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分子结构与性质
第二章　
课程标准要求 学科核心素养
1.能利用电负性判断共价键的极性,能根据共价分子的结构特点说明简单分子的某些性质;能说明分子间作用力(含氢键)对物质熔、沸点等性质的影响,能列举含有氢键的物质及其性质特点。
2.能根据给定的信息分析常见简单分子的空间结构,能利用相关理论解释简单的共价分子的空间结构;能根据分子结构特点和键的极性来判断分子的极性,并据此对分子的一些典型性质及其应用做出解释。 1.宏观辨识与微观探析:能从粒子间相互作用的角度来阐释物质的主要性质;能说明粒子间相互作用的差异对物质性质的影响;能根据粒子间相互作用、分子空间结构等说明或预测物质的性质,评估所作说明或预测的合理性。
3.能从粒子的空间排布及其相互作用的角度对生产、生活、科学研究中的简单案例进行分析,举例说明物质结构研究的应用价值,如氢键对于生命的重大意义。 2.证据推理与模型认知:能将化学事实和粒子间相互作用相关理论模型进行关联和合理匹配,并能选取适当的证据从不同视角分析问题,推出合理的结论;能描述和表示与粒子间相互作用有关的理论模型,指出模型表示的具体含义,并运用理论模型解释或推测物质的组成、结构及变化。
第一节　共价键
1.通过认识原子间以原子轨道重叠形成共价键,能从微观角度分析形成共价键的粒子、类型,能辨识物质中含有的共价键的类型及成键方式,能说明共价键具有饱和性和方向性。2.通过认识原子间形成共价键时原子轨道的不同重叠方式,理解共价键中σ键和π键的区别,能判断分子中 σ键和π键的存在及个数。3.通过认识键参数,能结合实例说明键能、键长及键角对物质性质的影响。
探究共价键
学习任务1
1.共价键的概念和特征
(1)概念。
原子间通过 所形成的相互作用,本质是原子轨道的重叠。
(2)成键的粒子:一般为 原子(相同或不相同)或金属原子与非金属原子。
(3)共价键的特征。
①饱和性。
按照共价键的共用电子对理论,一个原子有几个未成对电子,便可和几个自旋状态相反的电子配对成键,这就是共价键的饱和性。
共用电子对
非金属
[示例] NH3分子中为什么氮原子是1个,而氢原子为3个
②方向性。
除s轨道是球形对称外,其他原子轨道在空间都具有一定的分布特点。在形成共价键时,原子轨道重叠地越多,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,所以共价键具有方向性,如图所示。
水分子中的共价键是由氧原子和氢原子形成的单键;共价键
的方向性导致水分子中的三个原子不在一条直线上。
2.共价键的类型——σ键和π键
(1)σ键。
形成 由两个原子的s轨道或p轨道“ ”重叠形成
类型 s-s型
H—H的s-s σ键的形成
s-p型
H—Cl的s-p σ键的形成
p-p型
Cl—Cl的p-p σ键的形成
特征 ①以形成化学键的两原子核的连线为轴做旋转操作,共价键电子云的图形 ,这种特征称为 ;②σ键的强度
头碰头
不变
轴对称
较大
(2)π键。
形成 由两个原子的p轨道“ ”重叠形成
p-p
π键
p-p π键的形成
特征 ①π键的电子云具有 性,即每个π键的电子云由两块组成,分别位于由两原子核构成平面的两侧,如果以它们之间包含原子核的平面为镜面,它们互为 ;
②π键 旋转;不如σ键 ,较易断裂
肩并肩
镜面对称
镜像
不能
牢固
下面是乙烷、乙烯、乙炔的分子结构。
探究　σ键和π键判断与比较
问题1:仔细观察乙烷、乙烯、乙炔的分子结构,指出它们的分子中分别含几个σ键和几个π键。
提示:
分子 σ键数目 π键数目
乙烷 7 0
乙烯 5 1
乙炔 3 2
问题2:乙烯、乙炔的化学性质为什么比乙烷活泼
提示:乙烯分子中的碳碳双键由一个σ键和一个π键构成,乙炔分子中的碳碳三键由一个 σ键和两个π键构成,乙烷分子中只含σ键不含π键;π键原子轨道的重叠程度小、不稳定,容易断裂,而σ键牢固,不易断裂,故乙烷的化学性质稳定。
问题3:分子中存在π键的物质化学性质一定活泼吗
提示:通常情况下,σ键比π键牢固,π键容易断裂,如乙烯、乙炔的化学性质比乙烷活泼,但N2中的π键由于原子轨道重叠程度大,比较牢固,故N2中的π键不易断裂,不易发生加成反应和氧化反应。
问题4:画出氮原子的轨道表示式,并说明氮气分子中的N≡N是由哪些类型的共价键构成的。
归纳拓展
1.共价键的分类方法
分类依据 类型
形成共价键的原子轨道重叠方式 σ键 原子轨道“头碰头”重叠
π键 原子轨道“肩并肩”重叠
形成共价键的电子对是否偏移 极性键 共用电子对发生偏移
非极性键 共用电子对不发生偏移
原子间共用电子对的数目 单键 原子间有一对共用电子对
双键 原子间有两对共用电子对
三键 原子间有三对共用电子对
归纳拓展
2.σ键和π键的判断方法
(1)依据共价键的类型判断。
归纳拓展
(2)依据共价分子的组成判断σ键。
根据成键原子的价层电子数来判断能形成几对共用电子对。如果成键两原子间只形成一对共用电子对,则该共价键一定是σ键;如果形成多对共用电子对,则先形成1个σ键,另外的原子轨道形成π键。
题点一　共价键的实质与特征
1.下列不属于共价键成键因素的是(　　)
A.共用电子对在两原子核之间高概率出现
B.共用的电子必须配对
C.成键后体系能量降低,趋于稳定
D.两原子核体积大小要适中
D
【解析】 共价键的成因是当成键原子相互靠近时,原子轨道发生重叠,自旋方向相反的未成对电子形成共用电子对,两原子核间的电子云密度增加,体系的能量降低。
2.下列说法正确的是(　　)
A.所有的原子轨道都具有一定的伸展方向,因此所有的共价键都具有方向性
B.某原子跟其他原子形成共价键时,其共价键数目一定等于该元素原子的价层电子数
C.基态碳原子有两个未成对电子,所以最多只能形成2个共价键
D.1个氮原子最多只能与3个氢原子结合形成NH3,这是由共价键的饱和性决定的
D
【解析】 由2个s原子轨道重叠形成的共价键没有方向性,其他原子轨道重叠形成的共价键都有方向性, A不正确;非金属元素的原子形成的共价键数目一般等于该原子最外层的未成对电子数,不能说一定等于该元素原子的价层电子数, B不正确;基态碳原子最多只能形成4个共价键,C不正确;氮原子最外层2p轨道上共有3个未成对电子,1个氮原子可以与3个氢原子结合形成NH3,此时共价键饱和, D正确。
题点二　σ键和π键的判断与比较
3.下列关于σ键和π键的说法正确的是(　　)
A.σ键和π键都可以绕键轴旋转
B.气体单质分子中一定有σ键,可能含π键
C.HCHO中σ键与π键的数目之比为1∶3
D
4.下列关于σ键和π键的说法正确的是(　　)
A.σ键可以绕键轴旋转,π键一定不能绕键轴旋转
B.
描述的是π键的形成过程
C.烯烃中碳原子轨道以“头碰头”的方式重叠比以“肩并肩”的方式重叠的程度小,所以σ键比π键活泼
D. 可以表示N2中σ键和π键存在的情况
A
【解析】 σ键为单键,可以绕键轴旋转,π键在双键、三键中存在,不能绕键轴旋转,A正确;B项描述的是“头碰头”形成σ键的过程,B错误;烯烃中碳原子间形成σ键时电子云的重叠程度大于“肩并肩”形成π键时电子云的重叠程度,故σ键比π键活泼性差,C错误;N2中两个氮原子“头碰头”形成1个 σ键,两个相互垂直的p轨道“肩并肩”形成2个 π键,D错误。
5.有以下物质:
①HF;②Cl2;③H2O;④N2;⑤C2H4;⑥C2H6;⑦H2;⑧H2O2;⑨HCN(H—C≡N)。
(1)只有σ键的是　　　　　　　 　(填序号,下同);既有σ键又有π键的是
　 。
①②③⑥⑦⑧　
④⑤⑨
【解析】 (1)单键只有σ键,双键或三键才含有π键,故只有σ键的是①②③⑥⑦⑧;既有σ键又有π键的是④⑤⑨。
①HF;②Cl2;③H2O;④N2;⑤C2H4;⑥C2H6;⑦H2;⑧H2O2;⑨HCN(H—C≡N)。
(2)含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的是　　　　　。
⑦
【解析】 (2)氢原子只有s轨道,题给物质中含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的只有H2。
①HF;②Cl2;③H2O;④N2;⑤C2H4;⑥C2H6;⑦H2;⑧H2O2;⑨HCN(H—C≡N)。
(3)含有由一个原子的s轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是
　 。
①③⑤⑥⑧⑨
【解析】 (3)含有由一个原子的s轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的有 ①③⑤⑥⑧⑨。
①HF;②Cl2;③H2O;④N2;⑤C2H4;⑥C2H6;⑦H2;⑧H2O2;⑨HCN(H—C≡N)。
(4)含有由一个原子的p轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是
　 。
②④⑤⑥⑧⑨
【解析】 (4)含有由一个原子的p轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键,说明构成这种σ键的原子中一定没有H,故选②④⑤⑥⑧⑨。
对于σ键和π键判断应特别注意的问题
(1)s轨道与s轨道形成σ键时,电子并不是只在两核间运动,只是电子在两核间出现的概率大。
(2)共价双键和三键中既有σ键又有π键。共价双键中有一个σ键、一个π键;三键中有一个σ键、两个π键。
(3)因s轨道是球形的,故s轨道与s轨道形成σ键时,无方向性。
(4)两个原子间可以只形成σ键,但不能只形成π键。
规律方法
认识键参数——键能、键长与键角
学习任务2
1.键能
(1)定义:气态分子中1 mol化学键解离成气态原子所 的能量称为键能。
(2)意义:衡量共价键强弱的重要参数。
(3)条件和单位:键能通常是298.15 K、101 kPa 条件下的标准值,单位为
。
吸收
kJ·mol-1
2.键长
(1)定义:构成化学键的两个原子的 。
(2)意义:衡量共价键强弱的重要参数。
(3)键长与共价键的稳定性之间的关系。
共价键的键长越短,往往键能越 ,表明共价键越稳定。如H2、Cl2、Br2三种分子中,共价键的键长最长的是 ,键能最大的是 。
核间距
大
Br2
H2
[示例] 根据键长的定义并参考教材表2-2,可以如何比较同类型共价键的键长
提示:一般同种类型的共价键,成键原子的原子半径越小,键长越短。
成键原子相同的共价键的键长为单键>双键>三键。
3.键角
(1)定义:在多原子分子中,两个相邻共价键之间的夹角。
(2)意义:①键角是描述分子空间结构的重要参数。
②多原子分子的键角一定,表明共价键具有方向性。
(3)常见分子的键角。
(4)键长和键角的数值可以通过晶体的 获得。
X射线衍射实验
下表是某些化学键的键能和键长。
探究　键参数的应用
问题1:试利用表中数据进行计算,1 mol H2与足量的Cl2、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,并用计算的结果说明HCl和HBr哪个更容易发生热分解生成相应的单质。
提示:通过计算,1 mol H2分别与足量的Cl2、Br2(蒸气)反应,分别形成2 mol HCl和2 mol HBr,放出能量依次为184.9 kJ、102.3 kJ。1 mol H2与1 mol Cl2反应形成2 mol HCl放出的能量多,则HCl更稳定,HBr更容易发生热分解生成相应的单质。
问题2:N2、O2、F2跟H2反应的能力依次增强,从键能的角度应如何理解这一化学事实
问题3:表中缺少HF和HI的键能、键长数据,试推测HF、HCl、HBr、HI的键长大小关系是什么。结构相似的物质的键长与键能、物质稳定性的关系是怎样的
提示:键长为HF问题4: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
提示:氟原子的半径比氯原子的半径小,因而F—F的键长比Cl—Cl的键长短,但也是由于F—F的键长短,两个氟原子在形成共价键时,原子核之间的距离就小,排斥力大,因此键能比Cl—Cl的键能小。
问题5:为什么CH4的空间结构是正四面体,而CH3Cl只是四面体而不是正四面体
提示:C—H和C—Cl的键长不相等。
共价键参数的应用
1.键参数对分子性质的影响
归纳拓展
2.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,共价键的键能越大,分子越稳定。
(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
3.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。
归纳拓展
4.键角的应用
(1)键长和键角决定分子的空间结构。如NH3分子的H—N—H键角是107°,
N—H键长是101 pm,则可以判断NH3是三角锥形分子(如图)。
归纳拓展
(2)常见分子的键角与分子空间结构。
归纳拓展
化学式 键角 分子空间结构
CO2 180° 直线形
NH3 107° 三角锥形
H2O 105° V形
BF3 120° 平面三角形
CH4 109°28′ 正四面体形
题点一　键参数的理解、辨析
1.下列说法正确的是(　　)
A.键能越小,表示化学键越牢固,难以断裂
B.两原子核越近,键长越长,化学键越牢固,性质越稳定
C.破坏化学键时消耗能量,而形成新的化学键时则释放能量
D.键能、键长只能定性地分析化学键的特性
C
【解析】 键能越大,表示化学键越牢固,难以断裂,故A错误;两原子核越近,键长越短,化学键越牢固,性质越稳定,故B错误;破坏化学键时消耗能量,而形成新的化学键时则释放能量,故C正确;键能、键长能定量分析化学键的特性,故D错误。
2.键长、键角和键能是描述共价键的三个重要参数。下列有关说法错误的是(　　)
A.键长:Si—H>P—H>S—H>Cl—H
B.键能:H2O、H2S、H2Se中的键能依次减小
C.键角:CO2>CH4>H2O>NH3
D.乙烯分子中碳碳键的键能:σ键>π键
C
【解析】 同周期元素,从左到右原子半径依次减小,则半径Si>P>S>Cl,键长Si—H>P—H>S—H>Cl—H,A项正确;同主族元素,从上到下原子半径依次增大,则半径OCH4>NH3>H2O,C项错误;乙烯是平面形结构,含有碳碳双键,乙烯分子中的碳碳双键中有1个σ键和1个π键,原子轨道形成共价键时,σ键由p轨道“头碰头”重叠形成,π键由p轨道“肩并肩”重叠形成,因此σ键的键长会小于π键的,所以键能σ键大于π键,D项正确。
题点二　键参数的应用
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
C
4.已知下列化学键的键能:
回答下列问题。
-213.3 kJ·mol-1
(2)O—H、S—H、Se—H的键能逐渐减小,原因是
　 , 据此可推测P—H键能的范围为　　　　　 　O、S、Se位于同一主族,
原子半径逐渐增大,O—H、S—H、Se—H的键长逐渐变长,因而键能依次
减小
247 kJ·mol-1
390.8 kJ·mol-1
【解析】 (2)O、S、Se位于同一主族,原子半径逐渐增大,导致O—H、S—H、Se—H的键长逐渐变长,键长越长,键能越小,所以O—H、S—H、Se—H的键能逐渐减小;N、P、As位于同一主族,原子半径逐渐增大,导致N—H、P—H、As—H的键长逐渐变长,N—H、P—H、As—H的键能依次减小,所以As—H 的键能P—H的键能<390.8 kJ·mol-1。
(3)有机物是以碳骨架为基础的化合物,即碳原子间易形成C—C长链,而氮原子与氮原子间,氧原子与氧原子间难形成N—N长链和O—O长链,原因是
　 。
C—C的键能较大,较稳定,因而易形成C—C长链,而N—N、O—O的键能小,不稳定易断裂,因此难以形成N—N、O—O长链
【解析】 (3)键能越大,化学键越稳定,越不容易断裂,分子越稳定,由表中数据可知,C—C的键能较大(347.7 kJ·mol-1),易形成C—C长链,而N—N、O—O的键能较小(分别为193 kJ·mol-1、142 kJ·mol-1),化学键不稳定,容易断裂,所以氮原子与氮原子间,氧原子与氧原子间难形成N—N长链和O—O长链。
知识整合
石墨烯具有优异的性能,被认为是一种未来革命性的材料,单层石墨烯是由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料;肼(N2H4)可用作火箭燃料,肼分子可视为NH3分子中的一个氢原子被—NH2(氨基)取代形成的另一种氮的氢化物;氢气是一种理想的二次能源,航天工业常使用液氢作为燃料。这三种物质的结构中都含有共价键。
(1)石墨烯结构示意图如图所示,可由石墨剥离而成。
①石墨烯中的化学键是　　　　　　(填“极性”或“非极性”)键。
非极性
【解析】 (1)①由题意可知石墨烯就是石墨中的一层,分子中只存在C—C,属于非极性键。
②石墨烯中的键角为　　　　。
120°
【解析】 ②根据石墨烯的结构可知石墨烯中的键角为120°。
③石墨烯中1号C与相邻原子形成σ键的个数为　　　　。
3
【解析】 ③由图可看出,每个碳原子能与三个碳原子形成单键,故能形成3个σ键。
2
【解析】 (2)反应中有4 mol N—H断裂,即有1 mol N2H4参加反应,生成
1 mol N2,则形成的π键有2 mol 。
(3)已知构成氢气的氢分子的形成过程示意图如图所示,请据图回答问题。
①H—H的键长为　　　　,a～e中,体系能量由高到低的顺序是　　　。
74 pm
aebcd
【解析】 (3)①可以直接从题图中读出有关数据,H—H的键长为74 pm;体系能量由高到低的顺序是aebcd。
②下列说法正确的是　　　　　(填字母)。
A.氢分子中含有一个π键 B.由a到d,电子在核间出现的概率增大
C.由d到e,必须消耗外界的能量 D.氢分子中含有一个极性共价键
【解析】 ②1个氢分子中含有一个σ键,A错误;核间距逐渐减小时,两个氢原子的原子轨道会相互重叠,导致电子在核间出现的概率增大,B正确;d已经达到稳定状态,当改变构成氢分子的两个氢原子的核间距时,必须消耗外界的能量,C正确;1个氢分子中含有一个非极性共价键,D错误。
BC
命题解密与解题指导
情境解读:本题以新材料、新能源为素材,以共价键判断及键参数为载体,宏微结合,考查共价键类型判断及键参数的应用。
素养立意:借助共价键类型判断,并将物质的宏观应用与键参数的应用结合,强化证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析素养。
思维建模:

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