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第二章 分子结构与性质
第一节 共价键
2.1.2 键参数----键能、键长、键角
教材文本阅读问题提纲P37-38：
1.键能、键长、键角？
2.键长、键角的数值如何测定?
3.键长与键能的关系？
4.键长、键能对分子的化学性质有什么影响？
学习目标
1、通过认识共价键的键能、键长和键角,从微观角度模型化解释分子的空间结构。
2、结合共价键的键长、键能和键角等数据,理解分子的性质与键参数的关系,培养证据推理与模型认知的核心素养。
3、掌握用共价键的强弱解释物质稳定性的方法。
思考：（1）共价键的强弱用什么来衡量？
（2）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？
{BDBED569-4797-4DF1-A0F4-6AAB3CD982D8}卤化氢
分解的百分数/%
HCl
0.0014
HBr
0.5
HI
33
分析下表：在1000℃时，卤化氢分解率，你能得出什么结论？
共价键的三个键参数——“键能、键长、键角”
结论：①卤化氢的热稳定性大小为：
HCl＞HBr ＞ HI
②H-Cl、H-Br、H-I中的 σ键越来越牢固。
NH3
三角锥形
CH4
正四面体形
一、键能
平均值
1、概念：气态分子中1mol化学键解离成气态原子所吸收的能量。
2、单位:是kJ/mol。
键能通常取正值
3、条件：键能可以通过实验测定，键能通常是298.15 K、101 kPa条件下的标准值。
4、意义——衡量共价键的强弱
键能越大，键越牢固
键
键能
键
键能
F－F
157
N－O
176
Cl－Cl
242.7
N＝O
607
Br－Br
193.7
O－O
142
I－I
152.7
O＝O
497.3
C－C
347.7
C－H
413.4
C=C
615
N－H
390.8
C≡C
812
O－H
462.8
C－O
351
H－F
568
C＝O
745
H－Cl
431.8
N－N
193
H－Br
366
N＝N
418
H－I
298.7
N≡N
946
H－H
436.0
某些共价键的键能（kJ·mol－1）
碳碳单键 ＜碳碳双键＜ 碳碳三键
（且不存在倍数关系）
σ键键能 ＞ π键键能
氮氮单键 ＜氮氮 双键 ＜ 氮氮三键
σ键键能 ＜ π键键能(反常)
卤素单质键能：Cl2 ＞Br2 ＞I2
F2键能反常低
键能——思考与讨论
1. 1mol H2分别与1mol Cl2、1mol Br2(蒸气)反应，分别形成2mol HCl 和2mol HBr，哪一个反应释放的能量更多？如何用计算的结果说明氯化氢分子和溴化氢分子哪个更容易发生热分解生成相应的单质？
H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)　ΔH＝436.0 kJ·mol－1＋
242.7 kJ·mol－1－2×431.8 kJ·mol－1＝－184.9 kJ·mol－1
H2(g)＋Br2(g)===2HBr(g)　ΔH＝436.0 kJ·mol－1＋
193.7 kJ·mol－1－2×366 kJ·mol－1＝－102.3 kJ·mol－1
由计算结果可知：生成2 mol HCl比生成2 mol HBr释放的能量多。
HBr分子中H—Br的键能比HCl分子中H—Cl的键能小，说明H—Br比H—Cl容易断裂，所以HBr分子更容易发生热分解生成相应的单质。
一般来说，结构相似的分子中，共价键的键能越大，分子越稳定。如分子的稳定性：HF＞HCl＞HBr＞HI。
5、键能的应用
①判断共价键的稳定性（“键能越大，共价键越稳定”）
②判断分子的稳定性（“一般键能越大，分子越稳定”）
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。
ΔH=反应物的总键能 - 生成物的总键能
2. N2、O2、F2与H2的反应能力依次增强，从键能的角度如何理解这一化学事实。
键能——思考与讨论
N—H、O—H与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。
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。
课堂练习：正误判断
(1)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( )
(2)N—H的键能是很多分子中的N—H的键能的平均值( )
(3)O—H的键能是指在298.15 K、100 kPa下，1 mol气态分子中1 mol O—H解离成气态原子所吸收的能量( )
(4)C=C的键能等于C—C的键能的2倍( )
(5)σ键一定比π键牢固( )
√
√
√
×
×
课堂练习：共价键①N≡N　②H—F　③H—O　④N—H　⑤P—H中,键能由大到小的顺序正确的是(　 　)
A.①②③④⑤　　　　
B.⑤④③②①
C.①⑤④③②
D.②③④⑤①
A
课堂练习：（2021·河北卷节选） ????????????????????????? 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 ????????????????????????? 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 ?????????????????????????? 如表：
?
????—????
????≡????
????—????
????≡????
193
946
197
489
193
946
197
489
从能量角度看，氮以 ???????? 、而白磷以 ???????? （结构式可表示为 ）形式存在的原因是：______________
?
1molN≡N 键能大于3molN-N键能之和，而1molP≡P键能小于3molP-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
二、键长
1、概念：
构成化学键的两个原子的核间距。
不过，分子中的原子始终处于不断振动之中，键长只是振动着的原子处于平衡位置时的核间距。
原子半径决定共价键的键长。
原子半径越小，共价键的键长越短。
2、键长大小：
键长
单位：pm（1 pm＝10-12 m）
“键长是衡量共价键强弱的另一重要参数”
从以下数据中可以得到什么结论：
③ 相同的成键原子：单键键长 > 双键键长 >叁键键长
① 通常，键能越大，键长越短，共价键越稳定。
② 同种类型的键，成键原子半径越小，键长越短，键能越大，键越牢固。
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}
H-F
H-Cl
H-Br
H-I
键长（pm）
92
128
141
161
键能（kJ/mol）
567
431
366
298
3、键长与键能的关系
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}C-C
C=C
C≡ C
Cl-Cl
F-F
154
134
120
198
141
347
598
820
242.7
157
④特例：
如F-F键（比Cl-Cl键小）
原因：由于原子半径小，键长短，但由于键长短，两原子形成共价键时，
原子核之间的距离小，排斥力大，键能小
“键长是衡量共价键强弱的另一重要参数”
根据下表中的HCl、HBr和HI的键长、热分解温度，考察它们之间的相关性。
键
键长/pm
键能/(kJ·mol－1)
HX的热分解温度/℃
H—Cl
127.4
431.8
1 000
H—Br
141.4
366
600
H—I
160.9
298.7
300
一般来说，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。
3、键长与键能、分子化学性质的关系：
①根据原子半径判断
其他条件相同时，
成键原子的半径越小，键长越短。
如键长：Br-Br > Cl-Cl > F-F> H-H
②根据共用电子对数目判断
对于相同的两原子形成的共价键而言，当两个原子间形成双键、键时，由于原子轨道的重叠程度增大，原子之间的核间距减小，键长变短，
故单键键长>双键键长>三键键长。
如键长：C－C > C=C > C≡C。
通过下图分析，思考如何比较共价键的键长？
1.乙烯、乙炔为什么比乙烷活泼？
键长——思考与讨论
虽然键长C≡C＜C=C＜C－C，但是键能C≡C＞C=C＞C－C
乙烯、乙炔在发生加成反应时，只有π键断裂(π键的键能一般小于σ键的键能)，即共价键部分断裂。
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？
键长——思考与讨论
氟原子的半径很小，因而F—F的键长比Cl—Cl的键长短；但也由于F—F的键长短，两个氟原子之间的距离很小，排斥力较大，因此键能比Cl—Cl的键能小。
2.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？
C—H和C—Cl的键长不相等。
{BDBED569-4797-4DF1-A0F4-6AAB3CD982D8}键
键长（pm）
键能（kJ·mol-1）
F-F
141
157.0
Cl-Cl
198
242.7
可分析键长来判断分子的空间结构
同为三原子分子，为什么CO2的空间结构是直线形，而H2O的空间结构是V形（角形）？
NH3

H2O

CO2

常见分子的空间结构
三角锥形
V形（角形）
直线形
【思考交流】
1、概念：
三、键角
在多原子分子中，两个相邻共价键之间的夹角
键长、键角的数值可通过晶体的X射线衍射实验获得
多原子分子中的键角一定，表明共价键具有方向性。
键角是描述分子空间构型的重要参数，分子的许多性质都与键角有关。
分子的空间结构
键角
实例
正四面体形
CH4、CCl4
平面形
苯、乙烯、BF3等
三角锥形
NH3
V形(角形)
H2O
直线形
CO2、CS2、CH≡CH
试根据空间结构填写下列分子的键角。
180°
105°
107°
120°
109°28′
实验测得H2S为共价化合物，H—S—H的夹角为92.3°，键长相同，则H2S的空间结构是什么？
　H2S分子是V形结构。
思考：如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？
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′。
课堂练习：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.键长和键角的数值可以通过晶体的X射线衍射实验获得
B.因为H—O键的键能小于H—F键的键能，所以O2、F2与H2的反应能力逐渐减弱
C.水分子的结构可表示为H—O—H，分子中的键角为180°
D.H—O键的键能为463kJ/mol，即18g H2O分解成H2和 O2时，消耗的能量为2×463kJ
A
课堂小结
键能
键长
共价键的稳定性
一般地，形成的共价键的键能越大，键长越短，共价键越稳定，含有该键的分子越稳定，化学性质越稳定。
键角
分子的空间结构
决定分子的性质
键参数
决定
决定
课堂练习：氰气的化学式为(CN)2，结构式为NCCN，性质与Cl2相似，下列叙述正确的是( 　 　)
A．在一定条件下可发生加成反应
B．分子中NC键的键长大于C—C键的键长
C．分子只含有2个σ键和4个π键
D．不和NaOH溶液反应
A
提升：常见判断共价键强弱的四种方法
(4)电负性判断:
注意：共价键的强弱决定分子的化学性质而非物理性质。
(1)原子半径和共用电子对数判断:
(2)键能判断:
(3)键长判断:
共价键的键能越大，共价键越牢固。
通常情况下共价键的键长越小，共价键越牢固。
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。
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。
课堂练习：有关碳和硅的共价键键能如下表所示:



简要分析和解释下列有关事实。
(1)比较通常条件下，CH4和SiH4的稳定性强弱:　　　。?
(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：?

(3)SiH4的稳定性小于CH4，硅更易生成氧化物,原因是　　　。?
共价键
C—C
C—H
C—O
Si—Si
Si—H
Si—O
348
413
351
226
318
452
CH4比SiH4稳定
C—C键和C—H键键能较大,所形成的烷烃较稳定,而硅烷中Si—Si键和Si—H键的键能较小,易断裂,导致长链硅烷难以生成
C—H键的键能大于C—O键,C—H键比C—O键稳定，而Si—H的键能却远小于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
解析:(1)因为C—H键的键能大于Si—H键的键能,所以CH4比SiH4稳定。
(2)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键的键能较小,易断裂,导致长链硅烷难以生成。
(3)C—H键的键能大于C—O键,C—H键比C—O键稳定,而Si—H的键能却远小于Si—O键的,所以Si倾向于形成稳定性更强的Si—O键。
规律总结
(1)键长越小,键能越大,共价键越稳定,共价分子的性质也就越稳定。
(2)键长和键角决定分子的空间结构。

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