2020高中化学第二章分子结构与性质1_2键参数——键能、键长和键角等电教学案新人教版选修3

第二课时键参数——键能、键长和键角等电子原理

学习目标：1. 认识键能、键长、键角等键参数的概念。2.能用键参数——键能、键长、键角说明简单分子的某些性质。3.知道等电子原理，结合实例说明“等电子原理的应用”。

[知识回顾]

1．相邻原子间通过共用电子对所形成的相互作用，叫做共价键。成键粒子一般为非金属元素原子(相同或不相同)或金属元素原子与非金属元素原子。

2．共价键的形成条件：非金属元素的原子之间形成共价键，大多数电负性之差小于1.7的金属元素与非金属元素的原子之间形成共价键。

3．共价键的特征：饱和性和方向性。

4．σ键特征：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；强度较大。

π键特征：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。

[要点梳理]

1．键参数——键能、键长与键角

(1)键能是指气态基态原子形成1_mol化学键释放的最低能量。单位是kJ·mol－1，键能越大，形成化学键时释放的能量越多，化学键越稳定。

(2)键长是衡量共价键稳定性的另一个参数，是形成共价键的两原子之间的核间距。键长越短，往往键能越大，表明共价键越稳定。

(3)键角

①概念：多原子分子中，两个共价键之间的夹角叫键角。

②写出下列分子的键角：CO2180°；H2O105°。多原子分子的键角一定，表明共价键具有方向性。

③键角、键长、键的极性决定着分子的空间构型。

2．等电子原理

等电子原理是指原子总数相同，价电子总数相同的分子具有相似的化学键特征，它们的许多性质相近。满足等电子原理的分子称为等电子体。

知识点一键参数与分子性质

1．一般来讲，形成共价键的两原子半径之和越小，共用电子对数越多，则共价键越牢固，含有该共价键的分子越稳定。如HF、HCl、HBr、HI中，分子的共用电子对数相同，因F、Cl、Br、I的原子半径依次增大，故共价键牢固程度H－F>H－Cl>H－Br>H－I，因此，稳定性HF>HCl>HBr>HI。

2．键长越短，往往键能越大，共价键越稳定。

3．键能与键长是衡量共价键稳定性的参数，键角是描述分子立体结构的参数。一般来说，如果知道分子中的键长和键角，这个分子的空间结构就确定了。如NH3分子的H－N－H 键角是107°，N－H键的键长是101×10－12m，就可以断定NH3分子是三角锥形分子，如图。

4．F－F键键长短，键能小的解释

F原子的半径很小，因此其键长短，而由于键长短，两F原子形成共价键时，原子核之间的距离很近，排斥力很大，因此键能小，F2的稳定性差，很容易与其他物质反应。

[问题探究]

1．氮气为什么能在空气中稳定存在。

[答案] N2分子存在氮氮三键，键能(946 kJ·mol－1)大，不易与其他物质发生反应，故能在空气中稳定存在。

2．如何理解反应热(ΔH)与键能的关系？

[答案] ΔH＝反应物的键能总和－生成物的键能总和，其中，ΔH<0时，为放热反应；ΔH>0时，为吸热反应。例如，1 mol H2和1 mol Cl2反应生成2 mol HCl的反应热的计算。已知E H－H＝436 kJ·mol－1，E Cl－Cl＝243 kJ·mol－1，E H－Cl＝432 kJ·mol－1，则ΔH＝E H－H＋E Cl

E H－Cl＝436 kJ·mol－1＋243 kJ·mol－1－2×432 kJ·mol－1＝－185 kJ·mol－1<0，该反－Cl－2

应为放热反应。

熟记六种常见物质类型

(1)通过键长、键角可以判断分子的立体构型。

(2)键长不等于成键两原子半径的和，而是小于其半径的和。

(3)键能与键长反映键的强弱程度，键长和键角用来描述分子的立体结构。

(4)有机物分子中碳原子与碳原子形成的共价键的键长规律如下：C－C>C＝C>C≡C。

1．下列说法不正确的是( )

A．键能越小，表示化学键越牢固，越难以断裂

B．成键的两原子核越近，键长越短，化学键越牢固，性质越稳定

C．破坏化学键时消耗能量，而形成化学键时释放能量

D．键能、键长只能定性地分析化学键的强弱

[解析] 键能越大，断开该键所需的能量越多，化学键越牢固，性质越稳定，故A错误；

B、C、D均正确。

[答案] A

2．参考下表化学键的键能与键长数据，判断下列分子中，受热最稳定的是( )

43

C．H2O D．HF

[解析] 从键能的角度分析，四种氢化物稳定性由强到弱的顺序为：HF、H2O、CH4、NH3；从键长的角度分析，四种氢化物稳定性由强到弱的顺序为：HF、H2O、NH3、CH4；综合两方面

因素最稳定的是HF。

[答案] D

(1)一般地，形成的共价键的键能越大，键长越短，共价键越稳定，含有该键的分子越稳定，其化学性质越稳定。

例如，同主族元素的气态氢化物的稳定性从上到下依次减弱，就是因为共价键的键长逐渐增大、键能逐渐减小的缘故。

(2)化学反应中能量变化＝反应物键能总和－生成物键能总和，即ΔH＝E反应物－E生成物。

知识点二等电子原理

1．应用：等电子体的许多性质是相近的，空间构型是相同的。利用等电子体可以：

(1)判断一些简单分子或离子的立体构型；

(2)利用等电子体在性质上的相似性制造新材料；

(3)利用等电子原理针对某物质找等电子体。

2．常见等电子体

电子数相同的微粒与等电子体是否相同？

[答案] 电子数相同的微粒是指微粒中所有的电子数之和相同，但微粒中原子的数目不一定相同，如18电子的微粒有S2－、HS－、Cl－、Ar、K＋、Ca2＋、H2S、H2O2、N2H4、C2H6、CH3OH 等。

等电子体是指原子总数相等、价电子数相同的微粒，其电子总数不一定相同。如N2O与CO2，其原子数、价电子数、电子总数相等；SO2和O3其原子数相同、价电子数相同，但电子总数SO2为32，O3电子总数为24，显然电子总数不同。

等电子体的快速找法

要互为等电子体，就是要求粒子中原子总数和各原子价电子总数均相等，其解决方法通常为

(1)将粒子中的两个原子换成原子序数分别增加n和减少n(n＝1,2等)的原子，如N2与CO、N－3和CNO－均互为等电子体。

(2)将粒子中一个或几个原子换成原子序数增加(或减少)n的元素的带n个单位电荷的阳离子(或阴离子)，如N2O和N－3互为等电子体。

(3)同主族元素最外层电子数相等，故可将粒子中原子换成同主族元素原子，如O3和SO2互为等电子体。

(1)等电子体的价电子总数相同，而组成原子的核外电子总数不一定相同，如CO2和CS2。

(2)可将等电子原理扩大到离子，应用更为广泛。

(3)应用等电子原理的前提是原子总数必须相同，其次是价电子总数相同。对主族元素来说，必须是最外层电子数相同而不是总电子数相同，如CO2和CS2是等电子体，而CH4和

NH3不是等电子体。

1．1919年，Langmuir提出等电子体的概念后，等电子体的概念又得到发展，由短周期元素组成的粒子，只要其原子总数相同，各原子最外层电子数之和相同，也可互称为等电子体。等电子体的结构相似、物理性质相近。根据上述原理，下列各对粒子中，空间结构相似的是( )

A．SO2与O3B．CO2与NO2

C．CS2与NO2D．PCl3与BF3

[解析] 由题中信息可知，只要算出分子中各原子最外层电子数之和即可判断。B的最外层电子数为3；C的最外层电子数为4；N、P的最外层电子数为5；O、S的最外层电子数为6。通过计算可知A项符合。

[答案] A

2．1919年，Langmuir提出等电子原理：原子数相同、电子总数相同的粒子，互称为等电子体。等电子体的结构相似，物理性质相近。

(1)根据上述原理，仅由第二周期元素组成的共价分子中，互为等电子体的是________和________；________和________。

(2)此后，等电子原理又有所发展。例如，由短周期元素组成的微粒，只要其原子数相同，各原子最外层电子数之和相同，也可互称为等电子体，它们也具有相似的结构特征。在短周期元素组成的物质中，与NO－2互为等电子体的分子有________、________。

[解析] (1)第二周期元素中，只有B、C、N、O、F可形成共价型分子，同素异形体间显然不能形成等电子体，若为含两个原子的等电子体，则可能是某元素的单质与其相邻元素间的化合物，如N2与CO，在此基础上增加同种元素的原子可得其他的等电子体，如N2O和CO2。(2)NO－2的最外层的电子数为：5＋6×2＋1＝18，平均每个原子的最外层电子数为6，则可能为O3或SO2。

[答案] (1)N2CO CO2N2O

(2)SO2O3

等电子体的价电子总数相同，而组成原子核外电子总数不一定相同，如CO 2和CS 2。

[知识脉络] 共价键

?????

键参数?????

键能：气态基态原子形成1 mol 化学键释放的最低能量

键长：形成共价键的两个原子之间的核间距键角：任意两个共价键之间的夹角

等电子原理：原子总数相同，价电子总数相同的分子具有相似的化学键特征，它们的许多性质相近。

[核心要点]

1．键能、键长、键角是共价键的三个参数

键能、键长决定了共价键的稳定性；键长、键角决定了分子的空间构型。

2．等电子体：原子数相同，价电子数也相同的微粒。如：CO 和N 2，CH 4和NH ＋

4等电子体性质相似。

1．下列说法中正确的是( )

A．双原子分子中化学键键能越大，分子越稳定

B．双原子分子中化学键键长越长，分子越稳定

C．双原子分子中化学键键角越大，分子越稳定

D．在双键中，σ键的键能要小于π键的键能

[解析] 在双原子分子中没有键角，故C错；当键能越大，键长越短时，分子越稳定，故A对，B错；D中σ键的重叠程度要大于π键，故σ键的键能要大于π键。

[答案] A

2．科学家常用“等电子体”来预测不同物质的结构，例如CH4与NH＋4有相同的电子数和空间构型。依此原理在下表空格中填出相应的化学式：

[解析] 26263NO－3，和N2是等电子体的是CO。

[答案] ①C2H6②NO－3③CO

3．某些共价键的键能数据如下表(单位：kJ·mol－1)：

2

能量。

(2)由表中所列化学键形成的单质分子中，最稳定的是________，最不稳定的是________；形成的化合物分子中最稳定的是________，最不稳定的是________。

(3)试通过键能数据估算下列反应的反应热：H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)

[解析] 本题主要考查键能的定义以及键能与化学键稳定性的关系。(1)键能是指气态基态原子形成1 mol化学键释放的最低能量，新键形成释放能量，则旧键断裂必然吸收能量，根据能量守恒定律断开1 mol Cl－Cl键吸收的能量等于形成1 mol Cl－Cl键释放的能量。

(2)键能越大，化学键越稳定，越不容易断裂，化学性质越稳定，因此最稳定的单质为N2，最不稳定的单质是I2，最稳定的化合物是H2O，最不稳定的化合物是HI。

(3)ΔH＝E(反应物键能之和)－E(生成物键能之和)＝(436＋243－2×432) kJ·mol－1＝－185 kJ·mol－1。

[答案] (1)吸收243 (2)N2I2H2O HI (3)ΔH＝－185 kJ·mol－1。