資源簡介

共價鍵
第2課時
教學目標
1. 理解鍵能、鍵長和鍵角等鍵參數的含義。
2. 能應用鍵參數——鍵能、鍵長、鍵角說明簡單分子的結構和性質。
教學重難點
用鍵參數解釋物質的某些性質。
教學過程
一、新課導入
之前的學習我們討論分析了乙烷、乙烯和乙炔的分子中兩個碳原子之間的成鍵情況。它們分別有幾個σ鍵和幾個π鍵？
發生化學反應的過程中，舊的化學鍵被破壞。從這一角度，討論為什么乙烯和乙炔的化學反應活性更高，比如它們能與Br2加成，而乙烷不能？
乙烯、乙炔在與Br2加成時，只破壞了其中的π鍵，而σ鍵未發生改變。因為π鍵的軌道重疊程度相較于σ鍵較小，故更易斷裂。
在描述兩個原子之間的共價鍵強度時，我們使用“牢固”或“不牢固”這樣的描述不夠科學、清晰。
是否有參數可以定量描述共價鍵的強度？
這個參數可能與什么因素相關？
這個參數是否有規律性？
如何描述這種規律性？
二、講授新課
二、鍵參數——鍵能、鍵長與鍵角
1.鍵能
定義：鍵能是指氣態分子中 1 mol化學鍵解離成氣態原子所吸收的能量。
鍵能可以直接定量直觀的反映共價鍵的強弱。
說明：
①鍵能通常是298.15 K、101kPa條件下的標準值。
②鍵能可以通過實驗測定，更多是推算獲得的（如蓋斯定律）。
③同樣的共價鍵在不同的分子中鍵能略有區別，如甲烷中的C-H鍵和乙烯中C-H鍵鍵能不嚴格相等。
表2-1中列出了若干共價鍵鍵能的數據，請你觀察表格，自己尋找并歸納期中的規律，并將你的結論與小組同學交流。
【提問】（1）同主族的鹵原子與H之間的共價鍵鍵能的變化規律如何？同周期的C、N、O、F與H之間的共價鍵鍵能的變化規律如何？
【講解】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F-H > O-H > C-H > N-H，
自左向右呈逐漸增大趨勢（N-H略小于C-H）
【提問】（2）碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳碳叁鍵的鍵能變化趨勢如何？它們之間的差值大小是怎樣的？
從鍵能的角度談談乙烷、乙烯、乙炔的反應活性差別。
【講解】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。
根據數據可以計算出，C-C之間π鍵鍵能約為σ鍵鍵能的70%。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。
【提問】（3）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非常穩定。
【講解】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，反應中變為氮原子需要吸收非常多的能量。一般條件無法滿足該能量條件，故N2非常穩定。
【提問】*（4）C-C單鍵的鍵能為347.7 kJ·mol-1，N-N單鍵、O-O單鍵、F-F單鍵的鍵能分別為193 kJ·mol-1，142 kJ·mol-1，157 kJ·mol-1，為何N、O、F三種元素的單鍵鍵能明顯偏小？
【講解】N、O、F三種元素的原子半徑都很小，核外電子集中在一個較小區域內，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。
【提問】（5）O-O單鍵的鍵能為142 kJ·mol-1 ，這一數據與含O-O單鍵的物質的化學性質有何關聯？列舉一個你學過的含O-O單鍵的物質，結合其性質進行說明。
【講解】含O-O單鍵的常見物質之一是H2O2，它在室溫、無催化劑的條件下會逐漸分解為水和氧氣，在加熱或催化劑的條件下會更迅速的分解。
因O-O單鍵鍵能很小，提供較少能量就促使其斷裂。同時生成的O2和H2O中的O-O雙鍵，H-O單鍵鍵能均很大，產物很穩定。故一般含O-O單鍵的物質都容易分解。用作消毒劑的過氧乙酸也含有O-O單鍵。
【提問】（6）化學反應過程中是伴隨著能量變化的。一個反應是吸熱反應還是放熱反應取決于兩部分能量的大小關系：破壞反應物中的化學鍵所吸收的能量，形成產物中的化學鍵所放出的能量。利用表中的數據，你能否計算出下面反應的反應熱么？
N2 + 3H2 = 2NH3
總結根據鍵能計算反應熱的計算步驟。
【講解】
反應物 N2 反應物 H2 產物 NH3
共價鍵類型 N-N叁鍵 H-H單鍵 N-H單鍵
鍵能/kJ·mol-1 946 436 390.8
數量 1mol 3mol 6mol
吸收總能量為 946×1+436×3=2254 kJ 放出總能量為 390.8×6=2344.8 kJ
放熱>吸熱，反應為放熱反應，放熱2344.8 – 2254 = 90.8 kJ
【提問】（7）利用表2-1的數據進行計算，1 mol H2分別與 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HCl和HBr分子哪個更容易發生熱分解生成相應的單質？
【講解】根據鍵能計算反應熱的公式，可計算出生成2 mol HCl 和 2 mol HBr 分別放出184.9kJ和102.3kJ熱量，顯然生成HCl放熱更多。
HCl比HBr更容易生成，則其逆反應——分解更難，故HCl更穩定，HBr更易分解。
【提問】（8）N2、O2、F2跟H2的反應能力依次增強，從鍵能的角度應如何理解這一化學事實？
【講解】由于氮氮叁鍵、氧氧雙鍵、氟氟單鍵的鍵能依次減小
同時N-H、O-H、F-H鍵鍵能依次增大，
即舊鍵易斷裂，新鍵形成后很穩定。
故N2、O2、F2跟H2的反應能力依次增強
2. 鍵長
定義：構成共價鍵的兩個原子的核間距。
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。
表2-2中列出了若干共價鍵鍵長的數據，請你觀察表格，自己尋找并歸納期中的規律，并將你的結論與小組同學交流。
【提問】（1）（1）兩氫原子靠近，整個體系能量最低時對應的的核間距為74 pm，這一距離等于H2分子中H-H鍵的鍵長。這是巧合還是必然？怎樣理解這個等量關系？
【講解】原子成鍵時放出能量，放出能量越多，分子越穩定。因此兩原子間的鍵長一定對應體系能量最低的核間距。這是能量最低原理在分子層面的體現。
【提問】（2）同周期的C、N、O、F與H之間的共價鍵鍵長的變化規律如何？
這種變化規律與原子半徑的遞變規律有何關聯？
【講解】同周期的C、N、O、F與H之間的共價鍵鍵長F-H < O-H < N-H < C-H。
這一變化規律與同一周期元素原子半徑遞變規律相同，即F < O < N < C，在成鍵中一原子都為H原子時，另一個原子的半徑大小決定了共價鍵鍵長長短，原子半徑越大，共價鍵鍵長越長。
【提問】（3）碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳碳叁鍵的鍵長變化趨勢如何？這一變化趨勢與它們的鍵能變化趨勢有何關系？
共價鍵 鍵長/pm 鍵能/(kJ/mol)
C-C 154 347.7
C=C 133 615
C≡C 120 812
【講解】碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳碳叁鍵的鍵長逐漸變短。與鍵能的變化趨勢相比，可以得知，兩原子之間的共價鍵鍵數越多，鍵能越大，鍵長越短。
【提問】（4）Cl2、Br2、I2分子中的鍵長變化趨勢如何？這一變化趨勢與它們的鍵能變化趨勢有何關系？
共價鍵 鍵長/pm 鍵能/(kJ/mol)
Cl-Cl 198 242.7
Br-Br 228 193.7
I-I 267 152.7
【講解】X2的鍵長自上而下逐漸變長。與鍵能的變化趨勢相比，可以得知，鍵長越短，鍵能越大。
【提問】（5）基于以上你發現的鍵長與鍵能的遞變規律與關聯，預言HF、HCl、HBr、HI中鍵長大小關系。這與它們的穩定性之間有何關聯？
共價鍵 鍵長/pm 鍵能/(kJ/mol)
F-H 92 568
Cl-H 127 431.8
Br-H 141 366
H-I 160.9 298.7
【講解】HX的鍵長自上而下逐漸變長，鍵能逐漸減小，故而容易發生斷裂，分解為X2和H2，穩定性逐漸下降。
3.鍵角
定義：在多原子分子中，兩個相鄰共價鍵之間的夾角稱為鍵角。
例如：同樣是三原子分子，CO2的鍵角是180°，是直線形分子； H2O的鍵角是105°，是V形分子。
1.分子的形狀在宏觀上看不見摸不著，人類是怎樣測定鍵長、鍵角的？
鍵長和鍵角的數值可通過晶體的X射線衍射實驗獲得。（大學學習）
2.鍵角這樣的幾何數據，人類測量它，研究的意義是什么？研究后是否發現了其中的規律？
3.微觀的鍵角結構對物質的宏觀性質有影響么？是怎樣影響的？
這兩個問題我們會在本章后面2節進行深入的學習。
通過測量出晶體分子中的鍵長和鍵角，可以推演出分子的幾何形狀。
經過研究發現，分子的幾何形狀不是任意的，而是特征的若干種：如直線形，V形，三角形，四面體，三角錐等。
由此人們推知原子間形成共價鍵時，原子軌道只能沿著特定的方向進行重疊，我們將這種性質稱為共價鍵的方向性。
三、課堂小結
1.根據鍵能計算反應熱的計算步驟：
①分析反應物、產物中全部共價鍵的種類及數量
②計算出破壞反應物共價鍵吸收的總能量與形成產物共價鍵放出的總能量
③比較二者大小即可判斷出反應吸熱還是放熱，吸放熱數值等于二者差的絕對值
④公式表達：△H = 反應物總鍵能 – 生成物總鍵能
注意：焓變的正負號已包含在公式內，正號表示吸熱，負號表示放熱。
2.鍵長變化規律、與物質性質的關聯：
①一般來說，分子中共價鍵的鍵長越小，鍵能越大，共價鍵越穩定。
②鍵長又與原子半徑大小關聯緊密：兩原子中，固定其中一原子后，另一原子在同周期自左向右變化，或同主族自上而下變化，半徑呈現規律的遞變性，而這種變化決定了鍵長的變化規律。
③半徑的變化規律又與電負性的的變化規律是內在統一的。
因此，原子的半徑、原子的電負性、原子間共價鍵的鍵長、鍵能、物質的穩定性彼此都是相關聯的。從微觀結構走向宏觀性質。
四、課堂練習
1. 判斷正誤
(1)共價鍵的成鍵原子只能是非金屬原子(　　)
(2)所有σ鍵的強度都比π鍵大(　　)
(3)在所有分子中都存在化學鍵(　　)
(4)s-s σ鍵與s-p σ鍵的電子云形狀的對稱性相同 (　　)
(5)σ鍵可以繞鍵軸旋轉，π鍵一定不能繞鍵軸旋轉(　　)
(6)碳碳叁鍵和碳碳雙鍵的鍵能分別是碳碳單鍵鍵能的3倍和2倍( )
(7)鍵長等于成鍵兩原子的半徑之和( )
答案　（1）×（2）×（3）×（4）√（5）√（6）×（7）×
2. 人們常用HX表示鹵化氫（X代表F、Cl、Br、I），下列說法中，正確的是（ ）
A. 形成共價鍵的兩個原子之間的核間距叫做鍵長
B. H-F的鍵長是H-X中最長的
C. H-F是p-p σ鍵
D. H-F的鍵能是H-X中最小的
答案　A
解析　B項，F原子半徑在鹵素中最小，故H-F鍵鍵長是最短的；C項，H原子的電子在1s軌道上，故與F形成σ鍵時是s-p σ鍵；D項， H-F鍵鍵長最短，軌道重疊程度更大，鍵能最大。
3. 下列說法中，錯誤的是（ ）
A. 鍵能是衡量化學鍵穩定性的參數之一，鍵能越大，則化學鍵就越牢固
B. 鍵長與共價鍵的穩定性沒有關系
C. 鍵角是兩個相鄰共價鍵之間的夾角，說明共價鍵有方向性
D. 共價鍵是通過原子軌道重疊并共用電子對而形成的，所以共價鍵有飽和性
答案　B
解析　B項，一般來說，分子中共價鍵的鍵長越小，鍵能越大，共價鍵越穩定。
4. 下列說法中，錯誤的是（ ）
A. 氧原子有兩個未成對電子，因而能形成兩個共價鍵
B. 氧原子可以形成H2O、H2O2，也可以形成H3O
C. 已知H2O2的分子結構是H-O-O-H，在H2O2中只有σ鍵沒有π鍵。
D. 已知N2分子的結構是N≡N，在N2中有1個σ鍵和2個π鍵
答案　B
解析　B項，氧原子最外層有6個電子，其中有兩個未成對電子，形成兩個共價鍵之后，無單電子且達到了8電子穩定結構，故無法再結合一個H形成H3O

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