学年苏教版选修3 专题3 第三单元 共价键 原子晶体 学案.docx
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学年苏教版选修3专题3第三单元共价键原子晶体学案
第三单元
共价键 原子晶体
[课标要求]
1．知道共价键的主要类型σ键和π键，能用键能、键长、键角说明简单分子的某些
性质。
2．了解原子晶体的特征，能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的关系。
1.共价键具有饱和性和方向性，饱和性决定了每个原子形成共价键的数目，方向性决定了分子的立体结构。
2．原子轨道以“头碰头”方式重叠形成的共价键叫σ键，以“肩并肩”方式重叠形成的共价键叫π键。
3．共价单键是σ键；双键中一个是σ键，另一个是π键；叁键中一个是σ键，另两个是π键。
4．两个成键原子间的电负性差值越大，则两个成键原子间形成的共价键的极性越强。
5．键能越大，共价键越牢固，含有该键的分子越稳定；键长越短，化学键越强，键越牢固。
6．常见的原子晶体有：
金刚石、晶体硅、碳化硅、氮化硼、二氧化硅等。
原子晶体的特点是熔、沸点高、硬度大。
共价键的概念、本质和特点
概念
元素的原子之间通过共用电子对形成的化学键
本质
当成键原子相互接近时，原子轨道发生重叠，自旋方向相反的未成对电子形成共用电子对，两原子核间的电子出现的机会增大，体系的能量降低
特点
方向性
两个参与成键的原子轨道总是尽可能沿着电子出现机会最大的方向重叠形成共价键，原子轨道重叠越多，形成的共价键越牢固
饱和性
成键原子有几个未成对电子，通常就只能和几个自旋方向相反的电子形成共价键，每个原子形成的共价键的数目是一定的
[特别提醒]
（1）并不是所有共价键都有方向性，两个s轨道形成的s sσ键无方向性。
（2）成键原子的未成对电子数决定着共价键的饱和性，即决定着每个原子能形成共价键的数目，所有的共价键都具有饱和性。
（3）原子轨道的类型决定着共价键的方向性。
1．下列说法错误的是（ ）
A．原子间通过共用电子对形成的化学键叫共价键
B．成键原子间轨道重叠愈多，共价键愈牢固
C．原子间形成共价键后，体系能量达最低状态
D．两个核外电子自旋方向相同的氢原子的核间距达到一定时便形成了氢分子
解析：
选D 由共价键的本质可知，共价键是高概率地出现在两个原子核之间的电子（共用电子对）与两个原子核之间的电性作用。
两个原子轨道发生重叠时，只有核外电子的自旋方向相反且两原子的核间距达到一定数值时，整个体系的能量方能达到最低状态，即形成了稳定的共价键；反之，若核外电子的自旋方向相同时，整个体系的能量不可能降低，即原子间总是排斥占主导地位，电子云不能发生有效的重叠，不能形成共价键。
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．两原子核体积大小要适中
解析：
选D 根据共价键的形成及本质可知，A、B、C均属于共价键的成键因素。
1．σ键和π键
（1）分类标准：
按电子云的重叠方式。
（2）σ键和π键
共
价
键
σ键
原子轨道以“头碰头”方式相互重叠导致电子在核间出现的概率增大而形成的共价键。
π键
原子轨道以“肩并肩”方式相互重叠导致电子在核间出现的概率增大而形成的共价键。
2．非极性键和极性键
（1）分类标准：
根据共用电子对是否偏移。
（2）极性键和非极性键
共价键
极性键
非极性键
形成元素
不同种元素
同种元素
共用电子的偏移
共用电子对偏向电负性较大的原子
成键原子电负性相同，共用电子对不偏移
原子电性
电负性较大的原子显负电
两原子均不显电性
3．配位键
（1）形成：
由一个原子提供一对电子与另一个接受电子的原子形成的共价键。
（2）表示：
常用“→”表示配位键，箭头指向接受孤电子对的原子，如NH
的结构式可
表示为，但NH
中4个N—H键是完全相同的。
1．σ键和π键的区别是什么？
提示：
σ键是原子轨道“头碰头”重叠成键，π键是原子轨道“肩并肩”重叠成键。
2．σ键是否一定比π键稳定？
提示：
不一定。
大多数σ键比π键稳定，也存在特殊情况，应以计算结果为准。
3．极性键和非极性键的区别是什么？
提示：
前者成键的共用电子对发生偏移，后者成键的共用电子对不发生偏移。
1．共价键的分类
分类标准
类 型
共用电子对数
单键、双键、叁键
共用电子对的偏移程度
极性键、非极性键
原子轨道重叠方式
σ键、π键
共用电子对提供方式
一般共价键、配位键
2．σ键与π键的比较
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
沿键轴方向“肩并肩”重叠
原子轨道重叠部位
两原子核之间，在键轴处
键轴上方和下方，键轴处为零
原子轨道重叠程度
大
小
键的强度
较大
较小
分类
s s，s p，p p
p p
化学活泼性
不活泼
活泼
稳定性
一般来说σ键比π键稳定，但不是绝对的
3．单键、双键、叁键和σ键、π键的关系
单键是σ键，双键含1个σ键1个π键，叁键含1个σ键2个π键。
1．下列物质的分子中既含有σ键，又含有π键的是（ ）
①CH4 ②NH3 ③N2 ④H2O2 ⑤C2H4 ⑥C2H2
A．①②③ B．③④⑤⑥
C．①③⑥D．③⑤⑥
2．下列物质中，只有极性键的是________，只有非极性键的是________，既含有极性键，又含有非极性键的是________。
①H2 ②HCl ③NH3 ④H2O2 ⑤CO2 ⑥CCl4 ⑦C2H6
解析：
同种元素的原子间形成非极性键，不同种元素的原子间形成极性键，H2O2的2个氧原子间存在非极性键，C2H5分子中碳原子间存在非极性键。
答案：
②③⑤⑥ ① ④⑦
[方法技巧]
判断共价键类型的方法
1.σ键与π键的判断
（1）由轨道重叠方式判断
“头碰头”重叠为σ键，“肩并肩”重叠为π键。
（2）由物质的结构式判断
通过物质的结构式可以快速有效地判断共价键的种类及数目。
共价单键为σ键，双键中有一个σ键和一个π键，叁键中有一个σ键和两个π键。
（3）由成键轨道类型判断
s轨道形成的共价键全部是σ键。
2.极性键与非极性键的判断
看形成共价键的两原子，不同种元素的原子之间形成的是极性键，同种元素的原子之间形成的是非极性键。
1．键能、键长
（1）键能：
在101kPa、298K条件下，1_mol气态AB分子生成气态A原子和B原子的过程中所吸收的能量。
键能越大，共价键越牢固，含有该键的分子越稳定。
（2）键长：
两原子间形成共价键时，两原子核间的平均间距。
共价键键长越短，键越牢固。
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）化学反应中发生旧化学键的断裂和新化学键的形成，若化学反应中旧化学键断裂所吸收的能量大于新化学键形成所放出的能量，该反应通常为吸热反应。
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。
1．下列说法正确的是（ ）
A．键能越大，表示该分子越容易受热分解
B．共价键都具有方向性
C．在分子中，两个成键的原子间的距离叫键长
D．H—Cl键的键能为431.8kJ·mol－1，H—Br键的键能为366kJ·mol－1，这可以说明HCl比HBr分子稳定
解析：
选D 键能越大，分子越稳定，A项错误，D项正确；共价键具有方向性和饱和性，但两个s轨道形成的共价键无方向性，B项错误；两个成键原子的核间距称为键长，C项错误。
2．已知H—H键的键能为436kJ·mol－1，H—N键的键能为391kJ·mol－1，根据热化学方程式N2（g）＋3H2（g）===2NH3（g） ΔH＝－92kJ·mol－1，则N≡N键的键能是（ ）
A．431kJ·mol－1 B．946kJ·mol－1
C．649kJ·mol－1D．869kJ·mol－1
解析：
选B 据ΔH＝反应物的键能总和－生成物的键能总和可知：
E（N≡N）＋3E（H—H）－6E（H—N）＝ΔH，则，E（N≡N）＋3×436kJ·mol－1－6×391kJ·mol－1＝－92kJ·mol－1，解得：
E（N≡N）＝946kJ·mol－1。
3．某些化学键的键能如下表（kJ·mol－1）。
键
H—H
Cl—Cl
Br—Br
I—I
H—Cl
H—Br
H—I
键能
436
247
193
151
431
363
297
（1）1molH2在2molCl2中燃烧，放出热量______kJ。
（2）在一定条件下，1molH2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1molH2在足量F2中燃烧比在Cl2中燃烧放热________。
解析：
1molH2在2molCl2中燃烧，参加反应的H2和Cl2都是1mol，生成2molHCl,故放出的热量为431kJ·mol－1×2mol－436kJ·mol－1×1mol－247kJ·mol－1×1mol＝179kJ。
（2）由表中数据计算知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，生成物越稳定，放出热量越多。
因稳定性HF＞HCl，故知H2在F2中燃烧比在Cl2中燃烧放热多。
答案：
（1）179
（2）a 多
1．原子晶体的结构
2．典型的原子晶体
（1）金刚石
在晶体中，碳原子与周围_4_个碳原子以共价键相结合，C—C键间的夹角为109.5°。
（2）二氧化硅
硅、氧原子个数比为1∶2。
[特别提醒]
（1）由于共价键具有方向性和饱和性，原子晶体中每个原子周围排列的其他原子的数目是有限的，故原子的排列不服从紧密堆积方式。
（2）在金刚石晶体中，1个C原子形成4个C—C键，每个C—C键被两个C原子共用，故每个C原子占用C—C键数目为4×
＝2，即1mol金刚石含有2molC—C键。
（3）金刚石晶体中最小环上有6个碳原子，SiO2晶体中最小环上有12个原子（6个O原子和6个Si原子）。
3．原子晶体的物理性质
根据下表中有关数据分析，并填写表下面的空白。
晶体
键能/kJ·mol－1
熔点/℃
硬度
金刚石
（C—C）347
3350
10
碳化硅
（C—Si）301
2600
9
晶体硅
（Si—Si）226
1415
7
（1）键能：
C—C＞C—Si＞Si—Si；熔点：
金刚石＞碳化硅＞晶体硅；硬度：
金刚石＞碳化硅＞晶体硅（用“＞”或“＜”填空）。
（2）规律：
原子晶体具有很高的熔点，很大的硬度；对结构相似的原子晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。
[特别提醒]
（1）原子晶体的构成微粒是原子，只存在共价键，不存在其他作用力。
（2）原子晶体的化学式表示其比例组成，晶体中不存在分子。
（3）常见的原子晶体有：
金刚石、晶体硅、晶体硼、二氧化硅、碳化硅。
（4）原子晶体一般具有熔点高、硬度大、不溶于溶剂等特点。
1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。
（1）原子晶体中一定存在极性键（ ）
（2）CO2、SiO2均属于原子晶体（ ）
（3）硬度很大、熔点很高的晶体可能是原子晶体（ ）
（4）SiC熔化时断裂非极性共价键（ ）
（5）原子晶体一定不是电解质（ ）
答案：
（1）×
（2）× （3）√ （4）× （5）√
2．下列晶体中属于原子晶体的是（ ）
A．干冰 B．食盐 C．胆矾 D．金刚石
解析：
选D 常见的原子晶体中属于非金属单质的有金刚石、晶体硅、晶体硼等，属于非金属化合物的有二氧化硅、碳化硅、氮化硅等。
3．单质硼有无定型和晶体两种，参考下表数据，回答下列问题：
物质
金刚石
晶体硅
晶体硼
熔点/K
大于3823
1683
2573
沸点/K
5100
2628
2823
硬度/Mob
10
7.0
9.5
（1）晶体硼的晶体类型属于______晶体，理由是_______________________________
________________________________________________________________________。
（2）已知晶体硼的基本结构单元是由硼原子组成的正二十面体，如图。
其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点上各有一个硼原子。
通过观察及推算，此基本结构单元由______个硼原子构成，其中B—B键的键角为________，B—B键的键数为________。
解析：
（1）晶体硼的熔点介于晶体硅和金刚石之间，而晶体硅和金刚石均为原子晶体，故晶体硼也为原子晶体。
（2）每个三角形的顶点为5个三角形所共有，此顶点完全属于一个三角形的只有
，每个三角形有3个这样的顶点，且晶体的基本单元中有20个这样的三角形，故有3×
×20＝12，又因为三角形为正三角形，所以键角为60°，每个边为2个三角形共用，所以边数为20×3×
＝30。
答案：
（1）原子 晶体的熔、沸点和硬度都介于晶体硅和金刚石之间，晶体硅和金刚石均为原子晶体，晶体硼也为原子晶体
（2）12 60° 30
类型
比较
离子键
共价键
金属键
非极性键
极性键
配位键
本质
阴、阳离子间通过静电作用形成
相邻原子间通过共用电子对（原子轨道重叠）与原子核间的静电作用形成
金属离子与自由电子间的作用
成键条件
成键原子的得、失电子能力差别很大（金属与非金属之间）
成键原子吸引电子对能力相同（同种非金属）
成键原子吸引电子对能力差别较大（不同种非金属）
成键原子一方有孤对电子（配位体），另一方有空轨道（中心离子或原子）
同种金属或不同金属（合金）
特征
无方向性、饱和性
有方向性、饱和性
无方向性
表示方式（电子式）
存在
离子化合物（离子晶体）
非金属单质（稀有气体除外），共价化合物，部分离子化合物
共价化合物，部分离子化合物
部分离子化合物
金属单质（金属晶体）
1．下列叙述错误的是（ ）
A．离子键没有方向性和饱和性，而共价键有方向性和饱和性
B．两种不同的非金属元素可以形成离子化合物
C．配位键在形成时，是由成键双方各提供一个电子形成共用电子对
D．金属键的实质是金属中的“自由电子”与金属离子形成的一种强烈的相互作用
解析：
选C A项为离子键和共价键的特征，正确；B项，如氮元素和氢元素可形成离子化合物NH4H，正确；C项，形成配位键的条件是一方是能够提供孤对电子的原子，另一方是具有接受孤对电子的空轨道的原子，错误；D项，是金属键的本质，正确。
2．下列说法中正确的是（ ）
A．乙烯中C===C键的键能是乙烷中C—C键的2倍
B．氮气分子中含有1个σ键和2个π键
C．N—O键的极性比C—O键的极性大
D．NH
中4个N—H键的键能不相同
解析：
选B 乙烯中C===C键包括1个碳碳σ键和1个碳碳π键，其中σ键的键能大于π键，乙烷中的C—C键是1个碳碳σ键，故乙烯中C===C键的键能大于乙烷中C—C键键能但小于C—C键键能的2倍，A错误；氮气分子中的N≡N键包括1个σ键和2个π键，B正确；形成共价键两原子的电负性之差越大，它们形成共价键的极性越强，由于电负性：
O>N>C，故N—O键的极性比C—O键的极性小，C错误；在NH
中，4个N—H键的键能都相等，D错误。
3．下列物质中既含有离子键又含有极性键和配位键的是（ ）
A．Na2O2 B．NH4HCO3
C．H2O2D．Na2O
解析：
选B A项，Na2O2中Na＋与O
之间存在离子键，而O
内部又含有非极性键；B项，NH4HCO3中，NH
与HCO
间有离子键，而NH
内N—H为极性键，四个N—H中有一个是通过配位键形成，HCO
内部各原子之间以极性键相结合；C项，H2O2四个原子通过共价键结合为分子，两个H—O键是极性键，两氧原子间的O—O键为非极性键；D项，只有Na＋与O2－之间的离子键。
[三级训练·节节过关]
1．下列关于共价键的说法不正确的是（ ）
A．双键、叁键都有π键
B．成键原子间原子轨道重叠越多，共价键越牢固
C．因每个原子未成对电子数是一定的，故配对原子个数也一定
D．所有原子轨道在空间都具有自己的方向性
解析：
选D D选项，s轨道的形状呈球形对称，无方向性。
2．下列说法正确的是（ ）
A．非极性键只存在于双原子分子中
B．气态单质分子中一定含有非极性键
C．两种非金属元素的原子间形成的都是极性键
D．非金属氧化物中的化学键都是极性键
解析：
选C 非极性键还可存在于多原子分子中，如CH3—CH3、NH2—NH2等分子；气态单质分子中可能不含非极性键，如稀有气体分子；不同元素的原子吸引共用电子对的能力不同，必定形成极性键；氧化物如H2O2（H—O—O—H）中也含非极性键。
3．下列分子中，既含有σ键又含有π键的是（ ）
A．CH4 B．HCl
C．CH2===CH2D．F2
解析：
选C 共价双键中既含有σ键又含有π键。
4．根据下列性质判断，属于原子晶体的物质是（ ）
A．熔点2700℃，导电性好，延展性强
B．无色晶体，熔点3550℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂
C．无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800℃，熔化时能导电
D．熔点－56.6℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电
解析：
选B 原子晶体的特点是熔点高、硬度大、不导电，难溶于一般溶剂。
5．
（1）（江苏高考改编）1molCO2中含有的σ键数目为________________。
（2）（浙江自选模块改编）下列物质中，①只含有极性键的分子是________，②既含离子键又含共价键的化合物是________；③只存在σ键的分子是________，④同时存在σ键和π键的分子是________。
A．N2B．CO2 C．CH2Cl2 D．C2H4 E．C2H6
F．CaCl2 G．NH4Cl
（3）（安徽高考改编）CS2是一种常用的溶剂，其分子中存在________个σ键。
在H—S，H—Cl两种共价键中，键的极性较强的是________，键长较长的是________。
解析：
（1）二氧化碳（O===C===O）分子内，一个C原子连接2个O原子，所以有2个σ键，故1molCO2中含有2molσ键。
（2）C2H4、C2H6分子中含有C—H键为极性键，C—C键为非极性键；双键中有一个σ键，一个π键，叁键中有一个σ键，两个π键，N2分子中含有氮氮叁键，由1个σ键和2个π键组成，为非极性键；CO2分子中含有2个碳氧双键，1个碳氧双键由1个σ键和1个π键组成，为极性键；CH2Cl2分子中只含有σ键，且C—H键、C—Cl键均为极性键；C2H4分子中含有4个C—H键、1个碳碳双键，其中碳碳双键由1个σ键和1个π键组成；C2H6分子中含有C—H键、C—C键，均为σ键；CaCl2为离子化合物，只含离子键；NH4Cl为离子化合物，含有离子键和共价键。
（3）CS2可以类比CO2的结构，其结构简式为S===C===S，故该分子中含有2个σ键和2个π键；由于S的原子半径大于Cl的原子半径，且Cl的电负性更大，故H—Cl键的极性较强，H—S键的键长较长。
答案：
（1）2×6.02×1023个（或2NA）
（2）①BC ②G ③CE ④ABD （3）2 H—Cl H—S
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