資源簡介

《第二章 分子結構與性質(zhì)》
第一節(jié) 共價鍵
2.1.2 鍵參數(shù)——鍵能、鍵長與鍵角
學習目標
1.理解鍵能、鍵長、鍵角等鍵參數(shù)的概念。
2.能應用鍵參數(shù)——鍵能、鍵長、鍵角說明簡單分子的結構和性質(zhì)
新課導入
1.N2與H2在常溫下很難發(fā)生化學反應，必須在高溫下才能發(fā)生化學反應，而Cl2和H2很容易發(fā)生化學反應，為什么？
化學反應包括舊鍵斷裂和新鍵形成兩個過程，N2分子中存在N≡N，N≡N斷裂需要很高的能量，而Cl2中的Cl-Cl斷裂需要的能量相對較低，故Cl2容易與H2發(fā)生反應。
舊化學鍵斷裂時需要吸收一定的能量，鍵能是指氣態(tài)分子中 1 mol化學鍵解離成氣態(tài)原子所吸收的能量。
一、鍵能
1、概念：鍵能是氣態(tài)分子中斷裂1 mol化學鍵解離成氣態(tài)原子所吸收的能量。或氣態(tài)基態(tài)原子形成1 mol化學鍵釋放的最低能量。
2、數(shù)據(jù)：
①通常是298.15 K(25 ℃)、101 kPa條件下的標準值，單位kJ·mol-1。
②可通過實驗測定，更多的卻是推算獲得的(如蓋斯定律)。
③鍵能通常為一個平均值（正值）。
④同樣的共價鍵在相同或不同的分子中鍵能也略有區(qū)別，如斷開CH4中的4個C—H，所需能量并不相等，因此，CH4中的C—H只能是平均值；甲烷中的C-H鍵和乙烯中C-H鍵鍵能不嚴格相等。
3.意義：
①表示共價鍵的強弱
原子形成共價鍵時，原子軌道重疊程度越大，體系能量降低越多，釋放出的能量越多，形成的共價鍵的鍵能越大，意味著共價鍵越穩(wěn)定。
②表示分子的穩(wěn)定性
一般來說，結構相似的分子，其共價鍵的鍵能越大，分子越穩(wěn)定。（如HX）
鍵能越大，本身具有能量越低，物質(zhì)越穩(wěn)定
鍵
鍵能（kJ·mol-1 ）
鍵
鍵能（kJ·mol-1 ）
Cl-Cl
242.7
N-O
176
Br-Br
193.7
N=O
607
I-I
152.7
O-O
142
H-F
568
O=O
497.3
H-Cl
431.8
C-C
347.7
H-Br
366
C=C
615
H-I
298.7
C≡C
812
①鍵能越大，物質(zhì)的活潑性就一定越弱嗎？
反應物鍵能越大，反應物在化學反應中完全斷裂就越困難，可用同族元素氫化物的鍵能大小，判斷氫化物的熱穩(wěn)定性。但物質(zhì)的活潑性，鍵能是影響其一因素，不是唯一因素，如Cl2比Br2活潑，但鍵能前者大，因此上述說法不正確。
②課本38頁思考與討論（1）（2）
③同一種元素形成的單鍵、雙鍵、三鍵的鍵能大小關系？
④結合鍵能數(shù)據(jù)解釋：白磷（P-P 198kJ/mol)，常溫下就能自燃，而同族且非金屬性更強的N形成的氮氣常溫下不能和氧氣反應。
⑤結合鍵能和共價鍵類型解釋：乙烷不易被酸性高錳酸鉀溶液氧化，而乙烯乙炔易被氧化
成鍵原子相同的共價鍵的鍵能:單鍵的鍵能 ＜ 雙鍵的鍵能 ＜ 三鍵的鍵能
N≡N鍵能遠比P-P大，需要吸收更多能量才能斷裂
?
乙烷中只有σ鍵，乙烯和乙炔中有σ鍵和π鍵，且π健鍵能小， 乙烯、乙炔中π鍵比乙烷中σ鍵易斷，因此乙烯、乙炔易被酸性高錳酸鉀溶液氧化.
某些共價鍵的鍵能（kJ·mol－1）
①相同原子間的鍵能：
②碳碳雙鍵鍵能小于碳碳單鍵鍵能的兩倍，碳碳叁鍵小于碳碳單鍵的三倍：

③氮氮雙鍵鍵能大于氮氮單鍵鍵能的兩倍，氮氮叁鍵大于氮氮單鍵的三倍：
4、鍵能規(guī)律：
單鍵＜雙鍵＜三鍵
碳碳鍵：σ鍵鍵能 ＞ π鍵鍵能
氮氮鍵：σ鍵鍵能 ＜ π鍵鍵能
(1)相同原子間的鍵能
為什么氮氣化學性質(zhì)穩(wěn)定,而乙烯、乙炔化學性質(zhì)活潑？
雖然氮氣和乙烯、乙炔分子中均存在π鍵,但是氮氣分子中的π鍵的鍵能大于σ鍵的鍵能難以斷裂，而乙烯、乙炔分子中的π鍵小于σ鍵的鍵能容易斷裂，故氮氣化學性質(zhì)穩(wěn)定,而乙烯、乙炔化學性質(zhì)活潑。
【思考與交流】
(2)不同原子間的鍵能：
一般成鍵原子半徑越大，鍵能越小。
第二周期氫化物鍵能依次增大，N-H反常
鹵素單質(zhì)鍵能：Cl2 >Br2>I2 F2反常
④特例：
正誤判斷
(1)共價鍵的鍵能越大，共價鍵越牢固，由該鍵形成的分子越穩(wěn)定( )
(2)N—H的鍵能是很多分子中的N—H的鍵能的平均值( )
(3)O—H的鍵能是指在298.15 K、100 kPa下，1 mol氣態(tài)分子中1 mol O—H解離成氣態(tài)原子所吸收的能量( )
(4)C=C的鍵能等于C—C的鍵能的2倍( )
(5)σ鍵一定比π鍵牢固( )
√
√
√
×
×
課堂練習2： ????????????????????????? 晶體具有優(yōu)異的非線性光學性能。我國科學工作者制備的超大 ????????????????????????? 晶體已應用于大功率固體激光器，填補了國家戰(zhàn)略空白。已知有關氮、磷的單鍵和三鍵的鍵能 ?????????????????????????? 如表：
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193
946
197
489
193
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從能量角度看，氮以 ???????? 、而白磷以 ???????? （結構式可表示為 ）形式存在的原因是：______________
?
1molN≡N 鍵能大于3molN-N鍵能之和，
而1molP≡P鍵能小于3molP-P鍵能之和，
鍵能越大物質(zhì)越穩(wěn)定，故氮以N2 形式存在，而白磷以P4形式存在。
5、鍵能的應用：
(1)判斷共價鍵的穩(wěn)定性（鍵能越大，共價鍵越穩(wěn)定）
(2)判斷分子的穩(wěn)定性（一般結構相似的分子中，鍵能越大，分子越穩(wěn)定）
【例1】 鍵能： H-F H-Cl H-Br H-I
穩(wěn)定性： HF HCl HBr HI
鍵能越大，斷開化學鍵需要吸收的能量越多，化學鍵越穩(wěn)定。
但乙烯、乙炔性質(zhì)活潑，氮氣性質(zhì)不活潑。
（3）估算化學反應的反應熱
ΔH=反應物的總鍵能﹣生成物的總鍵能
同一化學鍵解離成氣態(tài)原子所吸收的能量與氣態(tài)原子結合形成化學鍵所釋放的能量在數(shù)值上是相等的，故根據(jù)化學鍵的鍵能數(shù)據(jù)可計算化學反應的反應熱 。
如：已知N-N、N=N和N≡N的鍵能之比為1.00∶2.17∶4.90，而C-C、C=C、C≡C的鍵能之比為1.00∶1.77∶2.34。如何用這些數(shù)據(jù)理解氮分子不容易發(fā)生加成反應而乙烯和乙炔容易發(fā)生加成反應？
提示： 鍵能數(shù)據(jù)表明，N≡N的鍵能大于N-N鍵能的三倍，N=N的鍵能大于N-N鍵能的兩倍；而C≡C的鍵能卻小于C-C鍵能的三倍，C=C的鍵能小于C-C的鍵能的兩倍，說明乙烯和乙炔中的π鍵不牢固，易發(fā)生加成反應，而N2分子中N≡N非常牢固，所以氮分子不易發(fā)生加成反應。

（4）通過鍵能判斷物質(zhì)的反應活性。
新課講授——鍵能
（3）鍵能規(guī)律
①碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳碳叁鍵的鍵能變化趨勢如何？是否存在倍數(shù)關系？它們之間的差值大小是怎樣的？從鍵能的角度談談為什么乙烷性質(zhì)穩(wěn)定，乙烯、乙炔可以發(fā)生加成反應？
碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳碳叁鍵的鍵能逐漸增大，但是新增的π鍵所對應的鍵能增量部分不如C-C σ鍵大。在反應中僅需吸收較少的能量π鍵就會被破壞，故而乙烯、乙炔的反應活性高。
新課講授——鍵能
（3）鍵能規(guī)律
②氮氮單鍵、氮氮雙鍵、氮氮叁鍵的鍵能變化趨勢如何？它們之間的差值大小是怎樣的？從鍵能的角度談談為何N2非常穩(wěn)定。
氮氮單鍵、氮氮雙鍵、氮氮叁鍵的鍵能逐漸增大，但是新增的π鍵所對應的鍵能增量部分比N-N σ鍵大。這是由于N2分子的π鍵具有一定的特殊性。氮氮叁鍵鍵能高達946 kJ·mol-1，反應中變?yōu)榈有枰辗浅６嗟哪芰俊Ｒ话銞l件無法滿足該能量條件，故N2非常穩(wěn)定。
新課講授——鍵能
（3）鍵能規(guī)律
③同主族的鹵原子與H之間的共價鍵鍵能的變化規(guī)律如何？同周期的C、N、O、F與H之間的共價鍵鍵能的變化規(guī)律如何？

鹵化氫中X-H鍵鍵能自上而下逐漸減小；同周期的C、N、O、F與H之間的共價鍵鍵能自左向右呈逐漸增大（N-H略小于C-H）

新課講授——鍵能
（3）鍵能規(guī)律
④鹵素單質(zhì)的共價鍵鍵能的變化規(guī)律如何？

鹵素單質(zhì)鍵能：Cl2＞Br2＞ I2，但是F2鍵能反常低，F(xiàn)的原子半徑很小，核外電子集中在一個較小區(qū)域內(nèi)，負電密度較大。形成共價鍵時兩原子彼此靠近，電子間的排斥較劇烈，導致能量升高。這一因素部分抵消了形成共價鍵時能量降低的結果。
思考與討論
（1）試利用P37表2-1中的數(shù)據(jù)進行計算，1 mol H2分別跟1 mol Cl2、1 mol Br2(蒸氣)反應，分別形成2 mol HCl和2 mol HBr，哪一個反應釋放的能量更多？如何用計算的結果說明氯化氫分子和溴化氫分子哪個更容易發(fā)生熱分解生成相應的單質(zhì)？
H2(g)＋Cl2(g)=2HCl(g)
ΔH＝436.0kJ/mol＋242.7kJ/mol－2×431.8kJ/mol＝-184.9kJ/mol
H2(g)＋Br2(g) =2HBr(g)
ΔH＝436.0 kJ/mol＋193.7 kJ/mol－2×366 kJ/mol＝－102.3 kJ/mol
由計算結果可知：生成2 mol HCl比生成2 mol HBr釋放的能量多。
HCl比HBr更容易生成，則其逆反應——分解更難，故HCl更穩(wěn)定，HBr更易分解。
同類型反應，放出熱量越多，反應物越易反應，生成物越穩(wěn)定！
思考與討論
（2）N2、O2、F2與H2的反應能力依次增強，從鍵能的角度如何理解這一化學事實？
由于N≡N、O=O、F-F的鍵能依次減小，同時N-H、O-H、F-H鍵鍵能依次增大。即舊鍵易斷裂，新鍵形成后很穩(wěn)定。故N2、O2、F2跟H2的反應能力依次增強
正誤判斷
(1)共價鍵的鍵能越大，共價鍵越牢固，由該鍵形成的分子越穩(wěn)定( )
(2)N—H的鍵能是很多分子中的N—H的鍵能的平均值( )
(3)O—H的鍵能是指在298.15 K、100 kPa下，1 mol氣態(tài)分子中1 mol O—H解離成氣態(tài)原子所吸收的能量( )
(4)C=C的鍵能等于C—C的鍵能的2倍( )
(5)σ鍵一定比π鍵牢固( )
√
√
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對應訓練
二、鍵長
1、概念：構成共價鍵的兩個原子的核間距。
2、單位: (皮米) pm (1pm = 10-12m)

不過，分子中的原子始終處于不斷振動之中，鍵長只是振動著的原子處于平衡位置時的核間距。
鍵長是衡量共價鍵穩(wěn)定性的另一個參數(shù).
Cl2中Cl-Cl鍵長
3、鍵長大小：
原子半徑?jīng)Q定化學鍵的鍵長，一般原子半徑越小，共價鍵的鍵長越短，鍵能越大，共價鍵越穩(wěn)定
鍵長小于成鍵原子的原子半徑之和
4、共價鍵鍵長規(guī)律：
②成鍵原子相同時，根據(jù)共用電子對數(shù)目判斷
對相同的兩原子形成的共價鍵而言，當兩個原子間形成雙鍵、鍵時，由于原子軌道的重疊程度增大，原子之間的核間距減小，鍵長變短，故單鍵鍵長>雙鍵鍵長>三鍵鍵長。如鍵長：C－C > C=C > C≡C。
①根據(jù)原子半徑判斷
同種類型的共價鍵，成鍵原子的半徑越小，鍵長越短。如鍵長：
H－I > H－Cl>H－F；Br－Br>Cl－Cl>F－F；Si－Si>Si－C>C－C。
相同原子的共價鍵鍵長的一半稱為共價半徑。
①判斷共價鍵的穩(wěn)定性
5、鍵長的應用
鍵長越短、一般鍵能越大，則化學鍵越穩(wěn)定，分子的化學性質(zhì)越不活潑。
特例：F-F鍵（比Cl-Cl鍵小）。原因：由于原子半徑小，鍵長短，但由于鍵長短，兩原子形成共價鍵時，原子核間的距離小，斥力大，鍵能小。
問題：乙烯、乙炔為什么比乙烷活潑？
雖然鍵長C≡C＜C=C＜C－C，鍵能C≡C＞C=C＞C－C，但乙烯、乙炔在發(fā)生加成反應時，只有π鍵斷裂(π鍵的鍵能一般小于σ鍵的鍵能)，即共價鍵部分斷裂。
②影響分子的空間結構:
如CH4分子的空間結構為正四面體形，而CH3Cl分子的空間結構是四面體形而不是正四面體形，原因是C-H和C-Cl 的鍵長不相等。
鍵長是影響分子空間結構的因素之一。
②成鍵原子相同時:
鍵長：單鍵鍵長＞雙鍵鍵長＞三鍵鍵長
鍵能：單鍵鍵能＜雙鍵鍵能＜三鍵鍵能

①同種類型的共價鍵:
6、鍵長與鍵能的關系：
鍵長越短，鍵能越大，由該鍵形成的分子越穩(wěn)定。(F2特殊)
解釋：對相同兩原子形成的共價鍵而言，當兩原子間形成雙鍵、三鍵時，由于原子軌道的重疊程度增大，原子之間的核間距減小，鍵長變短，故單鍵鍵長>雙鍵鍵長>三鍵鍵長。如鍵長：C－C > C=C > C≡C。
對應訓練
下列說法正確的是（ ）
A.在分子中，兩個成鍵的原子間的距離叫鍵長
B.鍵長：N—H>P—H
C.H—Cl的鍵能為431.8 kJ·mol－1，H—Br的鍵能為366 kJ·mol－1，這可以說明
HCl比HBr分子穩(wěn)定
D.鍵能越大，表示該分子越容易受熱分解
C
觀察上述分子構型并思考：為什么CO2的空間結構是直線形，而H2O的空間結構是V形(角形)？
CO2
H2O
直線形
V形(角形)
三、鍵角
1、概念：在多原子分子中，兩個相鄰共價鍵之間的夾角稱為鍵角。
2、數(shù)據(jù)：鍵角的數(shù)值可通過晶體的X射線衍射實驗獲得
3、意義：多原子分子的鍵角一定，表明共價鍵具有方向性。鍵角是描述分子結構的重要參數(shù)，鍵角決定分子的立體結構和分子的極性，分子的許多性質(zhì)都與鍵角有關 。
①鍵長和鍵角決定分子的空間結構。
②常見分子中的鍵角與分子空間結構。
分子立體構型
鍵角
實例
正四面體
109°28′
甲烷、四氯化碳
平面型
120°
苯、乙烯
三角錐型
107°
氨氣
V型（或角型）
105°
水分子
直線型
180°
二氧化碳、乙炔
CH4
NH3
H2O
CO2
苯
4、鍵角的應用
思考與討論
如圖白磷和甲烷均為正四面體結構，它們的鍵角是否相同，為什么？
不同，白磷分子的鍵角是指P—P之間的夾角，為60°；而甲烷分子的鍵角是指C—H的夾角，為109°28′。
歸納總結
鍵能
鍵長
共價鍵的穩(wěn)定性
一般地，形成的共價鍵的鍵能越大，鍵長越短，共價鍵越穩(wěn)定，含有該鍵的分子越穩(wěn)定，化學性質(zhì)越穩(wěn)定。
鍵角
分子的空間結構
決定分子的性質(zhì)
鍵參數(shù)
決定
決定
共價鍵穩(wěn)定性強弱的判斷方法
根據(jù)原子半徑和共用電子對數(shù)目判斷
根據(jù)鍵長判斷
根據(jù)鍵能判斷
原子半徑越小
共用電子對數(shù)越多
共價鍵越牢固
分子越穩(wěn)定
鍵能越大
共價鍵越牢固
共價鍵越牢固
鍵長越短
電負性越大, 共價鍵一般越穩(wěn)定
由電負性判斷
特別提醒
由分子構成的物質(zhì),其熔、沸點與共價鍵的鍵能和鍵長無關,而分子的穩(wěn)定性由鍵長和鍵能大小決定。
(1)對于雙原子分子，其分子內(nèi)只含一個共價鍵時，共價鍵越牢固，該物質(zhì)分子的化學性質(zhì)越穩(wěn)定。
(2)共價鍵的牢固程度與其化學活潑性不是完全相同的，如C≡C鍵或C=C鍵，依據(jù)鍵能數(shù)據(jù)是較牢固的共價鍵，但由于該類鍵中的π鍵部分是由原子軌道的側面重疊所得，所以容易破壞而發(fā)生化學反應。
(3)F—F的鍵長短，鍵能小的解釋F原子的半徑很小，因此其鍵長短，而由于鍵長短，兩F原子形成共價鍵時，原子核之間的距離很近，排斥力很大，因此鍵能不大，F(xiàn)2的穩(wěn)定性差，很容易與其他物質(zhì)反應。
總結：共價鍵牢固性與物質(zhì)穩(wěn)定性的關系
歸納總結
分子穩(wěn)定性及
反應物反應能力
的判斷
根據(jù)化學鍵
的鍵能判斷
根據(jù)化學反應
熱效應判斷
鍵能越大，共價鍵越牢固：
含該共價鍵的分子越穩(wěn)定，
該分子反應能力越弱。
同類型反應，反應放出的熱量越多：
產(chǎn)物越穩(wěn)定，
反應物分子反應能力越強
補充應用工具——等電子原理
1.等電子體：
原子總數(shù)、價電子總數(shù)相同的分子具有相似的化學鍵特征，它們的許多性質(zhì)是相近的。
原子總數(shù)相同、價電子總數(shù)相同的分子或離子。
2.等電子體原理：
3、等電子體具有的性質(zhì)：互為等電子體的物質(zhì)，具有類似的化學鍵類型和空間構型，它們的物理性質(zhì)是相似的，化學性質(zhì)不同。
例如：CO和N2互為等電子體
5+5=10
，它們的物理性質(zhì)相似。
兩相等、兩相似：原子總數(shù)、價電子總數(shù)相等，空間結構和化學鍵類型相似。
4、等電子體的推斷確定方法
(1)根據(jù)等電子原理的定義和條件判斷——兩相等

(2)借助周期表知識進行等電子體的判定(但須價電子總數(shù)相等)
①同主族元素，用上下替代法。如CO2可以找CS2,利用S代替O，
②同周期元素，左右移位補償。如N2與CO，CO32－、NO3－與SO3是等電子體。
CF4與CCl4
(3)附近元素，用加減電子法。
如N2可以找CN-,若找最外層電子數(shù)少的原子，用加電子法；
如NH3可以找H3O+，若找最外層電子數(shù)多的原子，用減電子法。
②如果是陰離子，判斷價電子總數(shù)時應用各原子價電子數(shù)之和加上陰離子所帶的電荷數(shù)；（例： CO32－價電子總數(shù)為24）
③如果是陽離子，判斷價電子總數(shù)時應用各原子價電子數(shù)之和減去陽離子所帶的電荷數(shù)。（例：NH4＋價電子總數(shù)為8）
補充：等電子體價層電子總數(shù)的計算方法
等電子體的價層電子總數(shù)可由其電子式或構成微粒的原子的價層電子數(shù)來判斷。
①電子式中的 + =價層電子總數(shù)。
鍵合電子數(shù)
孤對電子數(shù)
①判斷一些簡單分子或離子的立體構型；
②利用等電子體在性質(zhì)上的相似性制造新材料；
③利用等電子原理針對某物質(zhì)找等電子體。
5.等電子體原理的應用：
不是，因為結構和性質(zhì)不相似。
【思考】CO2和SiO2是等電子體嗎？
例舉一些常見的等電子體：
二原子10e－的等電子體：N2、CO、CN－、C22－
三原子16e－的等電子體：CO2、CS2、N2O、CNO－、N3－
三原子18e－的等電子體：NO2－、O3、SO2
四原子24e－的等電子體：NO3－、CO32－、BF3、SO3(g)
五原子8e－的等電子體：CH4、NH4+
五原子32e－的等電子體：SO42-、PO43-
直線形
V形
平面形
正四面體形
正四面體形
叁鍵
感謝聆聽
歡迎指正

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