸热反应。反之，该反应为放热反应。
(3)反应物和生成物中化学键的_____直接决定着化学反应过程中的_________。
断
裂
形成
断裂
形成
断裂
吸收
大于
放出
强弱
能量变化
(4)键与化学反应中的焓变关系：ΔH＝E(反应物)－E(生成物)＝反应物键能总和－生成物键能总和。ΔH＞0，为_____反应，ΔH＜0为_____反应。
二、原子晶体
1．定义
晶体中所有_____都是通过_______结合的晶体。如:晶体硅、金刚砂、二氧化硅和氮化硼等都属于原子晶体。
吸热
放热
原子
共价键
2．物理性质
原子晶体一般有_____的熔点和_____的硬度。
思考感悟
2．原子晶体中有没有分子？晶体中除共价键外还有没其他化学键？
【提示】　原子晶体中没有分子。没有其他化学键。
很高
很大
自主体验
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键的键能要小于π键的键能
解析：选A。在双原子分子中没有键角，C项错误;当其键能越大，键长越短时，分子越稳定，故A项正确；B项错误；σ键的重叠程度大于π键的，故σ键的键能要大于π键的，D项错误，故选A项。
2．碳化硅SiC的一种晶体具有类似金刚石的结构，其中C原子和Si原子的位置是交替的。在下列三种晶体①金刚石
②晶体硅　③碳化硅中，它们的熔点从高到低的顺序是(　　)
A．①③②　　 B．②③①
C．③①② D．②①③
解析：选A。三种原子晶体空间结构相似，熔点决定于它们的键长与键能，由于原子半径C＜Si，所以键长C—C＜C—Si＜Si—Si，从而导致熔点高低顺序为①＞③＞②，A项正确。
3．金刚石晶体(如图所示)的网状结构中含有共价键形成的碳原子环，其中最小的碳环中的碳原子数是________，每个最小碳环绝对占有的碳原子数是______，1 mol 金刚石约含有________个最小碳环，C—C键之间的夹角是________。
解析：金刚石晶体中每个C原子处于其他4个C原子构成的正四面体的中心，四面体向周围无限延伸形成空间立体网状结构，最小的环是立体六元环，每个C原子周围有4个共价键，每2个键可以形成1个夹角，总共可以形成6个夹角，每个夹角形成2个六元环，所以每个C原子可以被12个六元
答案：6　1/2　1.204×1024　109.5°
课堂互动讲练
共价键的键能与化学反应热的关系
1．化学反应的实质：化学反应的实质就是反应物分子中旧化学键的断裂和生成物中新化学键的形成。
2．化学反应过程有能量变化：反应物和生成物中化学键的强弱决定着化学反应过程中的能量变化。
3．放热反应和吸热反应：
(1)放热反应：旧键断裂消耗的总能量小于新键形成放出的总能量。
(2)吸热反应：旧键断裂消耗的总能量大于新键形成放出的总能量。
4．反应热(ΔH)与键能的关系：
ΔH＝反应物的键能总和－生成物的键能总和。
注：ΔH<0时，为放热反应；ΔH>0时，为吸热反应。
例如：1 mol H2和1 mol Cl2反应生成2 mol HCl的反应热(ΔH)的计算。已知H—H键的键能EH—H＝436 kJ·mol－1，ECl—Cl＝243 kJ·mol－1，EH—Cl＝431 kJ·mol－1，则ΔH＝EH—H＋ECl—Cl－2EH－Cl＝436 kJ·mol－1＋243 kJ·mol－1－2×431 kJ·mol－1＝－183 kJ·mol－1<0，该反应为放热反应。
例1
(2011年天津一中高二检测)化学键的键能是原子间形成1 mol化学键(或其逆过程)时释放(或吸收)的能量。以下是部分共价键键能的数据：H—S：364 kJ/mol；S—S：266 kJ/mol；S===O：522 kJ/mol；H—O：464 kJ/mol。
(1)试根据以上数据计算下面这个反应的反应热：
2H2S(g)＋SO2(g)===3S(g)＋2H2O(g)
ΔH＝－Q kJ/mol
反应产物中S实为S8，实际分子是一个8元环状分子(如图)，则Q＝________。
(2)标准状况下，将a L H2S与b L SO2 混合进行上述反应，当a＞2b时，反应放热________；当a＜2b时,反应放热________。
变式训练1　某些共价键的键能数据如下(单位：kJ·mol－1)
共价键 H—H Cl—Cl Br—Br H—Cl H—I
键能 436 247 193 431 299
共价键 I—I N≡N H—O H—N
键能 151 946 463 391
(1)把1 mol Cl2分解为气态原子时，需要________
(填“吸收”或“放出”)________kJ能量。
(2)由表中所列化学键所形成的分子中，最稳定的是________，最不稳定的是________(写出物质的化学式)。
(3)试通过键能数据估算下列反应的反应热：H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)　ΔH＝___________________
_________________________________________。
解析：(1)考查的是键能的定义；(2)比较这些共价键键能的数值可知，N≡N键的键能最大，I—I键的键能最小，所以N2分子最稳定，I2分子最不稳定；(3)在反应H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)中，有1 mol H—H键和1 mol Cl—Cl键断裂，共吸收能量436 kJ＋247 kJ＝683 kJ，形成2 mol H—Cl键共放出能量431 kJ×2＝862 kJ。放出的能量大于吸收的能量，所以该反应为放热反应，ΔH＝683 kJ·mol－1－862 kJ·mol－1＝－179 kJ·mol－1。
答案：(1)吸收　247　(2)N2　I2
(3)－179 kJ·mol－1
原子晶体的物理特性
1．在原子晶体中，由于原子间以较强的共价键相结合，而且形成空间立体网状结构，所以原子晶体一般具有下列一些共同的物理性质：①熔点和沸点很高。原子晶体熔化时需要破坏共价键，而共价键的作用力较强，且原子晶体是空间网状结构，熔化时需要消耗较多的能量，所以原子晶体的熔、沸点很高。②硬度很大(金刚石是天然存在的最硬的物质)。③一般不导电。④难溶于一些常见的溶剂。
2．常见原子晶体的熔点和硬度：
原子晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 氧化铝 石英 硅 锗
熔点/ ℃ 3550 3000 2600 2030 1710 1415 1211
摩氏硬度 10 9.5 9 9 7 7 6.0
3.原子晶体熔、沸点的变化规律
原子晶体的熔、沸点高低与其内部结构密切相关，对结构相似的原子晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔、沸点越高。
例2
据报道：用激光可将置于铁室中的石墨靶上的碳原子“炸松”，再用一个射频电火花喷射出氮气，可使碳、氮原子结合成碳氮化合物的薄膜，该碳氮化合物的硬度比金刚石更坚硬，则下列分析正确的是(　　)
A．该碳氮化合物呈片层状结构
B．该碳氮化合物呈立体网状结构
C．该碳氮化合物中C—N键键长比金刚石中C—C键键长长
D．相邻主族非金属元素形成的化合物的硬度比单质小
【思路点拨】　据碳氮化合物的物理性质推知应为原子晶体，再结合原子晶体的结构及影响原子晶体的物理性质的因素进行分析、讨论。
【解析】　由题意可知，碳氮化合物的硬度比金刚石的还大，说明该碳氮化合物属于原子晶体，因此应是立体网状结构，而不是片层结构，故A项错误，B项正确。与金刚石相比，碳原子半径大于氮原子的半径，所以C—N键的键长小于C—C键的键长，故C项错误。相邻主族非金属元素形成的化合物若为原子晶体(如本题中的碳氮化合物)，则可能比单质的硬度大。
【答案】　B
变式训练2　有下列几种晶体：A.水晶，B.冰醋酸,
C.白磷，D.金刚石，E.晶体氩，F.干冰。
(1)属于分子晶体的是______(填字母，下同)，直接由原子构成的分子晶体是______。
(2)属于原子晶体的化合物是______。
(3)直接由原子构成的晶体是______。
(4)受热熔化时，化学键不发生变化的是______，需克服共价键的是______。
解析：根据构成晶体的微粒不同，分子晶体仅由分子组成，原子晶体中无分子。分子晶体由分子组成,有B、C、E、F，注意晶体氩是单原子分子；原子晶体和单原子分子晶体都由原子直接构成，原子晶体有A、D，但化合物只有A；分子晶体熔化时，一般不破坏化学键；原子晶体熔化时，破坏化学键。
答案：(1)BCEF　E　(2)A　(3)ADE　(4)BCF　AD
探究整合应用
共价键强弱的判断方法
1．比较共价键的强弱，一般要看原子的半径和共用电子对的数量。两原子半径之和越小，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。如HF、HCl、HBr、HI中，分子的共用电子对数相同(1对)，因F、Cl、Br、I的原子半径依次增大，故共价键牢固程度：H—F＞H—Cl＞H—Br＞H—I，因此，稳定性：HF＞HCl＞HBr＞HI。
2．由键能判断：共价键的键能越大，共价键越牢固。
3．由键长判断：共价键的键长越短，共价键越牢固，破坏共价键需消耗的能量越多。
例
从实验测得不同物质中氧氧之间的键长和键能的数据如下表：
其中x、y的键能数据尚未测定，但可根据规律推导键能的大小顺序为w＞z＞y＞x，该规律是(　　)
A．成键时电子数越多，键能越大
B．键长越长，键能越小
C．成键所用的电子数越小，键能越大
D．成键时电子对越偏移，键能越大
【答案】　B
知能优化训练
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