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第2课时　键参数——键能、键长与键角
1.了解共价键键参数的含义，能用键能、键长、键角说明简单分子的
某些性质。
2.通过认识共价键的键参数对物质性质的影响，探析微观结构对宏观
性质的影响。
素养目标
CH4
CH3CH2OH
CH3COOH
C6H6
C8H8
CH3OH
我们如何用化学语言来描述不同分子的空间结构和稳定性？
一、键参数——键能、键长与键角
1.键能
键能是气态分子中断裂1 mol化学键解离成气态原子所吸收的能量。或气态基态原子形成1 mol化学键释放的最低能量。键能通常取正值，单位是kJ/mol。键能通常是298.15 K、101 kPa条件下的标准值。
键能可用于估算化学反应的热效应,如H—H键、F—F键、H—F键的键能分别为436 kJ·mol-1、157 kJ·mol-1、568 kJ·mol-1,则H2与F2反应是放热反应。
知识梳理
2.键长
键长是指形成共价键的两个原子之间的核间距。因此原子半径决定化学键的键长，原子半径越小，共价键的键长越短。
化学键的键长与键能是相关的。例如,C—C键、C=C键、C≡C键的键长分别为154 pm、133 pm、120 pm,键长越来越小,它们的键能分别为347.7 kJ·mol-1、615 kJ·mol-1和812 kJ·mol-1,越来越大。
共价键的键长越短，往往键能越大，表明共价键越稳定。
3.键角
键角是指在多原子分子中,两个相邻共价键之间的夹角。如CO2的结构式为 ,键角为180°,是一种直线形分子;H2O分子中的H—O—H键角是105°,是一种V形(或称角形)分子。多原子分子中的键角一定,表明共价键具有方向性。
键长和键角的数值可以通过晶体的X射线衍射实验获得。
二、键参数的应用
（1）判断共价键的稳定性
键能越大,断开化学键需要吸收的能量越多,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）判断化学反应中的能量变化
在化学反应中,断裂旧化学键吸收能量,形成新化学键释放能量,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。
1.键能的应用
例如：求1molN2完全反应合成NH3的反应热。已知：对反应N2+3H2=2NH3，查表知N≡N、H-H、N-H的键能分别为946kJ/mol、436.0kJ/mol、390.8kJ/mol。
则1molN2完全反应的反应热是：946kJ + 436.0kJ×3－390.8kJ×6＝－90.0kJ
答：1molN2完全反应合成NH3放出的热量是90.0kJ
化学反应的反应热 H＝反应物键能总和 － 生成物键能总和
2.键长的应用
（1）键长越小,一般键能越大,共价键越稳定,含该共价键的分子越稳定。
（2）键长的比较方法
①根据成键原子的原子半径比较。同类型的共价键,成键原子的原子半径越小,键长越小。
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。
共价半径
相同原子的共价键键长的一半称为共价半径。
根据下图所示回答相关问题。
思考与讨论
(1)根据上图判断H2与Cl2反应生成HCl是放热反应还是吸热反应 如何利用键能计算反应的反应热ΔH
提示:反应中断裂旧键吸收436.0 kJ+242.7 kJ=678.7 kJ热量,形成新键放出431.8 kJ·mol-1×2 mol=863.6 kJ热量,放热值大于吸热值,故该反应是放热反应。 ΔH=反应物总键能-生成物总键能
(2)根据元素周期律可知,HF、HCl、HBr、HI的稳定性依次增强,请利用键参数加以解释。
提示:键长H—FH—Cl>H—Br>H—I,故HF、HCl、HBr、HI的稳定性依次增强。
(3)一般来说,键长越短,键能越大。但F—F键键长(141 pm)比Cl—Cl键键长(198 pm)小,而F—F键键能(157 kJ·mol-1)却比Cl—Cl键键能(242.7 kJ·mol-1)小,为什么
提示:氟原子的半径小导致F—F键键长小,由于键长小,两个氟原子形成共价键时,原子核之间的距离较小,两原子核之间排斥力较大,导致F—F键键能不大,F2的稳定性较差,容易与其他物质发生反应。
②常见分子中的键角与分子空间结构。
3.键角的应用
①键长和键角决定分子的空间结构。
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，分子的许多性质都与键角有关。
键长和键角的数值可通过晶体的X射线衍射实验获得。
(1)参照教材表2-1中的键能数据。计算1 mol H2分别与1 mol Cl2、1 mol Br2(蒸气)反应生成2 mol HCl和2 mol HBr时,哪一个释放出的能量更多？如何用计算的结果说明氯化氢分子和溴化氢分子那个更容易发生热分解生成相应的单质？
思考与讨论
提示:通过计算1 mol H2与1 mol Cl2反应生成2 mol HCl时，放出184.9 kJ的热量；1 mol H2与1 mol Br2(蒸气)反应生成2 mol HBr时,放出102.3 kJ的热量。说明2 mol HBr分解需要吸收的能量比2 mol HCl低,故HBr更易分解。
(2)N2、O2、F2与H2的反应能力依次增强,从键能的角度应如何理解这一化学事实
提示:键长越小,键能越大,分子的化学性质越不活泼。
提示: N2、O2、F2与H2的反应能力依次增强,其原因是N≡N键、O=O键、F—F键的键能依次为946 kJ·mol-1、497.3 kJ·mol-1、157 kJ·mol-1,键能越来越小,共价键越来越容易断裂。
(3)通过上述例子，你认为键长、键能对分子的化学性质有什么影响？
三、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,两原子间共用电子对数越多,则一般共价键越牢固,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:共价键的键长越小,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,形成的共价键一般越稳定。
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大小决定。
1．共价键的牢固性与键能、核间距、共用电子对数的关系：
四、共价键牢固性与物质稳定性的关系
(1)共价键的牢固性与键能的关系共价键的键能越大，表示该共价键越牢固，即完全断开时消耗的能量越多。反之，键能越小，完全断开时消耗的能量越少，共价键越不牢固。
(2)共价键的牢固性与核间距、共用电子对数的关系一般来讲，形成共价键的两原子半径之和越小，共用电子对数越多，键长越短，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．共价键的牢固性与物质稳定性的关系：
(1)对于双原子分子，其分子内只含一个共价键时，共价键越牢固，该物质分子的化学性质越稳定。
(2)共价键的牢固程度与其化学活泼性不是完全相同的，如C≡C键或C===C键，依据键能数据是较牢固的共价键，但由于该类键中的π键部分是由原子轨道的侧面重叠所得，所以容易破坏而发生化学反应。
(3)F—F的键长短，键能小的解释F原子的半径很小，因此其键长短，而由于键长短，两F原子形成共价键时，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，很容易与其他物质反应。
学习小结
1．判断正误(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)只有非金属原子之间才能形成共价键 ( )
(2)两个原子之间形成共价键时，至少有一个σ键 ( )
(3)σ键和π键都只能存在于共价化合物中 ( )
(4)双原子分子中，键长越短，分子越牢固 ( )
×
×
√
√
当堂检测
2.可以反映共价键强弱的物理量是(　　)
A.键能 B.键能、键长
C.键能、键长、键角 D.键长、键角
3.从键长的角度判断,下列共价键中最稳定的是(　　)
A.H—F B.N—H
C.C—H D.S—H
B
A
4.N—H键键能的含义是(　　)
A.由N和H形成1 mol NH3所放出的能量
B.把1 mol NH3中的共价键全部拆开所吸收的热量
C.拆开约6.02×1023个N—H键所吸收的热量
D.形成1个N—H键所放出的热量
C
解析:键角是描述分子空间结构的重要参数,如CO2分子中的2个C=O键的键角为180°,故分子为直线形分子,A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;键长还和成键数目有关,成键数目越多,键长越小,B正确。键能越大,键长越小,共价键越强,共价化合物越稳定,故C错误。键角的大小取决于成键原子轨道的夹角,D正确。
C
5.关于键长、键能和键角,下列说法不正确的是(　　)
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和成键数目有关
C.键能越大,键长越大,共价化合物越稳定
D.键角的大小与键长、键能的大小无关
解析:键能越大,表示破坏该键需要的能量越多,并不是分子拥有的能量越高;键长越大,表示成键的两原子的核间距越大,分子越不稳定;化学键的形成是原子由高能量状态向稳定状态(低能量状态)转变的过程,所以是一个放热过程。
D
6.下列说法正确的是(　　)
A.分子中键能越大,表示分子拥有的能量越高,共价键越难断裂
B.分子中键长越大,表示成键原子轨道重叠越多,键越牢固
C.形成化学键的过程是一个吸收能量的过程
D.形成化学键的过程是一个放出能量的过程
7.已知H—H键的键能为436 kJ·mol-1,N—H键的键能为391 kJ·mol-1,根据热化学方程式:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1,计算N≡N键的键能是　　　 kJ·mol-1。
945.6
解析:化学反应的本质是反应物分子中旧键断裂(吸收能量),生成物分子中新键形成(放出能量),反应热等于反应物的键能之和减去生成物的键能之和。
设N≡N的键能为E(N≡N),则有:1 mol×E(N≡N)+3 mol×436 kJ·mol-1-2 mol×3×391 kJ·mol-1=-92.4 kJ·mol-1×1 mol
解得E(N≡N)=945.6 kJ·mol-1。
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