2.1.1 共价键-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修2 （人教版2019）

第一节　共价键 第1课时　共价键 [核心素养发展目标]　1.能从微观角度分析形成共价键的微粒、类型，能辨识物质中含有的共价键。2.理解共价键中σ键和π键的区别，建立σ键和π键的思维模型，熟练判断分子中σ键和π键的存在及个数。 一、共价键的形成与特征 1．共价键的形成 (1)概念：原子间通过共用电子对所形成的相互作用。 (2)成键的粒子：一般为非金属原子(相同或不相同)或金属原子与非金属原子。 (3)本质：原子间通过共用电子对(即原子轨道重叠)产生的强烈作用。 (4)键的形成条件：非金属元素的原子之间形成共价键，大多数电负性之差小于1.7的金属原子与非金属原子之间形成共价键。 2．共价键的特征 (1)饱和性 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，便可和几个自旋状态相反的电子配对成键，这就是共价键的饱和性。 (2)方向性 除s轨道是球形对称外，其他原子轨道在空间都具有一定的分布特点。在形成共价键时，原子轨道重叠的越多，电子在核间出现的概率越大，所形成的共价键就越牢固，因此共价键将尽可能沿着电子出现概率最大的方向形成，所以共价键具有方向性，如图所示。 1．水分子中的共价键是哪些原子形成的？为什么水分子中的三个原子不在一条直线上？ 提示　水分子中的共价键是由O原子和H原子形成的单键；共价键的方向性导致水分子中的三个原子不在一条直线上。 2．NH3分子中为什么N原子是1个，而H原子为3个？ 提示　N和H原子的电子式分别为和，N原子最外层有3个未成对电子，H原子有1个未成对电子，形成共价键时每个N原子只需与3个H原子分别形成3个共用电子对即可达到稳定状态，共价键达到饱和，从而决定了分子中H原子个数。 3.从原子轨道重叠角度，当两原子相互靠近时，随着核间距减小，电子在两原子核间距出现的机会增大，体系能量逐渐下降达到能量最低状态。氢分子的能量与核间距的关系如图所示，请思考： (1)自旋状态________(填“相同”或“相反”)的未成对电子形成共用电子对。 (2)曲线________(填“a”或“b”)所示变化中氢原子靠近到一定程度可能形成氢分子。 (3)当氢原子形成氢分子时，氢分子的能量________(填“最高”或“最低”)。 答案　(1)相反　(2)a　(3)最低 4．从电负性的角度理解共价键、离子键的形成条件，完成表中内容。 原子 Na Cl H Cl C O 电负性 0.9 3.0 2.1 3.0 2.5 3.5 电负性之差(绝对值) 结论：当元素的电负性相差很大，化学反应形成的电子对不会被共用，形成的将是________键；而________键是元素的电负性相差不大的原子之间形成的化学键。 答案　2.1　0.9　1.0　离子　共价 1．正误判断 (1)共价键的饱和性是由成键原子的未成对电子数决定的(　　) (2)共价键的饱和性决定了分子内部原子的数量关系(　　) (3)共价键的方向性是由成键原子轨道的方向性决定的(　　) 答案　(1)√　(2)√　(3)√ 2．下列不属于共价键成键因素的是(　　) A．共用电子对在两原子核之间高概率出现 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 解析　两原子形成共价键时，原子轨道在两个原子核间重叠，即电子在两核之间出现的概率更大；两原子原子轨道重叠越多，键越牢固，体系的能量也越低；原子的体积大小与能否形成共价键无必然联系。 3．下列说法正确的是(　　) A．Cl2是双原子分子，H2S是三原子分子，这是由共价键的方向性决定的 B．H2O与H2S的空间结构一样是由共价键的饱和性决定的 C．并非所有的共价键都有方向性 D．两原子轨道发生重叠后，电子在两核间出现的概率减小 答案　C 解析　Cl2是双原子分子，H2S是三原子分子，这是由共价键的饱和性决定的，A不正确；氢气中的共价键没有方向性，C正确；两原子轨道发生重叠后，电子在两核间出现的概率增大，D不正确。 4．下列各组物质中，所有化学键都是共价键的是(　　) A．H2S和Na2O2 B．H2O2和CaF2 C．NH3和N2 D．HNO3和NaCl 答案　C 解析　A项，Na2O2中既有离子键又有O—O共价键，不符合题意；B项，CaF2中只有离子键，不符合题意；D项，NaCl中只有离子键，不符合题意。 对于共价键的错误认识 (1)共价键不仅存在于共价化合物中，也可以存在于离子化合物中，如NaOH、NH4Cl中都含有共价键，还可以存在于非金属单质中，如H2、O3等。 (2)非金属元素之间并不是只形成共价键，也可以形成离子键，如NH4NO3只由非金属元素组成，但是含有离子键。 (3)活泼的金属元素和非金属元素之间也可以形成共价键，如AlCl3中只有共价键。 (4)所有共价键都有饱和性，但并不是所有的共价键都有方向性，如s-s σ键就没有方向性。 二、共价键类型(按成键原子的原子轨道的重叠方式分类) 1．σ键 形成 由两个原子的s轨道或p轨道“头碰头”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；σ键的强度较大 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键的电子云具有镜面对称性，即每个π键的电子云由两块组成，分别位于由两原子核构成平面的两侧，如果以它们之间包含原子核的平面为镜面，它们互为镜像；π键不能旋转；π键不如σ键牢固，较易断裂 3.σ键和π键的一般判断规律 共价单键 一个σ键、无π键 共价双键 一个σ键、一个π键 共价三键 一个σ键、两个π键 1．画出氮原子的轨道表示式，并说明氮分子中的N≡N是由哪些类型的共价键构成的？ 提示　，在2p能级上有三个未成对电子，分别占据2px、2py、2pz三个原子轨道，当两个氮原子结合成氮分子时，两个氮原子的2px轨道沿x轴方向以“头碰头”的方式发生重叠，形成一个σ键；同时2py-2py和2pz-2pz轨道只能以相互平行的“肩并肩”的方式发生重叠，形成两个π键。 2．观察如图乙烷、乙烯和乙炔分子的结构，并回答下列问题。 (1)它们的分子中的共价键分别由几个σ键和几个π键构成？ 提示　乙烷：7个σ键；乙烯：5个σ键和1个π键；乙炔：3个σ键和2个π键。 (2)乙烯和乙炔的化学性质为什么比乙烷活泼？ 提示　乙烯的碳碳双键和乙炔的碳碳三键中分别含1个和2个π键，π键原子轨道重叠程度小，不牢固，容易断裂；而乙烷中没有π键，σ键牢固，不易断裂。 (3)在气体单质分子中，一定含有σ键，可能含有π键吗？ 提示　稀有气体的单质分子中不含化学键；多原子分子中一定含有σ键，可能含有π键。 1．下列说法对σ键和π键的认识不正确的是(　　) A．分子中只要含有共价键，则至少含有一个σ键 B．s-s σ键、p-p σ键与s-p σ键都是轴对称的 C．p-p σ键和p-p π键的重叠方式是相同的 D．含有π键的分子在反应时，π键是化学反应的积极参与者 答案　C 解析　单键为σ键，双键和三键中均含一个σ键，所以分子中只要含有共价键，则至少含有一个σ键，故A正确；因s-s σ键、p-p σ键与s-p σ键均为“头碰头”重叠，则均为轴对称，故B正确；p-p σ键和p-p π键的重叠方式是不相同的，p-p σ键是“头碰头”重叠而p-p π键是“肩并肩”重叠，故C错误；π键不稳定，易断裂，则含有π键的分子在反应时，π键是化学反应的积极参与者，故D正确。 2．(1)1 mol丙酮()分子中含有σ键的数目为____________。 (2)N2分子中含有____________个σ键和____________个π键。 (3)丁烯二酸(HOOCCH==CHCOOH)分子结构中含有__________个σ键和__________个π键。 (4)在N2F2分子中，所有原子均满足8电子稳定结构，则该分子中两个N原子间的共价键组成为____________个σ键和____________个π键。 答案　(1)9×6.02×1023　(2)1　2　(3)11　3　(4)1　1 3．有以下物质：①HF，②Cl2，③H2O，④N2，⑤C2H4，⑥C2H6，⑦H2，⑧H2O2，⑨HCN(H—C≡N)。 (1)只有σ键的是________________(填序号，下同)；既有σ键又有π键的是__________。 (2)含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的是 ________。 (3)含有由一个原子的s轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是______________。 (4)含有由一个原子的p轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是__________。 答案　(1)①②③⑥⑦⑧　④⑤⑨ (2)⑦ (3)①③⑤⑥⑧⑨ (4)②④⑤⑥⑧⑨ 解析　(1)单键只有σ键，双键或三键才含有π键，故只有σ键的是①②③⑥⑦⑧；既有σ键又有π键的是④⑤⑨。 (2)H原子只有s轨道，题给物质中含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的只有H2。 题组一　共价键的形成与特征 1．从电负性的角度来判断下列元素的原子之间易形成共价键的是(　　) A．K和Cl B．H和F C．K和F D．Ca和O 答案　B 解析　一般电负性相差不大的非金属元素原子之间易形成共价键。 2．下列分子的结构式与共价键的饱和性不相符的是(　　) A．H2O2(过氧化氢)：H—O==O—H B．N2H4(肼)： C．C2H5SH(乙硫醇)： D．SiHCl3(三氯氢硅)： 答案　A 解析　由共价键的饱和性可知：C、Si均形成4个共价键，H形成1个共价键，N形成3个共价键，O、S均形成2个共价键。A项中O原子间是双键，且每个氧原子与1个氢原子再形成1个单键，即每个氧原子形成3个共价键，与其饱和性不相符。 3．下列说法正确的是(　　) A．若把H2S写成H3S，则违背了共价键的饱和性 B．H3O＋的存在说明共价键不应有饱和性 C．原子轨道在空间都具有方向性 D．两个原子轨道发生重叠后，两核中的电子不仅存在于两核之间，还会绕两核运动 答案　A 解析　硫原子有两个未成对电子，根据共价键的饱和性，形成的氢化物为H2S，A项正确；两个原子轨道发生重叠后，只有共用电子对在两核之间绕两个原子核运动，D项错误。 4．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，其共价键数目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　由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，故A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，故B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，故D正确。 题组二　共价键的类型及判断 5．下列有关σ键和π键的说法错误的是(　　) A．H只能形成σ键，O可以形成σ键和π键 B．两个原子间可以只形成σ键，但不能只形成π键 C．有些原子在与其他原子形成分子时只能形成σ键，不能形成π键 D．在分子中，化学键可能只有π键而没有σ键 答案　D 解析　单键为σ键，而双键、三键中含有σ键和π键，则有些原子在与其他原子形成分子时只能形成σ键，不能形成π键，如HCl，故C正确；共价键中一定含σ键，则在分子中，化学键可能只有σ键，而没有π键，故D错误。 6．(2022·青岛高二期末)π键上的π电子在吸收紫外光后会被激发，从而可以阻挡紫外光。下列物质可能成为防晒霜的有效成分的是(　　) A．甘油 B．过氧化氢 C．重水 D．对氨基苯甲酸 答案　D 解析　由题意知分子中含有π电子的物质具有防晒作用。甘油、过氧化氢、重水中的化学键都只有σ键，不具有防晒作用，而对氨基苯甲酸分子中含有σ键和π键，具有阻挡紫外光的作用，因此可作为防晒霜的有效成分，D正确。 7．下列关于σ键和π键的理解不正确的是(　　) A．σ键可以绕键轴旋转，π键不能绕键轴旋转 B．H2分子中的σ键是s-s σ键，HClO分子中的σ键都是p-p σ键 C．C2H4分子和N2H4分子中都含有5个σ键 D．σ键以“头碰头”方式重叠，π键以“肩并肩”方式重叠 答案　B 解析　σ键为轴对称，π键为镜面对称，则σ键可以绕键轴旋转，π键不能绕键轴旋转，故A正确；H只有1s轨道上的电子，O的2p轨道上的电子与H的1s轨道上的电子以“头碰头”方式重叠形成s-p σ键，故B错误；乙烯分子中氢原子和碳原子之间存在共价单键，为σ键，碳原子与碳原子之间存在共价双键，有1个σ键和1个π键，则C2H4分子中有5个σ键和1个π键，N2H4分子中只有5个共价单键，即含有5个σ键，故C正确。 8．下列物质的分子中既有σ键又有π键，并含有非极性键的是(　　) ①NH3　②N2　③H2O　④HCl　⑤C2H4　⑥C2H2 A．②⑤⑥ B．①②⑤⑥ C．②③④ D．②④⑥ 答案　A 解析　①NH3中只存在H—N，只有σ键，故错误；②N2的结构式为N≡N，含有σ键和π键，N与N之间为非极性键，故正确；③H2O中只存在H—O，即只有σ键，故错误；④HCl的结构式为H—Cl，只存在σ键，故错误；⑤C2H4中的氢原子和碳原子之间存在共价单键、碳碳之间存在共价双键，含有σ键和π键，C与C之间为非极性键，故正确；⑥C2H2中的氢原子和碳原子之间存在共价单键、碳碳之间存在共价三键，所以含有σ键和π键，C与C之间为非极性键，故正确。 9．在下列化学反应所断裂的共价键中，仅仅断裂σ键的是(　　) A．N2＋3H22NH3 B．2C2H2＋5O22H2O＋4CO2 C．Cl2＋H22HCl D．C2H4＋H2C2H6 答案　C 解析　氮气中π键断裂，故A不选；乙炔中π键断裂，故B不选；乙烯中π键断裂，故D不选。 10．(2023·辽宁营口高二期末)NA代表阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是(　　) A．标况下，22.4 L HF中含有的极性键数目为NA B．常温下，1 L pH＝2的甲酸溶液中，含有氢离子数为0.01NA C．密闭容器中，1 mol N2和3 mol H2催化反应后分子总数为2NA D．1 mol甲醛(HCHO)中所含σ键总数为4NA 答案　B 解析　标准状况下，HF为液态，不能用气体摩尔体积计算22.4 L HF的物质的量，A错误；N＝0.01NA，B正确；合成氨的反应是可逆反应，催化反应后分子总数大于2NA，C错误；共价单键是σ键，共价双键中有一个是σ键，故一个甲醛分子有3个σ键，1 mol甲醛(HCHO)中所含σ键总数为3NA，D错误。 11. N2的结构可以表示为，CO的结构可以表示为，其中椭圆框表示π键，·表示对应原子提供的电子。下列说法错误的是(　　) A．N2分子与CO分子中都含σ键和π键 B．N2分子与CO分子中的π键不完全相同 C．电负性：C<O D．N2分子中含有2个π键，CO分子中含有1个π键 答案　D 解析　从题图可以看出，N2分子与CO分子均含有1个σ键和2个π键，A项正确、D项错误；N2分子中的π键是由每个氮原子各提供一个p电子以“肩并肩”的方式形成的，而CO分子中的一个π键是由O原子单方面提供电子对形成的，B项正确；同一周期元素从左到右，电负性逐渐增大，故电负性：C<O，C项正确。 12．据报道，大气中存在一种潜在的温室气体SF5—CF3(结构如图)，虽然其数量有限，但它是已知气体中吸热最高的。下列关于SF5—CF3的说法正确的是(　　) A．分子中有σ键也有π键 B．C—F是s-p σ键 C．分子中不是所有原子都满足8电子稳定结构 D．0.1 mol SF5—CF3分子中含8 mol电子 答案　C 解析　SF5—CF3分子中只有共价单键，即只有σ键，没有π键，故A错误；C—F是p-p σ键，故B错误；一个SF5—CF3分子中有94个电子，则0.1 mol SF5—CF3分子中含9.4 mol电子，故D错误。 13．硝基胍的结构简式如图所示(“→”是一种特殊的共价单键，属于σ键)。下列说法正确的是(　　) A．硝基胍分子中只含极性键，不含非极性键 B．N原子间只能形成σ键 C．硝基胍分子中σ键与π键的个数比是5∶1 D．10.4 g硝基胍中含有11×6.02×1023个原子 答案　C 解析　分子中N—N为非极性键，A项错误；N原子间可以形成σ键和π键，B项错误；分子中含有4个N—H、1个C==N、1个N==O、2个C—N、1个N—N和1个N→O，σ键与π键的个数比是5∶1，C项正确；硝基胍的分子式为CN4H4O2，相对分子质量为104,10.4 g该物质的物质的量为0.1 mol，含有1.1×6.02×1023个原子，D项错误。 14．回答下列问题(设NA为阿伏加德罗常数的值)： (1)1 mol CO2中含有的σ键数目为________。 (2)已知CO和CN－与N2结构相似，CO分子内σ键与π键个数之比为________。HCN分子中σ键与π键数目之比为________。 (3)C、H元素形成的化合物分子中共有16个电子，该分子中σ键与π键的个数之比为________。 (4)1 mol乙醛分子中含有 σ键的数目为________，1个CO(NH2)2分子中含有σ键的个数为________。 答案　(1)2NA　(2)1∶2　1∶1　(3)5∶1　(4)6NA　7 解析　(1)CO2分子内含有碳氧双键，双键中一个是σ键，另一个是π键，则1 mol CO2中含有的σ键数目为2NA。(2)N2的结构式为N≡N，推知CO的结构式为C≡O，含有1个σ键、2个π键。CN－的结构式为[C≡N]－，HCN分子的结构式为H—C≡N，H—C≡N分子中σ键与π键均为2个。(3)设C、H元素形成的化合物的分子式为CmHn，则6m＋n＝16，且n<2m＋2，解得m＝2，n＝4，即C2H4，结构式为，单键为σ键，双键有1个σ键和1个π键，所以1个C2H4分子中共含有5个σ键和1个π键。(4)乙醛与CO(NH2)2的结构简式分别为，故1 mol乙醛分子中含有σ键的数目为6NA,1个CO(NH2)2分子中含有7个σ键。 15．有三种物质AC2、B2C2、AD4，在常温下分别为气体、固体和液体。元素A的最高正价和最低负价的绝对值相等；元素B的单质能在C的气态单质中剧烈燃烧，火焰呈黄色，并生成淡黄色固体B2C2；元素D的负一价阴离子电子层结构与氩原子相同。则： (1)A、B、C、D的元素名称分别为________、________、________、________。 (2)AD4分子中含有的σ键类型为____________(填“s-s”“s-p”或“p-p”)键。 (3)D的负一价阴离子的电子排布式为____________________，B2C2属________(填“离子”或“共价”)化合物。 答案　(1)碳　钠　氧　氯　(2)p-p (3)1s22s22p63s23p6　离子 解析　(1)焰色呈黄色，说明有钠元素，则淡黄色固体为Na2O2，所以B为Na元素，C为O元素；由元素D的负一价阴离子电子层结构与氩原子相同可知D为Cl元素；由元素A的最高正价和最低负价的绝对值相等可知A为第ⅣA族元素或H，又由于AC2在常温下是气体，所以AC2是二氧化碳，即A是C元素。(2)CCl4中只有σ键，且其类型为p-p σ键。 学科网（北京）股份有限公司 $$