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第2课时　共价键键能与化学反应的反应热　共价晶体
1.认识键能、键长等参数的概念。2.能分析共价键的键能与化学反应中能量变化的关系。3.借助金刚石、二氧化硅等模型认识共价晶体的结构特点及物理性质。4.能根据共价晶体的微观结构预测其性质。
共价键键能与化学反应的反应热
学习任务一
1.共价键的键能和键长
(1)键能:共价键的键能是在101 kPa、298 K条件下,1 mol AB分子生成1 mol A原子和1 mol B原子的过程中所 的能量,称为AB间共价键的键能。其单位为 。如断开 1 mol H—H键吸收的能量为436 kJ,即H—H键的键能为 。
(2)键长:两原子间形成共价键时, 的平均间距。
气态
气态
气态
吸收
kJ·mol-1
436 kJ·mol-1
两原子核间
(3)键能与键长的关系。
当两个原子形成共价键时,原子轨道发生重叠,重叠程度越大,键长 ,键能 。
2.键能与反应热的关系
(1)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
变化。
(2)若化学反应中旧化学键断裂所吸收的总能量 新化学键形成所放出的总能量,该反应为 反应;反之,该反应为 反应。
越短
越大
强弱
能量
大于
吸热
放热
探究　键能及其应用
问题1:键能与键长关系如何 分子的稳定性与键能的关系是什么
提示:一般来说键长越短,键能越大。键能越大,共价键越稳定,分子的化学性质就越稳定。
问题2:根据F、Cl、Br的原子半径分析 H—F键、H—Cl 键、H—Br键的键能大小顺序,HF、HCl、HBr三种分子中哪一种热稳定性最好
提示:同一主族元素从上至下原子半径逐渐增大,所以EH—F>EH—Cl>EH—Br,因此H—F键的键能最大,HF最稳定。
问题3:N2与H2在常温下很难发生化学反应,必须在高温下才能发生化学反应,而Cl2与H2很容易发生化学反应,为什么
提示:化学反应包括旧键断裂和新键形成两个过程,N2中存在氮氮三键,键断裂需要很高的能量,而Cl2中的Cl—Cl键断裂需要的能量相对较低,故氯气容易与氢气发生反应。
提示:ΔH=E(反应物键能之和)-E(生成物键能之和)=(436+243-2×431)kJ·mol-1=
-183 kJ·mol-1。
键参数的应用
1.键能的应用
(1)表示共价键的强弱。
键能越大,断开化学键时需要的能量越多,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。
归纳拓展
归纳拓展
(3)判断化学反应的能量变化。
在化学反应中,旧化学键的断裂吸收能量,新化学键的形成释放能量,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。
归纳拓展
2.键长的应用
(1)一般键长越短,键能越大,共价键越稳定,分子越稳定。
(2)键长的比较方法。
①根据原子半径比较。同类型的共价键,成键原子的原子半径越小,键长越短。
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。
题点一　键能的理解与应用
1.下列有关说法错误的是(　　)
A.键能:H—IB.键长:I—I>Br—Br>Cl—Cl
C.键长大小:N2H4分子的N—N键D.N—H键的键能为391 kJ·mol-1,其含义为断开1 mol N—H键所吸收的能量为391 kJ
C
【解析】 对于卤化氢,卤素原子半径越小,键长越短,键能越大,A正确;原子半径大小为I>Br>Cl,则键长大小为I—I>Br—Br>Cl—Cl,B正确;N2H4分子的N—N键键长大于N2分子的N≡N键键长,C错误;N—H键的键能为391 kJ·mol-1,则断开1 mol N—H键吸收391 kJ 的能量,D正确。
C
A.σ键一定比π键稳定
B.N2较易发生加成反应
C.乙烯、乙炔较易发生加成反应
D.乙烯、乙炔中的π键比σ键稳定
【解析】 σ键不一定比π键强度大,如氮气中σ键的强度比π键的强度小,故A错误;N≡N键的键能大,不易发生加成反应,故B错误;乙烯和乙炔中π键的键能小,易断裂,所以乙烯、乙炔较易发生加成反应,故C正确;乙烯、乙炔中的σ键比π键稳定,故D错误。
规律方法
σ键与π键键能比较注意问题
(1)两个原子间形成的σ键的键能通常大于这两个原子间形成的π键的键能,例如碳碳双键的键能小于碳碳单键的键能的两倍。
(2)特殊情况:N2中N≡N键的键能大于 N—N键 的键能的三倍,说明其中的π键的键能大于σ键的键能。
题点二　利用键能计算反应热
3.中国研究人员研制出一种新型复合光催化剂,利用太阳光在催化剂表面实现高效分解水,其主要过程如图所示。
已知:几种物质中化学键的键能如下表所示。
若反应过程中分解了2 mol H2O,则下列说法不正确的是(　　)
B.过程Ⅲ属于放热反应
C.过程Ⅱ放出了574 kJ能量
D.过程Ⅰ吸收了926 kJ能量
B
4.化学反应可视为旧键的断裂和新键的形成过程。化学键的键能是形成化学键时释放的能量。已知白磷和P4O6的分子结构如图所示,现提供以下化学键的键能(kJ·mol-1):
A
A.-1 638 kJ·mol-1 B.1 638 kJ·mol-1
C.-126 kJ·mol-1 D.126 kJ·mol-1
共价晶体
学习任务二
1.共价晶体
(1)概念:晶体中所有原子通过 结合,形成 结构,这样的晶体叫做共价晶体。
(2)共价晶体中只存在 键,原子间全部通过 相结合。
(3)常见的共价晶体。
①某些单质,如 、 、晶体硼、晶体锗等。
②某些化合物,如 、 、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)等。
共价键
空间网状
共价
共价键
金刚石
晶体硅
金刚砂(SiC)
二氧化硅(SiO2)
2.金刚石晶体结构特点
(1)在晶体中每个碳原子以共价键与相邻的 个碳原子相结合,形成
结构。
(2)晶体中C—C—C夹角为 。
(3)最小环上有 个碳原子。
(4)金刚石晶胞中共有 个碳原子,配位数为 。
4
正四面体
109°28′
6
8
4
3.共价晶体的物理性质
(1)共价晶体一般有 的熔、沸点和 的硬度。
(2)结构相似的共价晶体,共价键的键长越长,键能越小,晶体的熔、沸点
,硬度 。
很高
很大
越低
越小
金刚石、金刚砂都是极重要的磨料;SiO2是应用极广的耐火材料;石英和它的变体,如水晶、紫晶和玛瑙等,是工业上的贵重材料;SiC、Si3N4等是性能良好的高温结构材料。上述共价晶体在工业上被广泛用作耐磨、耐熔或耐火材料,这与共价晶体的结构特点有关。
探究　共价晶体结构特点
问题1:稀有气体由单个原子构成,它属于共价晶体吗
提示:不属于。稀有气体虽然由原子构成,但是原子间不存在共价键,并非空间网状结构。
问题2:SiO2是二氧化硅的分子式吗
提示:不是。二氧化硅属于共价晶体,没有分子式,SiO2只表示硅原子与氧原子在晶体中的个数之比。
问题3:共价晶体原子的配位数一般是多少
提示:共价晶体原子配位数一般为4,共价晶体原子不遵循最密堆积原理。通常共价晶体中原子形成四面体结构,不断向三维空间延展形成空间网状结构。
问题4:如何理解并记忆共价晶体的结构特点
提示:金刚石作为基本结构模板,采取原子代换或插入法。如金刚石中碳原子全部代换为硅原子即是晶体硅结构,晶体硅中所有Si—Si键之间插入氧原子即是SiO2结构,金刚石中碳原子交替代换为硅原子就是SiC结构。
问题5:共价晶体为什么熔、沸点高,硬度大
提示:共价晶体中所有原子间均以共价键结合,熔化或切割时需要破坏键能很大的共价键。
常见的共价晶体晶胞结构
归纳拓展
物质 金刚石 碳化硅 二氧化硅
晶胞
键角 109°28′ 109°28′ 109°28′
晶胞中
微粒数目 8个C C:4个
Si:4个 Si:8个
O:16个
1 mol物质中化
学键物质的量 2 mol
C—C键 4 mol
C—Si键 4 mol
Si—O键
题点一　共价晶体的性质与用途
1.根据下列性质判断,属于共价晶体的物质是(　　)
A.熔点2 700 ℃,导电性好,延展性强
B.无色晶体,熔点3 550 ℃,不导电,质硬,难溶于水和有机溶剂
C.无色晶体,能溶于水,质硬而脆,熔点 800 ℃,熔化时能导电
D.熔点-56.6 ℃,微溶于水,硬度小,固态或液态时不导电
B
【解析】 A项中导电性好,不是共价晶体的特征,因为共价晶体中原子与原子之间以共价键结合,而共价键有一定的方向性,使共价晶体质硬而脆,B项符合共价晶体的特征,C项应该是离子晶体,D项不符合共价晶体的特征,故选B。
2.下表是某些共价晶体的熔点和硬度。
共价晶体 金刚石 氮化硼 石英 晶体锗
熔点/℃ >3 500 3 000 1 710 1 211
摩氏硬度 10 9.5 7 6.0
D
分析表中的数据,下列叙述正确的是(　　)
A.构成共价晶体的原子种类越多,晶体的熔点越高
B.构成共价晶体的原子间的共价键键能越大,晶体的熔点越低
C.构成共价晶体的原子的半径越大,晶体的硬度越大
D.构成共价晶体的原子的半径越小,晶体的硬度越大
【解析】 共价晶体的熔点和硬度与构成共价晶体的原子间的共价键键能有关,而原子间的共价键键能与原子半径的大小有关,即原子半径越小,键能越大,熔点越高,硬度越大,故选D。
共价晶体熔点、沸点的比较
(1)共价晶体键长越短(原子半径越小),键能越大,共价键越稳定,物质熔、沸点越高,反之越低。如熔点:金刚石(C—C)>晶体硅(Si—Si)。
(2)共价晶体的熔、沸点不一定高于金属晶体和离子晶体。如熔点:MgO
(2 800 ℃)>SiO2(1 723 ℃),钨(3 410 ℃)>SiO2(1 723 ℃)。
规律方法
题点二　共价晶体的结构分析与计算
3.下列说法正确的是(设NA为阿伏加德罗常数的值)(　　)
A.1 mol P4含有P—P键的个数为4NA
B.1 mol SiC中含有C—Si键的个数为2NA
C.含C为1 mol的金刚石中含有C—C键的个数为2NA
D.1 mol SiO2中含Si—O键的个数为2NA
C
【解析】 P4是正四面体结构,1 mol P4含有P—P键的个数为6NA,A错误;在SiC中每个Si形成 4个 C—Si键,故1 mol SiC中含有 C—Si键的个数为4NA,B错误;在金刚石中每个C平均形成2个 C—C键,所以含C为1 mol 的金刚石中含C—C键的个数为2NA,C正确;在SiO2中每个Si形成 4个 Si—O键,即1 mol SiO2中含Si—O键的个数为4NA,D错误。
4.碳化硅和立方氮化硼的结构与金刚石类似,碳化硅硬度仅次于金刚石,立方氮化硼硬度与金刚石相当,其晶胞结构如图所示。
请回答下列问题。
(1)碳化硅晶体空间结构为　　 　　,每个硅原子周围与其距离最近的碳原子有　　　　个;设晶胞边长为a cm,密度为b g·cm-3,则阿伏加德罗常数可表示为　　　　　　　　(用含a、b的式子表示)。
正四面体形
4
(2)立方氮化硼晶胞中有　　　　个硼原子、　　　　个氮原子,若晶胞的边长为 a cm,则立方氮化硼的密度表达式为　　　　 g·cm-3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。
4
4
知识整合
键能的大小可以衡量化学键的强弱,也可以用于估算化学反应的反应热(ΔH),化学反应的ΔH等于反应中反应物的键能之和与生成物的键能之和的差。
参考以下表格的键能数据,回答下列问题。
化学键 Si—O Si—Cl H—H H—Cl Si—Si Si—C
键能/
(kJ·mol-1) 460 360 436 431 176 347
已知SiCl4属于由分子构成的物质。
(1)比较下列两组物质的熔点高低。
SiC　　　(填“>”或“<”,下同)Si;SiCl4　　　SiO2。
>　　
<　
【解析】 (1)碳化硅和硅都是共价晶体,其熔点大小和共价键强弱有关系。形成共价键的原子半径越小,共价键越强,碳原子的半径小于硅原子的,所以碳化硅的熔点高于硅的。四氯化硅是分子晶体,二氧化硅是共价晶体,所以四氯化硅的熔点小于二氧化硅的。
(2)能不能根据键能的数据判断单质Si和化合物SiCl4的熔点高低 　　　 (填“能”或“不能”),原因是
　 　 。
不能
物质熔点高低由构成物质的微粒间作用力决定,单质
Si属于共价晶体,原子间作用力是共价键,SiCl4属于分子晶体,分子间作用力比共价键弱得多
【解析】 (2)由于物质熔点高低由构成物质的微粒间作用力决定,单质Si属于共价晶体,原子间作用力是共价键,SiCl4属于分子晶体,分子间作用力比共价键弱得多。
【解析】 (3)金刚石中每一个碳原子与周围的4个碳原子连接,构成正四面体。
【解析】 (4)反应热就是断裂化学键吸收的能量和形成化学键所放出的能量的差值,因此反应热 ΔH=360 kJ·mol-1×4+436 kJ·mol-1×2-176 kJ·mol-1×
2-431 kJ·mol-1×4=236 kJ·mol-1。
236 kJ·mol-1
命题解密与解题指导
情境解读:结合给出的部分键能数据比较晶体的熔、沸点,计算给定反应的能量变化。
素养立意:通过分析不同晶体熔点的变化规律,结合键能进行反应热的简单计算等过程,培养宏观辨识与微观探析素养。
思维建模:晶体熔、沸点比较思路。
首先看物质的状态,一般情况下是固体>液体>气体;二看物质所属类型,一般是共价晶体>离子晶体>分子晶体(注意不是绝对的,如氧化铝的熔点大于晶体硅的),结构类型相同时再根据相应规律进行判断。同类晶体熔、沸点比较思路:共价晶体→共价键键能→键长→原子半径;分子晶体→分子间作用力→相对分子质量;离子晶体→离子键→离子所带电荷数、离子半径;金属晶体→金属键→金属阳离子所带电荷数、金属阳离子半径。

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