内容正文:
专题3
微粒间作用力与物质性质
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第三单元 共价键 共价晶体
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第2课时 共价键键能与化学反应的反应热 共价晶体
[素养发展目标] 1.知道键能、键长可以用来描述键的强弱,认识键能与反应热的关系。2.能借助共价晶体的模型认识晶体的结构特点。3.借助共价晶体模型说明晶体中的微粒及其微粒间的相互作用。
kJ·mol-1
越大
稳定
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_________
____________的过程中所____的能量,称为AB间共价键的键能。其单位为____________ 。
(2)应用
①判断共价键的稳定性
原子间形成共价键时,原子轨道重叠程度____,释放能量越多,所形成的共价键键能越大,共价键越____。
气态A原子
和B原子
吸收
平均间距
原子半径
原子半径
大
稳定
②判断分子的稳定性
一般来说,结构相似的分子,共价键的键能越大,分子越____。
③利用键能计算反应热
ΔH=______的总键能—______的总键能。
2.共价键的键长
(1)概念:形成共价键的两个原子核间的________,因此________决定化学键的键长,________越小,共价键的键长越短。
(2)应用:共价键的键长越短,往往键能越__,这表明共价键越____,反之亦然。
稳定
反应物
生成物
旧化学键
新化学键
3.共价键的键能与化学反应的反应热
(1)化学反应的实质
________断裂和________形成的过程。
(2)化学键与反应热的关系
×
×
【即学即练】
1. 判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)成键的两原子核越近,键长越短,化学键越牢固,性质越稳定( )
(2)键能、键长只能定性地分析化学键的强弱( )
(3)在分子中,两个成键的原子间的距离叫键长( )
(4) 破坏化学键时消耗能量,而形成新的化学键时则释放能量( )
(5)键能越大,表示该分子越容易受热分解( )
【即学即练】
1. 判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)成键的两原子核越近,键长越短,化学键越牢固,性质越稳定( )
(2)键能、键长只能定性地分析化学键的强弱( )
(3)在分子中,两个成键的原子间的距离叫键长( )
(4) 破坏化学键时消耗能量,而形成新的化学键时则释放能量( )
(5)键能越大,表示该分子越容易受热分解( )
√
√
√
共价键
二、共价晶体
1.概念及组成
(1)概念:晶体中所有原子通过______结合,形成空间网状结构,像这样的晶体叫做________。
(2)构成微粒:共价晶体中的微粒是____,原子与原子之间的作用力是______。
共价键
共价晶体
原子
2.典型共价晶体
(1)金刚石晶体的结构示意图如图所示。回答下列问题:
6
1∶2
8
①在晶体中每个碳原子以____________对称地与相邻的4个碳原子相结合,形成________结构,这些正四面体向空间发展,构成彼此联结的立体____结构。
②晶体中相邻碳碳键的夹角为109°28′。
③最小环上有__个碳原子,晶体中C原子个数与C—C键数之比为______。
④每个金刚石晶胞中含有__个碳原子。
4个共价单键
正四面体
网状
(2)二氧化硅晶体的结构示意图如图所示。回答下列问题:
6
12
1∶2
8
16
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。
②晶体中最小的环为__个硅原子、__个氧原子组成的____元环,硅、氧原子个数比为______。
③每个二氧化硅晶胞中含有__个硅原子和____个氧原子。
3.特性
由于共价晶体中原子间以较__的共价键相结合,故共价晶体:①熔、沸点____,②硬度__,③一般不导电,④__溶于一般溶剂。
强
很高
大
难
4
4
2
6
4.影响共价晶体熔、沸点和硬度的因素
对于结构相似的共价晶体而言,共价键的键长越长,键能就____,晶体的熔、沸点____,硬度____。
5.常见的共价晶体
常见的非金属单质,如金刚石(C)、硼(B)、晶体硅(Si)等;某些非金属化合物,如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、二氧化硅(SiO2)等。
越小
越低
越小
√
【即学即练】
2. 判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)共价晶体中,只存在共价键( )
(2)共价晶体中不存在独立的分子( )
(3)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体( )
(4)二氧化硅和干冰虽然是同一主族的氧化物,但属于不同的晶体类型( )
(5)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( )
√
√
×
×
一、共价键的键长、键能及共价晶体性质
已知某些共价键的键能如表,试回答下列问题:
共价键
键能/(kJ·mol-1)
共价键
键能/(kJ·mol-1)
H—H
436
O—H
463
Cl—Cl
243
N≡N
946
C—H
413
H—Cl
431
1.H—H键的键能为什么比Cl—Cl键的键能大?
提示:氢原子的半径比氯原子的半径小,故H—H键的键长比Cl—Cl键的键长短,H—H键的键能比Cl—Cl键的键能大。
2.已知H2O在2 000 ℃时有5%的分子分解,而CH4在 1 000 ℃时可完全分解为C和H2,试解释其中的原因。
提示:氧原子半径比碳原子的半径小,故O—H键的键长比C—H键短,O—H键键能比C—H键键能大,故H2O比CH4稳定。
3.试解释氮气为什么能在空气中稳定存在。
提示:N2分子中存在氮氮三键,键能大,故结构稳定。
4.金刚石、晶体硅、碳化硅熔化时破坏的作用力是什么?为什么共价晶体的熔点和硬度一般较大?
提示:金刚石、晶体硅、碳化硅熔化时破坏的是共价键,由于共价键的键能大,破坏时需要较高的能量,因此共价晶体的熔、沸点较高,硬度大。
1.共价晶体的性质
(1)熔、沸点很高。共价晶体中各原子间以共价键相结合,要熔化必须破坏其中的共价键,需要较高的温度,所以共价晶体有很高的熔、沸点。
(2)硬度很大。
(3)难溶于一般溶剂。
(4)一般不导电,但晶体硅是半导体。
2.共价晶体熔、沸点的比较
一般来说,对结构相似的共价晶体来说,键长越短,键能越大,晶体的熔、沸点越高。例如:金刚石>二氧化硅>碳化硅>晶体硅。
1.根据键能数据:EH—Cl=431 kJ·mol-1,EH—I=297 kJ·mol-1,可得出的结论正确的是( )
A.H—I键的键长大于H—Cl键的键长
B.HI比HCl的熔、沸点高
C.HI比HCl稳定
D.断裂等物质的量的HI和HCl中的化学键,HI消耗的能量多
A [HI、HCl的熔、沸点为物理性质,与化学键的强弱无关,故B项错误;化学键的键能越大,化学键越牢固,H—Cl键的键能大于H—I键的键能,说明HCl比HI稳定,故C项错误;H—Cl键的键能大于H—I键的键能,断裂等物质的量的HI和HCl中的化学键时,HCl消耗的能量多,故D项错误。]
2.下列事实不能用键能的大小来解释的是( )
A.N元素的电负性较大,但N2的化学性质很稳定
B.稀有气体一般难发生反应
C.HF、HCl、HBr、HI的稳定性逐渐减弱
D.F2比O2更容易与H2反应
B [由于N2分子中存在N≡N键,键能很大,破坏共价键需要很大的能量,所以N2的化学性质很稳定;稀有气体都为单原子分子,分子内部没有化学键;卤族元素从F到I原子半径逐渐增大,其氢化物中的键长逐渐变长,键能逐渐变小,所以稳定性逐渐减弱;F原子半径小于O原子半径,H—F键键长比H—O键键长短,因此H—F键的键能大于H—O键的键能,所以更容易生成HF。]
二、共价晶体的结构分析
金刚石是典型的共价晶体,天然金刚石呈现规则多面体的外形,其外形与结构见下图所示:
金刚石晶体结构中,C—C键的键长为0.154 nm,键角为109°28′,键能为348 kJ·mol-1。
1.具有共价键的晶体叫做“共价晶体”这种说法对吗?为什么?
提示:不对。如HCl、H2O、CO2、CH3CH2OH分子中都有共价键,而它们都是分子晶体;如金刚石、晶体Si、SiC、SiO2中都有共价键,它们都是共价晶体;只有相邻原子间以共价键相结合形成空间网状结构的晶体才是共价晶体。
2.金刚石晶体中每个碳原子与几个碳原子相结合?这些碳原子之间形成的空间结构是什么?
提示:金刚石晶体中,每个碳原子与相邻的4个碳原子以共价键相结合,它们形成的空间结构是正四面体形。
3.在金刚石晶体结构中,碳原子数与C—C键数之比是多少?
提示:1∶2。
4.在金刚石晶胞中含有几个碳原子?
提示:8个。
5.依据金刚石的结构判断12 g金刚石晶体中含C—C共价键数是多少?
提示:依据均摊法可知金刚石中每个碳原子形成4个共价键,其中每个共价键被2个碳原子共用,每个C原子含有共价键数目为4× eq \f(1,2) =2,故12 g金刚石中含有的C—C键数是2NA。
1.金刚石和二氧化硅结构比较
金
刚
石
(1)每个碳与相邻4个碳以共价键结合,形成正四面体结构
(2)键角均约为109°28′
(3)最小碳环由6个C组成且六个碳原子不在同一平面内
(4)每个C参与4个C—C键的形成,每个C—C键被2个碳原子共用,故C原子数与C—C键个数之比为1∶2
SiO2
(1)每个Si与4个O以共价键结合,形成正四面体结构
(2)每个正四面体占有1个Si,4个“ eq \f(1,2) O”,n(Si)∶n(O)=1∶2
(3)最小环上有12个原子,即6个O,6个Si
(4)1 mol SiO2中含有4 mol Si—O键
2.金刚石和二氧化硅组成与结构分析方法
(1)金刚石的结构与性质的分析
在金刚石晶体中,每个碳原子的4个价电子形成4个完全相同的原子轨道,与最相邻的4个碳原子形成共价键。这4个共价键之间的角度都相等,约为109°28′。这样形成由5个碳原子构成的正四面体结构单元,其中4个碳原子位于正四面体的顶点,1个碳原子位于正四面体的中心。因为共价键难以变形,C—C键键能大,所以金刚石的硬度和熔点都很高,化学稳定性好。共价键中的电子被束缚在化学键中不能参与导电,所以金刚石是绝缘体,不导电。
(2)二氧化硅晶体组成的分析方法
在二氧化硅晶体中,每个硅原子连接着4个氧原子,每个氧原子为2个硅原子所共用,因此,硅原子与氧原子个数比为1∶ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4×\f(1,2))) =1∶2,二氧化硅晶体的化学式为SiO2。在二氧化硅晶体中,所有的硅原子和氧原子都以共价键连结为三维骨架结构,没有独立存在的SiO2分子,所以SiO2仅是代表二氧化硅晶体的元素组成的化学式,而不是二氧化硅晶体的分子式。但是,通常用SiO2作为二氧化硅晶体的分子式来使用。
1.(2022·常州市礼嘉中学下学期第二次段考)下列有关金刚石晶体和二氧化硅晶体(如图所示)的叙述正确的是( )
A.金刚石晶体和二氧化硅晶体均属于共价晶体
B.金刚石晶胞中含有6个碳原子
C.60 g SiO2晶体中所含共价键数目为6NA(NA是阿伏加德罗常数的值)
D.金刚石晶体熔化时破坏共价键,二氧化硅晶体熔化时破坏分子间作用力
A [金刚石晶体和二氧化硅晶体均属于共价晶体,A项符合题意;金刚石的晶胞中含有碳原子数为8× eq \f(1,8) +6× eq \f(1,2) +4=8个,B项不符合题意;60 g SiO2晶体的物质的量为1 mol,1 mol Si原子与4 mol O原子形成4 mol硅氧键,1 mol O原子与2 mol Si原子形成2 mol硅氧键,故1 mol SiO2中含4 mol硅氧键,即共价键数为4NA,C项不符合题意;二氧化硅晶体属于共价晶体,熔化时破坏共价键,D项不符合题意;故正确选项为A。]
2.超硬材料氮化硼常用于制作刀具和磨料,一种纳米立方氮化硼晶体的晶胞结构如图所示。下列有关该晶体的说法不正确的是( )
A.其化学式为BN
B.与金刚石成键、结构均相似,具有很高的硬度
C.B原子周围距离最近且相等的N原子有2个
D.X射线衍射是区分晶体和非晶体最可靠的科学方法
C [一个晶胞中有B原子个数=8× eq \f(1,8) +6× eq \f(1,2) =4,N原子个数=4,原子个数比B∶N=1∶1,故化学式为BN,故A正确;B原子与N原子间都是共价键,为共价晶体,所以与金刚石成键、结构均相似,具有很高的硬度,故B正确;B原子周围距离最近且相等的N原子有4个,故C错误;区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是X射线衍射,故D正确;故选C。]
3.已知C3N4晶体很可能具有比金刚石更大的硬度,且原子间以单键结合。下列有关C3N4晶体的说法中错误的是( )
A.C3N4晶体与金刚石都属于共价晶体
B.C3N4晶体中C-N键的键长比金刚石中的C-C键的键长长
C.C3N4晶体中每个碳原子连接4个氮原子,每个氮原子连接3个碳原子
D.C3N4晶体中含有极性共价键,不含非极性共价键
B [C3N4晶体具有比金刚石更大的硬度,则C3N4晶体的硬度很大,是共价晶体,故A正确;因N的原子半径比C原子半径小,则C3N4晶体中,C-N键的键长比金刚石中C-C键的键长要短,故B错误;原子间均以单键结合,则C3N4晶体中每个C原子连接4个N原子,而每个N原子连接3个C原子,故C正确;C3N4晶体中只含有C-N极性共价键,不含非极性共价键,故D正确;故选B。]
1.N—H键键能的含义是( )
A.由N和H形成1 mol NH3所放出的能量
B.把1 mol NH3中的共价键全部拆开所吸收的能量
C.拆开约6.02×1023个N—H键所吸收的能量
D.形成1个N—H键所放出的能量
C [N—H键的键能是指形成1 mol N—H键放出的能量或拆开1 mol N—H键所吸收的能量,不是指形成1个N—H 键释放的能量。1 mol NH3中含有3 mol N—H键,拆开1 mol NH3中的N—H键或形成1 mol NH3中的N—H键吸收或放出的能量应是N—H键键能的3倍。]
2.单质硅的晶体结构如图所示。
下列关于单质硅晶体的说法不正确的是( )
A.是一种立体三维骨架结构的晶体
B.晶体中每个硅原子与4个硅原子相连
C.晶体中最小环上的原子数目为8
D.晶体中最小环上的原子数目为6
C [单质硅是一种立体三维骨架结构的共价晶体,A正确;晶体中每个硅原子与4个硅原子相连,B正确;根据单质硅的晶体结构可判断晶体中最小环上的原子数目为6,C错误,D正确。]
3.下列关于SiO2晶体的叙述正确的是( )
A.通常状况下,60克SiO2晶体中含有的分子数为NA(NA表示阿伏加德罗常数的数值)
B.60克SiO2晶体中,含有2NA个Si-O键
C.晶体中与同一硅原子相连的4个氧原子处于同一四面体的4个顶点
D.SiO2晶体中含有1个硅原子,2个氧原子
C [60 g SiO2晶体即1 mol SiO2,SiO2不是分子晶体,A错误;晶体中含有Si—O键数目为4 mol (每个硅原子、氧原子分别含有2个、2个未成对电子,各拿出一个单电子形成Si—O共价键),含4NA个Si—O键,B错误;SiO2晶体中含有无数的硅原子和氧原子,只是硅氧原子个数比为1∶2,D错误;在SiO2晶体中,每个硅原子和与其相邻且最近的4个氧原子形成正四面体结构,硅原子处于该正四面体的中心,而4个氧原子处于该正四面体的4个顶点上,因此选项C是正确的,答案选C。]
4.设NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法正确的是( )
A.28 g晶体硅中含有Si—Si键的个数为2NA
B.124 g白磷(P4)晶体中含有P—P键的个数为4NA
C.12 g金刚石中含有C—C键的个数为4NA
D.SiO2晶体中1 mol硅原子可与氧原子形成2NA个共价键(Si—O键)
A [晶体硅的结构与金刚石相似,每个硅原子与周围4个原子形成4个共价键,28 g晶体硅为1 mol Si,12 g金刚石为1 mol C,依据“均摊法”,1个硅(或碳)原子分得的共价键数为4× eq \f(1,2) =2,A正确、C错误;白磷为正四面体结构,124 g白磷为1 mol P4,1 mol P4分子中含有6NA P—P键,B错误;SiO2晶体中每个硅原子与周围4个氧原子形成4个Si—O键,D错误。]
5.碳和硅的有关化学键键能如下所示,简要分析和解释下列有关事实:
化学键
C—C
C—H
C—O
Si—Si
Si—H
Si—O
键能
356
413
336
226
318
452
回答下列问题:
(1)通常条件下,比较CH4和SiH4的稳定性强弱___________。
(2)SiH4的稳定性小于CH4,更易生成氧化物,原因是_______。
解析: (1)因为原子半径C<Si,键长C—H<Si—H,C—H键的键能大于Si—H键的键能,所以CH4比SiH4稳定。
(2)原子半径H<O,键长C—H<C—O,C—H键的键能大于C—O键,C—H键比C—O键稳定,而Si—H键的键能却远小于Si—O键,所以Si—H键不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O键。
答案: (1)CH4比SiH4稳定
(2)C—H键的键能大于C—O键,C—H键比C—O键稳定,而Si—H键的键能却远小于Si—O键,所以Si—H键不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O键
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