第二章\n一、共价键1.共价键的形成(1)定义:原子间通过共用电子对所形成的相互作用,叫做共价键。(2)共价键的特征:具有饱和性。(3)本质:原子间通过共用电子对(即原子轨道相互重叠)产生的强烈作用。(4)形成条件:通常是电负性相同或相差不大的非金属元素原子之间形成共价键。(5)表示方法:①用一条短线表示由一对共用电子所形成的共价键,如H—H。②用“=”表示原子间共用两对电子所形成的共价键,如C=C。③用“≡”表示原子间共用三对电子所形成的共价键,如C≡C。\n2.共价键按成键原子轨道的重叠方式分类(1)σ键。\n(2)π键。\n二、共价键的键参数1.键参数——键能、键长与键角\n2.键参数与分子结构和性质的关系\n【自主思考1】为什么不可能有NH4、H3O、H2Cl分子的形成?提示:按照共价键的共用电子对理论,一个原子有几个未成对电子,便可和几个自旋相反的电子配对成键,这就是共价键的“饱和性”。N原子p能级上有三个未成对电子,N可形成三个共价键,而不能形成NH4分子;O原子p能级上有两个未成对电子,O可形成两个共价键,而不能形成H3O分子;H、Cl都只有一个未成对电子,因而只能形成HCl,而不能形成H2Cl。【自主思考2】根据价键理论分析氮气分子中的成键情况,并解释N2通常稳定的原因。提示:氮原子各自用三个p轨道分别与另一个氮原子形成一个σ键和两个π键。N2分子中存在N≡N,其键能大,破坏它需要消耗较大的能量,因而N2通常很稳定。\n【效果自测】1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。(1)两个原子之间形成共价键时,最多有一个σ键。()(2)气体双原子单质分子中,一定有σ键,可能有π键。()(3)一般来说,σ键原子轨道重叠的程度比π键原子轨道重叠的程度大,形成的共价键强度大。()(4)金属元素原子和非金属元素原子间一定不能形成共价键。()(5)键能越大,键长越长,共价化合物越稳定。()(6)两个H原子和1个O原子结合生成H2O,表现了共价键的方向性。()(7)CO2的键角大于NH3的键角。()(8)键能大小E(C—H)<E(N—H)<E(H—O)。()√√√×××√√\n2.下列说法正确的是()。A.π键是由两个p轨道“头碰头”重叠形成的B.σ键的电子云图形是镜面对称的,而π键的电子云图形是轴对称的C.C2H6分子中的共价键全为σ键D.H2分子中含σ键,而F2分子中除σ键外,还含有π键答案:C解析:原子轨道以“头碰头”方式相互重叠形成的共价键为σ键,以“肩并肩”方式相互重叠形成的共价键为π键,A项错误;σ键是轴对称的,而π键是镜面对称的,B项错误;C2H6、H2、F2分子均只有单键,故都是σ键,C项正确,D项错误。\n根据图中表示的结构特点,写出该分子的化学式:A.;B.;C.;D.。答案:NH3HCN CO(NH2)2BF3\n解析:首先注意题给限制条件为1~10号元素,然后分析A对应的物质结构中,大球对应原子的最外层有两个未成键电子,且形成三个单键,那么该原子最外层必然有5个电子,为N原子,另外三个为氢原子,则A对应的物质的化学式为NH3,同理可分析出B、C、D的化学式分别为HCN、CO(NH2)2和BF3。\n【问题引领】探究任务1建立判断σ键和π键的思维模型1.H原子和H原子、H原子和Cl原子、Cl原子和Cl原子分别均以σ键结合成H2、HCl和Cl2,形成共价键的原子轨道完全相同吗?提示:不相同。H原子的未成对电子位于1s轨道,Cl原子的未成对电子位于3p轨道,即H原子和H原子以1s轨道和1s轨道“头碰头”重叠成键,H原子和Cl原子以1s轨道和3p轨道“头碰头”重叠成键,Cl原子和Cl原子以3p轨道和3p轨道“头碰头”重叠成键。\n2.观察下图乙烷、乙烯和乙炔的分子结构:思考下列问题:(1)乙烷、乙烯和乙炔分子中的共价键分别由几个σ键和几个π键组成?提示:1个乙烷分子由7个σ键组成;1个乙烯分子由5个σ键和1个π键组成;1个乙炔分子由3个σ键和2个π键组成。(2)乙烯和乙炔的化学性质为什么比乙烷活泼呢?提示:乙烯分子中的碳碳双键和乙炔分子中的碳碳三键中分别含有1个π键和2个π键,π键的原子轨道重叠程度小,不稳定,容易断裂,而乙烷中没有π键,σ键稳定,不易断裂。\n【归纳提升】1.σ键和π键的比较\n2.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有三个未成对电子,两个N可以形成N≡N,一个N可与三个H形成,一个NH3分子中含有三个共价键。②共价键的饱和性决定了共价化合物的分子组成。\n(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。结构相似的分子(如HX)中成键原子电子云(原子轨道)重叠程度越大,形成的共价键越牢固,分子结构越稳定。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。\n3.共价键的存在范围(1)共价化合物:以共用电子对(形成共价键)形成分子的化合物称为共价化合物。共价化合物的组成粒子(原子)通过共价键结合成分子,因此共价化合物中一定存在共价键。如SO2、CO2、CH4、H2O2、CS2、H2SO4等。(2)非金属单质分子中,如O2、F2、H2、C60等。\n【典型例题】【例题1】下列分子中σ键和π键数目之比为1∶1的是()。A.O2B.COC.C2H4D.C2H2答案:A解析:O2分子的结构式为O=O,1个O2分子中含有1个σ键和1个π键,σ键和π键数目之比为1∶1,A项正确;CO分子的结构式为C≡O,1个CO分子中σ键和π键的数目之比为1∶2,B项错误;C2H4的结构式为,1个C2H4分子中存在5个σ键和1个π键,σ键和π键的数目之比为5∶1,C项错误;C2H2分子的结构式为H—C≡C—H,1个C2H2分子中σ键和π键的数目之比为3∶2,D项错误。\n方法技巧σ键和π键的判断方法:根据成键原子的价层电子排布确定其未成对电子数,进而判断其能形成的共价键个数。如果两个原子只形成一个共价键,则该共价键一定是σ键;如果两个原子形成多个共价键,则其中一个为σ键,其他的为π键。一般规律是:共价单键是σ键;共价双键中有一个σ键和一个π键;共价三键中有一个σ键和两个π键。\n【变式训练1】下列说法正确的是()。A.若把H2S分子写成H3S分子,违背了共价键的饱和性B.基态C原子有两个未成对电子,所以只能形成两个共价键C.所有共价键都有方向性D.两个原子轨道发生重叠后,两核间的电子不仅仅在两核之间,而是绕两个原子核运动答案:A解析:CH4分子中,碳原子与4个氢原子形成4个共价键,B项错误;H2分子中的s轨道成键时,因s轨道为球形,故H2分子中的H—H共价键无方向性,C项错误;两个原子轨道重叠后,电子在核间出现的概率增大,但不是绕两个原子核运动,D项错误。\n【问题引领】探究任务2键能、键长、键角对分子性质与结构的影响键能、键长是衡量共价键稳定性的参数,下表是某些共价键的键能:1.分析表中HF、HCl、HBr、HI共价键键能的数据,判断哪种物质的稳定性最强?哪种物质的稳定性最差?提示:键能越高,共价键越稳定:HF的稳定性最强,HI的稳定性最差。\n2.根据实验事实H2与N2、O2、F2的反应能力依次增强,从键能与键长的角度应如何理解这一化学事实?提示:由键能的数值可知:H—F>H—O>H—N,而键长:H—F<H—O<H—N,说明分子的稳定性:HF>H2O>NH3,所以N2、O2、F2与H2的反应能力依次增强。\n3.在一定条件下,1molH2与足量的Cl2、Br2、I2分别反应,放出的热量由多到少的顺序是怎样的?\n【归纳提升】1.键能的应用(1)判断共价键的强弱:原子形成共价键时,原子轨道重叠程度越大,体系能量降低得越多,释放出的能量越多,形成的共价键的键能越大,共价键越稳定。(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)判断分子的活泼性:如在所有的双原子分子中,N≡N的键能为946kJ·mol-1,其数值最大,N2的活泼性最差。\n2.键长(1)意义:一般来说,键长越短,键能就越大,键就越稳定,分子就越牢固,受热时就越难分解。(2)影响因素:影响共价键长短的因素是成键原子的半径、成键原子形成共用电子对的数目。一般来说,成键原子的原子半径越小,键长越短;成键原子形成共用电子对的数目越多,键长越短。如键长:F—F>Cl—Cl>Br—Br>I—I,C—C>C=C>C≡C。(3)键长与分子空间结构的关系:键长是影响空间结构的因素之一。如CH4分子的空间结构为正四面体形,CH3Cl分子的空间结构为四面体形而不是正四面体形,原因是C—H与C—Cl的键长不相等。\n3.键角(1)键角决定分子的空间结构。(2)多原子分子中,两个相邻共价键之间形成键角,表明共价键具有方向性。(3)常见分子中的键角:CO2分子中的键角为180°,为直线形分子;H2O分子中键角为105°,为V形分子;CH4分子中键角为109°28',为正四面体形分子。\n【典型例题】【例题2】碳和硅的有关化学键的键能如下所示,简要分析和解释下列有关事实:回答下列问题:(1)通常条件下,比较CH4和SiH4的稳定性强弱:。(2)硅与碳同族,也有一系列氢化物,但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多,原因是。(3)SiH4的稳定性小于CH4的稳定性,Si更易生成氧化物,原因是。\n答案:(1)CH4比SiH4稳定(2)C—C和C—H的键能较高,所形成的烷烃稳定,而硅烷中Si—Si和Si—H的键能较低,易断裂,导致长链硅烷难以生成(3)C—H的键能大于C—O的键能,C—H比C—O稳定,而Si—H的键能却远小于Si—O的键能,所以Si—H不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O解析:(1)因为C—H的键能大于Si—H的键能,所以CH4比SiH4稳定。(2)C—C的键能和C—H的键能比Si—H和Si—Si的键能都大,因此烷烃比较稳定,而硅烷中Si—Si的键能和Si—H的键能较低,易断裂,导致长链硅烷难以生成。(3)C—H的键能大于C—O的键能,C—H比C—O稳定,而Si—H的键能却远小于Si—O的键能,所以Si—H不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O。\n方法技巧组成和结构相似的分子,共价键的键能越大,分子越稳定。\n【变式训练2】下列说法中正确的是()。A.键长越长,键能越大,分子越稳定B.H—Cl的键能为431.8kJ·mol-1,H—I的键能为298.7kJ·mol-1,这可以说明HCl分子比HI分子稳定C.水分子可表示为H—O—H,分子的键角为180°D.H—O的键能为462.8kJ·mol-1,即18gH2O分解成H2和O2时,消耗能量为2×462.8kJ答案:B解析:键长越长,键能越小,分子越不稳定,A项错误;水分子中的键角为105°,C项错误;断裂2molH—O吸收2×462.8kJ能量,18g水分解成H2和O2时,断裂2molH—O,同时还形成0.5molO=O和1molH—H,D项错误。\n
