化学人教版选修3学案2-1-1共价键

第二章分子结构与性质清洁霜和卸妆油都是油溶性清洁产品，清洁霜的主要成分是凡士林、蜂蜡、植物油、去离子水、乳化剂和表面活性剂，清洁霜是油包水型的清洁产品，能够将油性污垢溶解并易于清洗。卸妆油的主要成分是油脂，现在大多数品牌的卸妆油中除了油脂的成分以外，还添加有大量的乳化剂，这样就让卸妆油有遇水立即乳化的特点，能够将油溶性污垢更加彻底的清除，而且遇水立即乳化的特点，使卸妆油易于清洗。清洁霜和卸妆油是利用相似相溶原理，以卸妆油和清洁霜中的油脂溶解皮肤表面的油性污垢。什么是相似相溶原理？除此之外，分子还具有哪些性质？分子的性质与其结构有什么样的关系？这一章我们就来学习。要学好本章需注意：1．在必修2已有知识的基础上，运用上一章学过的电子云和原子轨道的概念进一步认识和理解共价键，通过电子云轮廓图的方式，引出共价键的主要类型——σ键和π键以及它们的差别。在此基础上，了解键参数——键能、键长、键角及其对分子性质的影响，比较CO和N2的某些性质，学习等电子体和等电子原理。2．通过教材中给出的三原子分子、四原子分子和五原子分子的立体构型及其模型图，学习价层电子对互斥理论和杂化轨道理论，并利用这两个理论来判断简单分子或离子的立体构型，之后对配合物的成键情况做简单介绍。3．运用前面已学过的知识，学习分子的极性、分子间作用力及其对物质性质的影响、氢键及其对物质性质的影响、溶解性、手性和无机含氧酸分子的酸性。如根据共价键的概念学习键的极性和分子的极性；根据化学键、分子的极性等概念学习范德华力的特点及其对物质性质的影响；根据电负性的概念学习氢键的特点及其对物质性质的影响；根据极性分子与非极性分子的概念学习“相似相溶”规则；根据分子中电子的偏移解释无机含氧酸分子的酸性强弱等。通过图示学习手性分子的概念以及手性分子在生命科学和生产手性药物方面的应用。第一节共价键第一课时共价键[学习目标]1.通过图片展示了解共价键的概念与形成过程，知道共价键的特征——饱和性和方向性。2．能够从不同的角度对共价键分类，会分析σ键和π键的形成及特点。1．共价键的概念原子间通过共用电子对形成的化学键。3．共价键的类型(1)σ键①形成成键原子的s电子或p电子“头碰头”重叠而形成。②σ键类型a．s－sσ键由两个s电子重叠形成的σ键，如H—H。eq\o(\s\up7(),\s\do15(H—H的s－sσ键的形成))b．s－pσ键由一个s电子和一个p电子重叠形成的σ键，如H—Cl。eq\o(\s\up7(),\s\do15(H—Cl的s－pσ键的形成))c．p－pσ键由两个p电子重叠形成的σ键，如Cl—Cl。eq\o(\s\up7(),\s\do15(Cl—Cl的p－pσ键的形成))③特征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，σ键的强度较大。(2)π键①形成由两个原子的p电子“肩并肩”重叠形成。eq\o(\s\up7(),\s\do15(p－pπ键的形成))eq\o(\s\up7(),\s\do15(氮分子形成示意图))②特征π键的电子云具有镜像对称性，即每个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。π键不能旋转，不如σ键牢固，较易断裂。(3)判断σ键和π键的一般规律①价键轨道由原子轨道相互重叠形成的σ键和π键总称价键轨道。②σ键和π键的判断一般规律是：共价单键是σ键；而共价双键中有一个σ键，另一个是π键；共价三键由一个σ键和两个π键组成。知识点一共价键1．共价键的形成及本质(1)共价键的本质是原子之间形成共用电子对。(2)共价键的形成用电子式表示H2、HCl、Cl2分子的形成过程：eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(H·＋·H→HH,H·＋·\o(Cl,\s\up6(··),\s\do4(··))→H\o(Cl,\s\up6(··),\s\do4(··)),\o(Cl,\s\up6(··),\s\do4(··))·＋·\o(Cl,\s\up6(··),\s\do4(··))→\o(Cl,\s\up6(··),\s\do4(··))\o(Cl,\s\up6(··),\s\do4(··))))用电子云描述氢原子形成氢分子的过程：氢分子中核间距与分子的能量的关系：两个氢原子靠近时，若两个电子的自旋方向相反，当两个1s电子云达到最大重叠时，体系能量降到最低，形成稳定氢分子，当两个氢原子继续靠近，体系能量迅速增大，原子间的斥力又将氢原子推到平衡位置(体系能量最低状态)。氢分子的形成过程中，能量随核间距的变化如图中曲线a所示。若两个氢原子核外电子的自旋方向相同，当它们相互接近时，原子间总是排斥作用占主导地位(如图中曲线b所示)。所以两个带有自旋方向相同的电子的氢原子不可能形成氢分子。(3)注意事项①成键原子相互靠近，自旋方向相反的两个电子形成共用电子对。②两原子核都吸引电子对，使之处于平衡状态。③原子通过共用电子对形成共价键后，体系能量最低。④参与成键的非金属原子必须含有未成对电子。⑤成键原子之间电子云要最大重叠。例如：H原子的电子排布式1s1，Cl原子的电子排布式为1s22s22p63s23p5，两个原子各有一个未成对的1s或3p价电子，以自旋相反方式互相配对，形成共价单键：H—Cl。H原子：Cl原子：2．共价键的类型按照不同的分类方法，可将共价键分为不同的类型：(1)按共用电子对数目分类eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(单键：如H—H,双键：如C=C,三键：如N≡N))(2)按共用电子对是否偏移分类eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(非极性键：如Cl—Cl,极性键：如H—Cl))(4)按电子云的重叠方式分类eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(σ键,π键))3．共价键的表示方式(1)用电子式表示：用小黑点(或×)表示原子最外层电子。如：Heq\o(Cl,\s\up6(··),\s\do4(··))Heq\o(\s\up7(×),\s\do15(·))eq\o(O,\s\up6(··),\s\do4(··))eq\o(\s\up7(×),\s\do15(·))HN⋮⋮N(2)用结构式表示：用一条短线表示一对共用电子(见下表)。(3)共价键形成过程的表示方法：用电子式表示(以Cl2、H2O、CO2为例)。如：①用“→”表示，不用“=”表示。②“→”两端的物质均用电子式表示：左端为成键原子的电子式，右端为共价化合物的电子式。③“→”上不需要不能注明反应条件。4．共价键存在的范围(1)共价化合物[以共用电子对(形成共价键)形成分子的化合物称为共价化合物]的组成微粒(原子)通过共价键结合成分子，因此共价化合物中一定存在共价键。如SO2、CO2、CH4、H2O2、CS2、H2SO4等。(2)非金属单质分子中，如O2、F2、H2、C60、单质硫、白磷(P4)等(除稀有气体为单原子分子，不存在化学键外)，均为多原子分子，一定存在共价键。但红磷等分子结构较复杂，常以元素符号代表其单质(磷的单质中存在共价键)。(3)部分离子化合物(离子化合物中阴、阳离子为原子团时一定存在共价键)中，如Na2SO4中的SOeq\o\al(2－,4)中存在共价键，NaOH中的OH－中存在共价键，NH4Cl中的NHeq\o\al(＋,4)中存在共价键，Na2O2中的Oeq\o\al(2－,2)中存在共价键，等等。5．共价键的特征共价键的特征：共价键具有饱和性和方向性。(1)共价键的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，便可和几个自旋方向相反的电子配对成键，这就是共价键的“饱和性”。H原子、Cl原子都只有一个未成对电子，因而只能形成H2、HCl、Cl2分子，不能形成H3、H2Cl、Cl3等分子。(2)共价键的方向性共价键形成时，两个参与成键的原子轨道总是尽可能沿着电子出现概率最大的方向重叠，而且原子轨道重叠越多，电子在两核间出现的概率越大，形成的共价键越牢固。电子所在的原子轨道都有一定的形状，所以要取得最大重叠，共价键必然有方向性。如s电子云为球形，形成共价键时可以从任何方向与其他原子轨道发生电子云重叠。p电子云为哑铃形，形成共价键时，只能从坐标轴方向与其他原子轨道发生电子云重叠，此时电子云重叠程度最大，才能形成稳定的化学键。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即分子组成。基态原子或形成的激发态原子有n个不成对电子，则最多可以形成n个共用电子对不含配位键。②共价键的方向性决定了分子的立体结构，即分子中原子的空间位置关系。③特例：ns原子轨道为球形对称，故s－sσ键没有方向性如H2中的H—H键没有方向性，其他共价键都有方向性。1.为什么2个氢原子、2个氯原子结合成氢分子、氯分子，1个氢原子只能和1个氯原子结合成氯化氢分子，而不是以3个、4个或其他个数比相结合？【点拨】氢原子和氯原子的电子式为H·、eq\o\al(·,·)eq\o(Cl,\s\up6(··),\s\do4(··))·，两原子都只有一个未成对电子，从分子的形成过程来看，只有未成对电子才能形成共用电子对，因此氢分子、氯分子和氯化氢分子中只能由两个原子各提供1个未成对电子形成共用电子对，也决定了其分子中的原子个数。2．共价键的形成需满足什么条件？【点拨】同种或不同种非金属元素之间原子相遇时，若原子的最外层电子排布未达到稳定状态，则原子间通过共用电子对形成共价键。电负性差值大的元素原子间形成的化学键主要是离子键。电负性相同或差值小的非金属元素原子之间形成的化学键主要是共价键：当电负性差值为零时，通常形成非极性共价键；差值不为零时，形成极性共价键；而且差值越小，形成的共价键极性越弱。形成共价键的微粒：形成共价键的粒子是原子，可以是同种原子也可以是不同种原子。【例1】下列说法正确的是()A．所有的共价键都有方向性B．H3违背了泡利原理和共价键的饱和性C．碳原子只有2个未成对电子，CH4和CCl4违背了共价键的饱和性D．Cl2分子形成时3p轨道的重叠方式是【提示】运用特殊与一般方法来分析，原子轨道为了最大限度的重叠一般采取一定的方向成键，但s轨道呈球形，故s轨道之间无论以何方向重叠，其重叠程度都相同，所以s－sσ键就没有方向性，即并不是所有的共价键都有方向性。【解析】C原子与H或Cl原子结合时，C原子的2s轨道上的一个电子激发到2p的一个原子轨道上，这样就有了4个未成对电子，故会与4个H或Cl原子结合，并未违背共价键的饱和性，C错；Cl2分子形成时3p轨道的重叠方式应为，因为这样重叠会使原子轨道发生最大程度的重叠，从而使体系能量降低，共价键最稳定，这也体现了共价键的方向性，D错。【答案】B下列各种说法中正确的是(B)A．所有物质中都存在化学键B．含共价键的物质不一定是共价化合物C．由非金属元素组成的化合物一定是共价化合物D．NaOH、Na2CO3、CaBr2中都含有共价键解析：共价键在各种物质中存在的情况较复杂，从化学键存在的情况分析，各种物质中只有稀有气体中不存在化学键。两种非金属元素之间只能形成共价键，但非金属元素形成的原子团(为离子时)间可以形成离子键，如铵盐(NH4NO3)等。D项，CaBr2由两种简单离子Ca2＋、Br－组成，不存在共价键。知识点二σ键和π键1．σ键与π键的形成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。具有轴对称的共价键叫做σ键。可分为s－sσ键、p－pσ键、s－pσ键。如：一般的“单键”都属于σ键，如C—H、O—H、N—H、C—C、C—Cl等。每个π键的电子云由两块组成，分别位于由两个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，这种特征称为镜像对称。具有镜面对称的共价键叫做π键。双键、三键中都有这种键(当然也有σ键)，如2．σ键和π键的特征(1)σ键的特征①以形成化学键的两原子核的连线为轴做旋转操作，共价键的电子云图形不变，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键有较强稳定性。(2)π键的特征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，这种特征称为镜像对称。②形成π键时电子云重叠程度比σ键小，π键没有σ键牢固。3．σ键、π键存在规律(1)共价单键为σ键；共价双键中有一个σ键、一个π键；共价三键由一个σ键和两个π键组成。(2)C2H6、C2H4中的化学键：C2H6中只有σ键；C2H4中有C—Hσ键，C=C中有一个σ键和一个π键。(3)氮分子中共价键的形成：氮原子的核外电子轨道表示式为，在p能级上有三个未成对电子，分别为px、py、pz，当两个氮原子结合成氮分子时，两个氮原子的px轨道沿x轴方向以“头碰头”的方式发生重叠，形成σ键；同时py－py和pz－pz轨道只能相互平行以“肩并肩”的方式发生重叠，形成两个π键。4．σ键和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相对重叠(“头碰头”)沿键轴方向平行重叠(“肩并肩”)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成键规律判断共价单键是σ键；共价双键中一个是σ键，另一个是π键；共价三键中一个是σ键，另两个是π键1s轨道与s轨道形成σ键时，电子并不是只在两核间运动，只是电子在两核间出现的概率大。2形成共价键的两种元素电负性差别较小，一般电负性差值小于1.7。如H2.1与Cl3.0，电负性差值为0.9，形成共价键。3形成共价键时，成键的两个原子核都吸引共用电子对，使之处于平衡状态，体系总能量降低。4π键电子云重叠程度比σ键小，因此π键没有σ键牢固，反应中比较活泼。1.如何判断原子成键时电子云的重叠方式？【点拨】电子云的重叠方式只有两种：“头碰头”和“肩并肩”。其中以“肩并肩”的方式进行重叠的成键电子常发生在p电子云之间，在形成双键或三键时会出现。s电子云参与成键时不存在“肩并肩”的方式。故可从两个方面来判断电子云的重叠方式：其一是成键电子有s电子的，以“头碰头”的方式进行重叠；其二是根据成键数目判断，即有双键或三键时，一定存在“肩并肩”的重叠方式。2．如何分析乙烷、乙烯、乙炔、苯中的化学键类型？【点拨】(1)在乙烷分子中，每个碳原子与3个氢原子形成3个σ键，2个碳原子之间形成1个σ键，所以乙烷分子中共有7个σ键。(2)在乙烯分子中，每个碳原子与2个氢原子形成2个σ键，2个碳原子之间形成1个σ键和1个π键，所以乙烯分子中共有5个σ键和1个π键。(3)在乙炔分子中，每个碳原子与1个氢原子形成1个σ键，2个碳原子之间形成1个σ键和2个π键，所以乙炔分子中共有3个σ键和2个π键。(4)苯分子中的6个碳原子都以σ键与氢原子结合，每个碳原子以两个σ键与其他碳原子形成环状结构，同时，每个碳原子各有一个垂直于分子平面的p轨道，形成了一个以6个碳原子为中心的π键(如下图)。苯的这种结构，使任意两个相邻碳原子间形成的共价键的键能和核间距完全相同。【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【提示】从σ键的存在情况看，无论单键还是多键中一定有σ键，可能有π键。【解析】本题主要考查σ键和π键的形成。由于π键的键能小于σ键的键能，所以反应时易断裂，A项正确。在分子形成时，为了使其能量最低，必然首先形成σ键，再根据形成原子的核外电子排布来判断是否形成π键，所以B项正确，D项错误。像H、Cl原子跟其他原子只能形成σ键，所以C项正确。【答案】D下列物质的分子中既有σ键又有π键的是(D)①HCl②H2O③N2④H2O2⑤C2H4⑥C2H2A．①②③ B．③④⑤⑥C．①③⑥ D．③⑤⑥解析：当两个原子间能形成多个共用电子对时，先形成一个σ键，另外的原子轨道只能形成π键。HCl中只有一个H—Clσ键；H2O含有两个H—Oσ键；H2O2含有两个H—Oσ键和一个O—Oσ键；N2中含有共价三键：其中一个为σ键，两个为π键；C2H4中碳原子与碳原子之间有共价双键，其中一个为σ键，一个为π键，另外有四个C—Hσ键；C2H2中碳原子与碳原子之间有共价三键，其中一个为σ键，两个为π键，另外有两个C—Hσ键。1．下列不属于共价键成键因素的是(D)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．两原子体积大小要适中解析：两原子形成共价键时，电子云发生重叠，即电子在两核之间出现的机会更多；两原子电子云重叠越多，键越牢固，体系的能量也越低；原子的体积大小与能否形成共价键无必然联系。故选D。2．下列说法中，不正确的是(C)A．σ键比π键的重叠程度大，形成的共价键强度大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、2个π键解析：本题考查的是σ键、π键的区别与联系。从原子轨道重叠程度看，π键轨道的重叠程度比σ键轨道的重叠程度小，故π键的稳定性弱于σ键；在气体单质分子中一般存在σ键(如Cl2、H2)、π键(如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。故正确答案为C。3．下列说法，不正确的是(D)A．双键、三键中都含有π键B．成键原子间原子轨道重叠愈多，共价键愈牢固C．因每个原子未成对的电子数是一定的，故与其配对的原子个数也一定D．所有原子轨道在空间中都有自己的方向性解析：对D选项可举反例，如：s轨道是球形对称的，无方向性。4．下列有关σ键的说法中，错误的是(C)A．如果电子云图象是由两个s电子重叠形成的，即形成了s－sσ键B．s电子与p电子可以形成s－pσ键C．p电子与p电子不能形成σ键D．HCl分子里含有一个s－pσ键解析：p电子与p电子若“头碰头”重叠，会形成p－pσ键。5．下列有关σ键和π键的说法正确的是(C)A．单键既有