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共价键
第2课时
教学目标
1. 理解键能、键长和键角等键参数的含义。
2. 能应用键参数——键能、键长、键角说明简单分子的结构和性质。
教学重难点
用键参数解释物质的某些性质。
教学过程
一、新课导入
之前的学习我们讨论分析了乙烷、乙烯和乙炔的分子中两个碳原子之间的成键情况。它们分别有几个σ键和几个π键？
发生化学反应的过程中，旧的化学键被破坏。从这一角度，讨论为什么乙烯和乙炔的化学反应活性更高，比如它们能与Br2加成，而乙烷不能？
乙烯、乙炔在与Br2加成时，只破坏了其中的π键，而σ键未发生改变。因为π键的轨道重叠程度相较于σ键较小，故更易断裂。
在描述两个原子之间的共价键强度时，我们使用“牢固”或“不牢固”这样的描述不够科学、清晰。
是否有参数可以定量描述共价键的强度？
这个参数可能与什么因素相关？
这个参数是否有规律性？
如何描述这种规律性？
二、讲授新课
二、键参数——键能、键长与键角
1.键能
定义：键能是指气态分子中 1 mol化学键解离成气态原子所吸收的能量。
键能可以直接定量直观的反映共价键的强弱。
说明：
①键能通常是298.15 K、101kPa条件下的标准值。
②键能可以通过实验测定，更多是推算获得的（如盖斯定律）。
③同样的共价键在不同的分子中键能略有区别，如甲烷中的C-H键和乙烯中C-H键键能不严格相等。
表2-1中列出了若干共价键键能的数据，请你观察表格，自己寻找并归纳期中的规律，并将你的结论与小组同学交流。
【提问】（1）同主族的卤原子与H之间的共价键键能的变化规律如何？同周期的C、N、O、F与H之间的共价键键能的变化规律如何？
【讲解】卤化氢中X-H键键能自上而下逐渐减小；
同周期的C、N、O、F与H之间的共价键键能F-H > O-H > C-H > N-H，
自左向右呈逐渐增大趋势（N-H略小于C-H）
【提问】（2）碳碳单键、碳碳双键、碳碳叁键的键能变化趋势如何？它们之间的差值大小是怎样的？
从键能的角度谈谈乙烷、乙烯、乙炔的反应活性差别。
【讲解】碳碳单键、碳碳双键、碳碳叁键的键能逐渐增大，但是新增的π键所对应的键能增量部分不如C-C σ键大。
根据数据可以计算出，C-C之间π键键能约为σ键键能的70%。在反应中仅需吸收较少的能量π键就会被破坏，故而乙烯、乙炔的反应活性高。
【提问】（3）氮氮单键、氮氮双键、氮氮叁键的键能变化趋势如何？它们之间的差值大小是怎样的？
从键能的角度谈谈为何N2非常稳定。
【讲解】氮氮单键、氮氮双键、氮氮叁键的键能逐渐增大，但是新增的π键所对应的键能增量部分比N-N σ键大。这是由于N2分子的π键具有一定的特殊性。
氮氮叁键键能高达946 kJ·mol-1，反应中变为氮原子需要吸收非常多的能量。一般条件无法满足该能量条件，故N2非常稳定。
【提问】*（4）C-C单键的键能为347.7 kJ·mol-1，N-N单键、O-O单键、F-F单键的键能分别为193 kJ·mol-1，142 kJ·mol-1，157 kJ·mol-1，为何N、O、F三种元素的单键键能明显偏小？
【讲解】N、O、F三种元素的原子半径都很小，核外电子集中在一个较小区域内，负电密度较大。
形成共价键时两原子彼此靠近，电子间的排斥较剧烈，导致能量升高。这一因素部分抵消了形成共价键时能量降低的结果。
【提问】（5）O-O单键的键能为142 kJ·mol-1 ，这一数据与含O-O单键的物质的化学性质有何关联？列举一个你学过的含O-O单键的物质，结合其性质进行说明。
【讲解】含O-O单键的常见物质之一是H2O2，它在室温、无催化剂的条件下会逐渐分解为水和氧气，在加热或催化剂的条件下会更迅速的分解。
因O-O单键键能很小，提供较少能量就促使其断裂。同时生成的O2和H2O中的O-O双键，H-O单键键能均很大，产物很稳定。故一般含O-O单键的物质都容易分解。用作消毒剂的过氧乙酸也含有O-O单键。
【提问】（6）化学反应过程中是伴随着能量变化的。一个反应是吸热反应还是放热反应取决于两部分能量的大小关系：破坏反应物中的化学键所吸收的能量，形成产物中的化学键所放出的能量。利用表中的数据，你能否计算出下面反应的反应热么？
N2 + 3H2 = 2NH3
总结根据键能计算反应热的计算步骤。
【讲解】
反应物 N2 反应物 H2 产物 NH3
共价键类型 N-N叁键 H-H单键 N-H单键
键能/kJ·mol-1 946 436 390.8
数量 1mol 3mol 6mol
吸收总能量为 946×1+436×3=2254 kJ 放出总能量为 390.8×6=2344.8 kJ
放热>吸热，反应为放热反应，放热2344.8 – 2254 = 90.8 kJ
【提问】（7）利用表2-1的数据进行计算，1 mol H2分别与 1 mol Cl2、1 mol 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？如何用计算的结果说明HCl和HBr分子哪个更容易发生热分解生成相应的单质？
【讲解】根据键能计算反应热的公式，可计算出生成2 mol HCl 和 2 mol HBr 分别放出184.9kJ和102.3kJ热量，显然生成HCl放热更多。
HCl比HBr更容易生成，则其逆反应——分解更难，故HCl更稳定，HBr更易分解。
【提问】（8）N2、O2、F2跟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？
【讲解】由于氮氮叁键、氧氧双键、氟氟单键的键能依次减小
同时N-H、O-H、F-H键键能依次增大，
即旧键易断裂，新键形成后很稳定。
故N2、O2、F2跟H2的反应能力依次增强
2. 键长
定义：构成共价键的两个原子的核间距。
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。
表2-2中列出了若干共价键键长的数据，请你观察表格，自己寻找并归纳期中的规律，并将你的结论与小组同学交流。
【提问】（1）（1）两氢原子靠近，整个体系能量最低时对应的的核间距为74 pm，这一距离等于H2分子中H-H键的键长。这是巧合还是必然？怎样理解这个等量关系？
【讲解】原子成键时放出能量，放出能量越多，分子越稳定。因此两原子间的键长一定对应体系能量最低的核间距。这是能量最低原理在分子层面的体现。
【提问】（2）同周期的C、N、O、F与H之间的共价键键长的变化规律如何？
这种变化规律与原子半径的递变规律有何关联？
【讲解】同周期的C、N、O、F与H之间的共价键键长F-H < O-H < N-H < C-H。
这一变化规律与同一周期元素原子半径递变规律相同，即F < O < N < C，在成键中一原子都为H原子时，另一个原子的半径大小决定了共价键键长长短，原子半径越大，共价键键长越长。
【提问】（3）碳碳单键、碳碳双键、碳碳叁键的键长变化趋势如何？这一变化趋势与它们的键能变化趋势有何关系？
共价键 键长/pm 键能/(kJ/mol)
C-C 154 347.7
C=C 133 615
C≡C 120 812
【讲解】碳碳单键、碳碳双键、碳碳叁键的键长逐渐变短。与键能的变化趋势相比，可以得知，两原子之间的共价键键数越多，键能越大，键长越短。
【提问】（4）Cl2、Br2、I2分子中的键长变化趋势如何？这一变化趋势与它们的键能变化趋势有何关系？
共价键 键长/pm 键能/(kJ/mol)
Cl-Cl 198 242.7
Br-Br 228 193.7
I-I 267 152.7
【讲解】X2的键长自上而下逐渐变长。与键能的变化趋势相比，可以得知，键长越短，键能越大。
【提问】（5）基于以上你发现的键长与键能的递变规律与关联，预言HF、HCl、HBr、HI中键长大小关系。这与它们的稳定性之间有何关联？
共价键 键长/pm 键能/(kJ/mol)
F-H 92 568
Cl-H 127 431.8
Br-H 141 366
H-I 160.9 298.7
【讲解】HX的键长自上而下逐渐变长，键能逐渐减小，故而容易发生断裂，分解为X2和H2，稳定性逐渐下降。
3.键角
定义：在多原子分子中，两个相邻共价键之间的夹角称为键角。
例如：同样是三原子分子，CO2的键角是180°，是直线形分子； H2O的键角是105°，是V形分子。
1.分子的形状在宏观上看不见摸不着，人类是怎样测定键长、键角的？
键长和键角的数值可通过晶体的X射线衍射实验获得。（大学学习）
2.键角这样的几何数据，人类测量它，研究的意义是什么？研究后是否发现了其中的规律？
3.微观的键角结构对物质的宏观性质有影响么？是怎样影响的？
这两个问题我们会在本章后面2节进行深入的学习。
通过测量出晶体分子中的键长和键角，可以推演出分子的几何形状。
经过研究发现，分子的几何形状不是任意的，而是特征的若干种：如直线形，V形，三角形，四面体，三角锥等。
由此人们推知原子间形成共价键时，原子轨道只能沿着特定的方向进行重叠，我们将这种性质称为共价键的方向性。
三、课堂小结
1.根据键能计算反应热的计算步骤：
①分析反应物、产物中全部共价键的种类及数量
②计算出破坏反应物共价键吸收的总能量与形成产物共价键放出的总能量
③比较二者大小即可判断出反应吸热还是放热，吸放热数值等于二者差的绝对值
④公式表达：△H = 反应物总键能 – 生成物总键能
注意：焓变的正负号已包含在公式内，正号表示吸热，负号表示放热。
2.键长变化规律、与物质性质的关联：
①一般来说，分子中共价键的键长越小，键能越大，共价键越稳定。
②键长又与原子半径大小关联紧密：两原子中，固定其中一原子后，另一原子在同周期自左向右变化，或同主族自上而下变化，半径呈现规律的递变性，而这种变化决定了键长的变化规律。
③半径的变化规律又与电负性的的变化规律是内在统一的。
因此，原子的半径、原子的电负性、原子间共价键的键长、键能、物质的稳定性彼此都是相关联的。从微观结构走向宏观性质。
四、课堂练习
1. 判断正误
(1)共价键的成键原子只能是非金属原子(　　)
(2)所有σ键的强度都比π键大(　　)
(3)在所有分子中都存在化学键(　　)
(4)s-s σ键与s-p σ键的电子云形状的对称性相同 (　　)
(5)σ键可以绕键轴旋转，π键一定不能绕键轴旋转(　　)
(6)碳碳叁键和碳碳双键的键能分别是碳碳单键键能的3倍和2倍( )
(7)键长等于成键两原子的半径之和( )
答案　（1）×（2）×（3）×（4）√（5）√（6）×（7）×
2. 人们常用HX表示卤化氢（X代表F、Cl、Br、I），下列说法中，正确的是（ ）
A. 形成共价键的两个原子之间的核间距叫做键长
B. H-F的键长是H-X中最长的
C. H-F是p-p σ键
D. H-F的键能是H-X中最小的
答案　A
解析　B项，F原子半径在卤素中最小，故H-F键键长是最短的；C项，H原子的电子在1s轨道上，故与F形成σ键时是s-p σ键；D项， H-F键键长最短，轨道重叠程度更大，键能最大。
3. 下列说法中，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. 键角是两个相邻共价键之间的夹角，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　B项，一般来说，分子中共价键的键长越小，键能越大，共价键越稳定。
4. 下列说法中，错误的是（ ）
A. 氧原子有两个未成对电子，因而能形成两个共价键
B. 氧原子可以形成H2O、H2O2，也可以形成H3O
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. 已知N2分子的结构是N≡N，在N2中有1个σ键和2个π键
答案　B
解析　B项，氧原子最外层有6个电子，其中有两个未成对电子，形成两个共价键之后，无单电子且达到了8电子稳定结构，故无法再结合一个H形成H3O

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