2.1共价键 知识清单 2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修2

2024-2025高中化学选择性必修二第二章分子结构与性质知识清单 第2章 第一节　共价键 一、共价键 1．共价键的概念和特征 原子间通过共用电子对所形成的相互作用。 注：共价键的方向性决定了分子的立体构型，并不是所有共价键都具有方向性，如两个s电子形成共价键时就没有方向性。 2．共价键的类型(按成键原子的原子轨道重叠方式分类) (1)σ键 形成 由成键原子的s轨道或p轨道重叠形成 类型 s－s型 s－p型 p－p型 特征 以形成化学键的两原子核的连线为轴做旋转操作，共价键的电子云的图形不变，这种特征称为轴对称 (2)π键 形成 由两个原子的p轨道“肩并肩”重叠形成 p－p π键 特征 π键的电子云形状与σ键的电子云形状有明显差别：每个π键的电子云由两块组成，它们互为镜像，这种特征称为镜面对称；π键不能旋转；不如σ键牢固，较易断裂 (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，另一个是π键；共价三键由一个σ键和两个π键构成。 二、键参数——键能、键长与键角 1．键能（旧键断裂需要吸收的能量） (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。键能的单位是kJ·mol－1。键能通常是298.15_K、101_kPa条件下的标准值。例如，H—H的键能为436.0 kJ·mol—1。 (2)下表中是H—X的键能数据 共价键 H—F H—Cl H—Br H—I 键能/(kJ·mol－1 ) 568 431.8 366 298.7 ①若使3 mol H—Cl断裂为气态原子，则发生的能量变化是吸收1295.4kJ的能量。 ②表中共价键最难断裂的是H—F（将能最高，物质最稳定），最易断裂的是H—I（键能最低，物质最不稳定，易分解）。 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 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，共价键的键长越短。（径小键短） (2)键长与共价键的稳定性之间的关系：共价键的键长越短，往往键能越大，表明共价键越稳定。 (3)下列三种分子中：①H2、②Cl2、③Br2，共价键的键长最长的是溴单质（原子核间距最大），键能最大的是H2（原子核间距最小，键长最短，键能最大）。 3．键角（描述分子空间结构） (1)键角是指在多原子分子中，两个相邻共价键之间的夹角。在多原子分子中的键角是一定的，这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)根据空间结构填写下列分子的键角： 分子空间结构 键角 实例 正四面体形 109°28′ CH4、CCl4 平面形 120° 苯、乙烯、BF3 三角锥形 107° NH3 V形(或角形) 105° H2O 直线形 180° CO2、CS2、CH≡CH 3、 规律总结 1.σ键与π键的比较 共价键类型 σ键 π键 电子云重叠方式 沿键轴方向相对重叠 沿键轴方向平行重叠 电子云重叠部位 两原子核之间，在键轴处 键轴上方和下方，键轴处为零 电子云重叠程度 大 小 示意图 键的强度 较大 较小 化学活泼性 不活泼 活泼 成键规律 共价单键是σ键；共价双键中一个是σ键，一个是π键；共价三键中一个是σ键，两个是π键（共价化合物中必有σ键，可以没有π键） 2.对于σ键和π键应特别注意的问题 (1)s轨道与s轨道形成σ键时，电子并不是只在两核间运动，只是电子在两核间出现的概率大。 (2)因s轨道是球形的，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。 (3)两个原子间可以只形成σ键，但不能只形成π键。 （4）分子中σ键与π键的判断方法 根据成键原子的价电子数来判断能形成几个共用电子对。如果只有一个共用电子对，则该共价键一定是σ键；如果形成多个共用电子对时，则先形成1个σ键，另外的原子轨道形成π键。 3．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，共价键越稳定，分子越稳定。 ②键长的比较方法 a．根据原子半径比较，同类型的共价键，成键原子的原子半径越小，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 ①键长和键角决定分子的空间结构 ②常见分子的键角与分子空间结构 化学式 结构式 键角 空间结构 CO2 O===C===O 180° 直线形 NH3 107° 三角锥形 H2O 105° V形 BF3 120° 平面三角形 CH4 109°28′ 正四面体形 4.共价键强弱的判断 (1)由原子半径和共用电子对数判断：成键原子的原子半径越小，共用电子对数越多，则共价键越牢固，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，共价键越牢固，破坏共价键消耗的能量越大。 (3)由键长判断：共价键的键长越短，共价键越牢固，破坏共价键消耗的能量越大。 (4)由电负性判断：元素的电负性差越大，该元素的原子对共用电子对的吸引力越大，形成的共价键越稳定。 第二节　分子的空间结构 第1课时　分子结构的测定　多样的分子空间结构价层电子对互斥模型 一、分子结构的测定 1．早年的科学家主要靠对物质的化学性质进行系统总结得出规律后推测分子的结构。 2．如今，科学家应用红外光谱、晶体X射线衍射等现代仪器和方法测定分子的结构。 3．红外光谱工作原理 (1)原理：红外线透过分子时，分子会吸收跟它的某些化学键的振动频率相同的红外线，再记录到谱图上呈现吸收峰。通过和已有谱图库比对，或通过量子化学计算，可以得知分子中含有何种化学键或官能团的信息。 (2)红外光谱仪原理示意图 用红外光谱仪测定化学键或官能团信息。用质谱法测定分子的相对分子质量，在质谱图中质荷比最大的数据代表所测物质的相对分子质量。 二、多样的分子空间结构 分子类型 化学式 空间结构 结构式 键角 空间填充模型 球棍模型 三原子 分子 CO2 直线形 O===C===O 180° H2O V形 105° 四原子 分子 CH2O 平面 三角形 120° NH3 三角锥形 107° 五原子 分子 CH4 四面体形 109°28′ 科学家研制出可望成为高效火箭推进剂的N(NO2)3如图所示。已知 该分子中N—N—N键角都是108.1°。试推测四个氮原子围成的空间是空间正四面体吗？ · 不是。由于N—N—N键角都是108.1°。所以四个氮原子围成的空间不是正四面体而是三角锥形。 三、价层电子对互斥模型 1．价层电子对互斥理论 分子的空间结构是中心原子周围的“价层电子对”相互排斥的结果。 2．中心原子上价层电子对的计算 (1)价层电子对 (2)计算 ①σ键电子对的计算 由分子式确定，即中心原子形成几个σ键，就有几对σ键电子对。如H2O分子中，O有2对σ键电子对，NH3分子中，N有3对σ键电子对。 · ②中心原子上的孤电子对的计算 中心原子上的孤电子对数＝(a－xb) a．a表示中心原子的价电子数。 对于主族元素：a＝原子的最外层电子数。 对于阳离子：a＝中心原子的价电子数－离子的电荷数。 对于阴离子：a＝中心原子的价电子数＋离子的电荷数(绝对值)。 b．x表示与中心原子结合的原子数。 c．b表示与中心原子结合的原子最多能接受的电子数，氢为1，其他原子＝8－该原子的价电子数。 (3)VSEPR模型与分子或离子的空间结构 σ键电子对数＋孤电子对数＝（n）价层电子对数VSEPR模型分子或离子的空间结构。 分子或离子 孤电子对数 价层电子对数 VSEPR 模型名称 分子或离子 的空间结构名称 CO2 0 2 直线形 直线形 SO2 1 3 平面三角形 V形 CO 0 3 平面三角形 平面三角形 H2O 2 4 四面体形 V形 NH3 1 4 四面体形 三角锥形 CH4 0 4 正四面体形 正四面体形 价层电子对之间相互排斥作用大小的一般规律：孤电子对－孤电子对＞孤电子对－成键电子对＞成键电子对－成键电子对。随着孤电子对数目的增多，成键电子对与成键电子对之间的斥力减小，键角也减小。如CH4、NH3和H2O分子中的键角依次减小。 · 核心能力 用价层电子对互斥理论推测分子或离子的空间结构时的常见错误 1计算阴、阳离子的中心原子的价层电子对数时未考虑离子所带电荷而计算错误。 2由电子式或路易斯结构式判断中心原子价层电子对数时未将双键或三键当作一对价层电子对计算。 3不能准确区分和判断孤电子对和成键电子对。判断ABn型分子中孤电子对数的简单方法为孤电子对数＝价层电子对数－n。 4误将VSEPR模型当作分子或离子的空间结构。 5错误地利用相似性规律判断分子或离子的空间结构。 第2课时　杂化轨道理论简介 1．用杂化轨道理论解释甲烷分子的形成 在形成CH4分子时，碳原子的一个2s轨道和三个2p轨道发生混杂，形成4个能量相等的sp3杂化轨道。4个sp3杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道重叠形成4个C—H σ键，所以4个C—H键是等同的。 2．杂化轨道的形成及其特点 3．杂化轨道类型及其空间结构 (1)sp3杂化轨道 sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化形成的。sp3杂化轨道间的夹角是109°28′，空间结构为正四面体形(如下图所示)。 (2)sp2杂化轨道 sp2杂化轨道是由1个s轨道和2个p轨道杂化而成的。sp2杂化轨道间的夹角是120°，呈平面三角形(如下图所示)。 (3)sp杂化轨道 sp杂化轨道是由1个s轨道和1个p轨道杂化而成的。sp杂化轨道间的夹角是180°，呈直线形(如下图所示)。 · sp、sp2两种杂化形式中还有未参与杂化的p轨道，可用于形成π键，而杂化轨道只用于形成σ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。 (4)VSEPR模型与中心原子的杂化轨道类型 杂化轨道类型 VSEPR模型 典型分子 空间结构 sp CO2 直线形 sp2 SO2 V形 sp3 H2O V形 sp2 SO3 平面三角形 sp3 NH3 三角锥形 sp3 CH4 正四面体形 · 核心突破 1．杂化轨道理论要点 (1)只有能量相近的原子轨道才能杂化。 (2)杂化轨道数目和参与杂化的原子轨道数目相等，杂化轨道能量相同。 (3)杂化改变原有轨道的形状和伸展方向，使原子形成的共价键更牢固。 (4)杂化轨道为使相互间的排斥力最小，故在空间取最大夹角分布，不同的杂化轨道伸展方向不同。 (5)杂化轨道只用于形成σ键或用于容纳未参与成键的孤电子对。 (6)未参与杂化的p轨道可用于形成π键。 2．中心原子轨道杂化类型的判断 (1)利用价层电子对互斥理论、杂化轨道理论判断分子构型的思路： 价层电子对杂化轨道数杂化类型杂化轨道构型。 (2)根据杂化轨道之间的夹角判断：若杂化轨道之间的夹角为109°28′，则中心原子发生sp3杂化；若杂化轨道之间的夹角为120°，则中心原子发生sp2杂化；若杂化轨道之间的夹角为180°，则中心原子发生sp杂化。 (3)有机物中碳原子杂化类型的判断：饱和碳原子采取sp3杂化，连接双键的碳原子采取sp2杂化，连接三键的碳原子采取sp杂化。 第三节　分子结构与物质的性质 一、共价键的极性 1．键的极性和分子的极性 (1)键的极性 分类 极性共价键 非极性共价键 成键原子 不同元素的原子 同种元素的原子 电子对 发生偏移 不发生偏移 成键原子 的电性 一个原子呈正电性(δ＋) 一个原子呈负电性(δ－) 呈电中性 (2)极性分子和非极性分子 (3)键的极性与分子极性之间的关系 ①只含非极性键的分子一定是非极性分子。 ②含有极性键的分子，如果分子中各个键的极性的向量和等于零，则为非极性分子，否则为极性分子。 ③极性分子中一定有极性键，非极性分子中不一定含有非极性键。例如CH4是非极性分子，只含有极性键。含有非极性键的分子不一定为非极性分子，如H2O2是含有非极性键的极性分子。 · 键的极性只取决于成键原子的元素种类或电负性的差异，与其他因素无关。 2．键的极性对化学性质的影响 键的极性对物质的化学性质有重要的影响。例如，羧酸是一大类含羧基(—COOH)的有机酸，羧基可电离出H＋而呈酸性。羧酸的酸性可用pKa的大小来衡量，pKa越小，酸性越强。羧酸的酸性大小与其分子的组成和结构有关，如下表所示。 不同羧酸的pKa 羧酸 pKa 丙酸(C2H5COOH) 4.88 乙酸(CH3COOH) 4.76 甲酸(HCOOH) 3.75 氯乙酸(CH2ClCOOH) 2.86 二氯乙酸(CHCl2COOH) 1.29 三氯乙酸(CCl3COOH) 0.65 三氟乙酸(CF3COOH) 0.23 · 为什么甲酸、乙酸、丙酸的酸性逐渐减弱？ 　烃基是推电子基团，烃基越长推电子效应越大，使羧基中的烃基的极性越小，羧酸的酸性越弱。所以，甲酸的酸性大于乙酸的，乙酸的酸性大于丙酸的……随着烃基加长，酸性的差异越来越小。 二、范德华力 1．分子间的作用力——范德华力 (1)概念：物质的分子之间存在着相互作用力，把这类分子间作用力称为范德华力。 (2)影响因素：一般来说，相对分子质量越大，范德华力越大；分子的极性越大，范德华力也越大。 2．范德华力对物质性质的影响 (1)范德华力广泛存在于分子之间，只有分子间充分接近时才有分子间的相互作用力，如固体和液体物质中。 (2)范德华力主要影响物质的熔点、沸点、溶解度等物理性质。 (3)范德华力无方向性和饱和性。只要分子周围空间允许，分子总是尽可能多地吸引其他分子。 　液态苯、汽油等发生汽化时，为何需要加热？降低氯气的温度，为什么能使氯气转化为液态或固态？ · 液态苯、汽油等发生汽化是物理变化，需要吸收能量克服其分子间的相互作用力。降低氯气的温度时，氯气分子的平均动能逐渐减小。随着温度降低，当分子靠自身的动能不足以克服分子间相互作用力时，分子就会凝聚在一起，形成液体或固体。 · 核心突破 1．分子的极性与键的极性和分子空间结构的关系 2.分子极性的判断方法 (1)只含有非极性键的双原子分子或多原子分子大多是非极性分子。如O2、H2、P4、C60。 (2)含有极性键的双原子分子都是极性分子。如HCl、HF、HBr。 (3)含有极性键的多原子分子，空间结构对称的是非极性分子；空间结构不对称的是极性分子。 (4)判断ABn型分子极性的经验规律： ①若中心原子A的化合价的绝对值等于该元素所在的主族序数，则为非极性分子；若不等，则为极性分子。 ②若中心原子有孤电子对，则为极性分子；若无孤电子对，则为非极性分子。 如CS2、BF3、SO3、CH4为非极性分子；H2S、SO2、NH3、PCl3为极性分子。 3．组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，范德华力越大，物质的熔、沸点就越高，如熔、沸点：CF4<CCl4<CBr4<CI4。 4．组成相似且相对分子质量相近的物质，分子极性越大(电荷分布越不均匀)，其熔、沸点就越高，如熔、沸点：CO>N2。 5．在同分异构体中，一般来说，支链数越多，熔、沸点就越低，如沸点：正戊烷>异戊烷>新戊烷。 第2课时　氢键　溶解性　分子的手性 一、氢键及其对物质性质的影响 1．氢键的概念及表示方法 (1)概念：氢键是由已经与电负性很大的原子形成共价键的氢原子(如水分子中的氢)与另一个电负性很大的原子(如水分子中的氧)之间的作用力。 (2)表示方法： 氢键的通式可用X—H…Y—表示。式中X和Y表示F、O、N，“—”表示共价键，“…”表示氢键。 · 一般来说，能形成氢键的元素有N、O、F。所以氢键一般存在于含N—H、H—O、H—F的物质中，或有机化合物中的醇类和羧酸类等物质中。 2．氢键的特征 (1) 氢键不是化学键，而是特殊的分子间作用力，其键能比化学键弱，比范德华力强。 (2)氢键具有一定的方向性和饱和性 X—H与Y形成分子间氢键时，氢原子只能与一个Y原子形成氢键，3个原子总是尽可能沿直线分布，这样可使X与Y尽量远离，使两原子间电子云的排斥作用力最小，体系能量最低，形成的氢键最强、最稳定 (如下图)。 3．氢键的类型 (1)分子间氢键，如水中O—H…O—。 (2)分子内氢键，如。 4．氢键对物质性质的影响 (1)当形成分子间氢键时，物质的熔、沸点将升高。 (2)当形成分子内氢键时，物质的熔、沸点将下降。 (3)氢键也影响物质的电离、溶解等过程。 二、溶解性 1．相似相溶规律 非极性溶质一般能溶于非极性溶剂，极性溶质一般能溶于极性溶剂。如蔗糖和氨易溶于水，难溶于四氯化碳；而萘和碘却易溶于四氯化碳，难溶于水。 2．影响物质溶解性的因素 (1)外界因素：主要有温度、压强等。 (2)氢键：溶剂和溶质之间的氢键作用力越大，溶解性越好(填“好”或“差”)。 (3)分子结构的相似性：溶质和溶剂的分子结构相似程度越大，其溶解性越大。如乙醇与水互溶，而戊醇在水中的溶解度明显减小。 (4)溶质是否与水反应：溶质与水发生反应，溶质的溶解度会增大。如SO2与水反应生成的H2SO3可溶于水，故SO2的溶解度增大。 · 　有机溶剂都是非极性溶剂吗？ 有机溶剂大多数是非极性溶剂，如CCl4、C6H6等，但也有少数的极性溶剂，如酒精。 三、分子的手性 1．手性异构体 具有完全相同的组成和原子排列的一对分子，如同左手与右手一样互为镜像，却在三维空间里不能叠合，互称手性异构体(或对映异构体)。 2．手性分子 有手性异构体的分子叫做手性分子。 如乳酸()分子。 · 　有机物具有手性，其与H2发生加成反应后，其产物还有手性吗？ 原有机物中与—OH相连的碳原子为手性碳原子，与H2加成后，该碳原子连有两个乙基，不再具有手性。 · 范德华力、氢键、化学键的比较 范德华力 氢键 共价键 概念 物质分子之间普遍存在的一种作用力 已经与电负性很强的原子形成共价键的氢原子与另一个电负性很强的原子之间的静电作用 原子间通过共用电子对所形成的相互作用 作用粒子 分子 H与N、O、F 原子 特征 无方向性和饱和性 有方向性和饱和性 有方向性和饱和性 强度 共价键>氢键>范德华力 影响强度的因素　 ①随分子极性的增大而增大 ②组成和结构相似的分子构成的物质，相对分子质量越大，范德华力越大 对于 X—H…Y，X、Y的电负性越大，Y原子的半径越小，作用越强 成键原子半径和共用电子对数目。键长越短，键能越大，共价键越稳定 对物质性质的影响 ①影响物质的熔点、沸点、溶解度等物理性质 ②组成和结构相似的物质，随相对分子质量的增大，物质的熔、沸点升高。如CF4<CCl4<CBr4 ①分子间氢键的存在，使物质的熔、沸点升高，在水中的溶解度增大。如熔、沸点：H2O>H2S ②分子内存在氢键时，降低物质的熔、沸点 共价键键能越大，分子稳定性越强 · 规律总结 1．对物质熔、沸点的影响：分子间存在氢键的物质，物质的熔、沸点明显高，如NH3>PH3；同分异构体分子间形成氢键的物质比分子内形成氢键的物质熔、沸点高，如邻羟基苯甲酸<对羟基苯甲酸。 2．对物质溶解度的影响：溶剂和溶质之间形成氢键使溶质的溶解度增大，如NH3、甲醇、甲酸等易溶于水。 3．对物质密度的影响：氢键的存在会使某些物质的密度反常，如水的密度比冰的密度大。 4．氢键对物质电离性质的影响：如邻苯二甲酸的电离平衡常数Ka1与对苯二甲酸的电离平衡常数Ka1相差较大。 “手性”指一个物体不能与其镜像相重合 。如我们的双手，左手与互成镜像的右手不重合。一个手性分子与其镜像不重合，分子的手性通常是由不对称碳引起，即一个碳上的四个基团互不相同。 通常用(RS)、(DL)对其进行识别。例如： (1)互为手性分子的物质是同一种物质吗？ 二者具有什么关系？ 不是同一种物质，二者互为同分异构体。（称为手性异构或对映异构体） (2)互为手性分子的物质化学性质几乎完全相同，分析其原因。 物质结构决定性质。互为手性分子的物质组成、结构几乎完全相同，所以其化学性质几乎完全相同。 第 1 页 共 17 页 学科网（北京）股份有限公司 $$