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第2章　微粒间相互作用与物质性质
第1节　共价键模型
第2课时　键参数
1.知道键能、键长、键角等键参数的概念。
2.能用键参数说明简单分子的某些性质。
学习目标
键参数和分子光谱
知能通关
1.键长
(1)概念:两个成键原子的　　　　　间的距离。
(2)意义:键长愈　　　　　　,化学键愈强,键愈牢固。
(3)影响因素:成键原子的半径。一般原子半径越小,键长越短。
原子核
短
下列说法正确的是　　　　。
①在分子中,两个成键原子间的距离叫作键长
②双原子分子中化学键键长越长,分子越牢固
③乙烷、乙烯、乙炔、苯分子中碳碳键键长:乙烷>苯>乙烯>乙炔
④从键长的角度来判断共价键稳定性:H—F>H—N
小题对点过
③④
2.键角
(1)概念:在多原子分子中,　　　　化学键的夹角叫作键角。
(2)意义:可以描述多原子分子的　　　　　　。
(3)常见分子的空间结构和键角
两个
分子空间结构 键角 实例
正四面体形 CH4、CCl4
60° 白磷(P4)
平面三角形 120° 苯、乙烯、SO3、BF3
三角锥形 NH3
角形 H2O
直线形 CO2、CS2、CH≡CH
空间结构
109°28'
107.3°
104.5°
180°
3.键能
(1)概念:在1×105 Pa、298 K条件下,断开　　　　　　 AB(g)分子中的化学键,使其分别生成　　　　　　A原子和　　　　　　B原子所吸收的能量。
(2)表示方法:常用EA-B表示。
(3)单位:　　　　　　。
1 mol
气态
气态
kJ·mol-1
(4)应用
①键能越大,断开化学键需要吸收的能量越多,化学键越　　　　。
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　　　　。
③判断化学反应中的能量变化
在化学反应中,断裂旧化学键吸收能量,形成新化学键释放能量,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。当ΔH<0时,为放热反应;当ΔH>0时,为吸热反应。
稳定
稳定
下列说法正确的是　　　　。
①稀有气体一般难发生化学反应,是因为分子中键能较大
②已知石墨转化为金刚石要吸热,则等量的石墨与金刚石相比，石墨的总键能大
③HF、HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱,与共价键的键能大小有关
④共价键的键能越大,键长越短
②③④
小题对点过
4.键参数对分子性质的影响
下表是H—X的键能数据
吸收862 kJ的能量
小题对点过
共价键 H—F H—Cl H—Br H—I
键能/(kJ·mol-1) 565 431 363 297
(1)若使2 mol H—Cl键断裂为气态原子,则发生的能量变化是　　 　　　　。
(2)表中共价键最难断裂的是　　　　　　,最易断裂的是　　　　　　。
(3)由表中键能数据大小说明键能与分子稳定性的关系:HF、HCl、HBr、HI的键能依次　　　　, 说明四种分子的稳定性依次　　　　, 即　　　　分子最稳定,最难分解,________分子最不稳定,最易分解。
H—F
H—I
减小
减弱
HF
HI
解析　(1)H—Cl键断裂吸收能量,2 mol H—Cl键断裂吸收能量为2 mol×431 kJ·mol-1=862 kJ。(2)H—F键的键能最大,因此最难断裂;H—I键的键能最小,因此最易断裂。(3)由表中数据可知,HF、HCl、HBr、HI的键能依次减小,因此HF分子最稳定,HI分子最不稳定。
5.分子光谱
(1)概念:分子从一种能级改变到另一种能级时　　　　　或________的光谱。
(2)影响因素:　　　　　　　、　　　　　　　和电荷分布等。
(3)应用:测定和鉴别　　　　　结构。
吸收
发射
键长
键角
分子
1.下列有关化学键的比较错误的是(　　)
A.键能:C—NBr—Br>Cl—Cl
C.键角:H2O>CO2 D.乙烯分子中碳碳键的键能:σ键>π键
解析　三键的键能大于双键,双键的键能大于单键,所以键能:C—NBr—Br>Cl—Cl,B项正确;H2O分子呈角形,两个氢氧键的夹角为104.5°,CO2分子呈直线形,两个碳氧键的夹角为180°,故键角:H2Oπ键,D项正确。
C
2.下列各组比较项目包含的数据关系中,前者比后者大的是(　　)
A.CH4分子与P4分子中的键角
B.C2H2与C6H6分子中碳碳键键长
C.氨水与氯水中微粒种数
D.H2O2与O2分子中氧氧键键能
A
已知上述反应中相关化学键的键能数据如下:
化学键 C—H C==O H—H C≡O(CO)
键能/kJ·mol-1 413 745 436 1 075
则反应的ΔH=　　　　　　　　　　　　。
(2)F2与其他卤素单质反应可以形成卤素互化物,如ClF3、BrF3等。已知反应Cl2(g)+3F2(g)===2ClF3(g) ΔH=-313 kJ·mol-1,F—F键的键能为159 kJ·mol-1,
Cl—Cl键的键能为242 kJ·mol-1,则ClF3中Cl—F键的平均键能为　　kJ·mol-1。
+120 kJ·mol-1
172
解析　(1)反应的ΔH=(413 kJ·mol-1×4+745 kJ·mol-1×2)-(1 075 kJ·mol-1×2+436 kJ·mol-1×2)=+120 kJ·mol-1。(2)ΔH=(242 kJ·mol-1+159 kJ·mol-1×3)-(6×ECl-F)=-313 kJ·mol-1,解得Cl—F键的平均键能为172 kJ·mol-1。
理解键参数的三个注意点
(1)并不是所有共价键都存在三个键参数,如双原子分子中不存在键角。
(2)由分子构成的物质,其熔、沸点与共价键的键能和键长无关,而分子的稳定性由键长和键能大小决定。
(3)并非所有的共价键都满足“键长越短,键能越大”，如卤素单质中的键长:Cl—Cl课堂 达标训练
1.能说明BF3分子的4个原子在同一平面的理由是(　　)
A.任意两个B—F键之间的夹角为120°
B.B—F键为极性共价键
C.3个B—F键的键能相同
D.3个B—F键的键长相等
解析　BF3分子中键能、键长与分子的空间结构无关,只有键间夹角是120° 决定了BF3分子中的4个原子在同一平面内,A项符合题意。
A
2.下列说法不正确的是(　　)
A.键角:CH4>H2O B.分子或离子中键角:H2OC.键能:C≡C<3C—C D.键长:C—H解析　CH4的键角为109°28';H2O的键角为104.5°,所以键角:CH4>H2O,A正确;H3O+与NH3结构相似,NH3的键角为107.3°,故键角:H2ON—H>O—H,D错误。
D
3.下列说法错误的是(　　)
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,多原子分子的键角一定,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
B
解析　键能指1 mol气态分子中的化学键解离成气态原子所吸收的能量,键能越大,意味着化学键越稳定,越不容易断裂,A正确;键长是形成共价键的两个原子之间的核间距,键长越短,往往键能越大,共价键越稳定,B错误;相邻两个共价键之间的夹角称为键角,多原子分子的键角一定,说明共价键具有方向性,C正确;元素的原子形成共价键时,当一个原子的所有未成对电子和另一些原子中自旋方向相反的未成对电子配对成键后,就不再跟其他原子的未成对电子配对成键,例如H2O分子中,O原子有两个未成对电子,它只能跟两个H原子的未成对电子配对,因此,共价键具有饱和性,D正确。
4.下列有关乙烷、乙烯、乙炔、苯分子结构的比较错误的是(　　)
A.乙烷、乙烯、乙炔、苯分子中所有原子均处于同一平面上
B.碳碳键的键长:乙烷>苯>乙烯>乙炔
C.碳碳键的键能:乙炔>乙烯>苯>乙烷
D.键角:乙炔>乙烯=苯
A
解析　乙炔是直线形结构,乙烯和苯是平面形结构,乙烯、乙炔、苯分子中所有原子均处于同一平面上,而乙烷分子为空间立体结构,所有原子不可能在同一平面上,A项错误;苯分子中的碳碳键是介于碳碳单键和碳碳双键之间的特殊共价键,碳碳键的键长:乙烷>苯>乙烯>乙炔,B项正确;一般而言,键长越短,键能越大,碳碳键的键能:乙炔>乙烯>苯>乙烷,C项正确;乙炔中键角为180°,乙烯中键角约为120°,苯中键角是120°,D项正确。
5.用“>”或“<”填空。
(1)比较键长大小:
①C—H　　　　N—H　　　　H—O; ②H—F　　　　H—Cl。
(2)比较键能大小:
①C—H　　　　N—H　　　　H—O;②H—F　　　　H—Cl。
(3)比较键角大小:
①CO2　　　　NH3;②H2O　　　　NH3。
>
>
<
<
<
>
>
<
解析　(1)由于C、N、O原子的半径依次减小,所以C—H、N—H、H—O键的键长依次减小;F原子的半径小于Cl原子,因此H—F键的键长小于H—Cl键。(2)由于C—H、N—H、H—O键的键长依次减小,因此键能依次增大;由于H—F键的键长小于H—Cl键,因此H—F键的键能大于H—Cl键。(3)CO2为直线形分子,键角180°,NH3为三角锥形分子,键角为107.3°,H2O为角形分子,键角为104.5°,故键角CO2大于NH3。H2O分子中键角小于NH3分子。
课时精练8
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
1.(2025·大庆高二开学考试)下列说法中错误的是(　　)
A.分子的性质与键角无关
B.在分子中,两个成键原子的核间距叫键长
C.键角是描述分子空间结构的重要参数
D.键长的长短与成键原子的半径和成键数目有关
A
解析　键角是描述分子立体结构的重要参数,与分子的性质有关,故A项错误;两个成键原子的原子核间的距离叫该化学键的键长,故B项正确;影响键长的因素有:参与成键原子的半径和成键数目、成键原子的周围环境等,故D项正确。
2.下列事实不能用键能的大小来解释的是(　　)
A.N元素的电负性较大,但N2的化学性质很稳定
B.Cl2、Br2、I2的氧化性逐渐减弱
C.HF、HCl、HBr、HI的稳定性逐渐减弱
D.F2比O2更容易与H2反应
解析　N2分子中两个N原子之间形成氮氮三键,键能很大,因此N2化学性质稳定,A不符合题意;同主族元素自上而下氧化性减弱与键能大小无关,B符合题意;HF、HCl、HBr、HI的稳定性逐渐减弱是因为它们分子内共价键的键能逐渐减小,C不符合题意;F2中的F—F键比O2中的O=O键键能小,更容易断裂,所以F2比O2更容易与H2反应,D不符合题意。
B
3.(2025·郑州高二月考)下列关于键长、键能和键角的说法不正确的是(　　)
A.键长越长,键能越大,共价化合物越稳定
B.通过反应物和生成物分子中键能数据可以粗略预测反应热的大小
C.键长:I—I键>Br—Br键>Cl—Cl键
D.分子中的键角:CO2>H2O
解析　键长越长,键能越小,共价化合物越不稳定,故A项错误;反应热=反应物的总键能-生成物的总键能,则通过反应物和生成物分子中键能数据可以粗略预测反应热的大小,故B项正确;原子半径:I>Br>Cl,则键长:I—I键>Br—Br键>Cl—Cl键,故C项正确;CO2呈直线形,H2O呈角形,故分子中的键角:CO2(180°)>H2O(104.5°),故D项正确。
A
4.已知各共价键的键能(一定条件下,气态原子生成1 mol化学键放出的热量)如表所示,下列说法不正确的是(　　)
A.化学键的稳定性:H—IB.表中最易断裂的共价键是F—F键
C.H2(g)+F2(g)===2HF(g) ΔH=+25 kJ·mol-1
D.431 kJ·mol-1>E(H—Br)>298 kJ·mol-1
C
共价键 H—H F—F H—F H—Cl H—I
键能E/(kJ·mol-1) 436 157 568 431 298
解析　键能越大越稳定,化学键的稳定性:H—IE(H—Br)>298 kJ·mol-1,故D正确。
5.三氯化磷分子的空间结构是三角锥形而不是平面正三角形,其充分的理由是(　　)
A.PCl3分子中P—Cl三个共价键的键长、键角都相等
B.PCl3分子中P—Cl三个共价键键能、键角均相等
C.PCl3分子中的P—Cl键属于σ键
D.PCl3分子中P—Cl键的三个键角都是100.1°,键长相等
解析　PCl3分子中的共价键都是由σ键构成的,键角都是100.1°和键长相等决定其空间结构为三角锥形。
D
6.(2025·德州高二月考)科学家获得了极具理论研究意义的气态N4分子,其分子结构如图所示。已知断裂1 mol N—N键吸收193 kJ热量,形成1 mol N≡N键放出945 kJ热量,根据以上信息判断,下列说法正确的是(　　)
A.1 mol N4转变成N2将放出732 kJ热量
B.N—N键比N≡N键稳定
C.1 mol N4比2 mol N2的总能量低
D.N4是由极性键构成的分子
A
解析　1 mol N4转变成N2时断裂6 mol N—N键,吸收的热量为6×193 kJ=1 158 kJ,形成2 mol N≡N键,放出的热量为2×945 kJ=1 890 kJ,故反应过程中放出的热量为1 890 kJ-1 158 kJ=732 kJ,A项正确;键能越大,共价键越稳定,由题意可知,N≡N键比N—N键的键能大,N≡N键更稳定,B项错误;1 mol N4转化为2 mol N2时放出热量,说明1 mol N4比2 mol N2的总能量高,C项错误;N4中的N—N键是同一元素的原子形成的共价键,属于非极性键,D项错误。
7.下列与键参数有关的说法中错误的是(　　)
A.键角:CO2>CH4>H2O>NH3
B.键长:Si-H>P-H>S-H>Cl-H
C.键能:E(H-F)>E(H-Cl)>E(H-Br)>E(H-I)
D.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　甲烷是正四面体形分子,键角为109°28',氨分子是三角锥形分子,键角为107.3°,水分子是角形分子,键角为104.5°,CO2是直线形分子,键角为180°,因此键角CO2>CH4>NH3>H2O,故A项错误;同周期元素从左至右原子半径逐渐减小,因此键长:Si-H>P-H>S-H>Cl-H,故B项正确;同主族元素从上至下原子半径逐渐增大,因此键长:H-FE(H-Cl)>E(H-Br)>E(H-I),故C项正确;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,故D项正确。
8.下列说法正确的是(　　)
A.键角决定了分子的结构
B.共价键的键能越大,共价键越牢固,含有该化学键的分子越稳定
C.CCl4中键长相等,键角不同
D.C==C中的键能是C—C中的键能的两倍
解析　分子结构是由键角和键长共同决定的,A错;CCl4分子为正四面体形,它们的键角相同,键长相等,C错;C==C中的双键由一个σ键和一个π键构成,通常σ键键能大于π键键能,故C==C中的键能应小于C—C键键能的两倍,D错。
B
9.NH3分子的空间结构是三角锥形,而不是正三角形的平面结构,其充分的理由是(　　)
A.NH3分子内N—H键为极性共价键
B.NH3分子内3个N—H键的键长相等、键角相等、键能相等
C.NH3分子内3个N—H键的键长相等,3个键角都等于107.3°
D.NH3分子内3个N—H键的键长相等,3个键角都等于120°
解析　A项,键的极性与分子的空间结构无关。B项,3个N—H键的键能与键长相同、键角相等仍有可能为平面正三角形。D项,若成立,则说明NH3为正三角形的平面结构,而不是三角锥形,与题干信息矛盾。
C
10.已知:
A.+124 kJ·mol-1 B.+246 kJ·mol-1
C.+368 kJ·mol-1 D.+429 kJ·mol-1
A
化学键 C—H C—C C==C H—H
键能/(kJ·mol-1) 412 348 612 436
解析　反应热=反应物的总键能-生成物的总键能,由有机物的结构可知,该反应的反应热是—CH2CH3中总键能与—CH==CH2、H2总键能的差,即ΔH=(5×412+348-3×412-612-436) kJ·mol-1=+124 kJ·mol-1,故A正确。
11.从实验测得不同物质中氧氧之间的键长和键能的数据:
其中x、y的键能数据尚未测定,但可根据规律性推导键能的大小顺序为w>z>y>x;该规律性是(　　)
A.成键的电子数越多,键能越大 B.键长越短,键能越大
C.成键所用的电子数越少,键能越小 D.成键时电子对越偏移,键能越大
B
物质 O2
键长/10-12m 149 128 121 112
键能/kJ·mol-1 x y z=498 w=628
12.下表为元素周期表前4周期的一部分,下列有关R、W、X、Y、Z五种元素的叙述中,正确的是(　　)
A.W、Z、R元素单质分子内都存在非极性键
B.第一电离能大小顺序:X>W>Y
C.最简单氢化物的键角H—Y—H>H—X—H
D.键长X—HB
解析　由元素在周期表中的位置可知,X为N、W为P、Y为S、R为Ar、Z为Br。R为Ar,其单质属于稀有气体、为单原子分子,没有化学键,A错误;同主族元素第一电离能从上到下递减,同周期元素第一电离能从左到右有增大的趋势,但ⅤA族元素原子核外电子排布形成半满结构,能量较低,则第一电离能大于相邻元素,则第一电离能大小顺序:X>W>Y,B正确;H2S的空间构型为角形,键角为92°,NH3的空间构型为三角锥形,键角为107.3°,则键角H—Y—HX,故键长:W—H键>X—H键,键长越短,键能越大,故键能X—H键>W—H键,D错误。
13.(1)石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构的新材料(结构示意图如图所示),可由石墨剥离而成,具有很好的应用前景。
①石墨烯中的化学键是　　　　(填“极性”或“非极性”)键。
②石墨烯中的键角为　　　　。
(2)已知几种常见化学键的键能如表所示。
非极性
化学键 Si—O H—O Si—Si Si—C
键能/(kJ·mol-1) 368 467 226 x
比较Si—C键与Si—Si键的键能大小:x　　　　(填“>”“<”或“=”)226。
120°
>
解析　(1)①石墨烯中的共价键是由同种元素形成的,属于非极性键。②根据石墨烯的结构可知,石墨烯中的键角为120°。(2)原子半径:Si>C,Si—Si键的键长比Si—C键的键长长,键能比Si—C键的键能小。
B级　素养培优练
选择题有1个或2个选项符合题意
14.键能的大小可以衡量化学键的强弱。下列说法中错误的是(　　)
D
化学键 Si—O Si—Cl H—H H—Cl Si—Si Si—C
键能/kJ·mol-1 368 381 436 431 226 301
A.C—C的键能大于Si—Si
B.HCl的稳定性比HI稳定性高
C.Si—Si键的键长比Si—C键的键长长
D.断开1 mol四氯化硅中的化学键所吸收的能量为381 kJ
解析　C原子半径小于Si原子半径,C—C键的键长比Si—Si键短,键长越短化学键越稳定,所以C—C的键能大于Si—Si,A正确;H—I键的键长比H—Cl键的键长长,键长越短键能越大,化学键越稳定,氢化物越稳定,所以HCl的稳定性比HI稳定性高,B正确;键长:Si—Si键>Si—C键,C正确;1 mol四氯化硅中含有4 mol Si—Cl键,断开1 mol四氯化硅中的化学键所吸收的能量为381 kJ·mol-1×4 mol=1 524 kJ,D错误。
15.第ⅤA族元素的原子R与A原子结合形成RA3气态分子,其空间结构呈三角锥形。RCl5在气态时的分子结构如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.RCl5中每个原子最外层都达到了8电子稳定结构
B.RCl5分子中5个R—Cl键的键能完全相等
C.RCl5分子中R最外层有5个未成对电子
D.Cl—R—Cl的键角有90°、120°、180°三种
D
解析　根据RCl5的结构可知,Cl原子最外层达到了8电子稳定结构,R原子最外层有5个电子,形成5个共用电子对,所以RCl5中R的最外层电子数为10,不满足8电子稳定结构,A项错误。由图可知,RCl5分子结构中有两种R—Cl键,键长越短,键能越大,键长不同,则键能不同,B项错误。RCl5分子中R原子最外层的5个电子分别与5个Cl原子形成5个R—Cl键,无未成对电子,C项错误。根据RCl5的结构可知,上、下两个顶点的Cl原子与中心R原子形成的键角(Cl—R—Cl)为180°,平面上的正三角形中,中心R原子与任意两个顶点的Cl原子形成的键角(Cl—R—Cl)为120°,中心R原子与上(或下)顶点Cl原子及平面正三角形顶点的Cl原子形成的键角(Cl—R—Cl)为90°。所以键角(Cl—R—Cl)有90°、120°、180°三种,D项正确。
16.下表是一些键能数据(单位:kJ·mol-1):
回答下列问题。
(1)由表中数据能否得出这样的结论:
①半径越小的原子形成的共价键越牢固(即键能越大),　　　　(填“能”或“不能”,下同);
②非金属性越强的原子形成的共价键越牢固,　　　　。
不能
键 键能 键 键能 键 键能 键 键能
H—H 436 Cl—Cl 243 H—Cl 432 S==S 255
H—S 339 C—F 427 C—Cl 330 C—I 218
H—F 568 H—O 463 C—O 351
不能
解析　(1)①由表中数据知H—H键键能小于H—F键,故不能得到此结论,②H—S键的键能大于S==S键的键能,故无法得到此结论。
(2)从数据中找出一些规律,请写出一条:___________________________________
　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
试预测C—Br键的键能范围:　　 　　(3)由热化学方程式H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g)　ΔH=-185 kJ·mol-1并结合上表数据可推知一个化学反应的反应热(设反应物和反应产物均为气态)与反应物和反应产物的键能之间的关系是_______________________________________________
________________。由热化学方程式2H2(g)+S2(s)===2H2S(g)　ΔH=-224.5 kJ·mol-1 和表中数值可计算出1 mol S2(s)汽化时将　　　　　　(填“吸收”或“放出”)　　　　kJ的热量。
同主族元素原子与相同原子结合形成共价键时,该主族元素原子半径越小,共价键越牢固
218 kJ·mol-1
330 kJ·mol-1
化学反应的反应热等于反应物的键能之和与生成物的键能之和的差
吸收
4.5
解析　(2)由于C—F键、C—Cl键、C—Br键和C—I键的类型相似,可以通过原子半径和非金属性进行比较,F、Cl、Br、I的半径依次增大,非金属性逐渐减弱,所以它们对共用电子对的引力作用依次减小,键能依次减小。(3)根据表中数据可以计算S2(g)+2H2(g)===2H2S(g)的反应热ΔH=2×436 kJ·mol-1+255 kJ·mol-1-4×339 kJ·mol-1=-229 kJ·mol-1。结合已知热化学方程式可知,1 mol S2(s)转化为1 mol S2(g)需吸收4.5 kJ热量。

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