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第2章 微粒间相互作用与物质性质
第1节 共价键模型
鲁科版2019选修二物质结构与性质
共价键的形成与特征
共价键的类型
知识点一
知识点二
键参数
知识点三
温故知新
温故知新
共价键是原子间通过共用电子对所形成的化学键。
请用电子式表示H2、HCl、Cl2分子的形成过程？
H2：
HCl：
H + Cl →H Cl
×
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×
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H + H → H H
如何用原子轨道的概念理解共价键的形成？这些分子中共用电子对是怎样运动的？为什么H与Cl、O结合时原子个数比不相同？为什么N2很稳定？
Cl2：
Cl + Cl → Cl Cl
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思考：
1.共价键的形成
以氢分子的形成为例(用电子云表示形成过程)
1s1
1s1
E0为两个远离的氢原子的能量之和
一、共价键的形成与特征
H
H
核间距
E0
当两个核外电子自旋状态相同的氢原子靠近时
图1 氢分子形成过程中体系能量的变化
微粒之间吸引作用越强，排斥作用越弱，体系能量越低，原子之间的作用越牢固;反之体系能量越高，原子之间作用越不牢固;微粒之间作用力与微粒之间距离有关。实验和理论均表明，当两个氢原子的核间距为0.074 nm时体系能量最低。
形成氢分子的共价键(H－H)
注意：形成共价键的氢原子不能无限靠近，因为靠得过近时，原子核以及电子之间的排斥作用会导致体系能量上升，导致分子不稳定。
1s1
1s1
H
H
当两个核外电子自旋状态不同的氢原子靠近时
两个s轨道相互重叠
电子在核间出现概率增大
电子同时受到两个原子核的吸引，体系的能量逐渐下降
归纳小结：
1.共价键的形成
(1)共价键的定义：原子间通过共用电子形成的化学键称为共价键。
(2)共价键的形成：
形成共价键时,原子轨道在两个原子核间重叠,自旋状态相反的未成对电子形成共用电子对。电子出现在两个原子核之间的概率增大,共用电子对同时受到两个原子核的吸引,导致整个体系的能量降低,稳定性增强。
(3)共价键的本质：
共用电子对在两核间出现频率增大，对两个原子核之间的吸引作用增强，形成强烈的相互作用。
注：共价键包括原子核与共用电子对间的静电吸引和电子与电子、两原子核间的静电排斥,是多种电性作用的平衡状态。
(4)共价键的本质形成条件
不是。有些含离子键的化合物是由非金属元素形成的,如铵盐;少数金属与非金属原子间形成的化学键也可能是共价键,如AlCl3中的化学键是共价键。
[思考]非金属元素只能形成共价键吗 只有非金属原子之间才能形成共价键吗
通常电负性相同或差值小的非金属元素原子之间形成共价键
(5)共价键的表示方法
用一条短线表示一对共用电子所形成的共价键;用“=”表示原子间共用两对电子所形成的共价键;用“≡”表示原子间共用三对电子所形成的共价键。
Cl－Cl O=O N≡N
思考：为什么不可能有H3、Cl3分子的形成？为什么H与Cl、O结合时原子个数比不相同？为什么NH3分子中N原子只有1个，H原子有3个？
2.共价键的特征
(1)共价键的饱和性
每个原子所能形成共价键的总数或以共价键连接的原子数目是一定的。按照价键理论，一个原子有几个未成对电子，便可和几个自旋状态不同的电子配对成键，这就是共价键的饱和性。
饱和性决定了各种原子形成分子时相互结合的数量关系例如H原子、F原子都只有一个未成对电子,因而只能形成H2、HF、F2分子,不能形成H3、HF、F3分子。
↓↑
↓↑
↑
↓↑
↓↑
1s 2s 2p
用电子排布图表示HF分子中共用电子对的形成：
F
↓
1s
H
原子轨道(电子云)重叠
(2)共价键的方向性
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,这就是共价键的方向性。
分子的空间结构与共价键的方向性密切相关。
交流 · 研讨
交流 · 研讨
通过“人工固氮”将空气中的氮气转化为含氮化合物用于生产化肥或其他化工产品是人类突破的重要课题。解决这个课题的难点在于氮分子中的共价三键使构成氮分子的两个氮原子紧紧地结合在一起，由此氮气的性质非常稳定。请从轨道重叠的角度解释氮分子中的共价三键是如何形成的。
N
↓↑
↓↑
↑
↑
↑
1s 2s 2p
根据洪特规则，氮原子中处于2p轨道的三个电子实际上分别占据2px、2py、2pz三个原子轨道，是三个未成对电子。
当形成氮分子的两个氮原子相互接近时，一个氮原子2pz轨道与另一个氮原子的2pz轨道重叠形成一个共价键、同时它们的2px和2py轨道也会分别两两重叠形成两个共价键。这样形成的共价键称为共价三键;也就是说，氮分子中的氮原子之间是以共价三键结合的。
仔细分析氮分子中共价三键的三个共价键，可以发现它们并不是完全等同的。当两个氮原子的2pz轨道以“头碰头”的方式相互重叠时,相互平行的2px或2py轨道只能分别以“肩并肩”的方式重叠。
二、共价键的类型
1.σ键与π键(按原子轨道重叠方式分类)
(1)σ键
σ键
s－s σ键
s－p σ键
p－p σ键
成键时，原子轨道以“头碰头”方式重叠形成的共价键。
轴对称
HCl
H2
Cl2
(2)π键
镜面对称
π 键( p - p π 键 )
成键时，原子轨道以“肩并肩”方式重叠形成的共价键
思考与交流
Ⅰ.哪种成键方式电子云重叠程度大？
头碰头
Ⅱ.σ键和π键哪个更牢固？
σ键
Ⅲ.所有σ键都有方向性吗？
s-s σ键没有方向性
Ⅳ.如何判断共价键是 σ键，还是π 键？
一般规律：共价单键是σ键；共价双键中有一个σ键，另一个是π键；
共价三键由一个σ键和两个π键组成。
氮分子中σ键和π键形成示意图
2.极性键和非极性键(按共用电子对是否偏移分类)
(1)非极性键
构成分子的是同种元素的两个原子，它们吸引电子的能力相同，所以共用的电子不偏向其中任何一个原子，参与成键的原子都不显电性，这种共价键叫作非极性共价键，简称非极性键。
二、共价键的类型
(2)极性键
构成分子的两个原子是不同元素的原子时，由于两个原子吸引电子的能力不同，共用的电子必然偏向吸引电子能力大的原子一方，这个原子因附近电子出现的概率较大而带部分负电荷，而另一原子则带部分正电荷，这种共价键叫作极性共价键，简称极性键。
原子的电负性差值越大，形成的共价键极性越强,如H-F为强极性键，H-I为弱极性键。
判断H2O2分子中各种键的极性？
1.键长
两个成键原子的原子核间的距离（简称核间距）。
一般而言，化学键的键长愈短，化学键就愈强，键就愈牢固。
键长
Br2
228pm
可通过晶体的X射线衍射实验测定
(1)概念：
三、键参数
(2)键长与分子空间结构的关系:键长是影响分子空间结构的因素之一。如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,原因是C-H键和C-Cl键的键长不相等。
②根据原子半径进行判断。在其他条件相同时,成键原子的半径越小,键长越短。如键长:H-I>H-Br>H-Cl。
(3)判断键长的方法
①根据共用电子对数判断。相同的两原子形成共价键时,当两个原子形成双键或者三键时,由于原子轨道的重叠程度增大。单键键长>双键键长>三键键长。
2.键能
(1)概念： 在298 K、1×105 Pa条件下，断开1 mol AB(g)分子中的化学键，使其分别生成气态A原子和气态B原子所吸收的能量称为A—B键的键能，常用EA-B表示。键能通常取正值，单位为kJ/mol。
原子半径:F则键能:H—F>H—Cl>H—Br>H—I。
[思考]比较HF、HCl、HBr、HI分子中键能的大小。
键能愈大,断开时需要的能量就愈多,化学键就愈牢固。
某些共价键的键能（kJ·mol－1）
键 键能
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
Ⅱ.从计算结果看 HCl 和 HBr 哪个更容易分解呢？
ΔH = 反应物总键能 - 生成物总键能
ΔH (HCl) = [ ( 436 + 242.7 ) - 2×431.8 ] kJ/mol = - 184.9 kJ/mol
ΔH (HBr) = [ ( 436 + 193.7 ) - 2×366 ] kJ/mol = - 102.3 kJ/mol
Ⅰ.利用数据计算，1 mol H2 分别与1 mol Cl2、1mol 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？
HBr 分解需吸收能量少，更易分解。
思考与交流
思考与交流
键 键能
C－C 347
C=C 614
C≡C 839
N－N 193
N＝N 418
N≡N 945
某些共价键的键能（kJ·mol－1）
Ⅲ.碳碳单键、碳碳双键和碳碳三键之间键能关系？
碳碳单键＜碳碳双键＜碳碳三键
Ⅳ.为何碳碳双键的键能不是碳碳单键的二倍，碳碳
三键的键能不是碳碳单键的三倍？
碳碳单键：1个σ键
碳碳双键：1个σ键，1个π键
σ键与π 键强度不同
乙烯分子中σ 键强于π 键
键能越大，共价键越牢固
氮分子中π键强于σ键
键能：定量地表示化学键的强弱
①判断共价键的强弱。原子间形成共价键时,原子轨道重叠程度越大,体系能量降低越多,释放能量越多,形成共价键的键能越大,共价键越牢固。
②判断分子的稳定性。一般来说,结构相似的分子,共价键的键能越大,分子越稳定。如分子的稳定性:HF>HCl>HBr>HI。
③利用键能计算化学反应的热效应。△H=反应物的键能总和-生成物的键能总和
归纳总结：键能的应用
[注意]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。
3.键角
在多原子分子中，两个化学键的夹角称为键角。
三角锥形
角形
直线形
键角：描述分子空间结构的参数
可通过晶体的X射线衍射实验测定
键能
键长
键角
决定
决定
分子的稳定性
分子空间结构
决定
分子的性质
键的
强弱
决定
晶体X射线衍射实验
归纳
键参数对物质性质的影响
4、分子结构的推测—分子光谱
CO分子轨道能级图
能量
(1)概念：分子从一种能级改变到另一种能级时
吸收或发射的光谱。
(2)影响因素：键长、键角和电荷分布等。
(3)应用：测定和鉴别分子结构。
防晒霜中所含的有效成分的分子中含有π键，这些分子中的π电子可在吸收紫外线后被激发，从而阻挡部分紫外线对皮肤的伤害。
防晒霜为何能防晒呢？
化学与技术
分子光谱
分子光谱和分子内部的运动密切相关，涉及分子运动
方式主要为：①分子的转动，吸收或发射的光处在远红外
区或微波区，称为远红外光谱或微波谱；②分子中原子间
的振动，通常振动光谱在近红外区和中红外区，一般称为
红外光谱；③分子中电子在不同能级的分子轨道间跃迁，
得到紫外一可见光谱。例如，C-C键、C=C键、C≡C键的键长依次缩短、键能依次加强，化学键的伸缩振动频率升高，在红外光谱中对应吸收峰值的频率依次增加。
因此，基于红外光谱中吸收峰值的频率可以推测分子中存在的官能团，进而为推测分子结构提供证据。
课堂练习
1、已知苯乙烯能使酸性高锰酸钾溶液褪色，得到苯甲酸,如图所示。
下列有关说法不正确的是（ ）
A.苯乙烯分子中含有16个σ键
B.苯甲酸分子中含有4个π键
C.CO 分子中σ键和π键数目相同
D.苯乙烯和苯甲酸均既含极性键又含非极性键
B
2.下列说法正确的是 ( )
A.氯化氢的分子式是HCI而不是H2Cl,是由共价键的方向性决定的
B.两个原子之间形成共价键的可以形成多个σ键
C.电子云在两个原子核间重叠后,电子在两核间出现的概率增大
D.分子中共价键的键长越长,键能越大,则分子越稳定
3.下列关于σ键和π键的理解不正确的是( )
A.含有π键的化合物与只含σ键的化合物的化学性质不同
B.σ键能单独形成,而π键不能单独形成
C.气体单质中可能既不存在σ键,也不存在π键
D.冰融化时破坏σ键
C
D
4、已知各共价键的键能如表所示,下列说法正确的是( )
A.键长越短,键能一定越大
B.表中最稳定的共价键是F一F键
C.431.8 kJ.mol-1>E(H-Br)>298.7kJ.mol-1
D.上述键能数据可以说明热稳定性的强弱顺序为HF 共价键 Cl-Cl F-F H-F H-Cl H-I
键能(E)/ (kJ·mol-1) 242.7 157 568 431.8 298.7
C
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