共价键 原子晶体

共价键原子晶体本节学习目标】1、 共价键的成因，O键和n键的形成，共价键的分类。2、 原子晶体的结构特点和性质。重点：1、共价键的形成过程。2、原子晶体的结构特点和性质。难点：1、 o键和n键的形成。2、 原子晶体的结构如何决定性质。【知识要点梳理】一、共价键的形成1、共价键的形成和本质由前面讲到的电负性知，电负性相同或差值小的非金属元素的原子形成共价键。下面以H原子形成H2分子，H原子与Cl原子形成HC1分子为例，分析共价键的形成。（1）共价键的形成过程。H原子核外的电子为1s电子，当两个H原子相距较远时，体系的能量等于两个H原子的能量和，当H原子逐渐靠近时，两个H原子都能对自身和对方的1s电子产生吸引作用，使体系的能量逐渐下降。理论计算可知，当两个H原子核间距为0.074nm时，它们的原子轨道相互重叠,电子在两核间区域出现的概率增加，双方各提供一个电子相互配对（电子自旋方向相反），即形成了共用电子对，两个H原子就结合为H2分子，此时体系能量最低，处于稳定状态，若两个H原子进一步接近，两个带正电荷的原子核的排斥作用又明显增大，体系能量又上升，状态又不稳定，可知，电子在两H原子核间区域出现概率增加，形成共用电子对（即形成了共价键）时，得到稳定的h2分子。的h2分子。氢气分子的能量与核间距的关系慣厠亦 ►kHC1分子的形成过程类似：Cl原子的轨道表示为［Ne］⑩⑩⑩①，3p轨道上有1个未成对电子。故Cl原子与H原子相互靠近时，Cl原子3p轨道上的这1个未成对电子与H原子的1s未成对电子形成共用电子时，以共价键的方式结合成HC1分子。共价键的概念原子间通过共用电子对形成的化学键称为共价键。共价键的本质高概率地出现在两个原子核之间的电子与两个原子核之间的电性作用是共价键的本质。2、共价键的特征：与离子键不同，共价键具有饱和性和方向性。共价键的饱和性一个原子有几个未成对电子，便可和几个自旋方向相反的电子配对成键，即每个原子所能形成的共价键的数目是一定的，这就是共价键的饱和性。共价键的饱和性决定了原子相互结合的原子个数是一定的，即HC1、N2、CO2的分子式是固定的，不可能形成hci2、n3、co4等。共价键的方向性原子形成共价键时，原子轨道重叠越多，形成的共价键越牢固。故原子尽可能向电子出现概率最大的方向重叠，这就是共价键的方向性。共价键的方向性决定两个共价键的夹角，决定了分子的立体构型，这就是共价键的键参数中的键角。二、共价键的类型根据原子形成共价键的原子轨道重叠方式的不同，又可把共价键分为o键和n键。1、o键和n键(1)对n2分子中共价键的形成情况分析N元素的化学性质活泼，但N2不活泼，说明N2分子变为N原子很难，这就需要研究N2的结构。N2的电子式为：圧也:，形成的为氮氮叁键：N三N,键能较大，破坏时需吸收较高能量，故n2常温下化学性质稳定。下面从轨道理论分析子中共价键的情况。N原子的轨道表示式为 ，可知2p轨道上的三个电子都是未成对电子，分别占据2p、2p、2p三个原子轨道。当两个N原子相互接近时，若一个N原子2p轨道上的一xyzz个电子与另一个N原子2p轨道上的电子形成共价键时，2p、2p轨道也同时重叠，也两两配对zxy成键，故形成N三N(氮氮参键)。但这三个共价键不完全等同，有“头碰头”和“肩并肩”两种重叠方式，分别为“o键”、“n键”。NNTT氮气分子中原子轨适的重叠方式头碰头寻并卜NNTT氮气分子中原子轨适的重叠方式头碰头寻并卜o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，如HC1、Cl2、H2O中都是存在单键，以“头碰头”的方式结合成o键。i、H2中的o键的形成过程图H相互靠拢40氢原子形成氢分子的电子云描述形成HH相互靠拢40氢原子形成氢分子的电子云描述形成H2分子的共价键(H-H)电子云相互重叠ii、HC1、Cl2o键形成过程图

未成对电子的电子云相互靠拢 电子云相互重亜那成的共价单键的电子云图像H-.C-1的未成对电子的电子云相互靠拢 电子云相互重亜那成的共价单键的电子云图像H-.C-1的s-西鍵和Cl-C1的p-pcr键的形成*鞠f总结：H2分子是o键是由两个s电子重叠形成，称为“s—s”o键，HC1分子里o键是由H原子提供了1s原子轨道和Cl原子提供的未成对电子3p的原子轨道重叠形成，称为“s—p”o键，Cl2分子里o键是由2个Cl原子各提供1个未成对电子3p的原子轨道重叠形成的称为“p—p”o键。(3)n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。在有机化合物中，碳原子和碳原子之间形成n键的重叠程度要比o键的重叠程度小得多，所以，碳原子和碳原子之间形成的o键比n键牢固，在化学反应中，n键易发生断裂。乙烯分子中的双键中存在一个n键，乙炔分子中的三键中存在两个n键，苯分子中存在一个大n键。(4)总结n键与o键的比较i、 o键比n键作用强，因为“头碰头”比“肩并肩”方式重叠程度大。故含n键的化合物与只含o键的化合物的化学性质不同。如乙烷与乙烯性质不同。ii、 一个分子中两个o原子之间只形成一个o键，可以形成多个n键。共价单键为o键，双键中有一个o键，一个n键，叁键中有一个o键、两个n键。如C2H4中的C—H单键为o键,C=C双键中一个o、一个n键，即一个C2H4分子中共含5个o键，1个n键。2、极性键和非极性键H2分子中，由于两个H原子的电负性相同，对共同电子对的吸引能力相同，电子对不偏向任何一个H原子，电子在每个原子周围出现的概率相等，原子不呈电性，这样的共价键为非极性键。非极性键同种元素的原子形成的共价键称为非极性共价键，简称非极性键。非极性键主要存在于非金属单质中，如h2、ci2、o2、n2等，但也存在于共化合物中，如H2°2、C2H4等，甚至一些离子化合物中也存在，如Na2O2等。极性键不同种元素的原子形成的共价键为极性共价键，简称极性键。HCl分子中，Cl原子的电负性大于H原子，对共用电子对的吸引作用强，使共用电子对偏向Cl原子，Cl原子附近电子出现的概率较大，而带部分负电荷@-),相对的呈负电性，H原子相对的呈正电性@+)，该共价键呈极性，即形成了极性键，HC1分子可表示为H64C14可知，键的极性与否，主要看成键的两原子的电负性的大小，若电负性相同，形成非极性键，电负性不同，形成极性键。电负性差值越大，极性越强，差值越小，极性越弱。根据电负性判断出键的极性与否，也就可以解释h2、Cl2等这些非金属单质中元素的化合价为0，HCl、H2O中H元素化合价为+1,Cl、O元素的化合价分别为一1、一2,即解决了共价化合物中元素化合价为什么有正负之分。3、配位键(1)概念：一方拿出孤电子对，一方提供空轨道，形成归双方共同使用的电子对，所得的化学键为配位键。(2)与共价键的关系：配位键属于一类特殊的共价键，不是成键双方各自拿出电子共用。不过，形成配位键后，与类似的共价键的性质就完全相同了，如NH4+中的四个N—H键，有3个为共价键，有1个为配位键，这4个N—H键的键长、键能完全相同，故NH4+空间形状为正四面体型。锤根离子那成过程示意图⑶配位键的表示：A—B其中A是能够提供孤对电子的原子，B是具有能够接受孤对电子的空轨道的原子，故NH4+的结构式可表示为-H/”—H——j'——Hr-三、共价键的键能与化学反应热1、键能和键长形成1mol共价键所放出的能量或拆开1mol共价键所吸收的能量称为键能，单位为KJ/mol，用E表示，H—F、H—Cl、H-Br键能分别为565KJ/mol、431.8KJ/mol、363KJ/mol，表示断开ImolH—F键、ImolH—Cl键、ImolH—Br键，分别需吸收565KJ、431.8KJ、363KJ的热量。键能的大小可以定量地表示化学键的强弱，键能越大，该键断裂需吸收的能量越多，该键越稳定，故从上述键能可比较出键的稳定性为H—F>H—Cl>H—Br,与F、Cl、Br的非金属性强弱推出的氢化物稳定性一致。两个成键原子的原子核间距离为化学键的键长。键长也能体现键的稳定性：键长越短，键能越大，该键越稳定，反之，键长越长，键越不稳定，如H—F、H—Cl、H—Br的键长分别为0.092nm、0.127nm、0.141nm，故键的稳定性为H—F>H—Cl>H—Br。键长是通过实验测定或理论计算出来的，不要求记各键的键长，也不需要记键能，但还需要比较键的稳定性。故键长与成键原子半径联系起来，键长为两成键原子的半径之和，通过比较原子半径的大小，可比较键长的长短。部分共价键的键长和键能如下表：謹能/kJ・moF1键键能加・mol-1H-H60'436C三C120'812■C1--C1198 .243 'Q=O'⑵493Br-Br228193H-F92I-I266151H-Cl128431N-N141 '159H-Br⑷366N=N124 .418H-I162.^98N=N110946'H-096c-c154343 '''H-N'101：393c='d.i33615H-C'1094132、共价键的键能与化学反应热化学反应的实质就是反应物分子内旧化学键的断裂和生成物中新化学键的生成。反应物和生成物中化学键的强弱决定着化学反应过程中的能量变化。对于放热反应来说，旧键断裂消耗的总能量小于新键形成放出的总热量。对于吸热反应来说，旧键断裂消耗的总能量大于新键形成放出的总热量。N2(g)和O2(g)生成NO(g)过程中的能量变化如下图所示：oooNON2生成物吸收能量946kJ・mol-1oooNON2生成物吸收能量946kJ・mol-1反应物放出能星2^632kJ・mol-1吸收能呈49垃kJ・niDl-13、反应热QH）与键能的关系：△H=反应物的键能总和一生成物的键能总和注：AHV0时，为放热反应；AH>0时，为吸热反应。例如：lmolH2和lmolCl2反应生成2molHC1的反应热QH）的计算。已知H—H键的键能E =436kJ・mol-1,E^小=243kJ・mol-1,E小=431kJ・mol-1,H－H Cl－Cl H－Cl则AH=E +E —2E=436kJ・mol-1+243kJ^mol—1—2x431kJ^mol—1=—183H—H Cl—Cl HClkJ.mol-KO,该反应为放热反应。四、原子晶体1、原子晶体的概念相邻原子间以共价键相结合而形成的具有空间网状结构的晶体称为原子晶体。2、金刚石在金刚石晶体里，每个碳原子都被相邻的4个碳原子包围，形成正四面体，被包围的碳原子处于正四面体的中心。这些正四面体结构向空间发展，构成一个坚实的、彼此联结的空间网状晶体。金刚石晶体中所有C—C键长相等，键角相等（均为109°28，），晶体中最小碳环由6个碳原子组成且六者不在同一平面内，晶体中每个C参与了4条C—C键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故C原子个数与C—C键数之比为1： =1：2。nmol金刚石中含2nmolC—C键。□O0卫。o金雇石及耳晶体结构模型3、原子晶体的性质部分原子晶体的键能、键长、熔点和硬度晶祥键能加・mor1键长加m熔点皿摩氏硬度金刚石(C-.0)348154.'355010碳化硅(C-Si)301i-s4;.2600g晶体硅(Si-S1J226'25414157观察上表，分析比较三种原子晶体的性质，可得如下结论：(1)原子晶体的熔点很高。因为原子晶体中存在的是共价键，该作用很强。而原子晶体熔化时必须破坏共价键，要消耗大量的能量，需要很高的温度，故原子晶体具有很高的熔点。(2)原子晶体的硬度较大原子晶体中的共价键的作用较强，同样能决定原子结合的稳固，不易被破坏，硬度较大。石墨晶体中也存在共价键，石墨晶体的熔点很高，但石墨属于混合型晶体、层与层之间存在较弱的分子间作用力，这决定了石墨的硬度不大，易出现断层现象。硬度是衡量固体软硬程度的指示。硬度有不同的标度，最普通的硬度标度是划痕硬度，即摩氏硬度，以固体互相刻划时出现刻痕的固体的硬度较低。金刚石不能被任何天然矿物刻划出刻痕，因而是最硬的。以金刚石的硬度为10，以另9种天然矿物为代表，可将摩氏硬度分为十度，即：硬度的代表物质.金a有刚黄石英正长石-萤石方解石-石■膏滑石摩氏硬度10g.7653.21不同原子晶体熔点、硬度的比较既然原子晶体熔点的高低和硬度的大小，都取决于晶体内共价键的强弱，故分析、比较不同类型共价键作用的强弱，可比较不同原子晶体的熔点和硬度，上表中已给出了金刚石、碳化硅、晶体硅中键能的大小，很容易比较，当不知键能的具体数值时，可通过比较键长的长短，由于键长是成键原子核间距，即原子的半径之和，故可比较原子半径的大小，对金刚石、碳化硅、晶体硅相比较，键长长短为c—CVSi—CVSi—Si,故键能大小C-OSi-C>Si-Si，熔点高低和硬度大小为金刚石〉碳化硅>晶体硅。【经典例题透析】类型一、对化学键概念的考查例1、下列关于化学键的叙述正确的是( )A、 化学键既存在于相邻原子之间，又存在于相邻分子之间B、 两个原子之间的相互作用叫化学键C、 化学键通常指的是相邻的两个或多个原子之间的强烈相互作用D、阴阳离子之间有强烈的吸引作用而没有排斥作用，所以离子键的核间距相当小思路点拨：化学键的定义强调两个方面：一是“相邻的两个或多个原子之间”；一是“强烈相互作用”。解析：选项A、B中都没有正确说明上述两点，所以不正确。选项D只强调离子键中阴、阳离子之间的吸引作用而没有排斥作用，所以不正确。只有C正确。答案：C总结升华：共价键的存在范围非金属单质分子中(除稀有气体外)，如O2、F2、h2、c60等。非金属形成的化合物中，如SO2、CO2、CH4、H2O2、CS2等。部分离子化合物中，如Na2SO4中的SO42-中存在共价键，NaOH中的OH-中存在共价键,nh4ci中nh4+中存在共价键，等等。举一反三：变式1、下列关于化学键的叙述中，正确的是( )A、 离子化合物可以含共价键B、 共价化合物可能含离子键C、 离子化合物中只含离子键D、 共价化合物中不含离子键解析：化合物中只要含离子键，一定是离子化合物；共价化合物中只含共价键，一定不含离子键；离子化合物中一定含有离子键，可能含有共价键，如NaOH、Na2O2、NH4Cl等。答案：AD变式2、化学反应的实质是旧键断裂，新键形成，下列变化是化学反应的是( )A、 NaCl固体溶于水B、 氧气放电时形成臭氧C、 CO2气体冷却时变为干冰D、 CO2溶于水解析：根据题意分析化学反应的实质，它包含两个内容：①旧键断裂，②新键形成。A中只有旧键断裂，而无新键形成；C中无化学键的变化；B、D中符合旧键断裂、新键形成的条件。答案：BD类型二、对共价键知识的考查例2、下列说法中不正确的是( )A、 o键比n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o键C、 气体单质中，一定有o键，可能有n键D、 N2分子中有一个o键，2个n键解析：从原子轨道重叠程度看，n键轨道重叠程度比o键重叠程度小，故n键稳定性低于o键，在单质分子中存在o键(如Cl2、H2)、n键(N2中存在o键和n键)，稀有气体为单原子分子，不存在化学键。答案：C

举一反三：变式3、关于乙醇分子的说法正确的是（ ）A、 分子中共含有8个极性键B、 分子中不含非极性键C、 分子中只含o键D、 分子中含有1个n键解析：乙醇的结构式为H—C-——HH—C-——H解析：乙醇的结构式为H—C-——HH—C-——H，共含有8个共价键，其中C－H、C－O、O－H键为极性键，共7个，C-C键为非极性键。由于全为单键，故无n键。答案：C变式4、氮气的化学性质很不活泼，通常难以与其他物质发生化学反应。请你写出氮分子的电子式和结构式，分析氮分子中氮原子的原子轨道是如何重叠形成共价键的。解析：氮原子的核外电子排布式为1s22s22pi2pi2p1，有三个未成对电子，当两个氮原子结xyz合成氮分子时，两个氮原子的P轨道沿x轴方向以“头碰头”的方式发生重叠，而p-p和p-x yyzpz轨道只能相互平行以pz轨道只能相互平行以“肩并肩”的方式发生重叠（如下图所示）。TT故氮分子中含有一个o键和两个n键，氮分子的结构可用结构式N三N表示，电子式为类型三、对共价键键能、键长、键角的考查例3、对比以下几个反应式：C1+C1—C12,△斗二一247kJ・mol-i；O+O^O2,AH2^-493kJ^mol-i；N+NfN2，AH3=—946kJ・mol-i。可以得出的结论是（ ）A、 在常温下氮气比氧气和氯气稳定B、 氮、氧和氯的单质常温下为气体C、 氮、氧和氯都是双原子分子D、 氮气、氧气和氯气的密度不同思路点拨：根据键能与分子稳定性的关系来解答。解析：键能越大，表示化学键越牢固，含有该键的分子越稳定。分子的稳定性与物质的物理性质无关。答案：A举一反三变式5、能够用键能的大小作为主要依据来解释的是( )A、 常温常压下氯气呈气态而溴单质呈液态B、 硝酸是挥发性酸，而硫酸、磷酸是不挥发性酸C、 稀有气体一般难以发生化学反应D、 空气中氮气的化学性质比氧气稳定解析：共价分子构成物质的状态取决于分子间作用力的大小，与分子内共价键的键能无关；物质的挥发性与分子内键能的大小无关；稀有气体是单原子分子，无化学键，难以发生化学反应的原因是它们的价电子已形成稳定结构；氮气比氧气稳定是由于n2分子中形成的共价键键能(946kJ・mol-i)比O2分子中形成共价键键能(497.3kJ・mol-i)大，在化学反应中更难以断裂。答案：D变式6、能说明BF3分子的4个原子是同一平面的理由是()A、 两个键之间夹角为120°B、 B－F键为非极性共价键C、 3个B－F键的键能相同D、 3个B－F键的键长相等解析：当F-B-F键角为120°时，BF3分子中的4个原子共面且构成平面三角形。分子的空间构型由分子化学键的键角决定。答案：A类型四、共价键的键能与化学反应热例4、化学反应可视为旧键断裂和新键形成的过程。化学键的键能是形成(或拆开)lmol化学键时释放(或吸收)的能量。已知白磷和p4o6的分子结构如下图所示，现提供以下化学键的键能(kJ.mol-i)：P—P,198；P-O，360；0=0：498，则反应P4(白磷)+3O2=P4O6的反应热AH为()A、一1638kJ・mol-i B、+1638kJ・mol-iC、一126kJ・mol-i D、+126kJ・mol-i解析：由反应方程式知，该反应的能量变化包括lmolP4、3molO2断裂键吸收的能量和1molP4O6成键放出的能量。由各物质的分子结构知lmolP4含6molP-P键，3molO2含3molO=O4 6 4 2键，lmolPf6含12molP—O键，故△H=(198kJ・mol-】x6+498kJ^mol-1x3)-360kJ^mol-1x12—-1638kJ・mol-i。答案：A举一反三：变式7、某些化学键的键能如下表(kJ・mol-1)H-HBr-BrITCl-,^1H-ClH-IH-Br■键能■436193151243431Q99356lmolH2在2molCl2中燃烧，放出热量 kJ。在一定条件下，lmolH2与足量的Cl2、Br2、I2分别反应，放出热量由多到少的是 A、Cl2>Br2>I2 B【2>Br2>Cl2TOC\o"1-5"\h\z预测lmolH2在足量F2中燃烧比在Cl2中放热 。解析：(l)lmolH2在2molCl2中燃烧参加反应的电和Cl2都是lmol，生成HCl2mol。释放出的热量为：4