学年人教版选修3 第2章第1节 共价键 学案.docx

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学年人教版选修3第2章第1节共价键学案

第一节　共价键

[核心素养发展目标]　1.宏观辨识与微观探析：

能从微观角度分析形成共价键的微粒、类型，能辨识物质中含有的共价键的类型及成键方式，了解键能、键长及键角对物质性质的影响。

2.证据推理与模型认知：

理解共价键中σ键和π键的区别，建立判断σ键和π键的思维模型，熟练判断分子中σ键和π键的存在及个数。

一、共价键的形成与特征

1．共价键的形成

（1）概念：

原子间通过共用电子对所形成的相互作用，叫做共价键。

（2）成键的粒子：

一般为非金属原子（相同或不相同）或金属原子与非金属原子。

（3）本质：

原子间通过共用电子对（即电子云重叠）产生的强烈作用。

（4）形成条件：

非金属元素的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。

2．共价键的特征

（1）饱和性

按照共价键的共用电子对理论，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，这就是共价键的“饱和性”。

（2）方向性

除s轨道是球形对称外，其他原子轨道在空间都具有一定的分布特点。

在形成共价键时，原子轨道重叠的愈多，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。

共价键的特征及应用

（1）共价键的饱和性决定了各种原子形成分子时相互结合的数量关系。

（2）共价键的方向性决定了分子的立体构型，并不是所有共价键都具有方向性，如两个s电子形成共价键时就没有方向性。

例1　（2018·南昌高二月考）共价键具有饱和性和方向性。

下列有关叙述不正确的是（　　）

A．共价键的饱和性是由成键原子的未成对电子数决定的

B．共价键的方向性是由成键原子轨道的方向性决定的

C．共价键的饱和性决定了分子内部原子的数量关系

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　一般地，原子的未成对电子一旦配对成键，就不再与其他原子的未成对电子配对成键了，故原子的未成对电子数目决定了该原子形成的共价键具有饱和性，这一饱和性也就决定了该原子成键时最多连接的原子数，故A、C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，则共价键的方向性是由成键原子轨道的方向性决定的，故B正确；共价键的饱和性与原子轨道的重叠程度无关，与原子的未成对电子数有关，故D错误。

二、共价键的类型

1.σ键

（1）概念：

未成对电子的原子轨道采取“头碰头”的方式重叠形成的共价键叫σ键。

（2）类型：

根据成键电子原子轨道的不同，σ键可分为ssσ键、spσ键、ppσ键。

①ssσ键：

两个成键原子均提供s轨道形成的共价键。

②spσ键：

两个成键原子分别提供s轨道和p轨道形成的共价键。

③ppσ键：

两个成键原子均提供p轨道形成的共价键。

（3）特征

①以形成化学键的两原子核的连线为轴作旋转操作，共价键电子云的图形不变，这种特征称为轴对称。

②形成σ键的原子轨道重叠程度较大，故σ键有较强的稳定性。

（4）σ键的存在：

共价单键为σ键；共价双键和共价三键中存在1个σ键。

2．π键

（1）概念：

未成对电子的原子轨道采取“肩并肩”的方式重叠形成的共价键叫π键。

（2）特征

①每个π键的电子云由两块组成，分别位于由两原子核构成平面的两侧，如果以它们之间包含原子核的平面为镜面，它们互为镜像，这种特征称为镜面对称。

②形成π键时原子轨道重叠程度比形成σ键时小，π键没有σ键牢固。

（3）π键的存在：

π键通常存在于双键或三键中，双键中有1个π键，三键中有2个π键。

σ键和π键的比较

键的类型

σ键

π键

原子轨道重叠方式

两个原子的成键轨道沿着键轴的方向以“头碰头”的方式重叠

两个原子的成键轨道以“肩并肩”的方式重叠

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

化学活泼性

不活泼

活泼

例2　下列有关σ键和π键的说法错误的是（　　）

A．含有π键的分子在反应时，π键是化学反应的积极参与者

B．当原子形成分子时，首先形成σ键，可能形成π键

C．有些原子在与其他原子形成分子时只能形成σ键，不能形成π键

D．在分子中，化学键可能只有π键而没有σ键

答案　D

解析　共价键形成时，原子轨道首先以“头碰头”的方式重叠形成σ键，然后才可能以“肩并肩”的方式重叠形成π键，故B、C正确，D错误；从原子轨道重叠程度看，π键的重叠程度比σ键的重叠程度小，故π键的稳定性比σ键小，易被破坏，是化学反应的积极参与者，A正确。

例3　（2018·四川绵阳南山中学高二期中）下列分子中σ键和π键数目之比为1∶1的是（　　）

A．HCNB．COC．C6H6D．C2H2

答案　A

解析　HCN分子的结构式为H—C≡N，其中含有2个σ键和2个π键，σ键和π键数目之比为1∶1，A正确；CO分子的结构式为C≡O，其中σ键和π键的数目之比为1∶2，B错误；C6H6分子中存在12个σ键和1个大π键，C错误；C2H2分子的结构式为H—C≡C—H，其中σ键和π键的数目之比为3∶2，D错误。

方法规律——σ键和π键的判断

根据成键原子的价电子排布确定其未成对电子数，进而判断其能形成的共价键个数。

如果只形成一个共价键，则该共价键一定是σ键；如果形成多个共价键，则其中一个为σ键，其他的为π键。

一般规律是：

共价单键是σ键；共价双键中有一个σ键，另一个是π键；共价三键由一个σ键和两个π键组成。

三、共价键的键参数

1．键参数——键能、键长、键角

概念

作用

键能

气态基态原子形成1mol化学键释放的最低能量

键能越大，键越稳定，越难被破坏

键长

形成共价键的两个原子之间的核间距

键长越短，键能越大，键越稳定

键角

两个共价键之间的夹角

表明共价键有方向性，决定分子的立体构型

2.键参数与分子结构和性质的关系

例4　键长、键角和键能是描述共价键的三个重要参数，下列叙述正确的是（　　）

A．键角是描述分子立体构型的重要参数

B．因为H—O键的键能小于H—F键的键能，所以O2、F2与H2反应的能力逐渐减弱

C．水分子的结构可表示为H—O—H，分子中的键角为180°

D．H—O键的键能为463kJ·mol－1，即18gH2O分解成H2和O2时，消耗的能量为2×463kJ

答案　A

解析　H—O键、H—F键的键能依次增大，意味着形成这些键时放出的能量依次增大，化学键越来越稳定，O2、F2与H2反应的能力逐渐增强，B项错误；水分子呈V形，键角为105°，C项错误；H—O键的键能为463kJ·mol－1，指的是断开1molH—O键形成气态氢原子和气态氧原子所需吸收的能量为463kJ,18gH2O即1molH2O中含2molH—O键，断开时需吸收2×463kJ的能量形成气态氢原子和气态氧原子，再进一步形成H2和O2时，还会释放出一部分能量，D项错误。

共价键

1．正误判断

（1）只有非金属原子之间才能形成共价键（　　）

（2）两个原子之间形成共价键时，至少有一个σ键（　　）

（3）σ键和π键都能绕轴旋转（　　）

（4）σ键和π键都只能存在于共价化合物中（　　）

（5）1mol丙酮（

）中含有σ键个数为9NA（　　）

（6）C==C键的键能等于C—C键键能的2倍（　　）

（7）双原子分子中，键长越短，分子越牢固（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×　（5）√　（6）×　（7）√

2．原子间形成分子时，决定各原子相互结合的数量关系的是（　　）

A．共价键的方向性B．共价键的饱和性

C．形成共价键原子的大小D．共价键的稳定性

答案　B

3．（2019·南宁高二检测）下列说法不正确的是（　　）

A．键能越小，表示化学键越牢固，越难以断裂

B．成键的两原子核越近，键长越短，化学键越牢固，性质越稳定

C．破坏化学键时消耗能量，而形成化学键时释放能量

D．键能、键长只能定性地分析化学键的强弱

答案　A

解析　键能越大，断开该键所需的能量越多，化学键越牢固，性质越稳定，故A错误；B、C、D均正确。

4．（2018·东莞期中）能说明BF3分子中四个原子在同一平面的理由是（　　）

A．任意两个键的夹角为120°

B．B—F键是非极性共价键

C．三个B—F键的键能相同

D．三个B—F键的键长相等

答案　A

解析　本题考查共价键键参数的运用。

当键角为120°时，BF3的立体构型为平面三角形，故分子中四个原子共面。

5．（2019·唐山高二调研）下列说法中不正确的是（　　）

A．σ键比π键重叠程度大，形成的共价键强

B．两个原子之间形成共价键时，最多有一个σ键

C．气体单质中，一定有σ键，可能有π键

D．N2分子中有一个σ键，两个π键

答案　C

解析　从原子轨道重叠程度看，π键重叠程度比σ键重叠程度小，故π键稳定性低于σ键，在气体单质分子中存在σ键（如Cl2、H2）、π键（N2中存在σ键和π键），稀有气体为单原子分子，不存在化学键。

6．有以下物质：

①HF，②Cl2，③H2O，④N2，⑤C2H4，⑥C2H6，⑦H2，⑧H2O2，⑨HCN（H—C≡N）。

（1）只有σ键的是________________（填序号，下同）；既有σ键又有π键的是__________。

（2）含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的是_________________________________。

（3）含有由一个原子的s轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是______________。

（4）含有由一个原子的p轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的是__________。

答案　

（1）①②③⑥⑦⑧　④⑤⑨

（2）⑦

（3）①③⑤⑥⑧⑨

（4）②④⑤⑥⑧⑨

解析　

（1）单键只有σ键，双键或三键才含有π键，故只有σ键的是①②③⑥⑦⑧；既有σ键又有π键的是④⑤⑨。

（2）H原子只有s轨道，题给物质中含有由两个原子的s轨道重叠形成的σ键的只有H2。

（3）含有由一个原子的s轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键的有①③⑤⑥⑧⑨。

（4）含有由一个原子的p轨道与另一个原子的p轨道重叠形成的σ键，说明构成这种σ键的原子中一定没有H原子，故正确答案为②④⑤⑥⑧⑨。

题组一　共价键的存在与特征

1．（不定项）下列元素的原子间易形成共价键的是（　　）

A．Na和ClB．K和F

C．H和ClD．C和O

答案　CD

解析　非金属元素的原子间容易形成共价键，活泼的金属和非金属元素的原子间容易形成离子键。

则Na和Cl形成的是离子键，A错误；K和F形成的是离子键，B错误；H和Cl均是非金属元素，形成的是共价键，C正确。

2．硫化氢（H2S）分子中两个共价键的夹角接近90°，其原因是（　　）

①共价键的饱和性　②S原子的电子排布　③共价键的方向性　④S原子中p轨道的形状

A．①②B．①③C．②③D．③④

答案　D

解析　S原子的价电子排布式是3s23p4，有2个未成对电子，并且分布在相互垂直的两个p轨道中，当与两个H原子配对成键时，形成的两个共价键间夹角接近90°，这体现了共价键的方向性，是由p轨道的伸展方向决定的。

3．（2019·济南高二月考）下列说法正确的是（　　）

A．所有的原子轨道都具有一定的伸展方向，因此所有的共价键都具有方向性

B．某原子跟其他原子形成共价键时，其共价键数一定等于该元素原子的价电子数

C．基态C原子有两个未成对电子，所以最多只能形成2个共价键

D．1个N原子最多只能与3个H原子结合形成NH3分子，是由共价键的饱和性决定的

答案　D

解析　只有2个s原子轨道重叠形成的共价键没有方向性，其他原子轨道重叠形成的共价键都有方向性，故A不正确；非金属元素的原子形成的共价键数目一般等于该原子最外层的未成对电子数，不能说一定等于该元素原子的价电子数，故B不正确；在形成CH4分子的过程中，碳原子2s轨道中的1个电子激发到2p空轨道，这样形成了4个未成对电子，C不正确；N原子最外层2p轨道上共有3个未成对电子，1个N原子可以与3个H原子结合形成NH3，此时共价键饱和，D正确。

题组二　σ键与π键的判断与比较

4．（不定项）下列说法正确的是（　　）

A．p轨道之间以“肩并肩”方式重叠可形成σ键

B．p轨道之间以“头碰头”方式重叠可形成π键

C．s轨道和p轨道以“头碰头”方式重叠可形成σ键

D．共价键是由两个原子轨道以“头碰头”方式重叠形成的

答案　C

解析　A项，应形成π键；B项，应形成σ键；C项，“头碰头”重叠即形成σ键；D项，形成共价键的两个原子轨道既可“肩并肩”重叠又可“头碰头”重叠。

5．（2018·南通高二期中）下列物质的分子中既含有σ键又含有π键的是（　　）

①HCl　②H2O　③N2　④H2O2　⑤C2H4　⑥C2H2

A．①②③B．③④⑤⑥C．①③⑤D．③⑤⑥

答案　D

解析　共价单键都是σ键，共价双键中含有一个σ键和一个π键，共价三键中含有一个σ键和两个π键。

HCl的结构式为H—Cl，H2O的结构式为H—O—H，H2O2的结构式为H—O—O—H，则HCl、H2O、H2O2分子中均只含σ键；N2的结构式为N≡N，C2H4的结构简式为CH2==CH2，C2H2的结构简式为CH≡CH，则N2、C2H4、C2H2分子中均含σ键和π键。

综上所述，D项正确。

6．下列分子中含有两个π键的组合是（　　）

①H2O　②CO2　③H—C≡N　④NH3　⑤N2　⑥CH4

A．①③⑥B．②③⑤

C．①②③⑥D．③④⑤⑥

答案　B

解析　H2O分子中有2个H—O键，不含π键，①错误；CO2的分子中只有两个C==O键，含有两个π键，②正确；H—C≡N的分子中有1个C≡N键，含有两个π键，③正确；NH3分子中有3个H—N键，不含π键，④错误；N2的分子中有1个N≡N键，含有两个π键，⑤正确；CH4的分子中有4个H—C键，不含π键，⑥错误。

故分子中含有两个π键的是②③⑤。

7．（不定项）下列有关化学键类型的判断中正确的是（　　）

A．全部由非金属元素组成的化合物中可能存在离子键

B．物质中有σ键一定有π键，有π键一定有σ键

C．已知乙炔的结构式为H—C≡C—H，则乙炔分子中存在2个σ键（C—H键）和3个π键（C≡C键）

D．乙烷分子中只存在σ键，即C—H键和C—C键均为σ键

答案　AD

解析　NH4Cl、（NH4）2SO4均是由非金属元素组成的，却存在离子键，A项正确；共价双键中有一个为σ键，另一个为π键，共价三键中有一个为σ键，另两个为π键，故乙炔（H—C≡C—H）分子中有2个C—Hσ键，C≡C中有1个σ键，2个π键，C项错误；共价单键为σ键，乙烷分子的结构式为

，其所含的6个C—H键和1个C—C键均为σ键，D项正确。

题组三　共价键的键参数及应用

8．已知1mol气态基态氢原子完全结合形成氢气时，释放的最低能量为218kJ·mol－1，下列说法正确的是（　　）

A．H—H键的键能为218kJ·mol－1

B．H—H键的键能为436kJ·mol－1

C．1mol气态氢原子的能量低于0.5molH2的能量

D．1molH2完全分解至少需要218kJ的能量

答案　B

解析　键能是气态基态原子形成1mol化学键释放的最低能量。

1mol气态基态氢原子只能形成0.5molH—H键，故A、D项错误，B项正确；由能量守恒定律及键能的定义可知，C项错误。

9．（2018·南京高三月考）下列分子或离子中键角由大到小的排列顺序是（　　）

①SO3　②NH3　③H2O　④CH4　⑤CO2

A．⑤④①②③B．⑤①④②③

C．④①②⑤③D．③②④①⑤

答案　B

解析　①SO3分子为平面三角形结构，键角为120°；②NH3为三角锥形结构，键角为107°；③H2O为V形结构，键角为105°；④CH4为正四面体结构，键角为109°28′；⑤CO2为直线形结构，键角为180°。

所以键角的大小顺序为CO2>SO3>CH4>NH3>H2O，所以B正确。

10．（2019·苏州高二月考）根据如表所列键能数据，下列分子中最不稳定的是（　　）

化学键

H—H

H—Cl

H—Br

Cl—Cl

Br—Br

键能/kJ·mol－1

436

431

299

247

193

A.HClB．HBrC．H2D．Br2

答案　D

解析　由题表中数据可知，分子中键能：

E（H2）>E（HCl）>E（HBr）>E（Cl2）>E（Br2），键能越大越稳定，故Br2分子最不稳定，D项符合题意。

11．（不定项）（2018·扬州高二月考）下表所列数据是在相同条件下，不同物质中氧氧键的键长和键能的实测数据，下列有关说法中正确的是（　　）

微粒

O

O

O2

O

键长/pm

149

128

121

112

键能/kJ·mol－1

a

b

496

628

A.a

B．O—O键的键能为496kJ·mol－1

C．O

中不存在π键

D．键长越长，键能越大

答案　AC

解析　相同元素原子间形成的化学键，键长越短，键能越大，A对，D错；O2中的化学键是O==O键，B错；O

中，两个氧原子之间形成的是单键，C对。

12．化学反应可视为旧键的断裂和新键的形成过程。

化学键的键能是形成化学键时释放的能量。

已知白磷和P4O6的分子结构如图所示，现提供以下化学键的键能（kJ·mol－1）：

P—P：

198　P—O：

360　O==O：

498，则反应P4（白磷）＋3O2===P4O6的反应热ΔH为（　　）

A．－1638kJ·mol－1B．＋1638kJ·mol－1

C．－126kJ·mol－1D．＋126kJ·mol－1

答案　A

解析　反应中的键能包括：

断裂1molP4和3molO2分子中共价键吸收的能量和形成1molP4O6分子中共价键放出的能量。

由各物质的分子结构知1molP4含6molP—P键，3molO2含3molO==O键，化学反应的反应热ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能。

故ΔH＝（198kJ·mol－1×6＋498kJ·mol－1×3）－360kJ·mol－1×12＝－1638kJ·mol－1。

13．（2019·扬州高二月考）回答下列问题：

（1）1个CO（NH2）2分子中含有σ键的个数为________。

1mol乙醛分子中含有σ键的数目为________。

（2）已知CO和CN－与N2结构相似，CO分子内σ键与π键个数之比为__________。

HCN分子内σ键与π键数目之比为______________。

（3）C、H元素形成的化合物分子中共有16个电子，该分子中σ键与π键的个数比为________。

答案　

（1）7　6NA（或3.612×1024）　

（2）1∶2　1∶1

（3）5∶1

解析　

（1）乙醛和CO（NH2）2的结构简式分别为

、

1个CO（NH2）2分子中含有7个σ键。

1mol乙醛中含有σ键的数目为6NA。

（2）N2的结构式为N≡N，推知：

CO结构式为C≡O,1个CO分子含有1个σ键、2个π键；CN－结构式为[C≡N]－，HCN的结构式为H—C≡N,1个HCN分子中σ键与π键均为2个。

（3）设分子式为CmHn，则6m＋n＝16，解之得m＝2，n＝4，即C2H4，结构式为

。

单键为σ键，双键有1个σ键和1个π键，所以1个C2H4分子中共含有5个σ键和1个π键。

14．（2018·苏州月考）Ⅰ.已知氢分子的形成过程示意图如图所示，请据图回答问题。

（1）H—H键的键长为________，①～⑤中，体系能量由高到低的顺序是________。

（2）下列说法中正确的是________（填字母）。

A．氢分子中含有一个π键

B．由①到④，电子在核间出现的概率增大

C．由④到⑤，必须消耗外界的能量

D．氢分子中含有一个极性共价键

Ⅱ.几种常见化学键的键能如下表所示。

化学键

Si—O

H—O

O==O

Si—Si

Si—C

键能/kJ·mol－1

452

462.8

497.3

226

X

请回答下列问题：

（1）试比较Si—C键与Si—Si键的键能大小：

X________（填“>”“<”或“＝”）226kJ·mol－1。

（2）H2被认为是21世纪人类最理想的燃料，而又有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”等观点。

结合Ⅰ中图像，试计算每千克H2燃烧（生成水蒸气）放出的热量约为________；每摩尔硅完全燃烧放出的热量约为________（已知1molSi中含有2molSi—Si键，1molSiO2中含有4molSi—O键）。

答案　Ⅰ.

（1）74pm　①⑤②③④　

（2）BC

Ⅱ.

（1）>　

（2）120475kJ　858.7kJ

解析　Ⅰ.

（1）可以直接从题中读出有关数据，H—H键的键长为74pm；体系能量由高到低的顺序是①⑤②③④。

（2）氢分子中含有一个σ键，A项错误；核间距逐渐减小时，两个氢原子的原子轨道会相互重叠，导致电子在核间出现的概率增大，B项正确；④已经达到稳定状态，当改变构成氢分子的两个氢原子的核间距时，必须消耗外界的能量，C项正确；氢分子中含有一个非极性共价键，D项错误。

Ⅱ.

（1）Si—Si键的键长比Si—C键的键长长，Si—Si键的键能比Si—C键的键能小。

（2）由题图可知H—H键的键能为436kJ·mol－1，每千克H2燃烧（生成水蒸气）放出的热量约为1000g÷2g·mol－1×（462.8kJ·mol－1×2－436kJ·mol－1－497.3kJ·mol－1×

）＝120475kJ；每摩尔硅完全燃烧放出的热量约为452kJ·mol－1×4mol－497.3kJ·mol－1×1mol－226kJ·mol－1×2mol＝858.7kJ。

15．现有原子序数小于20的A、B、C、D、E、F6种元素，它们的原子序数依次增大，已知B元素是地壳中含量最多的元素；A和C的价电子数相同，B和D的价电子数相同，且A和C两元素原子核外电子数之和是B、D两元素原子核内质子数之和的

；C、D、E三种元素的基态原子具有相同的电子层数，且E原子的p轨道上比D原子的p轨道上多一个电子；6种元素的基态原子中，F原子的电子层数最多且和A处于同一主族。

回答下列问题：

（1）用电子式表示C和E形成化合物的过程：

________________________________________________________________________。

（2）写出基态F原子的核外电子排布式：

_____________________________________。

（3）写出A2D的电子式________，其分子中________（填“含”或“不含”，下同）σ键，________π键。

（4）A、B、C共同形成的化合物中化学键的类型有__________________________。

答案　

（1）

（2）1s22s22p63s23p64s1

（3）

　含　不含　（4）离子键、共价键

解析　已知B元素是地壳