专题3 第三单元 第2课时 共价键键能 共价晶体-【金版新学案】2025-2026学年高中化学选择性必修2同步课堂高效讲义教师用书word（苏教版）

本讲义聚焦共价键键能、键长及其与反应热的关系，以及共价晶体的结构与性质，构建从微观键参数（键能、键长）到宏观反应能量变化，再到共价晶体空间网状结构及性质的学习支架。 资料通过键能数据对比（如碳硅氢化物稳定性分析）、典型共价晶体结构模型（如金刚石晶胞）解析，培养学生宏观辨识与微观探析、科学思维能力。例题与练习题结合，课中辅助教师引导深度理解，课后帮助学生巩固知识、查漏补缺。

第2课时　共价键键能　共价晶体 [学习目标]　1.知道共价键键能、键长的概念，掌握共价键的键能与化学反应过程中能量变化之间的关系，促进宏观辨识与微观探析学科核心素养的发展。2.能辨识常见的共价晶体，理解晶体中微粒间相互作用对共价晶体性质的影响，了解常见共价晶体的晶体结构。 任务一　共价键键能与化学反应的反应热 1.共价键的键能和键长 (1)键能的定义 共价键的键能是在101 kPa、298 K条件下，1 mol气态AB分子生成1 mol气态A原子和1 mol气态B原子的过程中所吸收的能量，称为AB间共价键的键能。其单位为kJ·mo。 如：在101 kPa、298 K条件下，使1 mol H2离解成2 mol气态氢原子时需要吸收436 kJ的能量，即H—H键的键能为436 kJ·mo。 (2)键长的定义 两原子间形成共价键时，两原子核间的平均间距。 (3)定性判断键长的方法 ①根据原子半径判断。在其他条件相同时，成键原子的半径越短，键长越短。 ②根据共用电子对数判断。就相同的两原子形成的共价键而言，当两个原子形成双键或三键时，由于原子轨道的重叠程度大，原子之间的核间距减小，键长变短，故单键键长＞双键键长＞三键键长。 (4)键能与键长的关系 当两个原子形成共价键时，原子轨道发生重叠，重叠程度越大，键长越短，键能越大。 (5)键能、键长的应用 键长越短，键能越大，共价键越稳定，分子越稳定。 2.键能与反应热的关系 (1)反应物和生成物中化学键的强弱直接决定着化学反应过程中的能量变化。 (2)若化学反应中旧化学键断裂所吸收的总能量大于新化学键形成所放出的总能量，该反应为吸热反应。反之，该反应为放热反应。 (3)由键能计算化学反应的反应热 ΔH＝反应物的键能总和－生成物的键能总和。 [交流研讨]　1.碳和硅的有关化学键键能如表所示，简要分析和解释下列有关事实： 化学键 C—C C—H C—O 键能/(kJ·mo) 348 413 358 化学键 Si—Si Si—H Si—O 键能/(kJ·mol－1) 226 323 368 (1)通常条件下，稳定性：CH4　　　　(填“＜”“＞”或“＝”)SiH4，原因是　　　 　　　　　　　。 (2)硅与碳同族，也有系列氢化物，但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多，原因是 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)SiH4的稳定性较弱，Si更易生成氧化物，原因是　　　　　　　　　　　　　。 提示：(1)＞　C—H键的键能大于Si—H键的键能，所以CH4比SiH4稳定 (2)C—C键和C—H键的键能比Si—H键和Si—Si键的键能都大，因此烷烃比较稳定，而硅烷中Si—Si键和Si—H键的键能较小，易断裂，导致长链硅烷难以生成 (3)Si—H的键能小于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 2.已知N—N键、NN键和N≡N键的键能之比为1.00∶2.17∶4.90，而C—C键、CC键、C≡C键的键能之比为1.00∶1.77∶2.34。如何用这些数据理解氮分子不容易发生加成反应而乙烯和乙炔容易发生加成反应？ 提示：键能数据表明，N≡N键键能大于N—N键键能的三倍，NN键键能大于N—N键键能的两倍，说明氮气分子中的π键很牢固；而C≡C键键能却小于C—C键键能的三倍，CC键键能小于C—C键键能的两倍，说明乙烯和乙炔中的π键不牢固，易发生加成反应，而N2分子中N≡N键非常牢固，所以氮分子不易发生加成反应。 学生用书⬇第46页 3.已知H—H、Cl—Cl、H—Cl键的键能分别为436 kJ·mol－1、243 kJ·mol－1、431 kJ·mol－1。则H2(g)＋Cl2(g)2HCl(g)的反应热ΔH＝　　　　　　。 提示：－183 kJ·mol－1 1.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化学反应 C.HF、HCl、HBr、HI的热稳定性逐渐减弱 D.F2比O2更容易与H2反应 答案：B 解析：由于N2分子中存在氮氮三键，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，其氢化物中的化学键键长逐渐增长，键能逐渐减小，所以热稳定性逐渐减弱；由于H—F键的键能大于H—O键的键能，所以二者相比较，更容易生成HF。 2.下表是从实验中测得的不同物质中的键长和键能数据： O—O O2 键长/(10－12 m) 149 128 121 112 键能/(kJ·mol－1) x y a＝494 b＝628 其中x、y的键能数据尚未测定，但可根据规律推导键能大小的顺序是b＞a＞y＞x，该规律是(　　) A.成键所用的电子数越多，键能越大 B.键长越短，键能越大 C.成键所用的电子数越少，键能越小 D.成键时电子对越偏移，键能越大 答案：B 解析：观察表中数据发现，测定的化学键都是O—O键，因此不存在成键所用的电子数多少的问题，也不存在电子对偏移的问题，但是O2与比较，键能大的对应的键长短，的键长长，所以中O—O键的键能比的小。若按照此规律，键长由短到长的顺序为＜O2＜＜，键能大小的顺序应为b＞a＞y＞x，所以B项正确。 3.某些化学键的键能(单位：kJ·mol－1)如表所示： 化学键 H—H Cl—Cl Br—Br I—I H—Cl H—Br H—I 键能 436 243 193 151 431 366 298 (1)1 mol H2在2 mol Cl2中燃烧，放出热量　　　kJ。 (2)在一定条件下，1 mol H2与足量的Cl2、Br2、I2分别反应，放出热量由多到少的顺序是　　　　(填字母)。 a.Cl2＞Br2＞I2　　　　b.I2＞Br2＞Cl2 c.Br2＞I2＞Cl2 预测1 mol H2在足量F2中燃烧比在Cl2中燃烧放热　　　　(填“多”或“少”)。 答案：(1)183　(2)a　多 解析：(1)根据键能数据可得，H2(g)＋Cl2(g)2HCl(g)　ΔH＝436 kJ·mol－1＋243 kJ·mol－1－431 kJ·mol－1×2＝－183 kJ·mol－1，1 mol H2在2 mol Cl2中燃烧，参加反应的H2和Cl2都是1 mol，生成2 mol HCl，故放出的热量为183 kJ。(2)由表中数据计算知1 mol H2在Cl2中燃烧放热最多，在I2中燃烧放热最少；由以上结果分析可得，生成物越稳定，放出热量越多。因稳定性：HF＞HCl，故1 mol H2在足量F2中燃烧比在Cl2中燃烧放热多。 任务二　共价晶体 1.共价晶体 (1)概念 晶体中所有原子通过共价键结合，形成具有空间网状结构的晶体。 (2)结构 (3)结构特点 ①由于共价键的饱和性和方向性，使每个中心原子周围排列的原子数目是固定的。 ②由于所有原子间均以共价键相结合，所以晶体中不存在单个分子。 2.常见的共价晶体 (1)某些单质，如：金刚石、晶体硅、晶体硼、晶体锗等。 (2)某些化合物，如：金刚砂(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)等。 3.共价晶体的物理性质 (1)共价晶体一般有很高的熔点、沸点和很大的硬度。 (2)结构相似的共价晶体，共价键的键长越长，键能越小，晶体的熔、沸点越低，硬度越小。 4.常见共价晶体的结构 (1)金刚石晶体的结构 [交流研讨]　①成键特征：每个碳原子与相邻的　　个碳原子形成　　个共价键，键长相等，键角为109°28'，每个碳原子的配位数为　　。 ②结构单元：每个碳原子均与相邻的　　个碳原子构成正四面体，向空间无限延伸得到立体网状结构的晶体，在1个正四面体中含有　　个碳原子。 学生用书⬇第47页 ③晶胞：a.8个顶点及6个面心上各有1个碳原子；b.把晶胞分割成8个小立方体，则每个小立方体互为对角位置的4个顶点各有1个碳原子，4个互不相邻的小立方体的体心各有1个碳原子。则每个金刚石晶胞中有　　个碳原子。 ④金刚石晶体中最小环上有　　个碳原子，金刚石晶体中每个C原子形成4个C—C键，而每个键为2个C原子所共有，故碳原子的个数与C—C键数比为　　　　。因此12 g金刚石中含有　　　 mol C—C键。其中一个最小的环上独立含有　　　　个C—C键。 ⑤金刚石晶胞边长为a，碳原子半径为r，则其关系为　　　　　　 。 提示：①4　4　4 ②4　1＋4×＝2 ③8 ④6　1∶2　2　1 ⑤2r＝a (2)晶体硅、碳化硅晶体的结构 ①晶体硅：将金刚石晶胞中的碳原子换成硅原子，就是晶体硅的晶胞。每个晶体硅晶胞中有8个硅原子。 ②碳化硅：将晶体硅晶胞的顶点、面心上的硅原子换成碳原子，体内4个硅原子不变，就是碳化硅的晶胞。每个碳化硅晶胞中有4个碳原子、4个硅原子。 ③1 mol晶体硅中含有2 mol Si—Si键，1 mol SiC中含有4 mol Si—C键。 (3)二氧化硅(石英)晶体的结构 ①二氧化硅晶体可以看作是在晶体硅中2个硅原子之间插入了1个氧原子。每个硅原子与4个氧原子结合，硅原子位于正四面体的中心，氧原子位于正四面体的顶点。 ②每个氧原子为2个正四面体共有，每个正四面体中占有1个完整的硅原子。因此硅氧原子的个数比为1∶2。因此二氧化硅晶体中并不存在单个的SiO2分子，它是由硅原子和氧原子按1∶2的比例组成的空间立体网状结构的晶体。 ③晶体中最小的环为6个硅原子、6个氧原子组成的12元环。 ④每个二氧化硅晶胞中含有8个硅原子和16个氧原子。 ⑤1 mol SiO2含有4 mol Si—O键。 1.下表是某些共价晶体的熔点和硬度，分析表中的数据，判断下列叙述正确的是(　　) 共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗 熔点/℃ 3 900 3 000 2 600 1 710 1 415 1 211 摩氏硬度 10 9 9 7 7 6.0 ①构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高 ②构成共价晶体的原子间的共价键键能越大，晶体的熔点越高　③构成共价晶体的原子半径越大，晶体的硬度越大　④构成共价晶体的原子半径越小，晶体的硬度越大 A.①② B.③④ C.①③ D.②④ 答案：D 解析：共价晶体的熔、沸点和硬度等物理性质取决于晶体内的共价键，构成共价晶体的原子半径越小，键长越短，键能越大，对应共价晶体的熔、沸点越高，硬度越大。 2.共价晶体因具有熔、沸点高，硬度大，耐磨等优良特性而具有广泛的用途。设NA为阿伏加德罗常数的值。金刚砂(SiC)与金刚石具有相似的晶体结构(如图甲所示)，在金刚砂的空间网状结构中，碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。试回答下列问题： 学生用书⬇第48页 (1)金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是　　　　　　　　　(均用化学式表示)。 (2)在金刚砂的结构中，一个硅原子结合了　　　　个碳原子，其中的键角是　　　　。 (3)金刚砂的结构中含有C、Si原子以共价键结合形成的环，其中一个最小的环上独立含有　　　　　个C—Si键。 (4)金刚砂的晶胞结构如图乙所示，在SiC中，每个C原子周围最近且等距的C原子数目为　　　　；若金刚砂的密度为ρ g·cm－3，则晶体中最近的碳、硅原子之间的距离为　　　　　pm(用代数式表示即可)。 答案：(1)Si＜SiC＜C　(2)4　109°28'　(3)1　 (4)12　×1010 解析：(1)共价晶体中，共价键键长越短，键能越大，熔、沸点越高，因此金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是Si＜SiC＜C。(2)根据金刚砂的结构可知一个硅原子结合了4个碳原子，形成正四面体结构，其键角是109°28'。(3)金刚砂的结构中含有C、Si原子以共价键结合形成的环，一个最小环里共有6个C—Si键，1个C—Si键被6个环共用，因此一个最小的环上独立含有C—Si键的个数为6×＝1。(4)以SiC晶胞顶点的碳原子为研究对象，每个C原子周围最近且等距的C原子数目为12；1个金刚砂晶胞中含有4个碳原子、4个硅原子，若金刚砂的密度为ρ g·cm－3，则晶体中最近的碳、硅原子之间的距离为晶胞体对角线长的四分之一，1个晶胞的体积为 cm3，因此最近的碳、硅原子之间的距离为×1010 pm。 1.下列属于共价晶体的化合物的是(　　) A.晶体硅 B.H3PO4 C.金刚石 D.SiO2 答案：D 解析：晶体硅是单质，A错误；H3PO4不是共价晶体，B错误；金刚石是单质，C错误；SiO2是共价晶体，且属于化合物，D正确。 2.下列事实能说明刚玉(Al2O3)是一种共价晶体的是(　　) ①Al2O3是两性氧化物　②硬度很大　③它的熔点为2 045 ℃　④几乎不溶于水　⑤自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石 A.①②③ B.②③④ C.④⑤ D.②⑤ 答案：B 解析：①指的是Al2O3的分类，⑤指的是刚玉的种类，这两项都无法说明Al2O3是一种共价晶体。 3.科学家成功地制成了一种新型的碳氧化合物，该化合物晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为空间网状的无限伸展结构。下列对该晶体叙述错误的是(　　) A.晶体的熔、沸点高，硬度大 B.该物质的化学式为CO2 C.晶体中C原子数与C—O化学键数之比为1∶6 D.晶体的空间最小环由12个原子构成 答案：C 解析：该化合物晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为空间网状的无限伸展结构，所以是共价晶体，熔、沸点高，硬度大，故A正确；晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合，每个氧原子和2个碳原子以共价单键相结合，所以碳氧原子个数比为1∶2，则其化学式为CO2，故B正确；该晶体中，每个碳原子形成4个C—O共价键，每个C原子平均占有2个C—O键，每个O原子形成2个C—O键，平均占有1个C—O键，1个CO2中平均含有2个O原子1个C原子，平均含有4个C—O键，所以C原子与C—O化学键数目之比为1∶4，故C错误；该晶体的空间最小环是由6个碳原子和6个氧原子构成的12元环，故D正确。 4.氮化硼(BN)是一种新型无机非金属材料，具有多种结构，其中一种氮化硼的硬度仅次于金刚石，它是一种共价晶体，其晶胞结构如图所示。 回答下列问题： (1)每个B原子周围有　　　个N原子，每个N原子周围有　　　个B原子，每个N原子周围有　　　个N原子。 (2)在BN中有配位键，其中配位键　　　　→　　　　(填“B”或“N”)。 答案：(1)4　4　12　(2)N　B 5.铁氮化合物是磁性材料领域研究中的热点课题之一。晶体中铁的堆积方式为面心立方堆积，氮原子位于体心，沿z轴投影如图所示，已知阿伏加德罗常数的值为NA，Fe(Ⅰ)、Fe(Ⅱ)原子最近距离为a pm。 (1)结构中原子分数坐标A为(0，0，0)，氮原子为，则B原子分数坐标为　　　　。 (2)计算该晶体密度为　　　　　　g·cm－3。 答案：(1)　(2) 解析：(1)晶体中铁的堆积方式为面心立方堆积，氮原子位于体心，铁位于面心和顶点。Fe(Ⅰ)位于顶点，A原子分数坐标为(0，0，0)；氮原子位于体心，原子分数坐标为；则Fe(Ⅱ)位于面心，B原子分数坐标为。(2)晶胞内含有Fe的个数为6×＋8×＝4；有1个N原子；Fe(Ⅰ)、Fe(Ⅱ)原子最近距离为a pm，即面对角线长的，所以面对角线长为2a pm，根据勾股定理，晶胞的边长为a pm＝a×10－10 cm；晶胞的体积为V＝(a×10－10)3cm3；ρ＝＝ g·cm－3＝ g·cm－3。 学科网（北京）股份有限公司 $