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第一节　共价键
素养 目标定位
目标素养
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。形成宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养
2.知道根据原子轨道的重叠方式,共价键可以分为σ键和π键等类型。培养证据推理与模型认知的化学学科核心素养
3.知道共价键的键能、键长和键角可以用来描述键的强弱和分子的空间结构。形成宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养
知识概览
课前 基础认知
一、共价键
1.定义:原子间通过　共用电子对　所形成的相互作用为共价键。
2.共价键的特征:共价键的定义表明共价键具有饱和性。
3.共价键的类型。
(1)σ键。
形成 由两个原子的p轨道“肩并肩”重叠形成
p-p型
p-p π键的形成
特征 ①π键的电子云具有镜面对称性,即每个π键的电子云由两块组成,它们互为镜像;
②一般不如σ键牢固,较易断裂
③烯烃、炔烃等分子中含有π键
(2)π键。
(3)判断σ键、π键的一般规律。
共价单键为　σ　键;共价双键中有一个　σ　键、一个　π　键;共价三键由一个　σ　键和两个　π　键构成。
微思考1 分子中的σ键和π键的对称因素不同,若围绕两成键原子所在直线旋转,σ键和π键将会发生怎样的变化
提示:σ键不受影响,π键因轨道重叠部分发生变化而被破坏。
微判断1(1)氯气的分子式是Cl2而不是Cl3,是由共价键的饱和性决定的。(　　)
(2)任何分子中,σ键比π键强度大,更稳定。(　　)
(3)N2分子中σ键与π键的个数比是2∶1。(　　)
√
×
×
×
√
√
√
二、键参数——键能、键长与键角
1.键能。
(1)键能是指气态分子中1 mol化学键解离成气态原子所吸收的能量,常用单位是kJ·mol-1。
(2)键能可用于衡量共价键的强弱。下表中是H—X的键能数据:
共价键 H—F H—Cl H—Br H—I
568 431.8 366 298.7
①若使2 mol H—Cl断裂为气态原子,则发生的能量变化是
吸收863.6 kJ的能量。
②表中共价键最强的是H—F,最弱的是H—I。
③分子稳定性与键能有密切的关系。由表中键能数据可知,HF分子最稳定,HI分子最不稳定。
(3)键能可用于估算化学反应的热效应。已知共价键H—H、Cl—Cl、H—Cl的键能(kJ·mol-1)数值分别为:436、242.7、431.8,则反应H2+Cl2 2HCl的反应热为
ΔH=-184.9 kJ·mol-1,该反应为放热反应。
微思考2 分子中的σ键和π键强弱不同,请根据教材中键能数据描述C==C、N==N、O==O等共价键中π键和σ键的强弱情况。
提示:将C==C、N==N、O==O的键能分别与C—C、N—N、O—O的键能作比较,确定其中π键和σ键的强弱。
2.键长。
(1)键长是构成化学键的两个原子的核间距。因此原子半径决定化学键的键长,原子半径越小,共价键的键长越小。
(2)键长与共价键强弱的关系:共价键的键长越小,往往键能越大,表明共价键越强。
3.键角。
(1)键角是指多原子分子中两个相邻共价键之间的夹角。多原子分子的键角一定,表明共价键具有方向性。键角是描述分子空间结构的重要参数。
(2)根据分子的空间结构填写下列分子的键角:
分子的空间结构 键角 实例
正四面体形 109°28' CH4、CCl4
平面形 120° 苯、乙烯
直线形 180° CO2、CH≡CH
4.键参数的应用。
微判断2(1)所有共价键都具有方向性。(　　)
(2)键角是描述分子空间结构的唯一参数。(　　)
(3)键长是成键两原子半径的和。(　　)
(4)C=C的键能等于C—C的键能的2倍。(　　)
微思考3 分子中键长越小的,其键能是否一定越大
提示:一般共价键键长越小,键能越大,但有例外,如F—F的键长比Cl—Cl的键长小,但F—F的键能比Cl—Cl的键能小。
×
×
×
×
微训练
1.下列关于键长、键角和键能的说法中,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,可估算化学反应的能量变化
答案:C
2.(1)下列三种分子中:①I2、②Cl2、③Br2,共价键的键长最大的是　　　,键能最大的是　　　。
(2)实验测得四种结构相似的单质分子中共价键的键长、键能的数据如下:
已知D2分子的稳定性大于A2分子的稳定性,则a　　　(填“>”或“<”,下同)1.98,d　　　193;a　　　c,b　　　d。
③
①
>
>
<
>
课堂 重难突破
问题探究
共价键形成的本质是原子间通过原子轨道重叠产生的强烈的相互作用。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增大。不同原子轨道之间相互重叠的方式有多种,部分情况的示意图如下:
(1)根据图示思考,共价键为什么有方向性
提示:如题图所示,共价键形成时,两个参与成键的原子轨道总是尽可能沿着电子出现概率最大的方向重叠,重叠程度越大,形成的共价键越牢固,所以共价键有方向性。
(2)是否所有的共价键都有方向性
提示:不是所有的共价键都有方向性,如H2分子中的共价键没有方向性。
(3)p原子轨道互相重叠,除了题中所给方式外,还可能有什么方式
提示:如题图所示,p原子轨道互相重叠属于头碰头方式,还可以肩并肩方式重叠,如下图:
归纳总结
1.共价键的特征。
(1)饱和性。
①一个原子有几个未成对电子,便可以和几个自旋相反的电子配对成键,形成几个共价键。如H、Cl都只有一个未成对电子,因而只能形成H2、HCl、Cl2,即分子中只有一个共价键,而不能形成H3、HCl2、Cl3;一个N有3个未成对电子,两个N可以形成N≡N,一个N可与3个H形成 ,1个NH3分子中含有3个共价键。
②共价键的饱和性决定了共价化合物的分子组成。
(2)方向性。
①共价键形成时,两个参与成键的原子轨道总是尽可能沿着电子出现概率最大的方向重叠,重叠程度越大,形成的共价键越牢固。在结构相似的分子(如HX)中,成键原子的电子云(原子轨道)重叠程度越大,形成的共价键越牢固,分子越稳定。如HX的稳定性:HF>HCl>HBr>HI。
②共价键的方向性决定了分子的空间结构。
③并不是所有的共价键都具有方向性,如两个s轨道形成的共价键没有方向性。
典型例题
【例1】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,其共价键数一定等于该元素原子的价电子数
C.基态C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N原子最多只能与3个H原子结合形成NH3分子,是由共价键的饱和性决定的
答案:D
解析:只有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项不正确。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电子数,B项不正确。在形成CH4分子的过程中,1个碳原子与4个氢原子形成了4个C—H共价键,C项不正确。N原子最外层2p轨道上共有3个未成对电子,1个N原子可以与3个H原子结合形成NH3,此时共价键饱和,D项正确。
【例2】 下列说法正确的是(　　)。
A.氯化氢的分子式是HCl而不是H2Cl,是由共价键的方向性决定的
B.H3O+的存在说明共价键不具有饱和性
C.电子云在两个原子核间重叠后,电子在两核间出现的概率增大
D.含有共价键的化合物一定是共价化合物
答案:C
解析:氯化氢的分子式是HCl而不是H2Cl,与共价键的饱和性有关,A项错误。H3O+的存在是1个水分子上的孤电子对与1个H+结合形成共价键,说明共价键具有饱和性,B项错误。电子云在两个原子核间重叠后,电子出现概率增大,体系能量降低,形成稳定物质,C项正确。离子化合物也可能含有共价键,如NaOH、Na2O2等,只含有共价键的化合物才是共价化合物,D项错误。
问题探究
防晒霜是防止皮肤受紫外线晒伤的护肤品,可通过无机或有机活性成分起到防晒作用。无机防晒成分通常是氧化锌、氧化钛等无机物,它们可以反射和散射紫外线;有机防晒成分通常是肉桂酸酯类、苯并三唑类等,这些物质的分子中含有π键,它们可以吸收紫外线辐射,把辐射能转化成热能。
(1)分子中所有的原子轨道都能形成π键吗
提示:s轨道与s轨道、s轨道与p轨道之间重叠只能形成σ键,不能形成π键。
(2)分子中两个原子间能否只形成π键
提示:两个原子间可以只形成σ键,但不可以只形成π键。
(3)根据共价键的成键特点,指出下图所表示的共价键名称,并列举含有该共价键的一种物质(用分子式表示)。
提示:①s-s σ键 H2　②s-p σ键 HCl　③p-p σ键 Cl2　④pz-pz π键 N2　⑤py-py π键 N2
归纳总结
特别提醒
(1)s电子云轮廓图是球形的,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。 (2)两个原子间可以只形成σ键,但不能只形成π键。 (3)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,π键牢固,故N2中的π键不易断裂,不易发生加成反应和氧化反应。
典型例题
【例3】 下列关于σ键与π键的说法正确的是(　　)。
A.σ键是以“头碰头”方式形成的共价键,π键是以“肩并肩”方式形成的共价键
B. 描述的是π键的形成过程
C.原子轨道以“头碰头”方式相互重叠比以“肩并肩”方式相互重叠的程度小,所以σ键比π键活泼
D. 可以表示N2分子中σ键和π键存在的情况
答案:A
解析:B项中描述的是“头碰头”方式的相互重叠,所以形成的是σ键;σ键的相互重叠程度大于π键,所以σ键更稳定,C项错误。考虑到σ键和π键的相互重叠方式,中间位置形成的是σ键,其他位置形成的是π键,D项错误。
【例4】 (1)CO2分子中存在　　　个σ键和　　　个π键。
(2)柠檬酸的结构简式如图所示。1 mol柠檬酸分子中碳原子与氧原子形成的σ键为　　　　　 mol。
2
2
7
解析:(1)CO2的结构式为O═C═O,1个双键中含有1个σ键和1个π键,因此1个CO2分子中含有2个σ键和2个π键。
(2)羧基的结构为 ,一个羧基中碳原子与氧原子分别形成两个σ键,三个羧基有6个,还有一个羟基与碳原子相连形成一个σ键,因此1 mol柠檬酸分子中碳原子与氧原子形成的σ键为7 mol。
问题探究
碳和硅的有关化学键的键能如下。
化学键 C—C C—H C—O Si—Si Si—H Si—O
347.7 413.4 351 226 318 452
(1)比较CH4和SiH4的稳定性,并说明判断的依据。
提示:C—H的键能大于Si—H的键能,所以CH4比SiH4稳定。
(2)与碳类似,硅也有系列氢化物,但硅的氢化物在种类和数量上远不如碳的氢化物多,试从键能角度说明其中的原因。
提示:C—C和C—H的键能比Si—Si和Si—H的键能都大,因此碳的氢化物比较稳定。硅的氢化物中Si—Si和Si—H的键能较低,易断裂,导致长链硅的氢化物难以生成。
归纳总结
1.共价键参数的应用。
(1)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:结构相似的分子中,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。
(2)键长的应用。
①一般键长越短,键能越大,共价键越强,分子越稳定。
②键长的比较方法:
a.根据原子半径比较,同种类型的共价键,成键原子半径越小,键长越短。
b.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。
(3)键角的应用:键长和键角决定分子的空间结构。
2.共价键强弱的判断。
(1)由原子半径和共用电子对数判断:成键原子半径越小,共用电子对数越多,则共价键越强,含有该共价键的分子越稳定。
(2)由键能判断:共价键的键能越大,共价键的键长越短,共价键越强,破坏共价键消耗的能量越多。
(3)由电负性判断:元素的电负性越大,该元素的原子对共用电子对(键合电子)的吸引力越大,形成的共价键越强。
典型例题
【例5】已知键能、键长部分数据如下表:
(1)把1 mol Cl2(g)分解为气态原子时,需要　　　　　　(填“吸收”或“放出”)　　　　 kJ能量。
(2)根据表中数据判断,下列分子中,最不稳定的单质分子是　　　　　(填化学式,下同);最稳定的化合物分子是　　　　　　。
①CH4　②H2O　③NH3　④I2　⑤Br2　⑥Cl2
(3)下列有关推断正确的是　　　(填字母,下同)。
A.同种元素形成的共价键,强度:三键>双键>单键
B.同种元素形成的双键键能一定小于单键的2倍
C.键长越短,键能一定越大
D.氢化物的键能越大,其稳定性一定越强
(4)在相同条件下,将乙烯、乙炔以相同速率通入等体积同浓度的溴的四氯化碳溶液中,对观察到的现象描述正确的是　　　。
A.前者和后者同时褪色
B.前者后褪色,后者先褪色
C.前者先褪色,后者后褪色
D.无法判断
答案:(1)吸收　242.7　(2)I2　H2O　(3)A　(4)C
解析:(1)键能是指气态分子中1 mol 化学键解离成气态原子所吸收的能量。
(2)键能越大,化学键越稳定,越不容易断裂,物质的化学性质越稳定,因此最不稳定的单质是I2,最稳定的化合物是H2O。
(3)由碳碳键的数据知A项正确。由O—O、O==O的键能知,B项错误。C—H的键长大于N—H的键长,但是N—H的键能反而较小,C项错误。由C—H、N—H的键能知,CH4的键能较大,而稳定性较弱,D项错误。
(4)乙烯分子中一个π键的键能为(615-347.7) kJ·mol-1=267.3 kJ·mol-1,乙炔分子中2个π键总键能为(812-347.7) kJ·mol-1 =464.3 kJ·mol-1,说明断裂乙炔分子中两个π键难于断裂乙烯分子中一个π键,C项正确。
易错警示
键参数的几个认识误区: (1)键长和键角共同决定分子的空间结构。 (2)键长不是成键两原子的原子半径之和,而是小于其半径之和。 (3)通常键能越大,其键长越短,分子越稳定。
成果验收站
1.下列不属于共价键成键条件的是(　　)。
A.共用电子对在两原子核之间出现的概率高
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.两原子体积大小要适中
答案:D
2.共价键是有饱和性和方向性的,下列关于共价键这两个特征的叙述中不正确的是(　　)。
A.共价键的饱和性是由成键原子的未成对电子数决定的
B.共价键的方向性是由成键原子的轨道的方向性决定的
C.共价键的方向性决定了分子的组成
D.共价键的强弱与原子轨道的重叠程度有关
答案:C
3.硫化氢(H2S)分子中两个共价键的夹角约为92°,其原因是(　　)。
①共价键的饱和性　②S原子的电子排布　
③共价键的方向性　④S原子中p轨道的伸展方向
A.①② B.①③
C.②③ D.③④
答案:D
4.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.③⑤⑥ B.③④⑤⑥
C.①②④ D.①②③
答案:A
5.下列反应中,有π键断裂的是(　　)。
A.在通常条件下,将NH3与HCl两种气体混合反应
B.在光照条件下,CH4与Cl2反应
C.催化剂作用下,CH2═CH2与H2加成
D.在光照条件下,H2与Cl2反应
答案:C
6.下列关于σ键和π键的说法正确的是(　　)。
A.σ键是由两个p电子“肩并肩”重叠形成的
B.σ键和π键都是共价键,σ键比π键更稳定
C.乙烯分子和乙炔分子中π键数目相同
D.H2分子中含有σ键,HCl分子中含有π键
答案:B
7.键长、键角和键能是描述共价键的三个重要参数,下列叙述正确的是(　　)。
A.键角是描述分子空间结构的重要参数
B.因为H—O的键能小于H—F的键能,所以O2、F2与H2反应的能力逐渐减弱
C.水分子可表示为H—O—H,分子中的键角为180°
D.H—O的键能为462.8 kJ·mol-1,即18 g H2O分解成H2和O2时,消耗的能量为2×462.8 kJ
答案:A
8.下面是从实验中测得的不同物质中氧氧键的键长和键能的数据:
O—O O2
149 128 121 112
x y z=494 w=628
其中x、y的键能数据尚未测定,但可根据规律推导出键能的大小顺序为w>z>y>x。则该规律是(　　)。
A.键长越大,键能越小
B.成键所用的电子数越多,键能越大
C.成键所用的电子数越少,键能越大
D.成键时共用电子对越偏移,键能越大
答案:A
9.下列有关化学键参数的比较中错误的是(　　)。
A.键能:C—NB.键长:I—I>Br—Br>Cl—Cl
C.键角:H2O>CO2
D.乙烯分子中碳碳键的键能:σ键>π键
答案:C
10.NH3分子的空间结构是三角锥形结构而不是平面正三角形结构,最充分的理由是(　　)。
A.NH3分子内3个N—H的键长均相等
B.NH3分子内3个价键的键角和键长均相等
C.NH3分子内3个N—H的键长相等,键角都等于107°
D.NH3分子内3个N—H的键长相等,键角都等于120°
答案:C
11.下列有关共价键和键参数的说法不正确的是(　　)。
A.1个乙烯(C2H4)分子中含有5个σ键和1个π键
B.C—H比Si—H的键长更短,故CH4比SiH4更稳定
C.HF、H2O、NH3中共价键键长逐渐增大,键能逐渐增大
D.N与3个H结合形成NH3分子,体现了共价键的饱和性
答案:C
12.1个CO(NH2)2分子中含有σ键的个数为　　　　。1 mol乙醛分子中含有 σ键的数目为　　　。(设NA为阿伏加德罗常数的值)
答案: 7　6NA

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