3.3 共价键 共价晶体（专项训练）化学苏教版选择性必修2

第三单元 共价键 共价晶体 题型1 共价键的形成 题型2 共价键的类型与极性 题型3 配位键 题型4 共价键键能与化学反应的反应热 题型5 共价晶体的性质与键参数的关系 题型6 共价晶体晶胞分析与计算 题型1 共价键的形成 特征 概念 作用 存在情况 饱和性 每个原子所能形成的共价键的总数或以单键连接的原子数目是一定的 饱和性决定了分子的组成。 所有的共价键都具有饱和性 方向性 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 方向性决定了分子的空间结构。 并不是所有共价键都具有方向性 【特别提醒】通常电负性相同或差值较小的非金属元素原子之间形成共价键，大多数电负性之差小于1.7的金属与非金属原子之间形成共价键。 【典例1】下列关于共价键的理解不正确的是 (　　) A.由图可知氢分子中两个氢原子的核间距为0.074 nm B.H2O2分子中既有极性键又有非极性键 C.氢分子中共价键没有方向性 D.形成共价键后共用电子只在两个原子核之间出现 【答案】D 【解析】由题图可知，两个氢原子相互靠近的过程中，在相距0.074 nm时体系能量最低，体系最稳定，此时形成稳定的氢分子，A项正确；H2O2分子中既存在H—O极性键，又存在O—O非极性键，B项正确；氢分子中两个氢原子的未成对电子均为1 s电子，s轨道在空间呈球形对称，故s轨道之间的重叠不具有方向性，C项正确；形成共价键后共用电子在两个原子核之间出现的概率增大，并不是只在两个原子核之间出现，D项错误。 【变式1-1】下列关于共价键的饱和性和方向性的叙述中，不正确的是 (　　) A.成键原子一定的未成对电子数决定了共价键具有饱和性 B.共价键的方向性是由成键原子轨道的方向性决定的 C.分子的空间结构与共价键的方向性密切相关 D.共价键的饱和性与原子轨道的重叠程度有关 【答案】D 【解析】原子的未成对电子一旦配对成键，一般不再与其他原子的未成对电子配对成键，故共价键具有饱和性，这一饱和性也就决定了原子成键时最多连接的原子数，故A项正确；形成共价键时，为了达到原子轨道的最大重叠程度，成键的方向与原子轨道的伸展方向就存在着必然的联系，这种成键的方向性与分子的空间结构密切相关，故B、C项正确；共价键的饱和性与原子轨道的重叠程度无关，D项不正确。 【变式1-2】下列关于共价键的叙述中正确的是 A．只有不同种元素的原子之间才能形成共价键 B．由A失去电子，B接受电子的过程形成了共价键 C．原子核外有几个电子就一定能形成几个共价键 D．共用电子对必然偏向吸引电子能力强的一方 【答案】D 【解析】A．同种元素原子之间可以形成共价键，如H2、Cl2，它们形成非金属单质，不同种元素原子之间也可形成共价键，如HCl、H2O，它们形成化合物，A不正确；B．共价键是指成键原子双方各提供电子形成共用电子对，从而形成共价键，没有电子得失，B不正确；C．原子能形成的共价键的个数与最外层电子数有关，如P元素原子核外有15个电子，最外层有5个电子，可形成3个共价键，如PCl3，C不正确；D．由于原子吸引电子的能力不同，所以共用电子对会发生偏移，偏向吸引电子能力强的原子一方，D正确；故选D。 【变式1-3】下列分子的结构式与共价键的饱和性不相符的是 A．： B．： C．： D．： 【答案】A 【分析】由共价键的饱和性可知：C、Si均形成4个共价键，H、Cl均形成1个共价键，N形成3个共价键，O、S均形成2个共价键。 【解析】A．O原子的最外层有6个电子，只能形成2个共价键，在H2O2中，1个O已经与1个H形成1个单键，则两个氧原子间只能形成1个共价键，选项中的结构与共价键的饱和性不相符，A符合题意；B．在N2H4分子中，每个N原子共形成3个共价键，与共价键的饱和性相符，B不符合题意；C．在C2H5SH分子中，C形成4个共价键，S形成2个共价键，H形成1个共价键，与共价键饱和性相符，C不符合题意；D．在SiHCl3中，Si形成4个共价键，H、Cl各形成1个共价键，与共价键的饱和性相符，D不符合题意；故选A。 题型2 共价键的类型与极性 1.共价键的类型 共价键类型 σ键 π键 原子轨道重叠方式 沿键轴方向（“头碰头”）重叠，可沿键轴自由旋转 沿键轴方向平行（“肩并肩”）重叠，不能旋转 原子轨道重叠程度 大 小 键的强度 较大 较小 化学活泼性 不活泼 较活泼 成键规律判断 σ键可单独存在，π键不能单独存在。共价单键是σ键；共价双键中一个是σ键，另一个是π键；共价三键中一个是σ键，另两个是π键 实例 CH4、OH-只含有σ键，N≡N中既含有σ键又含有π键 【特别提醒】①一般情况下，σ键比π键牢固，但并不是所有分子中的σ键都比π键牢固（例如：N2）。 ②并不是所有的分子都含有σ键，如稀有气体分子。 ③不存在s-s π键、s-p π键等。 ④分子中存在π键，则一定存在σ键，但若存在σ键，则不一定存在π键。 2.极性键和非极性键 （1）分类标准：共用电子是否偏移。 （2）比较 类型 形成 元素 共用电子偏移 原子电性 非极 性键 同种 元素 两原子电负性相同，共用电子不偏移 两原子都不显电性 极性键 不同种 元素 共用电子偏向电负性较大的原子 电负性较大的原子显负电性，电负性较小的原子显正电性 （3）共价键极性强弱判断 成键原子所属元素电负性差值越大，键的极性就越强。 【典例2】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键为非极性键，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键、1个CN键、1个NO键、2个C—N键、1个N—N键和1个N→O键，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。 【典例3】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键，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键，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。 【变式2-1】在N2F2分子中，所有原子均符合8电子稳定结构，则该分子中两个氮原子之间的键型构成是 (　　) A.仅有一个σ键 B.仅有一个π键 C.一个σ键，一个π键 D.一个σ键，两个π键 【答案】C 【解析】由题给条件所有原子均符合8电子稳定结构可知，其结构式应为F—N===N—F，则两个氮原子之间为氮氮双键，含有一个σ键，一个π键。 【变式2-2】回答下列问题。 （1）已知CO和CN－与N2结构相似，CO分子内σ键与π键数目之比为_______。HCN分子中σ键与π键数目之比为________。 （2）乙烯分子中σ键与π键的数目之比为_________。 【答案】　（1）1∶2　1∶1　（2）5∶1 【解析】（1）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，HCN分子中σ键与π键均为2个。（2）C2H4的结构式为。单键为σ键，双键中有1个σ键和1个π键，所以一个C2H4分子中共含有5个σ键和1个π键。 【变式2-3】下列物质的分子中既含有极性键，又含有非极性键的是 （　　） A.CO2 B.H2O C.N2H4 D.H2 【答案】C 【解析】判断极性键和非极性键的标准是成键原子是否为同种元素的原子。CO2（OCO）、H2O（H—O—H）分子中只有极性键；H2分子中只有非极性键；N2H4分子的结构式为，既有极性键，又有非极性键。 【变式2-4】由前10号元素组成的物质T和X，有如图所示的转化关系。X不稳定，易分解。设NA为阿伏加德罗常数的值，下列有关说法正确的是 （　　） A.为使该转化成功进行，Y可以是酸性KMnO4溶液 B.等物质的量的T、X分子中含有π键的数目均为NA C.X分子中含有的σ键个数是T分子中含有的σ键个数的2倍 D.T分子中只含有极性键，X分子中既含有极性键又含有非极性键 【答案】A 【解析】由题图可知，T为HCHO，X不稳定，易分解，则X为H2CO3，Y为氧化剂，可以选择酸性KMnO4溶液，A项正确；等物质的量并不一定是1 mol，B项错误；1个X分子中含有的σ键个数为5，1个T分子中含有的σ键个数为3，C项错误；T、X分子中均只含有极性键，无非极性键，D项错误。 题型3 配位键 配位键的概念、形成条件、表示方法及实质 概念 成键原子的一方提供孤电子对，另一方提供能够接受孤电子对的空轨道而形成的一种新的化学键叫配位键 形成条件 形成配位键的一方A是能够提供孤电子对的原子，另一方B具有能够接受孤电子对的空轨道 表示方法 配位键常用符号A→B表示 实质 配位键的实质与共价键相同，但形成配位键的共用电子是由一方提供而不是由双方共同提供的 【典例4】NH3与BF3可以通过配位键形成NH3·BF3，　　原子提供孤电子对，　　　　　原子提供空轨道。写出NH3·BF3的结构式，并用“→”表示出配位键：　　　　。  【答案】　氮　硼　 【解析】NH3中氮原子为sp3杂化，氮原子上有一对孤电子对，BF3中硼原子为sp2杂化，杂化轨道与氟原子形成3个共价键，故有一个2p空轨道，与NH3形成配位键。 【变式3-1】下列各组中的物质或离子都含配位键的是A.H2O、Al2Cl6 B.CO2、SO C.PCl5、[Co(NH3)4Cl2]Cl D.NH4Cl、[Cu(NH3)4]SO4 【答案】D 【解析】水分子中没有配位键，Al2Cl6中铝原子含有空轨道，氯原子含有孤电子对，所以氯化铝中含有配位键，故A不选；二氧化碳分子中没有配位键，硫酸根离子中硫原子提供孤电子对，氧原子提供空轨道，所以硫酸根离子中含有配位键，故B不选；PCl5分子中没有配位键，[Co(NH3)4Cl2]Cl中Co提供空轨道，N原子、Cl原子提供孤电子对，[Co(NH3)4Cl2]Cl中含有配位键，故C不选；氯化铵中氮原子提供孤电子对，氢原子提供空轨道，从而形成配位键，[Cu(NH3)4]SO4中铜原子提供空轨道，氮原子提供孤电子对，所以形成配位键，故D选。 【变式3-2】若X、Y两种粒子之间可形成配位键，则下列说法正确的是 （　　） A.X、Y只能是分子 B.X、Y只能是离子 C.若X提供空轨道，则Y至少要提供一对孤电子对 D.若X提供空轨道，则配位键表示为X→Y 【答案】C 【解析】形成配位键的两种微粒可以均是分子或者均是离子，还可以一种是分子、一种是离子，但必须是一种微粒提供空轨道、另一种微粒提供孤电子对，A、B项错误，C项正确；配位键中箭头应该指向提供空轨道的X，D项错误。 【变式3-3】Cu2+能与NH3、H2O、OH-、Cl-等形成配位数为4的配合物。 向CuSO4溶液中加入过量NaOH溶液可生成Na2［Cu（OH）4］。 ①画出配离子［Cu（OH）4］2-中的配位键：　　　　。  ②Na2［Cu（OH）4］中除了配位键外，还存在的化学键类型有　　　　　　（填字母）。  A.离子键 B.金属键 C.极性共价键 D.非极性共价键 【答案】①　②AC 【解析】①Cu2+提供空轨道，OH-提供孤电子对，可形成配位键，配离子［Cu（OH）4］2-中1个Cu2+与4个OH-形成配位键，可表示为。②Na2［Cu（OH）4］为离子化合物，含有离子键，并且O—H为极性共价键，故选AC。 题型4 共价键键能与化学反应的反应热 ①定量地表示化学键的强弱。键能愈大，断开时需要的能量就愈多，化学键就愈牢固。 ②判断分子的稳定性 一般而言，组成和结构相似的分子，化学键键能越大，分子稳定性越强。 ③判断物质在化学反应过程中的能量变化 在化学反应中，旧化学键的断裂吸收能量，新化学键的形成放出能量，因此反应焓变与键能的关系为ΔH=∑E反应物-∑E反应产物。 【典例5】H2和I2在一定条件下能发生反应：H2（g）+I2（g）2HI（g）　ΔH=-a kJ·mol-1，下列说法正确的是 （　　） 已知：（a、b、c均大于零） A.H2、I2和HI分子中的化学键都是非极性共价键 B.断开2 mol HI分子中的化学键所需能量约为（c+b+a） kJ C.相同条件下，1 mol H2（g）和1 mol I2（g）的总能量小于2 mol HI （g）的总能量 D.向密闭容器中加入2 mol H2（g）和2 mol I2（g），充分反应后放出的热量为2a kJ 【答案】B 【解析】HI分子中共价键是由不同种非金属元素形成的，属于极性共价键，A错误；反应热等于断键吸收的能量与成键放出的能量的差值，则-a=b+c-2x，解得x=，所以断开2 mol HI分子中的化学键所需能量约为（c+b+a） kJ，B正确；该反应是放热反应，则相同条件下，1 mol H2（g）和1 mol I2（g）的总能量大于2 mol HI （g）的总能量，C错误；该反应是可逆反应，则向密闭容器中加入2 mol H2（g）和2 mol I2（g），充分反应后放出的热量小于2a kJ，D错误。 【变式4-1】已知各共价键的键能(一定条件下，气态原子生成1mol化学键放出的热量)如表所示，下列说法不正确的是 共价键 H－H F－F H－F H－Cl H－I 键能E/(kJ•mol-1) 436 157 568 431 298 A．化学键的稳定性：H－I＜H－Cl＜H－F B．表中最易断裂的共价键是F－F键 C．H2(g)+F2(g)═2HF(g)          △H=+25kJ•mol-1 D．431kJ•mol-1＞E(H－Br)＞298kJ•mol⁻1 【答案】C 【解析】A．键能越大越稳定，化学键的稳定性：H－I＜H－Cl＜H－F，故A正确；B．表中，F-F键能最小，最易断裂的共价键是F－F键，故B正确；C．焓变=反应物总键能-生成物总键能，H2(g)+F2(g)═2HF(g) △H=436+157-568×2=-543kJ•mol-1，故C错误；D．由H-F、H-Cl、H-I的键能可知，卤素的非金属性越强，对应氢卤键的键能越大，431kJ•mol-1＞E(H－Br)＞298kJ•mol⁻1，故D正确；选C。 【变式4-2】（1）CO2与CH4经催化重整，制得合成气，CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) 已知上述反应中相关化学键的键能数据如下： 化学键 C—H C===O H—H C≡O(CO) 键能/kJ·mol－1 413 745 436 1 075 则反应的ΔH＝____________________________________________________。 （2）F2与其他卤素单质反应可以形成卤素互化物，如ClF3、BrF3等。已知反应Cl2(g)＋3F2(g)===2ClF3(g)ΔH＝－313 kJ·mol－1，F—F键的键能为159 kJ·mol－1，Cl—Cl键的键能为242 kJ·mol－1，则ClF3中Cl—F键的平均键能为________kJ·mol－1。 【答案】　（1）＋120 kJ·mol－1　 （2）172 【解析】（1）反应的ΔH＝(413 kJ·mol－1×4＋745 kJ·mol－1×2)－(1 075 kJ·mol－1×2＋436 kJ·mol－1×2)＝＋120 kJ·mol－1。（2）ΔH＝(242 kJ·mol－1＋159 kJ·mol－1×3)－(6×ECl－F)＝－313 kJ·mol－1，解得Cl—F键的平均键能为172 kJ·mol－1。 【变式4-3】碳和硅的有关化学键的键能如表所示，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/ （kJ·mol-1） 347 413 358 226 323 368 （1）通常条件下，比较CH4和SiH4的稳定性强弱：　　　。  （2）硅与碳同族，硅也有一系列氢化物，但硅的氢化物在种类和数量上都远不如烷烃多，原因是　　　　。  （3）Si更易生成氧化物，原因是　　　　　。  【答案】　（1）CH4比SiH4稳定 （2）C—C键和C—H键键能较强，所形成的烷烃稳定，而硅烷中Si—Si键和Si—H键键能较弱，易断裂，导致长链硅烷难以生成 （3）Si—H键的键能小于Si—O键，所以Si倾向于形成稳定性更强的氧化物 题型5 共价晶体的性质与键参数的关系 1.共价晶体的物理性质 ①熔点很高：共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时必须破坏共价键，而破坏它们需要很高的温度，所以共价晶体具有很高的熔点。结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。 ②硬度很大：共价键三维骨架结构决定了共价晶体的硬度，如金刚石是天然存在的最硬的物质。 ③一般不导电，但晶体硅、锗是半导体。 ④难溶于一般的溶剂。 2.共价晶体熔、沸点的比较 ①规律：一般原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。 ②原因：原子半径越小，则化学键的键长越短，化学键就越强，键就越牢固，破坏化学键需要的能量就越多，键能越大，故晶体的熔点就越高。 ③实例：在金刚石、碳化硅、晶体硅中，原子半径C<Si，则键长C-C<C-Si<Si-Si，故键能C-C>C-Si>Si-Si，故熔点金刚石>碳化硅>晶体硅。 3.共价晶体的判断 ①依据构成晶体的微粒种类和微粒间的作用力判断：构成共价晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键。 ②依据晶体的熔点判断：共价晶体的熔点高，常在1 000 ℃以上。 ③依据晶体的导电性判断：共价晶体多数为非导体，但晶体Si、晶体Ge为半导体。 ④依据晶体的硬度和机械性能判断：共价晶体硬度大。 ⑤依据物质的分类判断：常见的单质类共价晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等；常见的化合物类共价晶体有碳化硅、二氧化硅等。 ⑥根据溶解性判断：共价晶体一般不溶于任何溶剂。 【典例6】键能、键长是衡量化学键稳定性的重要键参数，下列说法正确的是 A．C=O键的键长比C- O键短， C=O键的键能比C- O键小 B．C- O键的键长比Si- O键短，干冰的熔沸点比二氧化硅高 C．H-Cl键的键能比H一Br键大，HCl的热稳定性比HBr高 D．C=C双键的键能比C- C单键大，碳碳双键的化学性质比碳碳单键稳定 【答案】C 【解析】A. C=O键的键长比C- O键短，则C=O键的键能比C- O键大，A错误；B. 干冰是分子晶体，二氧化硅是原子晶体，分子间作用力比共价键弱得多，干冰的熔沸点比二氧化硅低很多，B错误；C. 键能越大，分子越稳定，H-Cl键的键能比H一Br键大，则HCl的热稳定性比HBr高，C正确；D. C=C双键的键能比C- C单键大，但是碳碳双键中有一个是 键、另一个是π键，其中π键不牢固、容易断，故碳碳双键的化学性质比碳碳单键活泼，D错误；答案选C。 【变式5-1】下列事实不能用键能的大小来解释的是 A．元素的电负性较大，但的化学性质很稳定 B．比沸点高 C．、、、的稳定性逐渐减弱 D．比更容易与反应 【答案】B 【解析】A．由于分子中存在键，键能较大，故的化学性质很稳定，A不符合题意；B．分子间存在氢键，导致比沸点高，与键能无关，B符合题意；C．卤族元素从到，原子半径逐渐增大，其氢化物中化学键的键长逐渐变长，键能逐渐变小，所以稳定性逐渐减弱，C不符合题意；D．由于键的键能大于键，所以更容易与反应生成，D不符合题意；答案选B。 【变式5-2】已知键能、键长部分数据如下表： 共价键 键能 242.7 193.7 152.7 567 431.8 366 298.7 462.8 键长 19 228 266 共价键 键能 347.7 615 812 413.4 390.8 607 142 497.3 键长 154 133 120 109 101 （1）下列推断正确的是___________(填字母，下同)。 A．稳定性： B．氧化性： C．沸点： D．还原性： （2）下列有关推断正确的是___________。 A．同种元素形成的共价键，稳定性：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 （3）在表中所给键中，键长最短的是 ，最长的是 ；键的键长 (填“大于”“小于”或“等于”)键的键长。 【答案】（1）ACD （2）A （3） 大于 【解析】（1）A．根据题表中数据，同主族元素气态氢化物的键能从上至下逐渐减小，稳定性逐渐减弱，A正确；B．从键能看，氯气、溴单质、碘单质的稳定性逐渐减弱，由原子结构知，氧化性也逐渐减弱，B错误；C．在常温下，为液态，为气态，则的沸点比高，C正确；D．非金属单质的氧化性越强，其对应阴离子的还原性越弱，氧化性：，还原性：，D正确；答案选ACD。 （2）A．由碳碳键的数据可知，同种元素形成的共价键，稳定性：三键＞双键＞单键，A正确；B．由键、键的键能知，同种元素形成的双键键能不一定小于单键的2倍，B错误；C．键的键长大于键的键长，但是键的键能反而较小，C错误；D．由键的键能知，的键能较大，而稳定性较弱，D错误；答案选A。 （3）由表格数据可知，在表中所给键中，键能越大、键长越短，则键长最短的是，最长的是，键的键能小于键的键能，则键的键长大于键的键长。 题型6 共价晶体晶胞分析与计算 1.共价晶体的特性 ①空间结构：整块晶体是一个三维的共价键网状结构，不存在单个的小分子，是一个“巨分子”，不存在单个的分子，因此，共价晶体的化学式不表示其实际组成，只表示其组成的原子个数比。 ②共价晶体熔化时被破坏的作用力是共价键。 ③共价晶体中只有共价键，但含有共价键的晶体不一定是共价晶体。如CO2、H2O等分子晶体中也含有共价键。 2.常见共价晶体的结构 （1）金刚石晶体的结构分析 晶体结构 晶胞 ①碳原子采取sp3杂化，键角为109°28'； ②每个碳原子与周围紧邻的4个碳原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成空间立体网状结构； ③最小碳环由6个碳原子组成，每个碳原子被12个六元环共用 晶胞的每个顶点和面心均有1个C原子，晶胞内部有4个C原子，内部的C在晶胞的体对角线长的处，每个金刚石晶胞中含有8个C原子 （2）二氧化硅晶体的结构分析 晶体结构 晶胞 ①Si原子采取sp3杂化，正四面体内O—Si—O键角为109°28'； ②每个Si原子与4个O原子形成4个共价键，Si原子位于正四面体的中心，O原子位于正四面体的顶点，同时每个O原子被2个硅氧正四面体共用，晶体中Si原子与O原子个数比为1∶2； ③最小环上有12个原子，包括6个O原子和6个Si原子； ④1 mol SiO2晶体中含Si—O键数目为4NA SiO2晶胞中有8个Si原子位于立方晶胞的顶点，有6个Si原子位于立方晶胞的面心，还有4个Si原子与16个O原子在晶胞内构成4个硅氧四面体。每个SiO2晶胞中含有8个Si原子和16个O原子 【典例7】我国科学家研究出一种磷化硼纳米颗粒作为高选择性电化学还原为甲醇的非金属电催化剂，磷化硼晶胞结构如图所示，晶胞的棱边边长为，为阿伏加德罗常数的值，下列说法错误的是    A．磷化硼晶体中共价键与配位键的数目之比为 B．若氮化硼与磷化硼具有相似的结构，则的熔点比高 C．磷化硼晶体中，每个硼原子周围紧邻且距离相等的硼原子共有4个 D．磷化硼晶胞密度为 【答案】C 【解析】A．B原子的价电子数为3，且杂化类型为sp3杂化，其中与3个Р原子形成3个共价键，另外一条杂化轨道无电子，为空轨道，与P原子形成配位键，配位键也属于共价键，磷化硼晶体中共价键与配位键的数目之比为，A错误；B．氮化硼与磷化硼都是原子晶体，原子半径：N<P，则键长B-N键<B-P，B-N键的键能较B-P的键能大，所以BN晶体的熔点高于BP晶体，B正确；C．由磷化硼晶胞结构可知，磷原子位于晶胞的顶点和面心，磷原子的堆积方式为面心立方最密堆积，则与磷原子距离最近且相等的磷原子有12个，且每个晶胞中磷原子个数为8×+6×=4，硼原子位于小立方体内，因此一个晶胞中硼原子和磷原子的个数之比为1: 1，因此磷化硼晶体中与硼原子距离最近且相等的硼原子个数为12，C错误；D．磷化硼晶胞密度为，故D正确；故选C。 【变式6-1】根据量子力学计算，氮化碳结构有五种，其中一种β⁃氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为一种超硬新材料，已知该氮化碳的二维晶体结构如图所示（实际结构为空间网状结构）。下列有关氮化碳的说法不正确的是 （　　） A.该晶体中的碳、氮原子核外都满足8电子稳定结构 B.氮化碳中碳显+4价，氮显-3价 C.每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连 D.氮化碳的分子式为C3N4 【答案】D 【解析】碳原子最外层有4个电子，形成4个共价键后满足8电子稳定结构，氮原子最外层有5个电子，形成3个共价键后也满足8电子稳定结构，A正确；由于元素的非金属性：N>C，所以形成共价键时，共用电子偏向N，偏离C，所以氮化碳中碳元素显+4价，氮显-3价，B正确；氮化碳是共价晶体，不存在分子，D错误。 【变式6-2】某种氮化硼晶体的立方晶胞结构如图，该物质熔沸点高、硬度大，与金刚石类似。下列说法不正确的是    A．该种氮化硼晶体熔点比硅高 B．若原子坐标参数甲为(0，0，0)，乙为，则晶胞中丙原子的坐标参数为 C．N原子形成了正四面体空隙和正八面体空隙，正八面体空隙数和B原子占有的正四面体空隙数比值为1∶4 D．与N原子最近的等距离的N原子有12个 【答案】C 【解析】A．氮原子和硼原子的半径都小于硅原子，故氮硼键的键能大于硅硅键的键能，故氮化硼的熔点比硅高，故A正确；B．根据信息可知，则丙原子的坐标参数为，故B正确；C．6个面心原子围成1个正八面体，将晶体向外延伸可知，共用一条棱的4个面心与该棱的两个顶点上的N也可以构成正八面体结构，但是这样的八面体是四个晶胞共有，所以正八面体个数为1+ 12×=4，正八面体空隙数为4，B原子占有的正四面体空隙数为4，N原子形成的正八面体空隙数与B原子占有的正四面体空隙数比值为1∶1，故C错误；D．由晶胞结构可知，与N原子最近的等距离的N原子有12个，故D正确；故选C。 【变式6-3】天宫空间站采用柔性砷化镓太阳能电池，图甲为砷化镓的立方晶胞结构，晶胞边长为dpm，a、b原子的分数坐标分别为，，下列说法错误的是 A．砷化镓的化学式为GaAs B．图乙为该晶胞沿z轴投影图 C．c点原子的分数坐标为 D．As原子间最短距离是 【答案】D 【解析】A．由晶胞结构可知，晶胞中位于体内的砷原子个数为4，位于顶点和面心的镓原子个数为8×+6×=4，则砷化镓的化学式为GaAs，故A正确； B．由晶胞结构可知，为该晶胞沿z轴投影图，故B正确； C．由位于顶点的原子a、b原子的分数坐标分别为，可知，晶胞的边长为1，则位于体对角线的c原子的分数坐标为，故C正确； D．由晶胞结构可知，晶胞中砷原子的最短距离为面对角线的，晶胞边长为dpm，则最短距离为，故D错误； 故选D。 / 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 第三单元 共价键 共价晶体 题型1 共价键的形成 题型2 共价键的类型与极性 题型3 配位键 题型4 共价键键能与化学反应的反应热 题型5 共价晶体的性质与键参数的关系 题型6 共价晶体晶胞分析与计算 题型1 共价键的形成 特征 概念 作用 存在情况 饱和性 每个原子所能形成的共价键的总数或以单键连接的原子数目是一定的 饱和性决定了分子的组成。 所有的共价键都具有饱和性 方向性 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 方向性决定了分子的空间结构。 并不是所有共价键都具有方向性 【特别提醒】通常电负性相同或差值较小的非金属元素原子之间形成共价键，大多数电负性之差小于1.7的金属与非金属原子之间形成共价键。 【典例1】下列关于共价键的理解不正确的是 (　　) A.由图可知氢分子中两个氢原子的核间距为0.074 nm B.H2O2分子中既有极性键又有非极性键 C.氢分子中共价键没有方向性 D.形成共价键后共用电子只在两个原子核之间出现 【变式1-1】下列关于共价键的饱和性和方向性的叙述中，不正确的是 (　　) A.成键原子一定的未成对电子数决定了共价键具有饱和性 B.共价键的方向性是由成键原子轨道的方向性决定的 C.分子的空间结构与共价键的方向性密切相关 D.共价键的饱和性与原子轨道的重叠程度有关 【变式1-2】下列关于共价键的叙述中正确的是 A．只有不同种元素的原子之间才能形成共价键 B．由A失去电子，B接受电子的过程形成了共价键 C．原子核外有几个电子就一定能形成几个共价键 D．共用电子对必然偏向吸引电子能力强的一方 【变式1-3】下列分子的结构式与共价键的饱和性不相符的是 A．： B．： C．： D．： 题型2 共价键的类型与极性 1.共价键的类型 共价键类型 σ键 π键 原子轨道重叠方式 沿键轴方向（“头碰头”）重叠，可沿键轴自由旋转 沿键轴方向平行（“肩并肩”）重叠，不能旋转 原子轨道重叠程度 大 小 键的强度 较大 较小 化学活泼性 不活泼 较活泼 成键规律判断 σ键可单独存在，π键不能单独存在。共价单键是σ键；共价双键中一个是σ键，另一个是π键；共价三键中一个是σ键，另两个是π键 实例 CH4、OH-只含有σ键，N≡N中既含有σ键又含有π键 【特别提醒】①一般情况下，σ键比π键牢固，但并不是所有分子中的σ键都比π键牢固（例如：N2）。 ②并不是所有的分子都含有σ键，如稀有气体分子。 ③不存在s-s π键、s-p π键等。 ④分子中存在π键，则一定存在σ键，但若存在σ键，则不一定存在π键。 2.极性键和非极性键 （1）分类标准：共用电子是否偏移。 （2）比较 类型 形成 元素 共用电子偏移 原子电性 非极 性键 同种 元素 两原子电负性相同，共用电子不偏移 两原子都不显电性 极性键 不同种 元素 共用电子偏向电负性较大的原子 电负性较大的原子显负电性，电负性较小的原子显正电性 （3）共价键极性强弱判断 成键原子所属元素电负性差值越大，键的极性就越强。 【典例2】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 【典例3】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 【变式2-1】在N2F2分子中，所有原子均符合8电子稳定结构，则该分子中两个氮原子之间的键型构成是 (　　) A.仅有一个σ键 B.仅有一个π键 C.一个σ键，一个π键 D.一个σ键，两个π键 【变式2-2】回答下列问题。 （1）已知CO和CN－与N2结构相似，CO分子内σ键与π键数目之比为_______。HCN分子中σ键与π键数目之比为________。 （2）乙烯分子中σ键与π键的数目之比为_________。 【变式2-3】下列物质的分子中既含有极性键，又含有非极性键的是 （　　） A.CO2 B.H2O C.N2H4 D.H2 【变式2-4】由前10号元素组成的物质T和X，有如图所示的转化关系。X不稳定，易分解。设NA为阿伏加德罗常数的值，下列有关说法正确的是 （　　） A.为使该转化成功进行，Y可以是酸性KMnO4溶液 B.等物质的量的T、X分子中含有π键的数目均为NA C.X分子中含有的σ键个数是T分子中含有的σ键个数的2倍 D.T分子中只含有极性键，X分子中既含有极性键又含有非极性键 题型3 配位键 配位键的概念、形成条件、表示方法及实质 概念 成键原子的一方提供孤电子对，另一方提供能够接受孤电子对的空轨道而形成的一种新的化学键叫配位键 形成条件 形成配位键的一方A是能够提供孤电子对的原子，另一方B具有能够接受孤电子对的空轨道 表示方法 配位键常用符号A→B表示 实质 配位键的实质与共价键相同，但形成配位键的共用电子是由一方提供而不是由双方共同提供的 【典例4】NH3与BF3可以通过配位键形成NH3·BF3，　　原子提供孤电子对，　　　　　原子提供空轨道。写出NH3·BF3的结构式，并用“→”表示出配位键：　　　　。  【变式3-1】下列各组中的物质或离子都含配位键的是A.H2O、Al2Cl6 B.CO2、SO C.PCl5、[Co(NH3)4Cl2]Cl D.NH4Cl、[Cu(NH3)4]SO4 【变式3-2】若X、Y两种粒子之间可形成配位键，则下列说法正确的是 （　　） A.X、Y只能是分子 B.X、Y只能是离子 C.若X提供空轨道，则Y至少要提供一对孤电子对 D.若X提供空轨道，则配位键表示为X→Y 【变式3-3】Cu2+能与NH3、H2O、OH-、Cl-等形成配位数为4的配合物。 向CuSO4溶液中加入过量NaOH溶液可生成Na2［Cu（OH）4］。 ①画出配离子［Cu（OH）4］2-中的配位键：　　　　。  ②Na2［Cu（OH）4］中除了配位键外，还存在的化学键类型有　　　　　　（填字母）。  A.离子键 B.金属键 C.极性共价键 D.非极性共价键 题型4 共价键键能与化学反应的反应热 ①定量地表示化学键的强弱。键能愈大，断开时需要的能量就愈多，化学键就愈牢固。 ②判断分子的稳定性 一般而言，组成和结构相似的分子，化学键键能越大，分子稳定性越强。 ③判断物质在化学反应过程中的能量变化 在化学反应中，旧化学键的断裂吸收能量，新化学键的形成放出能量，因此反应焓变与键能的关系为ΔH=∑E反应物-∑E反应产物。 【典例5】H2和I2在一定条件下能发生反应：H2（g）+I2（g）2HI（g）　ΔH=-a kJ·mol-1，下列说法正确的是 （　　） 已知：（a、b、c均大于零） A.H2、I2和HI分子中的化学键都是非极性共价键 B.断开2 mol HI分子中的化学键所需能量约为（c+b+a） kJ C.相同条件下，1 mol H2（g）和1 mol I2（g）的总能量小于2 mol HI （g）的总能量 D.向密闭容器中加入2 mol H2（g）和2 mol I2（g），充分反应后放出的热量为2a kJ 【变式4-1】已知各共价键的键能(一定条件下，气态原子生成1mol化学键放出的热量)如表所示，下列说法不正确的是 共价键 H－H F－F H－F H－Cl H－I 键能E/(kJ•mol-1) 436 157 568 431 298 A．化学键的稳定性：H－I＜H－Cl＜H－F B．表中最易断裂的共价键是F－F键 C．H2(g)+F2(g)═2HF(g)          △H=+25kJ•mol-1 D．431kJ•mol-1＞E(H－Br)＞298kJ•mol⁻1 【变式4-2】（1）CO2与CH4经催化重整，制得合成气，CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) 已知上述反应中相关化学键的键能数据如下： 化学键 C—H C===O H—H C≡O(CO) 键能/kJ·mol－1 413 745 436 1 075 则反应的ΔH＝____________________________________________________。 （2）F2与其他卤素单质反应可以形成卤素互化物，如ClF3、BrF3等。已知反应Cl2(g)＋3F2(g)===2ClF3(g)ΔH＝－313 kJ·mol－1，F—F键的键能为159 kJ·mol－1，Cl—Cl键的键能为242 kJ·mol－1，则ClF3中Cl—F键的平均键能为________kJ·mol－1。 【变式4-3】碳和硅的有关化学键的键能如表所示，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/ （kJ·mol-1） 347 413 358 226 323 368 （1）通常条件下，比较CH4和SiH4的稳定性强弱：　　　。  （2）硅与碳同族，硅也有一系列氢化物，但硅的氢化物在种类和数量上都远不如烷烃多，原因是　　　　。  （3）Si更易生成氧化物，原因是　　　　　。 题型5 共价晶体的性质与键参数的关系 1.共价晶体的物理性质 ①熔点很高：共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时必须破坏共价键，而破坏它们需要很高的温度，所以共价晶体具有很高的熔点。结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。 ②硬度很大：共价键三维骨架结构决定了共价晶体的硬度，如金刚石是天然存在的最硬的物质。 ③一般不导电，但晶体硅、锗是半导体。 ④难溶于一般的溶剂。 2.共价晶体熔、沸点的比较 ①规律：一般原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。 ②原因：原子半径越小，则化学键的键长越短，化学键就越强，键就越牢固，破坏化学键需要的能量就越多，键能越大，故晶体的熔点就越高。 ③实例：在金刚石、碳化硅、晶体硅中，原子半径C<Si，则键长C-C<C-Si<Si-Si，故键能C-C>C-Si>Si-Si，故熔点金刚石>碳化硅>晶体硅。 3.共价晶体的判断 ①依据构成晶体的微粒种类和微粒间的作用力判断：构成共价晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键。 ②依据晶体的熔点判断：共价晶体的熔点高，常在1 000 ℃以上。 ③依据晶体的导电性判断：共价晶体多数为非导体，但晶体Si、晶体Ge为半导体。 ④依据晶体的硬度和机械性能判断：共价晶体硬度大。 ⑤依据物质的分类判断：常见的单质类共价晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等；常见的化合物类共价晶体有碳化硅、二氧化硅等。 ⑥根据溶解性判断：共价晶体一般不溶于任何溶剂。 【典例6】键能、键长是衡量化学键稳定性的重要键参数，下列说法正确的是 A．C=O键的键长比C- O键短， C=O键的键能比C- O键小 B．C- O键的键长比Si- O键短，干冰的熔沸点比二氧化硅高 C．H-Cl键的键能比H一Br键大，HCl的热稳定性比HBr高 D．C=C双键的键能比C- C单键大，碳碳双键的化学性质比碳碳单键稳定 【变式5-1】下列事实不能用键能的大小来解释的是 A．元素的电负性较大，但的化学性质很稳定 B．比沸点高 C．、、、的稳定性逐渐减弱 D．比更容易与反应 【变式5-2】已知键能、键长部分数据如下表： 共价键 键能 242.7 193.7 152.7 567 431.8 366 298.7 462.8 键长 19 228 266 共价键 键能 347.7 615 812 413.4 390.8 607 142 497.3 键长 154 133 120 109 101 （1）下列推断正确的是___________(填字母，下同)。 A．稳定性： B．氧化性： C．沸点： D．还原性： （2）下列有关推断正确的是___________。 A．同种元素形成的共价键，稳定性：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 （3）在表中所给键中，键长最短的是 ，最长的是 ；键的键长 (填“大于”“小于”或“等于”)键的键长。 题型6 共价晶体晶胞分析与计算 1.共价晶体的特性 ①空间结构：整块晶体是一个三维的共价键网状结构，不存在单个的小分子，是一个“巨分子”，不存在单个的分子，因此，共价晶体的化学式不表示其实际组成，只表示其组成的原子个数比。 ②共价晶体熔化时被破坏的作用力是共价键。 ③共价晶体中只有共价键，但含有共价键的晶体不一定是共价晶体。如CO2、H2O等分子晶体中也含有共价键。 2.常见共价晶体的结构 （1）金刚石晶体的结构分析 晶体结构 晶胞 ①碳原子采取sp3杂化，键角为109°28'； ②每个碳原子与周围紧邻的4个碳原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成空间立体网状结构； ③最小碳环由6个碳原子组成，每个碳原子被12个六元环共用 晶胞的每个顶点和面心均有1个C原子，晶胞内部有4个C原子，内部的C在晶胞的体对角线长的处，每个金刚石晶胞中含有8个C原子 （2）二氧化硅晶体的结构分析 晶体结构 晶胞 ①Si原子采取sp3杂化，正四面体内O—Si—O键角为109°28'； ②每个Si原子与4个O原子形成4个共价键，Si原子位于正四面体的中心，O原子位于正四面体的顶点，同时每个O原子被2个硅氧正四面体共用，晶体中Si原子与O原子个数比为1∶2； ③最小环上有12个原子，包括6个O原子和6个Si原子； ④1 mol SiO2晶体中含Si—O键数目为4NA SiO2晶胞中有8个Si原子位于立方晶胞的顶点，有6个Si原子位于立方晶胞的面心，还有4个Si原子与16个O原子在晶胞内构成4个硅氧四面体。每个SiO2晶胞中含有8个Si原子和16个O原子 【典例7】我国科学家研究出一种磷化硼纳米颗粒作为高选择性电化学还原为甲醇的非金属电催化剂，磷化硼晶胞结构如图所示，晶胞的棱边边长为，为阿伏加德罗常数的值，下列说法错误的是    A．磷化硼晶体中共价键与配位键的数目之比为 B．若氮化硼与磷化硼具有相似的结构，则的熔点比高 C．磷化硼晶体中，每个硼原子周围紧邻且距离相等的硼原子共有4个 D．磷化硼晶胞密度为 【变式6-1】根据量子力学计算，氮化碳结构有五种，其中一种β⁃氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为一种超硬新材料，已知该氮化碳的二维晶体结构如图所示（实际结构为空间网状结构）。下列有关氮化碳的说法不正确的是 （　　） A.该晶体中的碳、氮原子核外都满足8电子稳定结构 B.氮化碳中碳显+4价，氮显-3价 C.每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连 D.氮化碳的分子式为C3N4 【变式6-2】某种氮化硼晶体的立方晶胞结构如图，该物质熔沸点高、硬度大，与金刚石类似。下列说法不正确的是    A．该种氮化硼晶体熔点比硅高 B．若原子坐标参数甲为(0，0，0)，乙为，则晶胞中丙原子的坐标参数为 C．N原子形成了正四面体空隙和正八面体空隙，正八面体空隙数和B原子占有的正四面体空隙数比值为1∶4 D．与N原子最近的等距离的N原子有12个 【变式6-3】天宫空间站采用柔性砷化镓太阳能电池，图甲为砷化镓的立方晶胞结构，晶胞边长为dpm，a、b原子的分数坐标分别为，，下列说法错误的是 A．砷化镓的化学式为GaAs B．图乙为该晶胞沿z轴投影图 C．c点原子的分数坐标为 D．As原子间最短距离是 / 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $