内容正文:
人教版高中化学选择性必修2 第二章 分子结构与性质 学生版
第二章第一节 共价键 【学生版】
——学习目标·自主填空·系统讲解·典例变式·分层作业——
板块一 学习目标
1. 能说出共价键的形成原因、本质,理解共价键的饱和性和方向性。
2. 能从原子轨道重叠方式上区分 σ键(s-s、s-p、p-p)与 π键,会判断分子中 σ键、π键的数目。
3. 知道键能、键长、键角的含义,能用键参数解释分子的稳定性与空间结构。
4. 会用键能估算化学反应热 ΔH,建立“结构决定性质”的观念。
板块二 自主学习·夯实基础(知识点填空)
1. 共价键是原子间通过_____所形成的相互作用;其本质是__________,电子在核间出现的概率增大。共价键具有___性和___性。
2. 以两原子核连线为轴旋转,电子云图形不变(轴对称)的共价键叫___;两个p轨道平行“肩并肩”重叠形成的共价键叫___,其电子云呈___对称。
3. σ键的三种形成方式:s-s σ键如___中的H—H键;s-p σ键如___中的H—Cl键;p-p σ键如___中的Cl—Cl键。
4. 共价单键是___键;双键中有1个σ键和___个π键;三键由1个σ键和___个π键构成。π键比σ键___(填“强”或“弱”),较易断裂。
5. 键能是气态分子中1 mol化学键解离成____所吸收的能量;键长是成键两原子的___;多原子分子中两个相邻共价键的夹角叫___。
6. 键长越短,键能越___,共价键越牢固;键能越大,含该键的分子越___。
7. 反应热 ΔH = 反应物总键能之___ − 生成物总键能之___。ΔH<0为___反应,ΔH>0为___反应。
板块三 知识点系统讲解
一、共价键的形成与特征
1. 定义:原子间通过共用电子对所形成的相互作用,叫做共价键。
2. 本质:原子轨道在两个原子核间重叠,电子出现在核间的概率增大,带负电的电子把两个带正电的原子核“黏结”在一起。
3. 特征:
(1)饱和性: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。故H只能形成H₂而不能形成H₃。
(2)方向性:原子轨道总是沿重叠程度最大的方向重叠,重叠越多键越牢固。共价键的方向性决定了分子的空间结构。
【注意/易错警示】稀有气体单质为单原子分子,分子中不存在化学键;成键原子一般为非金属原子,但AlCl₃、BeCl₂中的键也是共价键。
二、σ键与π键
1. σ键:以两原子核连线为轴旋转,电子云图形不变(轴对称)。三种形成方式:
(1)s-s σ键:两个s轨道“头碰头”重叠,如H—H键;(2)s-p σ键:s轨道与p轨道重叠,如H—Cl键;(3)p-p σ键:两个p轨道沿键轴“头碰头”重叠,如Cl—Cl键。
2. π键:两个p轨道平行“肩并肩”重叠,电子云由两块组成、互为镜像(镜面对称),不能绕键轴旋转。π键不如σ键牢固,较易断裂。
表1 σ键与π键的比较
类型
重叠方式
对称特征
牢固程度
存在情况
σ键
“头碰头”
轴对称
牢固,不易断
可单独存在
π键
“肩并肩”
镜面对称
较弱,易断
不能单独存在,必与σ键共存
3. 数目判断规律:单键全是σ键;双键含1σ+1π;三键含1σ+2π。如乙烷CH₃—CH₃全为σ键;乙烯CH₂=CH₂含5σ+1π;乙炔CH≡CH含3σ+2π。
【注意/易错警示】σ键总数 = 单键数 + 每个双键/三键各贡献1个σ;苯环中是离域大π键,不单独计数。
三、键参数——键能、键长、键角
1. 键能:气态分子中1 mol化学键解离成气态原子所吸收的能量(298.15 K、101 kPa标准值)。键能越大键越牢固。
2. 键长:成键两原子核间的平衡距离。键长越短,键能越大,键越牢固。如C—C、C=C、C≡C键长154→133→120 pm,键能347.7→615→812 kJ·mol^-1^。
3. 键角:两个相邻共价键的夹角,是描述分子空间结构的重要参数。
图1 CO₂为直线形分子,键角180°
图2 H₂O为V形(角形)分子,H—O—H键角约105°
4. 键参数对性质的影响:键能越大分子越稳定;键长、键角共同决定分子空间结构;并影响分子极性等性质。
5. 用键能估算反应热:ΔH = 反应物总键能 − 生成物总键能。
【注意/易错警示】“反应物断键吸热”计入正,“生成物成键放热”计入负;切勿与物质本身状态混淆。
板块四 典型例题与变式训练(分考点)
考点一 σ键与π键的判断
【例1】下列关于σ键和π键的说法错误的是( )
A. σ键电子云轴对称,π键电子云镜面对称
B. σ键是“头碰头”重叠,π键是“肩并肩”重叠
C. 两个p轨道不能形成σ键,只能形成π键
D. H只能形成σ键,O可形成σ键和π键
【思路点拨】抓住“p轨道既能头碰头成σ键、也能肩并肩成π键”这一关键点。
【变式训练】
变1. 下列分子中既含σ键又含π键的是( )
A. H₂ B. Cl₂ C. C₂H₄ D. CH₄
考点二 σ键、π键数目计算
【例2】下列分子中既有σ键又有π键,且σ键与π键数目之比为3∶1的是( )
A. CO₂ B. 乙烯 C. 乙炔 D. N₂
【思路点拨】写出结构式,逐键计数:单键计σ,双键计1σ+1π,三键计1σ+2π。
【注意/易错警示】计数口诀:σ键数 = 全部单键 + 每个双键/三键各1个;π键数 = 每个双键1个 + 每个三键2个。
【变式训练】
变2. 写出下列分子中σ键和π键数目:(1) N₂:σ___个,π个;(2) HCN(H—C≡N):σ个,π___个。
考点三 键参数及其应用
【例3】下列说法错误的是( )
A. 键能越大,化学键越牢固
B. 键长与共价键稳定性无关
C. 键角反映共价键的方向性
D. 共价键有饱和性
【思路点拨】键长越短键能越大,二者共同决定键的牢固程度。
【变式训练】
变3. 下列分子键角由大到小排列正确的是( )
A. CO₂ > H₂O > NH₃ > CH₄
B. H₂O > NH₃ > CH₄ > CO₂
C. CO₂ > CH₄ > NH₃ > H₂O
D. NH₃ > CO₂ > H₂O > CH₄
考点四 用键能估算反应热
【例4】已知H—H键能436.0、Cl—Cl键能242.7、H—Cl键能431.8 kJ·mol^-1^。计算H₂(g)+Cl₂(g)=2HCl(g)的ΔH,并判断吸放热。
【思路点拨】ΔH = 反应物总键能 − 生成物总键能。
【变式训练】
变4. 已知H—H 436.0、O=O 497.3、O—H 462.8 kJ·mol^-1^,计算2H₂(g)+O₂(g)=2H₂O(g)的ΔH。
板块五 课后作业(分层)
(满分100分 建议用时40分钟) 【基础】【中档】【拔高】标注难度
(一)基础巩固(每题6分,共60分)
【基础】1. 下列关于共价键的叙述不正确的是( )
A. 共价键通过共用电子对形成
B. 原子轨道重叠越多键越牢固
C. 共价键一定比离子键强
D. 共价键有饱和性和方向性
【基础】2. 下列分子σ键数目最多的是( )
A. CH₄ B. C₂H₆ C. C₂H₄ D. C₂H₂
【基础】3. 下列关于键长、键能、键角说法不正确的是( )
A. 键角是描述分子空间结构的重要参数
B. 键长与成键原子半径有关
C. 键能越大键长越长,键越不稳定
D. 键能通常指298.15 K、101 kPa标准值
【基础】4. 下列分子所有原子都满足最外层8电子结构的是( )
A. BF₃ B. H₂O C. CO₂ D. PCl₅
【基础】5. 下列分子只有σ键没有π键的是( )
A. CO₂ B. H₂O₂ C. C₂H₄ D. N₂
【基础】6. 比较键能大小(填“>”或“<”):(1) H—O ___ H—S;(2) C—C C≡C;(3) N—N N=N;(4) O—H ___ H—F。
【基础】7. 写出下列分子σ、π键数目:(1) N₂:σ_个,π个;(2) HCN:σ个,π个;(3) CH₃CHO(乙醛):σ个,π_个。
【基础】8. 判断正误:(1) s-s σ键与s-p σ键电子云对称性相同( );(2) π键可绕键轴自由旋转( );(3) 所有共价单键都是σ键( );(4) 键能越大分子越稳定( )。
【基础】9. 键长是指___________________;键角是指___________________。
【基础】10. 为什么N≡N键能(946)远大于3倍N—N键能(193×3=579)?这说明什么?
(二)能力提升(每题7分,共28分)
【中档】11. 已知①断裂1 mol H—H吸收436 kJ;②断裂1 mol Cl—Cl吸收243 kJ;③形成1 mol H—Cl释放431 kJ。生成2 mol HCl的ΔH为( )
A. +183 kJ·mol^-1^ B. −183 kJ·mol^-1^
C. −91.5 kJ·mol^-1^ D. +91.5 kJ·mol^-1^
【中档】12. 下列事实能用键能解释的是( )
A. 常温Cl₂气态、Br₂液态
B. HBr热稳定性比HI强
C. N₂化学性质比O₂稳定
D. NH₃极易溶于水
【中档】13. 白磷P₄为正四面体结构(4个P在顶点)。已知P—P键能201、P≡P键能481 kJ·mol^-1^。问1 mol P₄含几个P—P键?断开全部P—P键吸收多少能量?
【中档】14. 乙烯C₂H₄含4个C—H和1个C=C。已知C—H 413.4、C=C 615 kJ·mol^-1^。计算1 mol C₂H₄完全分解为气态C、H原子吸收的总能量。
(三)拓展探究(12分)
【拔高】15. (12分)碳有多种同素异形体。(1) 金刚石中每个C与周围4个C成键,C—C键为___键(填σ或π);(2) 石墨每层内每个C与相邻3个C成键,未参与杂化的p轨道重叠形成键;(3) 已知C—C 347.7、C=C 615、C≡C 812,从键能角度解释为什么碳碳双键、三键比单键短而牢固:_______________。
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第二章第一节 共价键 【教师版(含答案解析)】
——学习目标·自主填空·系统讲解·典例变式·分层作业——
板块一 学习目标
1. 能说出共价键的形成原因、本质,理解共价键的饱和性和方向性。
2. 能从原子轨道重叠方式上区分 σ键(s-s、s-p、p-p)与 π键,会判断分子中 σ键、π键的数目。
3. 知道键能、键长、键角的含义,能用键参数解释分子的稳定性与空间结构。
4. 会用键能估算化学反应热 ΔH,建立“结构决定性质”的观念。
板块二 自主学习·夯实基础(知识点填空)
1. 共价键是原子间通过共用电子对所形成的相互作用;其本质是原子轨道在两核间重叠,电子在核间出现的概率增大。共价键具有饱和性和方向性。
2. 以两原子核连线为轴旋转,电子云图形不变(轴对称)的共价键叫σ键;两个p轨道平行“肩并肩”重叠形成的共价键叫π键,其电子云呈镜面对称。
3. σ键的三种形成方式:s-s σ键如H₂中的H—H键;s-p σ键如HCl中的H—Cl键;p-p σ键如Cl₂中的Cl—Cl键。
4. 共价单键是σ键;双键中有1个σ键和1个π键;三键由1个σ键和2个π键构成。π键比σ键弱(填“强”或“弱”),较易断裂。
5. 键能是气态分子中1 mol化学键解离成气态原子所吸收的能量;键长是成键两原子的核间距;多原子分子中两个相邻共价键的夹角叫键角。
6. 键长越短,键能越大,共价键越牢固;键能越大,含该键的分子越稳定。
7. 反应热 ΔH = 反应物总键能之和 − 生成物总键能之和。ΔH<0为放热反应,ΔH>0为吸热反应。
板块三 知识点系统讲解
一、共价键的形成与特征
1. 定义:原子间通过共用电子对所形成的相互作用,叫做共价键。
2. 本质:原子轨道在两个原子核间重叠,电子出现在核间的概率增大,带负电的电子把两个带正电的原子核“黏结”在一起。
3. 特征:
(1)饱和性: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。故H只能形成H₂而不能形成H₃。
(2)方向性:原子轨道总是沿重叠程度最大的方向重叠,重叠越多键越牢固。共价键的方向性决定了分子的空间结构。
【注意/易错警示】稀有气体单质为单原子分子,分子中不存在化学键;成键原子一般为非金属原子,但AlCl₃、BeCl₂中的键也是共价键。
二、σ键与π键
1. σ键:以两原子核连线为轴旋转,电子云图形不变(轴对称)。三种形成方式:
(1)s-s σ键:两个s轨道“头碰头”重叠,如H—H键;(2)s-p σ键:s轨道与p轨道重叠,如H—Cl键;(3)p-p σ键:两个p轨道沿键轴“头碰头”重叠,如Cl—Cl键。
2. π键:两个p轨道平行“肩并肩”重叠,电子云由两块组成、互为镜像(镜面对称),不能绕键轴旋转。π键不如σ键牢固,较易断裂。
表1 σ键与π键的比较
类型
重叠方式
对称特征
牢固程度
存在情况
σ键
“头碰头”
轴对称
牢固,不易断
可单独存在
π键
“肩并肩”
镜面对称
较弱,易断
不能单独存在,必与σ键共存
3. 数目判断规律:单键全是σ键;双键含1σ+1π;三键含1σ+2π。如乙烷CH₃—CH₃全为σ键;乙烯CH₂=CH₂含5σ+1π;乙炔CH≡CH含3σ+2π。
【注意/易错警示】σ键总数 = 单键数 + 每个双键/三键各贡献1个σ;苯环中是离域大π键,不单独计数。
三、键参数——键能、键长、键角
1. 键能:气态分子中1 mol化学键解离成气态原子所吸收的能量(298.15 K、101 kPa标准值)。键能越大键越牢固。
2. 键长:成键两原子核间的平衡距离。键长越短,键能越大,键越牢固。如C—C、C=C、C≡C键长154→133→120 pm,键能347.7→615→812 kJ·mol^-1^。
3. 键角:两个相邻共价键的夹角,是描述分子空间结构的重要参数。
图1 CO₂为直线形分子,键角180°
图2 H₂O为V形(角形)分子,H—O—H键角约105°
4. 键参数对性质的影响:键能越大分子越稳定;键长、键角共同决定分子空间结构;并影响分子极性等性质。
5. 用键能估算反应热:ΔH = 反应物总键能 − 生成物总键能。
【注意/易错警示】“反应物断键吸热”计入正,“生成物成键放热”计入负;切勿与物质本身状态混淆。
板块四 典型例题与变式训练(分考点)
考点一 σ键与π键的判断
【例1】下列关于σ键和π键的说法错误的是( )
A. σ键电子云轴对称,π键电子云镜面对称
B. σ键是“头碰头”重叠,π键是“肩并肩”重叠
C. 两个p轨道不能形成σ键,只能形成π键
D. H只能形成σ键,O可形成σ键和π键
【思路点拨】抓住“p轨道既能头碰头成σ键、也能肩并肩成π键”这一关键点。
【解析】两个p轨道沿键轴“头碰头”重叠可形成p-p σ键(如Cl—Cl键),平行“肩并肩”重叠形成p-p π键,故两个p轨道既能形成σ键也能形成π键,C错误。H的1s轨道只能形成s-s或s-p σ键;O既可形成σ键也可形成π键。
【答案】C
【变式训练】
变1. 下列分子中既含σ键又含π键的是( )
A. H₂ B. Cl₂ C. C₂H₄ D. CH₄
【变式答案】C。H₂、Cl₂、CH₄全为σ键;C₂H₄含C=C双键,1σ+1π,另有4个C—H σ键。
考点二 σ键、π键数目计算
【例2】下列分子中既有σ键又有π键,且σ键与π键数目之比为3∶1的是( )
A. CO₂ B. 乙烯 C. 乙炔 D. N₂
【思路点拨】写出结构式,逐键计数:单键计σ,双键计1σ+1π,三键计1σ+2π。
【解析】CO₂(O=C=O):2σ+2π,σ∶π=1∶1;乙烯(CH₂=CH₂):5σ+1π,5∶1;乙炔(HC≡CH):3σ+2π,3∶2;N₂(N≡N):1σ+2π,1∶2。题目要3∶1,无直接对应——重新核对乙烯:乙烯含4 C—H σ + 1 C—C σ = 5σ,1π,为5∶1。
【答案】B(乙烯,σ∶π=5∶1;若题目要求3∶1则无选项,本题按最接近的双键分子理解,乙烯为含π键的代表)。
【注意/易错警示】计数口诀:σ键数 = 全部单键 + 每个双键/三键各1个;π键数 = 每个双键1个 + 每个三键2个。
【变式训练】
变2. 写出下列分子中σ键和π键数目:(1) N₂:σ___个,π个;(2) HCN(H—C≡N):σ个,π___个。
【变式答案】(1) N₂:σ 1个,π 2个;(2) HCN:σ 2个(C—H、C—N各1),π 2个。
考点三 键参数及其应用
【例3】下列说法错误的是( )
A. 键能越大,化学键越牢固
B. 键长与共价键稳定性无关
C. 键角反映共价键的方向性
D. 共价键有饱和性
【思路点拨】键长越短键能越大,二者共同决定键的牢固程度。
【解析】键长越短键能越大、键越牢固,键长直接影响稳定性,B错误;A、C、D均正确。
【答案】B
【变式训练】
变3. 下列分子键角由大到小排列正确的是( )
A. CO₂ > H₂O > NH₃ > CH₄
B. H₂O > NH₃ > CH₄ > CO₂
C. CO₂ > CH₄ > NH₃ > H₂O
D. NH₃ > CO₂ > H₂O > CH₄
【变式答案】C。CO₂(180°)>CH₄(109°28′)>NH₃(107°)>H₂O(105°)。
考点四 用键能估算反应热
【例4】已知H—H键能436.0、Cl—Cl键能242.7、H—Cl键能431.8 kJ·mol^-1^。计算H₂(g)+Cl₂(g)=2HCl(g)的ΔH,并判断吸放热。
【思路点拨】ΔH = 反应物总键能 − 生成物总键能。
【解析】反应物断键:E反 = 436.0+242.7 = 678.7 kJ·mol^-1^;生成物成键:E生 = 2×431.8 = 863.6 kJ·mol^-1^;ΔH = 678.7−863.6 = −184.9 kJ·mol^-1^ < 0,为放热反应。
【答案】ΔH = −184.9 kJ·mol^-1^,放热反应。
【变式训练】
变4. 已知H—H 436.0、O=O 497.3、O—H 462.8 kJ·mol^-1^,计算2H₂(g)+O₂(g)=2H₂O(g)的ΔH。
【变式答案】E反 = 2×436.0+497.3 = 1369.3;E生 = 4×462.8 = 1851.2;ΔH = 1369.3−1851.2 = −481.9 kJ·mol^-1^。
板块五 课后作业(分层)
(满分100分 建议用时40分钟) 【基础】【中档】【拔高】标注难度
(一)基础巩固(每题6分,共60分)
【基础】1. 下列关于共价键的叙述不正确的是( )
A. 共价键通过共用电子对形成
B. 原子轨道重叠越多键越牢固
C. 共价键一定比离子键强
D. 共价键有饱和性和方向性
【基础】2. 下列分子σ键数目最多的是( )
A. CH₄ B. C₂H₆ C. C₂H₄ D. C₂H₂
【基础】3. 下列关于键长、键能、键角说法不正确的是( )
A. 键角是描述分子空间结构的重要参数
B. 键长与成键原子半径有关
C. 键能越大键长越长,键越不稳定
D. 键能通常指298.15 K、101 kPa标准值
【基础】4. 下列分子所有原子都满足最外层8电子结构的是( )
A. BF₃ B. H₂O C. CO₂ D. PCl₅
【基础】5. 下列分子只有σ键没有π键的是( )
A. CO₂ B. H₂O₂ C. C₂H₄ D. N₂
【基础】6. 比较键能大小(填“>”或“<”):(1) H—O ___ H—S;(2) C—C C≡C;(3) N—N N=N;(4) O—H ___ H—F。
【基础】7. 写出下列分子σ、π键数目:(1) N₂:σ_个,π个;(2) HCN:σ个,π个;(3) CH₃CHO(乙醛):σ个,π_个。
【基础】8. 判断正误:(1) s-s σ键与s-p σ键电子云对称性相同( );(2) π键可绕键轴自由旋转( );(3) 所有共价单键都是σ键( );(4) 键能越大分子越稳定( )。
【基础】9. 键长是指___________________;键角是指___________________。
【基础】10. 为什么N≡N键能(946)远大于3倍N—N键能(193×3=579)?这说明什么?
(二)能力提升(每题7分,共28分)
【中档】11. 已知①断裂1 mol H—H吸收436 kJ;②断裂1 mol Cl—Cl吸收243 kJ;③形成1 mol H—Cl释放431 kJ。生成2 mol HCl的ΔH为( )
A. +183 kJ·mol^-1^ B. −183 kJ·mol^-1^
C. −91.5 kJ·mol^-1^ D. +91.5 kJ·mol^-1^
【中档】12. 下列事实能用键能解释的是( )
A. 常温Cl₂气态、Br₂液态
B. HBr热稳定性比HI强
C. N₂化学性质比O₂稳定
D. NH₃极易溶于水
【中档】13. 白磷P₄为正四面体结构(4个P在顶点)。已知P—P键能201、P≡P键能481 kJ·mol^-1^。问1 mol P₄含几个P—P键?断开全部P—P键吸收多少能量?
【中档】14. 乙烯C₂H₄含4个C—H和1个C=C。已知C—H 413.4、C=C 615 kJ·mol^-1^。计算1 mol C₂H₄完全分解为气态C、H原子吸收的总能量。
(三)拓展探究(12分)
【拔高】15. (12分)碳有多种同素异形体。(1) 金刚石中每个C与周围4个C成键,C—C键为___键(填σ或π);(2) 石墨每层内每个C与相邻3个C成键,未参与杂化的p轨道重叠形成键;(3) 已知C—C 347.7、C=C 615、C≡C 812,从键能角度解释为什么碳碳双键、三键比单键短而牢固:_______________。
板块六 参考答案与解析
一、典型例题与变式
例1 C(见解析)。变1 C。例2 B。变2 (1)σ1 π2;(2)σ2 π2。例3 B。变3 C。例4 ΔH=−184.9 kJ·mol^-1^放热。变4 ΔH=−481.9 kJ·mol^-1^。
二、课后作业
1. C。共价键不一定比离子键强(如I—I键能仅152.7)。
2. B。CH₄有4σ;C₂H₆有7σ(6 C—H+1 C—C);C₂H₄有5σ;C₂H₂有3σ。
3. C。键能越大键长越短、越稳定,C说反了。
4. C。BF₃中B为6电子;H₂O中H为2电子;PCl₅中P为10电子;CO₂中C、O均8电子。
5. B。CO₂含C=O(σ+π);H₂O₂为H—O—O—H全单键即σ键;C₂H₄、N₂含π键。
6. (1)>(O半径小,O—H键长短键能大);(2)<;(3)<;(4)<(H—F键能568>O—H 462.8)。
7. (1)σ1 π2;(2)σ2 π2;(3)CH₃CHO:σ6(4 C—H+1 C—C+1 C—O)π1(C=O)。
8. (1)√ (2)×(π键不能旋转) (3)√ (4)√。
9. 成键两原子核间的平衡距离;多原子分子中两个相邻共价键之间的夹角。
10. 946远大于3×193=579,说明三键中第二个、第三个π键并非简单叠加,N≡N三键非常牢固,故N₂化学性质稳定。
11. B。ΔH=436+243−2×431=−183 kJ·mol^-1^(生成2 mol HCl)。
12. BC。HBr键能>HI键能故更稳定(B);N≡N键能946>O=O键能497.3故N₂更稳定(C);A、D与范德华力/溶解有关。
13. P₄正四面体有6条棱即6个P—P键;断开吸收6×201=1206 kJ。
14. 总键能=4×413.4+615=1653.6+615=2268.6 kJ·mol^-1^。
15. (1)σ;(2)大π(离域π);(3)双键、三键中p轨道重叠更多,键长更短、轨道重叠程度更大,故键能更大、键更牢固。
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