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　　第三单元　共价键　共价晶体
课时2　共价键键能　共价晶体
专题3　微粒间作用力与物质性质
[学习目标]
1.知道共价键键能、键长的概念，掌握共价键的键能与化学反应过程中能量变化之间的关系，促进宏观辨识与微观探析学科核心素养的发展(重点)。
2.能辨识常见的共价晶体，理解晶体中微粒间相互作用对共价晶体性质的影响，了解常见共价晶体的晶体结构(重、难点)。
新课导入
实验表明，气态氢原子形成1 mol H2要释放出436 kJ的能量。
H
H
成键放出能量
若分解，则断键吸收能量
原子之间形成的共价键的强度可以用键能来描述。
· H
H ·
＋
→
H
H:
如果1 mol H2分解为2 mol H原子，你认为是吸收能量还是放出能量？
一、共价键键能与化学反应的反应热
1.共价键的键能
(1)概念：在101 kPa、298 K条件下，1 mol气态AB分子生成1 mol气态A原子和1 mol气态B原子的过程中所吸收的能量。单位为kJ·mol－1。
键能可通过实验测定，更多的却是推算获得的，键能数据是平均值。
共价键
键能（kJ·mol-1）
H-CH3 → · CH3 ＋H· 439.3
H-CH2 → CH2 ＋H· 442.0
H-CH → CH ＋H· 442.0
H-C → C· ＋ H· 338.6
·
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断开CH4中的4个C-H ，所需能量并不相等，因此，CH4中C-H键的键能是平均值。
C-H 键键能平均值：
= 415.5 kJ·mol-1
一、共价键键能与化学反应的反应热
原子轨道重叠的程度越大，共价键的键能越大，共价键越稳定。
单键 ＜ 双键 ＜ 三键
键 键能 (kJ·mol-1) 键 键能(kJ·mol-1）
C-C 348 N-N 159
C=C 615 N=N 418
C≡C 812 N≡N 946
如何利用数据说明氮气不易加成，而乙炔易加成
键能差值：C≡C与C=C相差197，小于N≡N与N=N差值528。说明C≡C中σ键比N≡N中的σ键键能小，更易断裂。
(2)应用
①判断共价键的稳定性
一、共价键键能与化学反应的反应热
一般来说，结构相似的分子，共价键的键能越大，分子越稳定。
根据键能的大小关系：H－F＞H－Cl＞H－Br＞H－I
判断分子稳定性：HF＞HCl＞HBr＞HI
键 键能(kJ·mol-1)
H－F 567
H－Cl 431
H－Br 366
H－I 298
比较HF、HCl、HBr、HI分子的稳定性？
②判断分子的稳定性
(2)应用
一、共价键键能与化学反应的反应热
③利用键能计算反应热
(2)应用
ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能。
某些共价键键能/kJ·mol-1
H2(g) + Cl2(g) = 2HCl(g)
ΔH =436.0 kJ·mol-1 + 242.7 kJ·mol-1 -2×431.8 kJ·mol-1
= -184.9 kJ·mol-1
根据表中数据，计算 1 mol H2跟 1 mol Cl2反应，生成 2 mol HCl，放出多少能量？
化学反应的实质为旧化学键断裂和新化学键形成。
一、共价键键能与化学反应的反应热
2.共价键的键长
(1)概念：
形成共价键的两个原子核间的平均间距。
单位：pm(1 pm＝10-12 m)
原子半径决定键长，半径越小，键长越短。
Cl2中Cl-Cl键长
键能 (kJ·mol－1 ) 键长 键能(kJ·mol－1 ) 键长
H-H 436 60 H-F 567 92
Cl-Cl 243 198 H-Cl 431 128
Br-Br 193 228 H-Br 366 142
I－I 151 266 H-I 298 162
键长与键能有什么关系？
键长越短，键能越大。
一、共价键键能与化学反应的反应热
2.共价键的键长
(2)应用：
共价键的键长越短，键能越大，表明共价键越稳定，反之亦然。
键能 (kJ·mol－1 ) 键长 键能(kJ·mol－1 ) 键长
H-H 436 60 H-F 567 92
Cl-Cl 243 198 H-Cl 431 128
Br-Br 193 228 H-Br 366 142
I－I 151 266 H-I 298 162
比如键长：Cl-Cl＜Br-Br＜I-I，则分子的稳定性Cl2＞Br2＞I2。
键长：H－I > H－Br > H－Cl，分子稳定性依次增强。
思考交流
一、共价键键能与化学反应的反应热
1.已知N—N、N==N和N≡N的键能之比为1.00∶2.17∶4.90，而C—C、C==C、C≡C的键能之比为1.00∶1.77∶2.34。如何用这些数据理解氮分子不容易发生加成反应而乙烯和乙炔容易发生加成反应？
键能数据表明，N≡N键的键能大于N—N键键能的三倍，N==N键的键能大于N—N键键能的两倍；而C≡C键的键能却小于C—C键键能的三倍，C==C键的键能小于C—C键键能的两倍，说明乙烯和乙炔中的π键不牢固，易发生加成反应，而N2分子中N≡N键非常牢固，所以氮分子不易发生加成反应。
思考交流
一、共价键键能与化学反应的反应热
2.在光照的条件下，烷烃能与氯气发生取代反应。反应的本质是在光照下，氯分子离解成氯原子，氯原子与烷烃进一步发生反应。氯气跟甲烷的反应机理如图所示，请根据Cl—Cl键的键能，计算烷烃与氯气发生取代反应所需光的波长。(光子的能量
与光的频率的关系为E= hν，式中，h=6.626×10-34 J·s。光的波长λ与光的
频率ν的关系为λ=，其中，光速c= 3×108 m·s-1。)
思考交流
Cl—Cl键的键能是243 kJ·mol-1。
ν==≈6.09×1014 s-1，
λ==≈4.93×10-7 m。
一、共价键键能与化学反应的反应热
思考交流
一、共价键键能与化学反应的反应热
3.某些化学键的键能(单位：kJ·mol-1)如表所示：

化学键 H—H Cl—Cl Br—Br I—I H—Cl H—Br H—I
键能 436 243 193 151 431 366 298
183
(1)1 mol H2在2 mol Cl2中燃烧，放出热量　 　 kJ。
根据键能数据可得，H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g)　
ΔH=436 kJ·mol-1+243 kJ·mol-1-431 kJ·mol-1×2=-183 kJ·mol-1，
应用体验
一、共价键键能与化学反应的反应热
(2)在一定条件下，1 mol H2与足量的Cl2、Br2、I2分别反应，放出热量由多到少的顺序是　　　(填字母)。
a.Cl2>Br2>I2 b.I2>Br2>Cl2 c.Br2>I2>Cl2
预测1 mol H2在足量F2中燃烧比在Cl2中燃烧放热　　(填“多”或“少”)。
a
多
生成物越稳定，放出热量越多。
稳定性：HF>HCl
二、共价晶体
1.共价晶体
(1)概念:晶体中所有原子通过共价键结合，形成具有空间网状结构的晶体。
(2)共价晶体中只存在共价键，原子间全部通过共价键相结合。
(3)常见的共价晶体：
①某些单质，如金刚石、晶体硅、晶体硼、晶体锗等。
②某些化合物，如金刚砂(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)等。
二、共价晶体
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8个碳原子，配位数为___。
4
正四面体
109°28'
6
4
二、共价晶体
2.金刚石晶体结构特点
(5)晶体硅
若以硅原子代替金刚石晶体结构中的碳原子，便可得到晶体硅的结构，晶体硅中的硅原子，与其他4个硅原子以共价键结合。不同的是Si—Si键键长____(填“>”“<”或“=”)C—C键键长。
>
二、共价晶体
2.共价晶体的物理性质
(1)熔、沸点很高，硬度大。
(2)结构相似的共价晶体，键长越长，键能越小，熔、沸点越低，硬度越小。
晶体 键长/pm 键能/(kJ·mol－1) 熔点/℃ 硬度
金刚石 154 348 >3 500 10
碳化硅 184 301 2 700 9.5
晶体硅 234 226 1 410 6.5
二、共价晶体
思考交流
1.正误判断
(1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体
(2)共价晶体在固态或熔化时均不导电
(3)共价晶体由于硬度及熔、沸点都较高，故常温时不与其他物质反应
×
×
×
二、共价晶体
思考交流
2.依据金刚石的结构判断12 g金刚石晶体中含C—C共价键的数目是多少？
依据均摊法可知，金刚石中每个碳原子形成4个共价键，其中碳原子数与C—C共价键数之比是1∶2，故12 g金刚石中含有的C—C数目是2NA。
二、共价晶体
思考交流
3.二氧化硅晶体的结构如图所示。
(1)每个硅原子都以___个共价单键与___个氧原子结合，每个氧原子与___个硅原子结合，向空间扩展，构成空间网状结构。
4
4
2
二、共价晶体
思考交流
(2)晶体中最小的环为___个硅原子、___个氧原子组成的____元环。晶体中硅、氧原子个数比为_____，Si原子与Si—O键的个数比为_____。
(3)每个二氧化硅晶胞中含有___个硅原子和____个氧原子。
6
6
12
1∶2
1∶4
8
16
自我测试
1.下表是从实验中测得的不同物质中的键长和键能数据：
O—O O2
键长/(10-12 m) 149 128 121 112
键能/(kJ·mol-1) x y a=494 b=628
其中x、y的键能数据尚未测定，但可根据规律推导键能大小的顺序是b>a>y>x，该规律是
A.成键时，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
√
2.下表是某些共价晶体的熔点和硬度,分析表中的数据，判断下列叙述正确的是
共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗
熔点/℃ 3 900 3 000 2 600 1 710 1 415 1 211
摩氏硬度 10 9 9 7 7 6.0
①构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高
②构成共价晶体的原子间的共价键键能越大，晶体的熔点越高
③构成共价晶体的原子半径越大，晶体的硬度越大
④构成共价晶体的原子半径越小，晶体的硬度越大
A.①②　　　　B.③④　　　　C.①③　　　　D.②④
√
自我测试
自我测试
3.铁氮化合物是磁性材料领域研究中的热点课题之一。晶体中铁的堆积方式为面心立方堆积，氮原子位于体心，沿z轴投影如图所示，已知阿伏加德罗常数的值为NA，Fe(Ⅰ)、Fe(Ⅱ)原子最近距离为a pm。
(1)结构中原子分数坐标A为(0，0，0)，氮原子为，则B原子分数坐标为___________。
自我测试
(2)计算该晶体密度为_________ g·cm-3。
晶胞内含有Fe的个数为6×+8×=4
晶胞内有1个N原子
Fe(Ⅰ)、Fe(Ⅱ)原子最近距离为a pm，所以面对角线长为2a pm
晶胞的边长为a pm=a×10-10 cm
体积为V=(a×10-10)3 cm3
ρ== g·cm-3= g·cm-3
本课结束

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