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第二章　分子结构与性质
第一节　共价键
第1课时　共价键
课程标准 核心素养目标
1.认识原子间通过原子轨道重叠形成共价键，了解共价键具有饱和性和方向性。
2．知道根据原子轨道的重叠方式，共价键可分为σ键和π键等类型；知道共价键可分为极性和非极性共价键。 1.宏观辨识与微观探析：从原子轨道重叠的视角认识共价键的本质和特征，描述共价键的形成过程，知道共价键具有饱和性和方向性。
2．证据推理与模型认知：能用模型、图像和符号等正确表征H2、Cl2、HCl等分子中原子轨道的重叠方式；通过共价键理论模型的发展过程，体会不同理论模型的价值和局限。
一、共价键的形成及特征
1．共价键的形成
(1)共价键是原子间通过_______________所形成的相互作用。
(2)共价键是元素的电负性相同或相差不大的原子之间形成的化学键。例如，氢原子与氢原子、卤素原子、氧原子、氮原子，氧原子与氧原子、碳原子形成共价键。
共用电子对
2．共价键的特征
(1)共价键的饱和性
在共价分子中，每个原子形成共价键的总数或以共价键连接的原子数目是一定的，这称为共价键的饱和性。例如，只能有H2、HCl、Cl2等，不可能有H3、H2Cl和Cl3等。
(2)共价键的方向性
在形成共价键时，原子轨道在两个原子核间重叠，意味着电子出现在核间的概率______，所形成的共价键更牢固。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。
增大
二、共价键的两种基本类型
1．σ键
(1)形成及特征
①原子轨道以“_________”方式相互重叠导致电子在核间出现的概率______而形成的共价键称为σ键。
②σ键的特征是以形成化学键的两原子核的连线为轴做______操作，共价键的电子云的图形______，这种特征称为_________。
头碰头
增大
旋转
不变
轴对称
(2)σ键的类型
s轨道
p轨道
p轨道
2.π键
(1)形成及特征
①原子轨道以“_________”方式相互重叠导致电子在核间出现的概率______而形成的共价键称为π键。
②π键的特征是每个π键的电子云由___块组成，它们互为______，这种特征称为______对称。
(2)π键的形成过程示意图
肩并肩
增大
两
镜像
镜面
(3)存在规律
一般规律：共价单键是_____；共价双键中有一个_____和一个_____；共价三键中有___个σ键和___个π键。
σ键
σ键
π键
一
两
三、共价键形成条件
当元素的电负性相差很大，化学反应形成的电子对不会被共用，形成的将是_________，而_________是元素的电负性相差不大的原子之间形成的化学键。
2.1
0.9
1.0
离子键
共价键
特别提醒：活泼的金属元素和非金属元素之间也可以形成共价键，如AlCl3中只有共价键。
◆拓展延伸
共价键形成的本质
由于电子在两个原子核之间出现的概率增大，使得它们同时受到两个原子核的吸引，从而导致体系能量降低，形成共价键。
◆名师点拨
共价键的特征
(1)共价键的饱和性与成键原子的未成对电子数有关，决定了分子内部原子的数量关系。
(2)共价键的方向性与成键原子的原子轨道的伸展方向有关，决定了分子的空间结构。
◆名师点拨
σ键和π键的形成规律
(1)s轨道与s轨道、s轨道与p轨道只能形成σ键，不能形成π键。
(2)两个p轨道相互重叠，有两种结果：
①两个p轨道以“头碰头”方式重叠，形成σ键。
②两个p轨道以“肩并肩”方式重叠，形成π键。
◆拓展延伸
共价键的表示——结构式
(1)结构式是用元素符号和短线表示分子中原子的排列和结合方式的式子。
(2)常用一条短线表示由一对共用电子所形成的共价键，以此类推，“===”表示共价双键，“≡”表示共价三键。例如，N2、H2O的结构式分别为N≡N、H—O—H。
◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”)
(1)非金属元素原子与金属元素原子之间不能形成共价键(　　　)
(2)所有的共价键都具有饱和性和方向性(　　　)
(3)σ键和π键都是由原子轨道重叠形成的，只是重叠方式不同(　　　)
(4)1个CO2分子中含2个σ键和2个π键(　　　)
×
×
√
√
探究一__从轨道重叠的角度认识共价键的本质

(1)1s和2p原子轨道示意图如下图所示：
(2)部分物质及元素的电负性如下表所示：
[问题设计]
(1)分别写出H2、HCl、NaCl的电子式，从共用电子对角度解释共价键的本质。
(2)分别写出基态H、Cl的价层电子轨道表示式，从轨道重叠角度认识H2、HCl中共价键的形成。
(3)分析题表中数据，从电负性角度认识共价键和离子键的形成。
提示：当电负性相同或相差不大时，原子之间形成共价键，当电负性相差较大时，原子之间形成离子键。
1．共价键的形成条件
(1)微观角度：两个参与成键的原子都有未成对电子(至少1个)。
(2)宏观角度：通常，电负性相同或相差不大的非金属元素原子形成共价键，但电负性相差不大的金属元素原子与非金属元素原子也可以形成共价键，如Al和Cl等。
2．共价键的本质
共价键的本质是原子轨道重叠后，高概率地出现在两个原子核之间的电子与两个原子核之间的电性作用。
3．共价键的特征
(1)饱和性：每个原子所形成共价键的总数或以共价键连接的原子数目是一定的。
(2)方向性：原子轨道重叠时，将尽可能沿着电子出现概率最大的方向形成共价键。
【例1】 下列关于共价键的说法不正确的是 (　　　)
A．共价键是通过共用电子对形成的
B．形成共价键的原子对应元素的电负性相同或相差不大
C．一般情况下，一个原子有几个未成对电子，形成的共价键数目是一定的
D．共价键是通过共用电子对的相互吸引形成，不属于电性作用
D
解析：
通常情况下，电负性相同或相差不大的元素原子通过共用电子对形成共价键，A、B正确；共价键具有饱和性，一般一个原子有几个未成对电子，形成的共价键数目是一定的，C正确；共价键是原子之间通过共用电子对形成，是一种电性作用，D错误。
1．下列有关共价键的说法正确的是 (　　　)
A．基态碳原子有2个未成对电子，故最多只能形成2个共价键
B．1个氮原子最多只能与3个氢原子结合形成NH3，是由共价键的饱和性决定的
C．某原子与其他原子形成共价键时，其共价键数一定等于该元素原子的价电子数
D．所有的原子轨道都具有一定的伸展方向，故所有的共价键都具有方向性
B
解析：
基态碳原子的价电子数为4，可形成4个共价键，如CH4等，A错误；氮原子有3个未成对电子，结合共价键的饱和性，可以与3个氢原子结合形成NH3，B正确；元素原子的价电子不一定都形成共价键，如O的价电子数为6，一般形成2个共价键，C错误；氢原子1s轨道只有1个伸展方向，故H2分子中s-s σ键无方向性，D错误。
2．下列说法正确的是 (　　　)
A．只有非金属原子之间才能形成共价键
B．所有共价键都具有方向性
C．气体单质中，一定有σ键，可能有π键
D．1个P最多只能与3个H结合形成PH3，是由共价键的饱和性决定的
D
解析：
金属和非金属原子间也可以形成共价键，如AlCl3中就存在着铝原子和氯原子间的共价键，A错误；不是所有的共价键都具有方向性，如H2中的H—H是两个氢原子的s轨道重叠形成的，没有方向性，B错误；气体单质中不一定含有σ键，如稀有气体单质中不存在化学键，C错误；P的价电子数为5，其中有两个电子成对，三个是单电子，P利用其三个单电子和H结合形成PH3，P和H都达到了稳定结构，所以1个P最多只能与3个H结合形成 PH3，是由共价键的饱和性决定的，D正确。
探究二__σ键和π键的区别及特征

下图是乙烷、乙烯、乙炔三种分子的球棍模型和空间填充模型，分析分子结构及原子之间成键情况：
[问题设计]
(1)观察乙烷、乙烯和乙炔的分子结构，它们分子中的共价键分别由几个σ键和几个π键构成？
提示：1个乙烷分子含7个σ键，不含π键；1个乙烯分子含5个σ键和1个π键；1个乙炔分子含3个σ键和2个π键。
(2)解释乙烯分子中π键是如何形成的，预测乙炔分子中π键是如何形成的。
提示：乙烯分子中每个碳原子提供1个p轨道以“肩并肩”方式相互重叠形成π键；乙炔分子中碳原子的两个p轨道与另一碳原子中的两个p轨道以“肩并肩”方式相互重叠形成π键。
(3)乙烯与溴的四氯化碳溶液发生加成反应：CH2===CH2＋Br2―→ BrCH2CH2Br。该反应中，CH2===CH2分子中断裂的是________ (填“σ键”或“π键”，下同)，据此得出碳原子之间形成的共价键，________更稳定。
提示：π键　σ键
1．σ键、π键的比较
2.对于σ键和π键应特别注意的问题
(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)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。两个s轨道只能形成σ键，不能形成π键。
(3)两个原子间可以只形成σ键，但不能只形成π键。
【例2】 下列关于σ键和π键的说法错误的是 (　　　)
A.s-s σ键与s-p σ键的电子云形状的对称性相同
B.所有的σ键的强度都比π键的大
C.氢原子只能形成σ键而氧原子可以形成σ键和π键
D.在 H2O2 中只有σ键没有π键
B
解析：
s能级电子云是球形，p能级电子云是哑铃形，但s-s σ键与s-p σ键的对称性相同，均为轴对称，A正确；在N2中，σ键的强度比π键的小，B错误；氢原子只能形成σ键，氧原子可以形成单键或双键，双键中含有σ键和π键，C正确；H2O2分子中只有单键，则只有σ键没有π键，D正确。
3．下列有关σ键和π键的说法正确的是 (　　　)
A.当原子形成分子时，首先形成π键，再形成σ键
B.烯烃发生加成反应时，π键比σ键更难断裂
C.在共价化合物分子中，可能只有π键而没有σ键
D.有些原子在与其他原子形成分子时，只能形成σ键，不能形成π键
D
解析：
当原子形成分子时，原子轨道以“头碰头”方式重叠形成σ键，同时p轨道以“肩并肩”方式重叠形成π键，A错误；烯烃发生加成反应时，断裂π键，故烯烃中π键比σ键更易断裂，B错误；在共价化合物中，不可能只有π键而没有σ键，C错误；只有s轨道的原子(如H、Be等)与其他原子形成分子时，只能形成σ键，不能形成π键，D正确。
4．下列有机化合物中σ键与π键个数比为3∶2的是 (　　　)
A.CH3CH3　　　　　 B．CH2===CH2
C.CH≡CH D．CH4
C　
解析：
CH3CH3中有7个σ键，没有π键，A错误；CH2===CH2中有5个σ键和1个π键，B错误；HC≡CH中有3个σ键和2个π键，则σ键与π键个数比为3∶2，C正确；CH4中有4个σ键，没有π键，D错误。
1．下列关于σ键和π键的说法不正确的是 (　　　)
A.σ键和π键不能同时存在于同一个分子中
B.σ键由原子轨道“头碰头”重叠形成，π键由原子轨道“肩并肩”重叠形成
C.丙烯(CH2===CHCH3)分子中含有8个σ键和1个π键
D.氢分子中存在σ键，氧分子中存在σ键和π键
A　
解析：
同一分子中可同时含有σ键和π键，如O2、N2等，A错误；丙烯分子中单键都是σ键，碳碳双键含有σ键和π键，故分子中含有8个σ键和1个π键，C正确；氢分子、氧分子的结构式分别为H—H、O===O，故前者只含σ键，后者含有σ键和π键，D正确。
2．下列说法正确的是 (　　　)
B　
A.图1为CH4分子的球棍模型
B.图2为基态氮原子的电子排布图
C.图3为铍原子最外层的电子云轮廓图
D.图4为用原子轨道描述氢气分子中化学键的形成
解析：
3．下列物质的分子中既有σ键又有π键的是 (　　　)
①HCl　②H2O　③N2　④H2O2　⑤C2H4　⑥C2H2
A.①②③ B．③④⑤⑥
C.①③⑤ D．③⑤⑥
D　
解析：
当两个原子间能形成多个共用电子对时首先形成一个σ键，另外的原子轨道形成π键。N2中存在三键，三键含有一个σ键和两个π键；C2H4中存在碳碳双键，双键含有一个σ键和一个π键；C2H2中存在三键，三键含有一个σ键和两个π键。HCl、H2O、H2O2中只有σ键。
4．σ键可由两个原子的s轨道、一个原子的s轨道和另一个原子的p轨道以及一个原子的p轨道和另一个原子的p轨道以“头碰头”方式重叠而成。则下列分子中的σ键是由一个原子的s轨道和另一个原子的p轨道以“头碰头”方式重叠构建而成的是 (　　　)
A.H2 B．HF
C．Cl2 D．F2
B　
解析：
H2分子中存在s-s σ键，Cl2和F2中均存在p-p σ键，A、C、D均错误；HF中共价键是由氢原子的1s轨道和氟原子的2p轨道以“头碰头”方式重叠形成，B正确。
5．在下列物质中：①NaOH；②CH2Cl2；③PH3；④Na2O2；⑤C2H4；⑥(NH4)2S；⑦CO2；⑧C2H2。用物质的标号填空：
(1)既含有离子键又含有极性共价键的化合物是________。
(2)既含有离子键又含有非极性共价键的化合物是________。
(3)既含有σ键又含有π键的是________。
(4)只含有σ键，不含π键的是________。
答案：(1)①⑥　(2)④　(3)⑤⑦⑧　(4)②③

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