鲁科版高中化学共价键模型教案选修

目标与素养：１．了解共价键的形成、本质、特征和分类。（微观探析）２．了解σ键和π键的区别，会判断共价键的极性。（模型认知）３．认识键能、键长、键角等键参数的概念，并能应用其说明简单分子的某些性质。（宏观辨识与微观探析）

一、共价键

１．共价键的形成及本质

（１）原子间通过共用电子形成的化学键称为共价键。

（２）共价键的形成和本质

如：当两个氢原子（核外电子的自旋方向相反）相互接近到一定距离时，两个１s轨道发生重叠，电子云在两原子核之间出现的概率增加，每个氢原子的原子核都会同时对自身和对方的１s轨道上的电子产生吸引作用，体系的能量达到最低状态。

当成键原子相互接近时，由于电子在两个原子核之间出现的概率增加，使它们同时受到两个原子核的吸引，从而导致体系能量降低，形成化学键。即：高概率地出现在两个原子核之间的电子与两个原子核之间的电性作用是共价键的本质。

微点拨：共价键的本质是电性作用，但这种电性作用是不能用经典的静电理论来解释的，它是通过量子力学用原子轨道的重叠来说明的。

（３）共价键的形成条件

１形成共价键的条件：电负性相同或差值小的非金属元素原子形成的化学键。

２形成共价键的微粒：共价键成键的粒子是原子。既可以是相同元素的原子，也可以是不同元素的原子。

（４）共价键的表示方法

人们常常用一条短线表示由一对共用电子所形成的共价键。例如，氢分子和氯化氢分子可分别表示为H—H和H—Cl，水分子可表示为H—O—H。依此类推，===表示原子间共用两对电子所形成的共价键

（共价双键），≡表示原子间共用三对电子所形成的共价键（共价叁键）。

２．共价键的分类

（１）分类错误!

（２）极性键和非极性键：按两原子核间的共用电子对是否偏移可将共价键分为极性键和非极性键形成元素电子对偏移原子电性

非极性键同种元素因两原子电负性相同，共用电子对不

偏移

两原子均不显电性

极性键不同元素电子对偏向电负性大的原子电负性较大的原子显负电性

（１）饱和性：一个原子中的一个未成对电子与另一个原子中的一个未成对电子配对成键后，一般来说就不能再与其他原子的未成对电子配对成键了，即每个原子所能形成共价键的总数或以单键连接的原子数目是一定的，这称为共价键的饱和性。原子能够形成共价键的数目是确定的，即共价键的饱和性。

例如，氯原子中只有一个未成对电子，所以两个氯原子之间可以形成一个共价键，结合成氯分子，表示为Cl—Cl；氮原子中有三个未成对单电子，两个氮原子之间能够以共价叁键结合成氮分子，表示为N≡N，一个氮原子也可与三个氢原子以三个共价键结合成氨分子，表示为。

显然，共价键的饱和性决定了各种原子形成分子时相互结合的数量关系。

（２）方向性：共价键将尽可能沿着电子出现概率最大的方向形成，这就是共价键的方向性。除s轨道是球形对称外，其他原子轨道在空间都具有一定的分布特点，在形成共价键时，原子轨道重叠得愈多，电子在核间出现的概率愈大，所形成的共价键就愈牢固。共价键的方向性决定着分子的空间构型。

二、键参数

１．键能

把在１0１．３_kPa、２98_K条件下，断开１_mol_AB（g）分子中的化学键，使其分别生成气态A 原子和气态B原子所吸收的能量称为A—B键的键能，常用E A—B表示。

键能的大小可定量地表示化学键的强弱程度。键能愈大，断开时需要的能量就愈多，这个化学键就愈牢固；反之，键能愈小，断开时需要的能量就愈少，这个化学键就愈不牢固。

２．键长

两个成键原子的原子核间的距离叫做该化学键的键长。一般而言，化学键的键长愈短，化学键就愈强，键就愈牢固。键长是影响分子空间构型的因素之一。键长的数值可以通过实验测定，也可以通过理论计算求得。

３．键角

在多原子分子中，两个化学键的夹角叫做键角。键角也常用于描述多原子分子的空间构型。例如：二氧化碳分子中两个碳氧键（C===O）的夹角为１80°，所以CO２分子呈直线形；水分子中两个氢氧键（H—O）的夹角为１0４．５°，所以H２O分子不呈直线形而呈V形。氨分子中每两个氮氢键（N—H）的夹角均为１07．３°，所以NH３分子是三角锥形。

１．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）

（１）共价键只存在于共价化合物中。（×）

（２）金属元素和非金属元素间一定不能形成共价键。（×）

（３）非极性键只存在于单质分子中。（×）

（４）离子化合物中既可能含有极性键也可能含有非极性键。（√）

２．关于键长、键能和键角，下列说法不正确的是（）

A．键角是描述分子空间构型的重要参数

B．键长的大小与成键原子的半径和成键数目有关

C．键能越大，键长越长，共价化合物越稳定

D．键角的大小与键长、键能的大小无关

C [键长越长，共价化合物越不稳定。]

３．用“—”表示物质分子中的共价键：

Cl２：__________、CH４：__________、O２：__________、H２O２：__________、C２H２：__________。

[答案] Cl—Cl O===O H—O—O—H H—C≡C—H

σ键与π键

１．σ键

（１）σ键：形成共价键的未成对电子的原子轨道采取“头碰头”的方式重叠，这种共价键叫σ键。（２）σ键的类型：根据成键电子原子轨道的不同，σ键可分为s-s σ键、s-p σ键、p-p σ键。

１s-s σ键：两个成键原子均提供s原子轨道形成的共价键，如H２分子中σ键的形成过程：

２s-p σ键：两个成键原子分别提供s轨道和p轨道形成的共价键，如HCl分子中σ键的形成过程：

３p-p σ键：两个成键原子均提供p原子轨道形成的共价键，如Cl２分子中σ键的形成过程：

（３）σ键的特征

１以形成化学键的两原子核的连线为轴作旋转操作，共价键电子云图形不变，这种特征称为轴对称。２形成σ键的原子轨道重叠程度较大，故σ键有较强的稳定性。

（４）σ键的存在：共价单键为σ键；共价双键和共价叁键中存在σ键（通常含一个σ键）。２．π键

（１）π键：形成共价键的未成对电子的原子轨道，采取“肩并肩”的方式重叠，这种共价键叫π键。（２）如下图p-p π键的形成

（３）π键的特征

１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，这种特征称为镜面对称。

２形成π键时原子轨道重叠程度比形成σ键时小，π键没有σ键牢固。

（４）π键的存在：π键通常存在于双键或叁键中。

【典例１】下列说法中正确的是（）

A．由分子组成的物质中一定存在共价键

B．由非金属元素组成的化合物一定是共价化合物

C．已知乙炔的结构简式为H—C≡C—H，则乙炔中存在２个σ键（C—H）和３个π键（C≡C）D．两个非金属元素原子间不可能形成离子键

D [由分子组成的物质也可能是稀有气体，稀有气体为单原子分子，不存在化学键，A项错误；由非金属元素组成的化合物如NH４Cl，则是离子化合物，B项错误；共价单键都为σ键，而共价叁键中有１个为σ键，另外２个为π键，故乙炔（H—C≡C—H）中有２个C—H σ键，C≡C键中有１个σ键、２个π键，C项错误；两个非金属元素原子间不可能得失电子形成离子键，只能通过共用电子对形成共价键，D项正确。]

要正确理解共价键需要从物质分类、形成元素以及成键方式等多方面来分析，尤其是一些特例，在平时的学习中应多留心，注意在理解的基础上记忆这些特殊的例子，以便迅速准确进行有关概念的辨析。如大多数铵盐是只含有非金属元素的离子化合物[少数铵盐含有金属元素，如（NH４）２Cr２O7]，稀有气体单质不存在化学键。

１．下列物质的分子中既有σ键又有π键的是（）

１HCl ２H２O ３N２４H２O２５C２H４⑥C２H２

A．１２３Ｂ．３４５⑥

C．１３⑥D．３５⑥

D [当两个原子间能形成多个共用电子对时，先形成一个σ键，另外的原子轨道只能形成π键。HCl 中只有一个H—Cl σ键；H２O含有两个H—O σ键；H２O２含有两个H—O σ键和一个O—O σ键；N

中含有三个共价键：一个为σ键，两个为π键；C２H４中，碳原子与碳原子之间有两个共价键，一个为２

σ键，一个为π键，另外有四个C—H σ键；C２H２中，碳原子与碳原子之间有三个共价键，一个为σ键，两个为π键，另外有两个C—H σ键。]

２．下列说法中不正确的是（）

A．一般σ键比π键重叠程度大，形成的共价键强

B．两个原子之间形成共价键时，最多有一个σ键

C．气体单质中，一定有σ键，可能有π键

D．N２分子中有一个σ键，２个π键

C [气体单质中不一定含σ键，如稀有气体分子均为单原子分子，分子内无化学键。]

键参数

１．键参数

概念对分子的影响

键能在１0１．３kPa、２98 K条件下，断开１mol AB（g）

分子中的化学键，使其分别生成气态A原子和气态B原子所

吸收的能量称为A—B键的键能（单位：kJ·mol—１）

键能越大，键越牢固，含该键的

分子越稳定

键长成键的两个原子核间的距离（单位：nm）键长越短，键能越大，键越牢固键角分子中相邻键之间的夹角（单位：度）键角决定了分子的空间构型

２．共价键的键能与化学反应热

（１）化学反应的实质：化学反应的实质就是反应物分子内旧化学键的断裂和生成物中新化学键的形成。

（２）化学反应过程有能量变化：反应物和生成物中化学键的强弱决定着化学反应过程中的能量变化。

（３）放热反应和吸热反应

１放热反应：旧键断裂消耗的总能量小于新键形成放出的总能量。

２吸热反应：旧键断裂消耗的总能量大于新键形成放出的总能量。

（４）反应热（ΔH）与键能的关系

ΔH＝反应物的键能总和—生成物的键能总和。

注意：ΔH<0时，为放热反应；ΔH>0时，为吸热反应。

【典例２】从实验测得不同物质中氧氧键的键长和键能的数据：

氧氧键

O错误!O错误!O２O错误!

数据

键长/１0—１２m１４9１２8１２１１１２

键能/（kJ·mol—１）x y z＝４9４w＝6２8

）A．成键的电子数越多，键能越大

B．键长越长，键能越小

C．成键所用的电子数越少，键能越大

D．成键时电子对越偏移，键能越大

B [观察表中数据发现，O２与O错误!的键能大者键长短，O错误!中O—O键长比O错误!中的长，所以键能要小。按键长由短而长的顺序为（O—O）O错误!

w>z>y>x。]

３．化学反应可视为旧键的断裂和新键的形成过程。化学键的键能是形成化学键时释放的能量。已知白磷和P４O6的分子结构如图所示，现提供以下化学键的键能（kJ·mol—１）：P—P：１98；P—O：３60；O===O：４98。反应P４（白磷）＋３O２===P４O6的反应热ΔH为（）

A．—１6３8 kJ·mol—１B．＋１6３8 kJ·mol—１

Ｃ．—１２6 kJ·mol—１D．＋１２6 kJ·mol—１

A [反应中的键能包括：断裂１mol P４和３mol O２分子中共价键吸收的能量和形成１mol P４O6中共价键放出的能量。由各物质的分子结构知１mol P４含6 mol P—P键，３mol O２含３mol O===O

键，化学反应的反应热ΔH＝反应物的总键能—生成物的总键能。故ΔH＝（１98 kJ·mol—１×6＋４98 kJ·mol—１×３）—３60 kJ·mol—１×１２＝—１6３8 kJ·mol—１。]

本题通过计算，从定量的角度加深对化学反应实质及能量变化本质的认识，并能更加深刻地体会分子结构与其性质的关系。

４．三氯化磷分子的空间构型是三角锥形而不是平面正三角形，下列关于三氯化磷分子空间构型理由的叙述，正确的是（）

A．PCl３分子中P—Cl三个共价键的键长、键角都相等

B．PCl３分子中P—Cl三个共价键键能、键角均相等

C．PCl３分子中的P—Cl键属于极性共价键

D．PCl３分子中P—Cl键的三个键角都是１00．１°，键长相等

D [PCl３分子是由P—Cl极性键构成的极性分子，其结构类似于NH３。]

１．共价键是有饱和性和方向性的，下列关于共价键这两个特征的叙述中不正确的是（）

A．共价键的饱和性是由成键原子的未成对电子数决定的

B．共价键的方向性是由成键原子的轨道的方向性决定的

Ｃ．共价键的方向性决定了分子的空间构型

D．共价键的方向性与原子轨道的重叠程度有关

D [共价键的方向性与原子轨道的伸展方向有关。]

２．下列说法正确的是（）

A．若把H２S分子写成H３S分子，违背了共价键的饱和性

B．H３O＋的存在说明共价键不具有饱和性

C．所有共价键都有方向性

D．两个原子轨道发生重叠后，电子仅存在于两核之间

A [S原子有两个未成对电子，根据共价键的饱和性，形成的氢化物为H２S，A项对；H２O能结合１个H＋形成H３O＋，并不能说明共价键不具有饱和性，B项错；H２分子中，H原子的s轨道成键时，因为s轨道为球形，所以H２分子中的H—H键没有方向性，C项错；两个原子轨道发生重叠后，电子只是在两核之间出现的概率大，D项错。]

３．键长、键角和键能是描述共价键的三个重要参数，下列叙述正确的是（）

A．键角是描述分子空间构型的重要参数

B．因为H—O键的键能小于H—F键的键能，所以O２、F２与H２反应的能力逐渐减弱

C．水分子可表示为H—O—H，分子中的键角为１80°

D．H—O键的键能为４67 kJ·mol—１，即１8 g H２O分解成H２和O２时，消耗的能量为２×４67 kJ

A [H—O键、H—F键的键能依次增大，意味着形成这些键时放出的能量依次增大，化学键越来越稳定，O２、F２与H２反应的能力逐渐增强，B项错误；水分子呈V形，键角为１0４．５°，C项错误；H—O 键的键能为４67 kJ·mol—１，指的是断开１mol H—O键形成气态氢原子和气态氧原子所需吸收的能量为４67 kJ，１8 g H２O即１mol H２O中含２mol H—O键，断开时需吸收２×４67 kJ的能量形成气态氢原子和气态氧原子，再进一步形成H２和O２时，还会释放出一部分能量，D项错误。]４．１CH４２NH３３N２４H２O２５C２H４⑥C２H２⑦HCl

（１）分子中只含σ键的是________（填序号，下同），含２个π键的是________，既含σ键，又含π键的是________；只含极性键的是________，只含非极性键的是________，既含极性键又含非极性键的是________。

[答案] （１）１２４⑦３⑥３５⑥１２⑦３４５⑥

（１）s轨道与s轨道（或p轨道）只能形成σ键，不能形成π键。

（２）两个原子间可以只形成σ键，但不可以只形成π键。

（３）在同一个分子中，σ键一般比π键强度大。

５．某些化学键的键能如下表（kJ·mol—１）。

键H—H Cl—Cl Br—Br I—I H—Cl H—Br H—I

键能４３6２４7１9３１５１４３１３6３２97２２

（２）在一定条件下，１mol H２与足量的Cl２、Br２、I２分别反应，放出热量由多到少的顺序是________（填序号）。

a．Cl２＞Br２＞I２Ｂ．I２＞Br２＞Cl２Ｃ．Br２＞I２＞Cl２

预测１mol H２在足量F２中燃烧比在Cl２中燃烧放热________。

[解析] （１）１mol H２在２mol Cl２中燃烧，参加反应的H２和Cl２都是１mol，生成２mol HCl，故放出的热量为４３１kJ·mol—１×２mol—４３6 kJ·mol—１×１mol—２４7 kJ·mol—１×１mol＝１79 kJ。

（２）由表中数据计算知H２在Cl２中燃烧放热最多，在I２中燃烧放热最少；由以上结果分析，生成物越稳定，放出热量越多。因稳定性HF＞HCl，故知H２在F２中燃烧比在Cl２中燃烧放热多。

[答案] （１）１79 （２）a 多

（１）化学反应的实质是旧化学键的断裂和新化学键的形成，化学反应的热效应本质上来源于旧化学键的断裂和新化学键的形成时键能的变化。因此，键能是与化学反应中能量变化有关的物理量。

（２）当旧化学键断裂所吸收的能量大于新化学键形成所放出的能量时，该反应为吸热反应，反之则为放热反应。

（３）ΔH＝反应物的键能总和—生成物的键能总和。ΔH＜0为放热反应，ΔH＞0为吸热反应。