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(共26張PPT)
第2章 微粒間相互作用與物質性質
第1節 共價鍵模型
魯科版2019選修二物質結構與性質
共價鍵的形成與特征
共價鍵的類型
知識點一
知識點二
鍵參數
知識點三
溫故知新
溫故知新
共價鍵是原子間通過共用電子對所形成的化學鍵。
請用電子式表示H2、HCl、Cl2分子的形成過程？
H2：
HCl：
H + Cl →H Cl
×
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×
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H + H → H H
如何用原子軌道的概念理解共價鍵的形成？這些分子中共用電子對是怎樣運動的？為什么H與Cl、O結合時原子個數比不相同？為什么N2很穩定？
Cl2：
Cl + Cl → Cl Cl
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思考：
1.共價鍵的形成
以氫分子的形成為例(用電子云表示形成過程)
1s1
1s1
E0為兩個遠離的氫原子的能量之和
一、共價鍵的形成與特征
H
H
核間距
E0
當兩個核外電子自旋狀態相同的氫原子靠近時
圖1 氫分子形成過程中體系能量的變化
微粒之間吸引作用越強，排斥作用越弱，體系能量越低，原子之間的作用越牢固;反之體系能量越高，原子之間作用越不牢固;微粒之間作用力與微粒之間距離有關。實驗和理論均表明，當兩個氫原子的核間距為0.074 nm時體系能量最低。
形成氫分子的共價鍵(H－H)
注意：形成共價鍵的氫原子不能無限靠近，因為靠得過近時，原子核以及電子之間的排斥作用會導致體系能量上升，導致分子不穩定。
1s1
1s1
H
H
當兩個核外電子自旋狀態不同的氫原子靠近時
兩個s軌道相互重疊
電子在核間出現概率增大
電子同時受到兩個原子核的吸引，體系的能量逐漸下降
歸納小結：
1.共價鍵的形成
(1)共價鍵的定義：原子間通過共用電子形成的化學鍵稱為共價鍵。
(2)共價鍵的形成：
形成共價鍵時,原子軌道在兩個原子核間重疊,自旋狀態相反的未成對電子形成共用電子對。電子出現在兩個原子核之間的概率增大,共用電子對同時受到兩個原子核的吸引,導致整個體系的能量降低,穩定性增強。
(3)共價鍵的本質：
共用電子對在兩核間出現頻率增大，對兩個原子核之間的吸引作用增強，形成強烈的相互作用。
注：共價鍵包括原子核與共用電子對間的靜電吸引和電子與電子、兩原子核間的靜電排斥,是多種電性作用的平衡狀態。
(4)共價鍵的本質形成條件
不是。有些含離子鍵的化合物是由非金屬元素形成的,如銨鹽;少數金屬與非金屬原子間形成的化學鍵也可能是共價鍵,如AlCl3中的化學鍵是共價鍵。
[思考]非金屬元素只能形成共價鍵嗎 只有非金屬原子之間才能形成共價鍵嗎
通常電負性相同或差值小的非金屬元素原子之間形成共價鍵
(5)共價鍵的表示方法
用一條短線表示一對共用電子所形成的共價鍵;用“=”表示原子間共用兩對電子所形成的共價鍵;用“≡”表示原子間共用三對電子所形成的共價鍵。
Cl－Cl O=O N≡N
思考：為什么不可能有H3、Cl3分子的形成？為什么H與Cl、O結合時原子個數比不相同？為什么NH3分子中N原子只有1個，H原子有3個？
2.共價鍵的特征
(1)共價鍵的飽和性
每個原子所能形成共價鍵的總數或以共價鍵連接的原子數目是一定的。按照價鍵理論，一個原子有幾個未成對電子，便可和幾個自旋狀態不同的電子配對成鍵，這就是共價鍵的飽和性。
飽和性決定了各種原子形成分子時相互結合的數量關系例如H原子、F原子都只有一個未成對電子,因而只能形成H2、HF、F2分子,不能形成H3、HF、F3分子。
↓↑
↓↑
↑
↓↑
↓↑
1s 2s 2p
用電子排布圖表示HF分子中共用電子對的形成：
F
↓
1s
H
原子軌道(電子云)重疊
(2)共價鍵的方向性
在形成共價鍵時,原子軌道重疊得越多,電子在核間出現的概率越大,所形成的共價鍵就越牢固。因此,共價鍵將盡可能沿著電子出現概率最大的方向形成,這就是共價鍵的方向性。
分子的空間結構與共價鍵的方向性密切相關。
交流 · 研討
交流 · 研討
通過“人工固氮”將空氣中的氮氣轉化為含氮化合物用于生產化肥或其他化工產品是人類突破的重要課題。解決這個課題的難點在于氮分子中的共價三鍵使構成氮分子的兩個氮原子緊緊地結合在一起，由此氮氣的性質非常穩定。請從軌道重疊的角度解釋氮分子中的共價三鍵是如何形成的。
N
↓↑
↓↑
↑
↑
↑
1s 2s 2p
根據洪特規則，氮原子中處于2p軌道的三個電子實際上分別占據2px、2py、2pz三個原子軌道，是三個未成對電子。
當形成氮分子的兩個氮原子相互接近時，一個氮原子2pz軌道與另一個氮原子的2pz軌道重疊形成一個共價鍵、同時它們的2px和2py軌道也會分別兩兩重疊形成兩個共價鍵。這樣形成的共價鍵稱為共價三鍵;也就是說，氮分子中的氮原子之間是以共價三鍵結合的。
仔細分析氮分子中共價三鍵的三個共價鍵，可以發現它們并不是完全等同的。當兩個氮原子的2pz軌道以“頭碰頭”的方式相互重疊時,相互平行的2px或2py軌道只能分別以“肩并肩”的方式重疊。
二、共價鍵的類型
1.σ鍵與π鍵(按原子軌道重疊方式分類)
(1)σ鍵
σ鍵
s－s σ鍵
s－p σ鍵
p－p σ鍵
成鍵時，原子軌道以“頭碰頭”方式重疊形成的共價鍵。
軸對稱
HCl
H2
Cl2
(2)π鍵
鏡面對稱
π 鍵( p - p π 鍵 )
成鍵時，原子軌道以“肩并肩”方式重疊形成的共價鍵
思考與交流
Ⅰ.哪種成鍵方式電子云重疊程度大？
頭碰頭
Ⅱ.σ鍵和π鍵哪個更牢固？
σ鍵
Ⅲ.所有σ鍵都有方向性嗎？
s-s σ鍵沒有方向性
Ⅳ.如何判斷共價鍵是 σ鍵，還是π 鍵？
一般規律：共價單鍵是σ鍵；共價雙鍵中有一個σ鍵，另一個是π鍵；
共價三鍵由一個σ鍵和兩個π鍵組成。
氮分子中σ鍵和π鍵形成示意圖
2.極性鍵和非極性鍵(按共用電子對是否偏移分類)
(1)非極性鍵
構成分子的是同種元素的兩個原子，它們吸引電子的能力相同，所以共用的電子不偏向其中任何一個原子，參與成鍵的原子都不顯電性，這種共價鍵叫作非極性共價鍵，簡稱非極性鍵。
二、共價鍵的類型
(2)極性鍵
構成分子的兩個原子是不同元素的原子時，由于兩個原子吸引電子的能力不同，共用的電子必然偏向吸引電子能力大的原子一方，這個原子因附近電子出現的概率較大而帶部分負電荷，而另一原子則帶部分正電荷，這種共價鍵叫作極性共價鍵，簡稱極性鍵。
原子的電負性差值越大，形成的共價鍵極性越強,如H-F為強極性鍵，H-I為弱極性鍵。
判斷H2O2分子中各種鍵的極性？
1.鍵長
兩個成鍵原子的原子核間的距離（簡稱核間距）。
一般而言，化學鍵的鍵長愈短，化學鍵就愈強，鍵就愈牢固。
鍵長
Br2
228pm
可通過晶體的X射線衍射實驗測定
(1)概念：
三、鍵參數
(2)鍵長與分子空間結構的關系:鍵長是影響分子空間結構的因素之一。如CH4分子的空間結構是正四面體,而CH3Cl只是四面體而不是正四面體,原因是C-H鍵和C-Cl鍵的鍵長不相等。
②根據原子半徑進行判斷。在其他條件相同時,成鍵原子的半徑越小,鍵長越短。如鍵長:H-I>H-Br>H-Cl。
(3)判斷鍵長的方法
①根據共用電子對數判斷。相同的兩原子形成共價鍵時,當兩個原子形成雙鍵或者三鍵時,由于原子軌道的重疊程度增大。單鍵鍵長>雙鍵鍵長>三鍵鍵長。
2.鍵能
(1)概念： 在298 K、1×105 Pa條件下，斷開1 mol AB(g)分子中的化學鍵，使其分別生成氣態A原子和氣態B原子所吸收的能量稱為A—B鍵的鍵能，常用EA-B表示。鍵能通常取正值，單位為kJ/mol。
原子半徑:F則鍵能:H—F>H—Cl>H—Br>H—I。
[思考]比較HF、HCl、HBr、HI分子中鍵能的大小。
鍵能愈大,斷開時需要的能量就愈多,化學鍵就愈牢固。
某些共價鍵的鍵能（kJ·mol－1）
鍵 鍵能
H－H 436.0
Cl－Cl 242.7
Br－Br 193.7
I－I 152.7
H－Cl 431.8
H－Br 366
H－I 298.7
Ⅱ.從計算結果看 HCl 和 HBr 哪個更容易分解呢？
ΔH = 反應物總鍵能 - 生成物總鍵能
ΔH (HCl) = [ ( 436 + 242.7 ) - 2×431.8 ] kJ/mol = - 184.9 kJ/mol
ΔH (HBr) = [ ( 436 + 193.7 ) - 2×366 ] kJ/mol = - 102.3 kJ/mol
Ⅰ.利用數據計算，1 mol H2 分別與1 mol Cl2、1mol 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？
HBr 分解需吸收能量少，更易分解。
思考與交流
思考與交流
鍵 鍵能
C－C 347
C=C 614
C≡C 839
N－N 193
N＝N 418
N≡N 945
某些共價鍵的鍵能（kJ·mol－1）
Ⅲ.碳碳單鍵、碳碳雙鍵和碳碳三鍵之間鍵能關系？
碳碳單鍵＜碳碳雙鍵＜碳碳三鍵
Ⅳ.為何碳碳雙鍵的鍵能不是碳碳單鍵的二倍，碳碳
三鍵的鍵能不是碳碳單鍵的三倍？
碳碳單鍵：1個σ鍵
碳碳雙鍵：1個σ鍵，1個π鍵
σ鍵與π 鍵強度不同
乙烯分子中σ 鍵強于π 鍵
鍵能越大，共價鍵越牢固
氮分子中π鍵強于σ鍵
鍵能：定量地表示化學鍵的強弱
①判斷共價鍵的強弱。原子間形成共價鍵時,原子軌道重疊程度越大,體系能量降低越多,釋放能量越多,形成共價鍵的鍵能越大,共價鍵越牢固。
②判斷分子的穩定性。一般來說,結構相似的分子,共價鍵的鍵能越大,分子越穩定。如分子的穩定性:HF>HCl>HBr>HI。
③利用鍵能計算化學反應的熱效應。△H=反應物的鍵能總和-生成物的鍵能總和
歸納總結：鍵能的應用
[注意]由分子構成的物質,其熔、沸點與共價鍵的鍵能和鍵長無關,
而分子的穩定性由鍵長和鍵能大小決定。
3.鍵角
在多原子分子中，兩個化學鍵的夾角稱為鍵角。
三角錐形
角形
直線形
鍵角：描述分子空間結構的參數
可通過晶體的X射線衍射實驗測定
鍵能
鍵長
鍵角
決定
決定
分子的穩定性
分子空間結構
決定
分子的性質
鍵的
強弱
決定
晶體X射線衍射實驗
歸納
鍵參數對物質性質的影響
4、分子結構的推測—分子光譜
CO分子軌道能級圖
能量
(1)概念：分子從一種能級改變到另一種能級時
吸收或發射的光譜。
(2)影響因素：鍵長、鍵角和電荷分布等。
(3)應用：測定和鑒別分子結構。
防曬霜中所含的有效成分的分子中含有π鍵，這些分子中的π電子可在吸收紫外線后被激發，從而阻擋部分紫外線對皮膚的傷害。
防曬霜為何能防曬呢？
化學與技術
分子光譜
分子光譜和分子內部的運動密切相關，涉及分子運動
方式主要為：①分子的轉動，吸收或發射的光處在遠紅外
區或微波區，稱為遠紅外光譜或微波譜；②分子中原子間
的振動，通常振動光譜在近紅外區和中紅外區，一般稱為
紅外光譜；③分子中電子在不同能級的分子軌道間躍遷，
得到紫外一可見光譜。例如，C-C鍵、C=C鍵、C≡C鍵的鍵長依次縮短、鍵能依次加強，化學鍵的伸縮振動頻率升高，在紅外光譜中對應吸收峰值的頻率依次增加。
因此，基于紅外光譜中吸收峰值的頻率可以推測分子中存在的官能團，進而為推測分子結構提供證據。
課堂練習
1、已知苯乙烯能使酸性高錳酸鉀溶液褪色，得到苯甲酸,如圖所示。
下列有關說法不正確的是（ ）
A.苯乙烯分子中含有16個σ鍵
B.苯甲酸分子中含有4個π鍵
C.CO 分子中σ鍵和π鍵數目相同
D.苯乙烯和苯甲酸均既含極性鍵又含非極性鍵
B
2.下列說法正確的是 ( )
A.氯化氫的分子式是HCI而不是H2Cl,是由共價鍵的方向性決定的
B.兩個原子之間形成共價鍵的可以形成多個σ鍵
C.電子云在兩個原子核間重疊后,電子在兩核間出現的概率增大
D.分子中共價鍵的鍵長越長,鍵能越大,則分子越穩定
3.下列關于σ鍵和π鍵的理解不正確的是( )
A.含有π鍵的化合物與只含σ鍵的化合物的化學性質不同
B.σ鍵能單獨形成,而π鍵不能單獨形成
C.氣體單質中可能既不存在σ鍵,也不存在π鍵
D.冰融化時破壞σ鍵
C
D
4、已知各共價鍵的鍵能如表所示,下列說法正確的是( )
A.鍵長越短,鍵能一定越大
B.表中最穩定的共價鍵是F一F鍵
C.431.8 kJ.mol-1>E(H-Br)>298.7kJ.mol-1
D.上述鍵能數據可以說明熱穩定性的強弱順序為HF 共價鍵 Cl-Cl F-F H-F H-Cl H-I
鍵能(E)/ (kJ·mol-1) 242.7 157 568 431.8 298.7
C
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