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第二章分子結構與性質
第一節(jié)共價鍵
2.1.1共價鍵
學習目標
1、熟 知共價鍵的概念與形成，知道共價鍵的特征——具有飽和 性和方向性
2、能夠從不同的角度對共價鍵分類，會分析σ鍵和π鍵的形成及 特點，熟練判斷分子中σ鍵和π鍵的存在及個數。
3、知 道鍵能、鍵長、鍵角等鍵參數的概念，能用鍵參數說明簡單 分子的某些性質
1、諾貝爾物理學獎得主理查德 ·費曼曾說過，假如發(fā)生了 大災難，人類全部的科學知識只能概括為一句話傳諸后世， 那么這句話應該是“萬物皆由原子構成”,那原子又是如 何給構成物質了
思考
理查德 ·費曼
①什么是化學鍵
分子內相鄰的原子之間的強烈相互作用力。
②化學鍵有哪些類型
極性鍵
共價鍵
非極性鍵
離子鍵
溫故
化學鍵
比較 類型 離子鍵
共價鍵
概念 陰、陽離子間通過靜電 作用所形成的化學鍵
原子間通過共用電子對 所形成的化學鍵。
成鍵微粒 陰、陽離子
原子
成鍵條件 得失電子
電子對共用
存在 (舉例) 離子化合物 如NaCl、銨鹽
非金屬單質：H
共價化合物：HCl 某些離子化合物
分類
極性鍵和非極性鍵
、共價鍵
1、共價鍵的形成
(1)概念：原子間通過共用電子對所形成的相互作用叫做共價鍵
(2)成鍵微 粒：一般為非金屬原子間(相同或不相同)或金屬原子與非 金屬原子間
(3)成鍵實質：原子間通 共用電子對(即電子云重疊或原子軌道重 疊) 產 生的強烈作用
當成鍵原子相互接近時，原子軌道 發(fā)生重疊，自旋方向相反的未成對 電子形成共用電子對，兩原子核間 的電子云密度增加，體系能量降低。
非金屬元素的原子最外層未達到飽和狀態(tài)( 即未達8電子穩(wěn)定結 構),相互間通過共用電子對形成共價鍵。
①同種或不同種非金屬元素的原子的結合②部分電負性之差小
于1.7的金屬元素的原子和非金屬原子結合(如 ：AIC
BeCz)
(5)存在范圍①非金屬單質分子(稀有氣體除外) , 如 ：H 、O 、N Cl ②非金屬形成的化合物中，如：CO 、H O、 H SO4 、NH 、CH ③ 部分離子化合物中，
如 ：NaOH、Na,SO4、NH NO ④某些 金屬和非金屬形成的化合物中，如：AICl 、BeCl
(4)成鍵條件
共價鍵成鍵的原因是原子通過共用電子對，各原子最外層電子一 般都能達到飽和狀態(tài)( 8個電子，僅H 是2個)兩原子核都吸引共用 電子對，使之處于平衡狀態(tài)，原子形成分子后，體系的總能量隆
低
(7)共價鍵表示方法①用電子式表示：用小黑點(或×)表示最外層
電子，如：H:H② 用結構式表示：用一根短線來表示一對共用 電子對，如：H-H
(6)成鍵的原因
①用電子式表示H 的形成過程：H ·+ ·H→H:H
②用電子云(原子軌道)表示氫原子形成氫分子的過程
H 。 >< ●H H 。 ●H H。。H
因而可以形象的說，核間電子好比在核間架起一座帶負 電的橋梁，把帶正電的兩個原子核“黏結”在一起了
形成H 分子的 共價鍵(H—H)
(8)共價鍵的形成過程
相互靠攏
1s
電子云相 互交疊
1s
單鍵(一對):H-H
(1)按共用電子對數目分類 雙鍵(兩對):C=C
三鍵(三對):N=N
非極性鍵(同原):H-H
(2)按共用電子對是否偏移分類 極性鍵(不同原) :H-Cl
σ鍵
(3)按電子云的重疊方式分類 π鍵
按照不同的分類方法，可將共價鍵分為不同的類型
2.共價鍵的分類
練一練
1、下列說法正確的是( B )
A. 含有共價鍵的化合物一定是共價化合物
B. 由共價鍵形成的分子一定是共價化合物
C. 分子中只有共價鍵的化合物一定是共價化合物
D. 只有非金屬原子間才能形成共價鍵
2、已 知 ：X、Y、Z、W 四種元素原子的電負性數值。你認為上 述四種元素中，最容易形成共價鍵的是( B )
A.X 與Y B.X 與W C.Y 與Z D.Y 與W
元素 X Y Z
W
電負性 2.5 3.5 1.2
2.4
(1)σ鍵的形成：沿鍵軸(兩原子核的連線)方向以“頭碰頭”的 方式發(fā)生原子軌道重疊，軌道重疊部分呈圓柱形對稱沿著鍵軸 分布，具有軸對稱特征的共價鍵稱為σ 鍵
二、σ鍵與π鍵
1、σ鍵
根據成鍵電子原子軌道的不同，σ鍵可分為s-s σ鍵、s- p σ鍵、 p-p σ鍵
①s-s σ鍵：兩個成鍵原子均提供s軌道形成的共價鍵。
口
H 中的共價鍵是由兩個氫原子提供的未成對電子的1s原子軌道
H-H 的s-s σ鍵的形成
(2)σ鍵的類型
H
HCl 中的共價鍵是由氫原子提供的未成對電子的1s原子軌道和氯原子提供的 未成對電子的3p 原子軌道重疊形成的。
②s-p σ鍵：兩個成鍵原子分別提供s軌道和p 軌道形成的共價鍵
- CB
H CI H CI
H-Cl 的s-pσ鍵的形成
H
HCI
Cl 中的共價鍵是由2個氯原子各提供1個未成對電子的3p原子軌道重疊形成的。
③p-p σ鍵 ：兩個成鍵原子均提供p軌道形成的共價鍵
CI Cl Cl Cl
Cl-Cl的p-pσ鍵的形成
未成對電子的原子軌道相互靠攏
原子軌道相互重疊
形成的共價單鍵
Cl
(3)σ鍵的特征①以形成化學鍵的兩原子核的連線為軸作旋轉操作 ， 共價鍵電子云的圖形不變，這種特征稱為軸對稱
② 形成σ鍵的原子軌道重疊程度較大，故σ鍵有較強的穩(wěn)定性
③以形成σ鍵的兩原子核的連線為軸，任何一個原子均可以旋轉， 旋轉時并不破壞o鍵的結構(化學單鍵可以旋轉的原因)。
s σ 鍵
s-pσ 鍵
Px-P,σ 鍵
σ 鍵
(4)σ鍵的存在
共價單鍵為σ鍵；共價雙鍵和共價三鍵中存在一個σ鍵
H·-> <一 ·H->H··H-> H··H
H—H的s-s σ鍵的形成
H—Cl的s-pσ 鍵的形成
Cl Cl Cl Cl Cl
Cl—Cl的p-pσ鍵的形成
分 子 式 乙烷
乙炔
球棍模型
比例模型
比例模型
2、觀察乙烷、乙烯和乙炔的分子結構，它們的分子中 只有σ鍵
思考
氮分子的2個px 單電子沿著x-x 軸頭碰頭形成p-p σ鍵 后，由于py、 pz原子軌道垂直于px所在的平面，py 、pz 的單電子不可能再沿著 (y,z) 軸的方向以“頭碰頭”形成σ鍵，而只能是以“肩并肩 ”的 方式重疊，我們把這種以“肩并肩”的方式重疊的共價鍵叫π鍵
2、π鍵
兩個原子的電子以”肩并肩“的方式發(fā)生原子軌道重疊，重疊
形成的電子云由兩塊形成，分別位于兩原子核構成的平面兩側，
互為鏡像而具有鏡像對稱特征的共價鍵稱為π鍵
形成元鍵的電子稱為π電子，p 軌道和p軌道形成π鍵的過程如 圖所示：
(1)π鍵的形成
(2)π鍵的特征① 每個π鍵的電子云由兩塊組成，分別位于由兩原子
核構成平面的兩側，如果以它們之間包含原子核的平面為鏡面，它 們互為鏡像，這種特征稱為鏡面對稱②形成π鍵時原子軌道重疊程
度比形成σ鍵時小，元鍵沒有σ鍵牢固(斷鍵時先斷鍵，后元斷σ鍵)
③以形成π鍵的兩個原子核的連線為軸，任意一個原子并不能單獨 旋 轉 ，元鍵不能旋轉，若旋轉則會破壞π鍵 (雙鍵，三鍵不能轉)
未成對電子的原子軌道相互靠攏
原子軌道相互重登
形成的π鍵
π鍵通常存在于雙鍵或三鍵中
3、判斷σ鍵、π鍵的一般規(guī)律
①共價單鍵為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鍵和兩個元鍵構成
②s,p原子軌道均能形成σ鍵，分別為s-Sσ鍵，s-pσ鍵，p-pσ鍵
③只有p原子軌道能形成元鍵 ，p -pπ鍵
(3)π鍵的存在
乙烷 乙烯 乙炔
(1)觀察乙烷、乙烯、乙炔的分子結構，它們的分子中的共價鍵分別由 幾個δ鍵和幾個π鍵構成
乙烷分子由7個σ鍵組成；乙烯分子由5個σ鍵和1個π鍵組成；乙炔分子 由3個σ鍵和2個π鍵組成
(2)乙烯和乙炔的化學性質為什么比乙烷活潑呢
乙烯的碳碳雙鍵和乙炔的碳碳三鍵中分別含有1個和2個π鍵，π鍵原子 軌道重疊程度小，不穩(wěn)定，容易斷裂。而乙烷中沒有π鍵，σ鍵穩(wěn)定， 不易斷裂
練一練
3、觀察下圖乙烷、乙烯和乙炔分子的結構回答
4 、 σ 鍵 與 π 鍵 的 比 較 鍵的類型比較項目 σ 鍵
π 鍵
概念 形成共價鍵的未成對電子的原子軌 道采取“頭碰頭 的方式重疊
形成共價鍵的未成對電子的原子軌道 采取“ 肩 并 肩 ”的方式重疊
原子軌道重疊方式 頭碰頭
肩并肩
原子軌道重疊部位 兩原子核之間，在鍵軸處
鍵軸上方和下方，鍵軸處為零
原子軌道重疊程度 大
小
特征(電子云形狀) 原子軌道重疊部分沿鍵軸呈軸對稱
原子軌道重疊部分分別位于兩原子核 構成平面的兩側，呈鏡面對稱
類型 s -S σ鍵、s-p- σ鍵、p =p σ鍵
p=p π鍵
鍵的性質 σ鍵可沿鍵軸自由旋轉，不易斷裂
π 鍵不能旋轉，易斷裂
鍵的強度 較大
較小
化學活潑性 不活潑
活潑
示意圖 s-sc鍵00 s-po鍵-O00x P - p o 鍵 - O 0 0 OX
yy
p-pπ鍵
存在的情況 能單獨存在，可存在于任何含共價 鍵的分子中
不能單獨存在，必須與σ鍵共存，可 存在于雙鍵和三鍵中(先σ后π)
【幾點強調】
①s軌道與s軌道形成σ鍵時，電子并不是只在兩核間運動，只是 電子在兩核間出現的概率大②因s 軌道是球形的，故s 軌道與s 軌 道形成σ鍵時，無方向性。兩 個s 軌道只能形成σ鍵，不能形成元
鍵
③兩個原子間可以只形成σ鍵，但不能只形成元鍵④σ鍵和π鍵總 稱價鍵軌道，但分子形成共價鍵時，先形成σ鍵后才形成π鍵
3、為什么只能有H 、HCl、Cl 等，不可能H 、H Cl和
思考
Cl 等
按照共價鍵的共用電子對理論，一個原子有幾個未成對電子，便 可和幾個自旋狀態(tài)相反的電子配對成鍵，這就是共價鍵的“飽和 性”,如：H 原 子 、Cl 原子都只有一個未成對電子，因而只能形 成H 、HCl、Cl 分子，不能形成H 、H Cl、Cl 等分子，水的分 子式是H O 而不能是OH或H O 或HO 等
(1)用電子排布圖表示HF分子中共用電子對的形成如下：
l s
三、共價鍵的特征
1、飽和性
H
2 p 個
原子軌道(電子云)重疊
l s 2 s
個
(2)氫、鹵原子只有1個未成對電子，只形成1個共價鍵：-H、-
X(3)氧、硫原子有2個未成對電子，總是形成兩個共價鍵：=0或- O-; 氮原子有3個未成對電子，與C、H等電負性比氮小的元素的 原子成鍵時總是形成三個共價鍵(共價鍵數=未成對電子數)
(4)共價鍵的飽和性決定了各種原子形成分子時相互結合的數量關 系(分子組成)
除s軌道是球形對稱外，其他原子軌道在空間都具有一定的分布 特點。在形成共價鍵時，原子軌道重疊的愈多，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，所以共價鍵具有方向性，如圖
2、方向性
所示：
類型
方向性
s-S σ鍵
無
s-pσ鍵
有
p-p σ鍵
有
(1)共價鍵的方向性決定了分子的立體(空間)構型(2)并不是所 有共價鍵都具有方向性，如兩個s電子形成共價鍵時就沒有方
向性
練一練
4. σ鍵的常見類型有(1)s-s,(2)s-p,(3)p-p, 請指出下列分子σ 鍵所屬類型：
A.HF S-p
B.NH s-p
C.F p-p
D.H
5. 下列關于共價鍵的說法不正確的是( D )
A .H S分子中兩個共價鍵的鍵角接近90°的原因是共價鍵有方向性
B.N 分子中有1個σ鍵，兩個π鍵
C. 兩個原子形成共價鍵時至少有1個σ鍵
D. 在雙鍵中，σ鍵的鍵能小于π鍵的鍵能
練一練
6.關于乙醇分子的說法正確的是( C )
A.分子中共含有8個極性鍵 B.分子中不含非極性鍵
C.分子中只含σ鍵 D.分子中含有1個π鍵
7.氰氣的化學式為(CN)2, 結構式為NCCN, 性質與Cl 相似，下列
敘述不正確的是(BC)
A. 在一定條件下可發(fā)生加成反應
B. 分子中NC 鍵的鍵長大于C—C 鍵的鍵長
C. 分子只含有2個σ鍵和4個π鍵
D. 不 和NaOH 溶液反應
4、共價鍵的強弱用什么來衡量 我們如何用化學語言 來描述不同分子的空間結構和穩(wěn)定性
CH CH CH OH C H CH COOH
思考
鍵能可通過實驗測定，更多卻是推算獲得的，鍵能數據是平均值。
例如，斷開CH 中的4個C—H, 所需能量并不相等，因此，CH 中的C—H 只能是平均值，而表2-1中的C—H鍵能是更多分子中 的C—H 鍵能的平均值。
氣態(tài)分子中1_ mol 化學鍵解離(斷鍵)成氣態(tài)原子所吸收的能量。鍵 能通常是298.15 K、100 kPa條件下的標準值，單位是kJ ·mol-1
四、鍵參數—鍵能、鍵長與鍵角
1、鍵能
(1)概念
共價鍵的鍵能越大，共價鍵就越不容易斷裂，成鍵原子間的結合
就越牢固。結構相似的分子，鍵能越大，分子越穩(wěn)定
(3)共價鍵強弱的判斷①由原子半徑和共用電子對數判斷：成鍵原 子的原子半徑越小，共用電子對數越多，則共價鍵越牢固，含有該 共價鍵的分子越穩(wěn)定②由鍵能判斷：共價鍵的鍵能越大，共價鍵越 牢固，破壞共價鍵消耗的能量越大③由鍵長判斷：共價鍵的鍵長越 短，共價鍵越牢固，破壞共價鍵消耗的能量越大④由電負性判斷： 元素的電負性越大，該元素的原子對共用電子對的吸引力越大，形 成的共價鍵越穩(wěn)定
(2)意義
(4)鍵能的應用①判斷共價鍵的穩(wěn)定性：鍵能越大，斷開化學鍵時 需要的能量越多，化學鍵越穩(wěn)定②判斷分子的穩(wěn)定性：結構相似 的分子中，共價鍵的鍵能越大，分子越穩(wěn)定③判斷化學反應的能
量變化：在化學反應中，舊化學鍵的斷裂吸收能量，新化學鍵的 形成釋放能量，因此反應焓變與鍵能的關系為△H= 反應物鍵能
△H<0 時，為放熱反應；△H>0 時，為吸熱反應
總和-生成物鍵能總和
鍵 鍵能(kJ ·mol-1) 鍵
鍵能(kJ ·mol-1)
H-H 436.0 N=N
418
F-F 157 N-0
176
Cl-Cl 242.7 N=0
607
Br-Br 193.7 O-0
142
I-I 152.7 O=0
497.3
C-C 347.7 C-H
413.4
C=C 615 O-H
462.8
C-O 351 N-H
390.8
C=0 745 H-F
568
N-N 193 H-Cl
431.8
①(同種元素)單鍵<雙鍵<三鍵
②H-X 穩(wěn)定性：H-I共價鍵的鍵長越短，往往鍵能越大，表明共價鍵越穩(wěn)定
【注意】
鍵長通過晶體的X 射線衍射實驗獲得。
構成化學鍵的兩個原子的核間距(不等于兩原子半徑之和), 因此 原子半徑決定共價鍵的鍵長， 原子半徑越小，共價鍵的鍵長越短
(2)鍵長與共價鍵的穩(wěn)定性之間的關系
2、鍵長
(1)概念
(3)鍵長的應用①一般共價鍵的鍵長越短，鍵能越大，共價鍵越穩(wěn)定， 分子越穩(wěn)定，反之亦然
②鍵長的比較方法a .根據原子半徑比較，同類型的共價鍵，成鍵 原子的原子半徑越小，鍵長越短
如鍵長：H-I>H-Cl>H - F;Br -Br>Cl-Cl>F-F;Si-
Si>Si-C>C-Cb. 根據共用電子對數比較，相同的兩個原子間形 成共價鍵時，單鍵鍵長>雙鍵鍵長>三鍵鍵長
如鍵長：C-C>C=C>C=C
根據原子半徑和共
用電子對數目判斷
根據鍵能判斷
根據鍵長判斷
→共價鍵越牢固
共價鍵越牢固
原子半徑越小
共用電子對數 越多
共價鍵越牢固
分子越穩(wěn)定
共價鍵穩(wěn)定
性強弱的判 斷方法
鍵能越大
鍵長越短
由于C-H 和C-Cl 的鍵長不相等，CH 分子的空間結構為 正四面體形，而CH Cl 分子的空間結構是四面體形而不是 正四面體形。可見鍵長可以判斷分子的空間結構
5、解 釋CH 分子的空間結構為正四面體形，而CH Cl 分子的 空間結構是四面體形而不是正四面體形。
思考
在多原子分子中，兩個相鄰共價鍵之間的夾角
例如，三原子分子CO 的結構式為O=C=0, 它的鍵角為
180°,是一種直線型分子。 H O 分子中的H—0—H 鍵角是 105°,是一種V形(或稱角形)分子。
105° 107°18'
H O: V形 NH : 三角錐形 (或稱角形)
109°28′
CH : 正四面體形
3、鍵角
(1)概念：
180°
CO : 直線形
化學式 結構式 鍵角 空間結構
實例
CO O=C=0 180° 直線形
CS 、CH=CH
NH N HH 107° 三角錐形
NX
H O 0 H H 105° V形
H S
BF 120° 平面三角形
乙烯
CH 109°28' 正四面體形
CCl
在多原子分子中鍵角是 一 定的，這表明共價鍵具有方向性，因 此鍵角影響著共價分子的空間結構
常見分子的鍵角與分子空間結構
(2)應用
分子的穩(wěn)定性
分子的性質
分子的空間構型一
【幾點強調】
鍵參數對分子性質的影響
鍵能
鍵長 鍵角
決定
決定
決定
練一練
8. 原子間形成分子時，決定各原子相互結合的數量關系的是( B
)A. 共價鍵的方向性B. 共價鍵的飽和性C. 形成共價鍵原子的 大小D. 共價鍵的穩(wěn)定性
9. 下列說法正確的是( )
A. 分子的結構是由鍵角決定的
B. 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 C.CF4、CCl4、CBr4、CI4 中C—X(X=F、Cl、Br、I) 的鍵長、 鍵角均相等
D.H20 分子中兩個O—H的鍵角為180°

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