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第二章　分子结构与性质
第一节　共价键
第2课时　键参数——键能、键长与键角
课程标准 核心素养目标
1.共价键的键能、键长和键角可以用来描述键的强弱和分子的空间结构。
2．知道键能和键长与分子的稳定性密切相关，键角是描述分子空间结构的重要参数。 1.宏观辨识与微观探析：理解键能、键长和键角等键参数的含义，能利用键参数从微观角度解释物质的某些性质。
2．科学态度与社会责任：通过共价键理论模型的发展过程，初步体会不同理论模型的价值和局限。
一、键能
1．概念
键能是指气态分子中_________化学键解离成气态______所吸收的能量，共价键的强弱可用键能来衡量。
1 mol
原子
2．测定标准
(1)键能通常是______________________条件下的标准值。
(2)键能可通过实验测定，更多的却是推算获得的。例如，断开CH4中的4个C—H，所需能量并不相等，故CH4中的C—H键能只是_________。
3．应用
键能可用于估算化学反应热效应，某一化学反应是吸热反应还是放热反应，可通过相关化学键的键能计算获得。
298.15 K、101 kPa
平均值
二、键长
1．概念
(1)键长是构成化学键的两个原子的_________。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______位置时的_________。
(2)键长是衡量共价键强弱的另一重要参数，用图示表示如下。
核间距
平衡
核间距
2．键长与键的稳定性的关系
一般而言，化学键的键长越短，化学键的键能________，化学键就______，键就_________。
越大
越强
越牢固
三、键角
1．概念
在多原子分子中，两个相邻共价键之间的______称为键角。多原子分子的键角一定，表明共价键具有_________。
2．测定方法
键长和键角的数值可通过晶体的X射线衍射实验获得。例如，CO2、H2O、NH3的键角与分子的空间结构如下图所示：
夹角
方向性
3．键角与分子性质的关系
键角是描述分子____________的重要参数，分子的许多性质都与键角有关。
空间结构
◆名师点拨
键能的应用
(1)判断共价键的稳定性：一般情况下，共价键的键能越大，共价键越牢固。
(2)判断分子的稳定性：组成和结构相似的分子，共价键的键能越大，分子越稳定。
(3)判断分子(物质)的活泼性：在双原子分子中，N≡N的键能最大，故N2的活泼性较差。
◆拓展延伸
键长的影响因素
(1)键长的影响因素有成键原子半径、成键原子形成共用电子对的数目。
(2)一般情况下，成键原子半径越大，键长越长。例如，原子半径：F＜Cl＜Br＜I，则键长：F—F＜Cl—Cl＜Br—Br＜I—I。
(3)成键原子种类相同时，形成共用电子对数越多，键长越短。例如，键长：C—C＞C===C＞C≡C。
◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”)
(1)一般情况下，键长越大，键能越大，物质的稳定性越强(　　　)
(2)同种原子形成共价键的键长：三键＜双键＜单键(　　　)
(3)乙烯分子中碳原子形成共价键的键能：σ键＞π键(　　　)
(4)由于键长：N—H＞O—H，故键能：N—H＞O—H(　　　)
×
√
√
×
探究一__用键参数解释物质的某些性质

有机物是生命产生的基础，主要含C、H、O、N等元素，含有的共价键主要有C—C、C===C、C≡C、C—H、N—H等。部分共价键的键长和键能数据如表所示：
[问题设计]
(1)分析表中数据，总结C—C、C===C、C≡C的键长、键能的变化规律。
提示：C—C、C===C、C≡C的键长逐渐减小，键能逐渐增大。
(2)从键能角度分析乙烯、乙炔易发生加成反应的原因。
提示：碳碳键中π键比σ键的键能小，π键不如σ键牢固，易发生断裂，故乙烯、乙炔易发生加成反应。
键参数对分子结构及性质的影响
【例1】 下列与键参数有关的说法错误的是 (　　　)
A．键角：CO2>H2O>CH4
B．键长：Si—H>P—H>S—H
C．键能：E(H—F)>E(H—Cl)>E(H—Br)
D．组成和结构相似的分子，共价键的键能越大，分子通常越稳定
A
解析：
CO2为直线形分子，键角为180°，CH4为正四面体形分子，键角为109°28′，H2O是V形分子，键角为105°，故键角：CO2>CH4>H2O，A错误；由于原子半径：Si＞P＞S，则键长：Si—H>P—H>S—H，B正确；原子半径：F＜Cl＜Br，则键长：H—FE(H—Cl)>E(H—Br)，C正确；组成和结构相似的分子，共价键的键能越大，共价键越难断裂，分子通常越稳定，D正确。
1．下列关于键长、键能和键角的说法不正确的是 (　　　)
A．键角是描述分子空间结构的重要参数
B．键长的大小与成键原子的半径有关
C．键能越大，键长越长，共价键越牢固
D．利用键能数据，可估算化学反应热效应
C
解析：
一般情况，原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越牢固，分子的稳定性越强，C错误。
2．已知有关氮、磷的单键和三键的键能数据如下表：
下列说法不正确的是 (　　　)
A．1 mol P4中含P—P的数目为4NA
B．P4分子中只含σ键，不含π键
C．P原子半径较大不易形成π键
A
解析：
1个P4中含有6个P—P，故1 mol P4中含P—P的数目为6NA，A错误；P4分子中只含单键(P—P)，故分子中只含σ键，不含π键，B正确；π键是轨道以“肩并肩”重叠形成的共价键，P原子半径比N原子半径大，在相互靠近的时候“肩并肩”形成π键的概率小，故P和P之间不易形成π键，C正确；N2中共价键为N≡N，N4中共有6个N—N，由表中数据计算比较可知N2比N4能量更低，更稳定，所以氮元素通常以N2形式存在，D正确。
[问题设计]
(1)根据上述反应的ΔH及表中数据，计算C===C的键能E(C===C)。
提示：614.9 kJ/mol；该反应中苯环未发生变化，根据“ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能”可得：ΔH＝[5E(C—H)＋E(C—C)]－[3E(C—H)＋E(C===C)＋E(H—H)]＝(5×413.4 kJ/mol＋347.7 kJ/mol)－(3×413.4 kJ/mol＋E(C===C)＋436.0 kJ/mol)＝＋123.6 kJ/mol，则E(C===C)＝614.9 kJ/mol。
(2)根据键能数据推测C—C、C===C、C≡C的键长由小到大的顺序为________________。
提示：C≡C＜C===C＜C—C
微观键能与宏观反应热之间的关系
(1)根据键能计算反应热(ΔH)：ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能。
(2)计算反应物(或生成物)的总键能时，要根据分子结构确定含有共价键的种类和个数，并考虑化学方程式中相应物质的化学计量数。
【例2】 下表是一些键能数据(kJ/mol)，以下说法正确的是 (　　　)
D
解析：
由题表中数据可知，原子半径：F＞H，但键能：H—F＞H—H，因此不能得出半径越小的原子形成的共价键越牢固的结论，A错误；F、Cl、Br、I为同主族元素，由H—F、H—Cl、H—I的键能可以看出，同主族元素与相同原子结合形成共价键时，原子半径越小，共价键越强。Br的原子半径介于Cl与I之间，C—Br的键能介于C—Cl与C—I之间，即218～330 kJ/mol，B错误；键长越长，键能越小，断裂消耗的能量就越少；由键能数据可推测H—F比H—Cl的键长要短，C错误；根据“ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能”，则有ΔH＝(8×436.0 kJ/mol＋8×255 kJ/mol)－(2×8× 339 kJ/mol)＝＋104 kJ/mol，即a＝＋104，D正确。
3．已知各共价键的键能如下表所示，下列说法正确的是 (　　　)
D
A.稳定性： H—I＞H—Cl＞H—F
B．表中看出F2能量最低
C．H2(g)＋F2(g)===2HF(g)　ΔH＝＋25 kJ/mol
D．298.7 kJ/mol＜E(H—Br)＜431.8 kJ/mol
解析：
键能越大，共价键越牢固稳定，由于E(H—F)＞E(H—Cl)＞E(H—I)，则稳定性： H—I＜H—Cl＜H—F，A错误；共价键的键能大小和物质本身具有的能量无直接关系，不能判断F2具有能量的高低，B错误；H2(g)＋F2(g)===2HF(g)的ΔH＝E(H—H)＋E(F—F)—2E(H—F)＝436.0 kJ/mol＋157 kJ/mol－2×568 kJ/mol＝－543 kJ/mol，C错误；原子半径：F＜Cl＜Br＜I，则键长：H—F＜H—Cl＜H—Br＜H—I，推测键能：E(H—F)＞E(H—Cl)＞E(H—Br)＞E(H—I)，即298.7 kJ/mol＜E(H—Br)＜
431.8 kJ/mol，D正确。
1．下列有关共价键和键参数的说法正确的是 (　　　)
A．H2O、CH4、CO2三种分子的键角依次减小
B．C—H比Si—H的键长短，故CH4分子比SiH4分子稳定
C．1个乙烯分子中含有1个π键和4个σ键
D．碳碳双键比碳碳单键的键能更大，故碳碳双键更稳定
B　
解析：
H2O是V形分子，键角为105°，CH4是正四面体形分子，键角为109°28′，CO2是直线形分子，键角为180°，故键角：H2O＜CH4＜CO2，A错误；C、Si是同一主族元素，元素原子半径：C＜Si，则键长：C—H＜Si—H，键长越短，断裂化学键需吸收的能量就越高，含有该化学键的物质稳定性就越强，故CH4比SiH4稳定，B正确；乙烯结构简式为CH2===CH2，1个分子中含有5个σ键和1个π键，C错误；碳碳双键中有一个σ键和一个π键，而碳碳单键都是σ键，双键中的π键重叠程度小于σ键，尽管碳碳双键比碳碳单键的键能更大些，但碳碳双键含有重叠程度比较小的π键，因而更容易发生化学反应，其稳定性不如单键，D错误。
2．参考表中化学键的键能与键长数据，判断下列分子最稳定的是 (　　　)
D　
解析：
物质中的化学键键能越大，断裂时吸收的能量越多，则化学键越稳定，分子也越稳定，从题图中可知，H—F的键能最大，最难断裂，故最稳定的分子是HF。
3．下列说法正确的是 (　　　)
A．已知N—N键能为193 kJ/mol，故氮氮三键的键能为3×193 kJ/mol
B．H—H键能为436.0 kJ/mol，F—F键能为157 kJ/mol，故F2比H2稳定
C．某元素原子最外层有1个电子，它与卤素原子相结合时，所形成的化学键为离子键
D．H—F键长为92 pm，其含义为H、F两原子核间的平均间距
D　
解析：
氮氮单键中只含有σ键，氮氮三键中含有2个π键和1个σ键，σ键与π键键能不同，故氮氮三键的键能不是3×193 kJ/mol，A错误；键能越大，化学键越牢固，H—H键能为436.0 kJ/mol，F—F键能为157 kJ/mol，故H2比F2稳定，B错误；原子最外层有1个电子，可能为氢原子，与卤素原子相结合时，所形成的化学键为共价键，C错误；键长是指构成化学键的两个原子的核间距，D正确。
4．下列说法能用键能大小来解释的是 (　　　)
A．N2的化学性质比O2更稳定
B．相同状况下，氯气的密度比空气的大
C．稀有气体一般难发生化学反应
D．HI的沸点比HCl的沸点高
A　
解析：
N2分子中存在N≡N，O2分子中存在O===O，由于三键的键能大于双键，故N2的化学性质比O2更稳定，A正确；氯气的摩尔质量大于空气的平均摩尔质量，故相同状况下氯气的密度比空气的大，与键能大小无关，B错误；稀有气体原子的最外层达到8电子稳定结构(He为2电子)，不易得失电子，故稀有气体的化学性质稳定，难发生化学反应，与核外电子排布有关，C错误；键能影响物质的稳定性，与物质的沸点高低无关，D错误。
(1)把1 mol Cl2分解为气态原子时，需要__________(填“吸收”或“放出”)________kJ能量。
(2)由上表中所列化学键形成的单质分子中，最稳定的是________(填化学式，下同)，最不稳定的是________。
(3)试通过键能数据估算H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)的反应热ΔH＝________。
答案：(1)吸收　242.7　(2)N2　I2　(3)－184.9 kJ/mol
解析：
(2)键能越大，化学键越强，物质越稳定，因此表中所列化学键形成的单质分子中，最稳定的是N2，最不稳定的是I2，形成的化合物分子中最稳定的是H2O。
(3)根据ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能可得：ΔH＝436.0 kJ/mol＋242.7 kJ/mol－2×431.8 kJ/mol＝－184.9 kJ/mol。

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