化學(xué)人教選修3配套學(xué)案2.1.1共價(jià)鍵的鍵參數(shù)與等電子體

第2課時(shí)共價(jià)鍵的鍵參數(shù)與等電子體激趣入題·情境呈現(xiàn)在研究分子結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，CO分子與N2分子結(jié)構(gòu)非常相似，它們的分子中價(jià)電子總數(shù)都是10，鍵能都較大，物理性質(zhì)也非常相似，你知道為什么嗎？新知預(yù)習(xí)·自主探究一、鍵參數(shù)——鍵能、鍵長(zhǎng)與鍵角1．概念和特點(diǎn)：概念特點(diǎn)鍵能__氣態(tài)基態(tài)__原子形成1mol化學(xué)鍵__釋放_(tái)_的最低能量鍵能越大，鍵越__穩(wěn)定__鍵長(zhǎng)形成共價(jià)鍵的兩個(gè)原子之間的__核間距__鍵長(zhǎng)越短，鍵能__越大__，鍵越__穩(wěn)定__鍵角分子內(nèi)兩個(gè)__共價(jià)鍵__之間的夾角表明共價(jià)鍵有__方向性__，決定分子的__立體結(jié)構(gòu)__2．對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響；二、等電子體1．等電子原理：__原子總數(shù)__相同、__價(jià)電子總數(shù)__相同的分子具有相似的__化學(xué)鍵特征__，它們的許多性質(zhì)是相近的。2．等電子體：滿(mǎn)足等電子原理的分子稱(chēng)為等電子體。如CO和N2具有相同的原子總數(shù)和相同的價(jià)電子總數(shù)，屬于等電子體，它們的許多性質(zhì)相似。預(yù)習(xí)自測(cè)·初試牛刀1．反映共價(jià)鍵強(qiáng)弱的物理量是(B)A．鍵能 B．鍵能、鍵長(zhǎng)C．鍵能、鍵長(zhǎng)、鍵角 D．鍵長(zhǎng)、鍵角解析：鍵能可看做是斷開(kāi)共價(jià)鍵所需的能量，鍵能越大，斷開(kāi)鍵時(shí)所需的能量越多，含該鍵的分子就越穩(wěn)定，鍵長(zhǎng)越長(zhǎng)鍵能反而越小，故反映鍵的強(qiáng)弱的物理量是鍵能和鍵長(zhǎng)，故選B。2．從鍵長(zhǎng)的角度來(lái)判斷下列共價(jià)鍵中最穩(wěn)定的是(A)A．H—F B．N—HC．C—H D．S—H解析：H—F、H—N、C—H、S—H，它們都是與氫原子形成的共價(jià)鍵，所以只需要判斷其他原子的半徑大小，電子層越多半徑越大，電子層數(shù)相同的原子，原子序數(shù)越大半徑越小，所以4種原子中F的半徑最小，H—F核間距最小，共價(jià)鍵最穩(wěn)定，故選A。3．N—H鍵鍵能的含義是(C)A．由N和H形成1molNH3所放出的能量B．把1molNH3中的共價(jià)鍵全部拆開(kāi)所吸收的熱量C．拆開(kāi)約6.02×1023個(gè)N—H鍵所吸收的熱量D．形成1個(gè)N—H鍵所放出的熱量解析：N—H鍵的鍵能是指形成1molN—H鍵放出的能量或拆開(kāi)1molN—H鍵所吸收的能量，不是指形成1個(gè)N—H鍵釋放的能量；1molNH3中含3molN—H鍵，拆開(kāi)1molNH3或形成1molNH3吸收或放出的能量是1molN—H鍵鍵能的3倍，故選C。4．下列說(shuō)法中能說(shuō)明BF3分子中的4個(gè)原子位于同一平面的是(D)A．任意兩個(gè)B—F鍵間的夾角相等B．3個(gè)B—F鍵鍵能相等C．3個(gè)B—F鍵鍵長(zhǎng)相等D．任意兩個(gè)B—F鍵間的夾角為120°解析：鍵參數(shù)中，鍵能和鍵長(zhǎng)是用于判斷共價(jià)鍵穩(wěn)定性的依據(jù)，而鍵角是判斷分子立體構(gòu)型的依據(jù)。3個(gè)B—F鍵間的夾角均為120°時(shí)，正好構(gòu)成一個(gè)以B原子為中心的平面結(jié)構(gòu)，因此4個(gè)原子共平面。5．根據(jù)等電子原理，下列分子或離子與其他選項(xiàng)不屬于同一類(lèi)的是(D)A．PFeq\o\al(＋,4) B．SiOeq\o\al(4－,4)C．SOeq\o\al(2－,4) D．SiH4解析：A、B、C三項(xiàng)為等電子體。四個(gè)選項(xiàng)均為5個(gè)原子構(gòu)成的微粒，其中A、B、C三項(xiàng)的價(jià)電子總數(shù)均為32個(gè)，而D項(xiàng)只有8個(gè)，故D項(xiàng)不符合。本題考查等電子體的概念，解答時(shí)把握兩點(diǎn)；①原子數(shù)相同，②價(jià)電子總數(shù)相等。6．下列說(shuō)法不正確的是(A)A．鍵能越小，表示化學(xué)鍵越牢固，越難以斷裂B．成鍵的兩原子核越近，鍵長(zhǎng)越短，化學(xué)鍵越牢固，性質(zhì)越穩(wěn)定C．破壞化學(xué)鍵時(shí)消耗能量，而形成化學(xué)鍵時(shí)釋放能量D．鍵能、鍵長(zhǎng)只能定性地分析化學(xué)鍵的強(qiáng)弱解析：鍵能越大，斷開(kāi)該鍵所需的能量越多，化學(xué)鍵越牢固，性質(zhì)越穩(wěn)定，故A錯(cuò)誤；B、C、D均正確。課堂探究·疑難解惑知識(shí)點(diǎn)一鍵參數(shù)及其應(yīng)用┃┃問(wèn)題探究__■1．什么是鍵能？通常為正值還是負(fù)值？鍵能越大，化學(xué)鍵越穩(wěn)定嗎？2．什么是鍵長(zhǎng)？鍵長(zhǎng)越長(zhǎng)，物質(zhì)越穩(wěn)定嗎？3．什么是鍵角？CO2和H2O的鍵角分別是多少？分子的立體構(gòu)型是什么形狀？┃┃探究提示__■1．提示鍵能是氣態(tài)基態(tài)原子形成1mol化學(xué)鍵釋放的最低能量。通常為正值。鍵能越大，即形成化學(xué)鍵時(shí)放出的能量越多，意味著這個(gè)化學(xué)鍵越穩(wěn)定，越不容易被破壞。2．提示鍵長(zhǎng)是衡量共價(jià)鍵穩(wěn)定性的另一個(gè)參數(shù)，是形成共價(jià)鍵的兩個(gè)原子之間的核間距。鍵長(zhǎng)越短，往往鍵能越大，共價(jià)鍵越穩(wěn)定。3．提示在原子數(shù)超過(guò)2的分子中，兩個(gè)共價(jià)鍵之間的夾角稱(chēng)為鍵角。CO2、H2O的鍵角分別是180°、104.5°；CO2是直線(xiàn)形分子，水是V形分子。┃┃知識(shí)總結(jié)__■1．鍵參數(shù)與分子性質(zhì)的關(guān)系分子的鍵參數(shù)與分子的立體構(gòu)型和分子性質(zhì)之間的關(guān)系可以表示如下：(1)共價(jià)鍵強(qiáng)弱的判斷①由原子半徑和共用電子對(duì)數(shù)判斷。一般來(lái)說(shuō)，形成共價(jià)鍵的兩原子半徑之和越小，共用電子對(duì)數(shù)越多，則共價(jià)鍵越牢固，含有該共價(jià)鍵的分子越穩(wěn)定。如HF、HCl、HBr、HI中，分子的共用電子對(duì)數(shù)相同(1對(duì))，因F、Cl、Br、I的原子半徑依次增大，故共價(jià)鍵牢固程度H—F>H—Cl>H—Br>H—I，因此，穩(wěn)定性HF>HCl>HBr>HI。②由鍵能判斷。共價(jià)鍵的鍵能越大，表示破壞共價(jià)鍵消耗的能量越多，則共價(jià)鍵越牢固。③由鍵長(zhǎng)判斷。共價(jià)鍵鍵長(zhǎng)越短，破壞共價(jià)鍵消耗的能量越多，則共價(jià)鍵越牢固。(2)鍵長(zhǎng)和鍵角是描述分子立體構(gòu)型的參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，如果知道分子中的鍵長(zhǎng)和鍵角，這個(gè)分子的幾何構(gòu)型就確定了。如NH3分子的H—N—H鍵角是107°，N—H鍵的鍵長(zhǎng)是101pm，就可以斷定NH3分子是三角錐形分子。如圖：2．共價(jià)鍵的鍵能與化學(xué)反應(yīng)熱(1)化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)：化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)就是反應(yīng)物分子內(nèi)舊化學(xué)鍵的斷裂和生成物中新化學(xué)鍵的形成。(2)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程有能量變化：(3)反應(yīng)熱(ΔH)與鍵能的關(guān)系：ΔH＝反應(yīng)物的鍵能總和－生成物的鍵能總和注意：ΔH<0時(shí)，為放熱反應(yīng)；ΔH>0時(shí)，為吸熱反應(yīng)。┃┃典例剖析__■典例1關(guān)于鍵長(zhǎng)、鍵能和鍵角，下列說(shuō)法不正確的是(C)A．鍵角是描述分子立體結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)B．鍵長(zhǎng)的大小與成鍵原子的半徑和成鍵數(shù)目有關(guān)C．鍵能越大，鍵長(zhǎng)越長(zhǎng)，共價(jià)化合物越穩(wěn)定D．鍵角的大小與鍵長(zhǎng)、鍵能的大小無(wú)關(guān)解析：鍵長(zhǎng)和鍵角常被用來(lái)描述分子的空間結(jié)構(gòu)，鍵角是描述分子立體結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，A正確；形成共價(jià)鍵的兩原子半徑之和越小，共用電子對(duì)數(shù)越多，則共價(jià)鍵越牢固，鍵長(zhǎng)越短，B正確；鍵能越大，鍵長(zhǎng)越短，共價(jià)化合物越穩(wěn)定，C錯(cuò)誤；在原子數(shù)超過(guò)2的分子中，兩個(gè)共價(jià)鍵之間的夾角稱(chēng)為鍵角，其與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，與鍵長(zhǎng)、鍵能無(wú)關(guān)，D正確。規(guī)律方法指導(dǎo)：(1)鍵長(zhǎng)越短，鍵能越大，共價(jià)鍵越穩(wěn)定，共價(jià)分子的性質(zhì)也就越穩(wěn)定。(2)鍵長(zhǎng)和鍵角決定分子的立體構(gòu)型。┃┃變式訓(xùn)練__■1．下列說(shuō)法中正確的是(D)A．分子中鍵能越大，表示分子擁有的能量越高，共價(jià)鍵越難斷裂B．分子中鍵長(zhǎng)越長(zhǎng)，表示成鍵原子軌道重疊越大，鍵越牢固C．化學(xué)鍵形成的過(guò)程是一個(gè)吸收能量的過(guò)程D．化學(xué)鍵形成的過(guò)程是一個(gè)放出能量的過(guò)程解析：鍵能越大，表示破壞該鍵需要的能量越大，并不是分子擁有的能量；鍵長(zhǎng)越長(zhǎng)，表示成鍵的兩原子的核間距越長(zhǎng)，分子越不穩(wěn)定；化學(xué)鍵的形成是原子由高能量狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)(低能量)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，所以是一個(gè)放熱過(guò)程。知識(shí)點(diǎn)二等電子原理及其應(yīng)用┃┃問(wèn)題探究__■1．CO和N2為什么在許多性質(zhì)上具有相似性？符合什么原理？2．什么是等電子體？┃┃探究提示__■1．提示CO和N2具有相等的原子總數(shù)、價(jià)電子總數(shù)，導(dǎo)致它們具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)。符合等電子原理。2．提示滿(mǎn)足等電子原理的分子稱(chēng)為等電子體。┃┃知識(shí)總結(jié)__■1．原子總數(shù)相同、價(jià)電子總數(shù)相同的分子具有相似的化學(xué)鍵特征，它們的許多性質(zhì)是相近的。此原理稱(chēng)為等電子原理。滿(mǎn)足等電子原理的分子互稱(chēng)為等電子體。提示：①等電子體的價(jià)電子總數(shù)相同，而組成原子的核外電子總數(shù)不一定相同。②等電子體原理可以拓展到原子數(shù)相同，價(jià)電子總數(shù)相同的微粒，例如N2與CN－互為等電子體。2．CO分子和N2分子具有相同的原子總數(shù)、相同的價(jià)電子數(shù)，是等電子體，其性質(zhì)對(duì)比如下：CO分子和N2分子的某些性質(zhì)分子熔點(diǎn)/℃沸點(diǎn)/℃在水中的溶解度(室溫)eq\f(鍵能,kJ·mol－1)分子的價(jià)電子總數(shù)CO－205.05－191.492.3mL107510N2－210.00－195.811.6mL946103.常見(jiàn)等電子體類(lèi)型實(shí)例空間構(gòu)型雙原子10價(jià)電子的等電子體N2，CO，NO＋，Ceq\o\al(2－,2)，CN－直線(xiàn)形三原子16價(jià)電子的等電子體CO2，CS2，N2O，NCO－，NOeq\o\al(＋,2)，Neq\o\al(－,3)，NCS－，BeCl2(g)直線(xiàn)形三原子18價(jià)電子的等電子體NOeq\o\al(－,2)，O3，SO2V形四原子24價(jià)電子的等電子體NOeq\o\al(－,3)，COeq\o\al(2－,3)，BOeq\o\al(3－,3)，CSeq\o\al(2－,3)，BF3，SO3(g)平面三角形五原子32價(jià)電子的等電子體SiF4，CCl4，BFeq\o\al(－,4)，SOeq\o\al(2－,4)，POeq\o\al(3－,4)四個(gè)σ鍵，正四面體形七原子48價(jià)電子的等電子體SF6，PFeq\o\al(－,6)，SiFeq\o\al(2－,6)，AlFeq\o\al(3－,6)六個(gè)σ鍵，正八面體形4.等電子原理的應(yīng)用(1)判斷一些簡(jiǎn)單分子或離子的空間構(gòu)型。(2)利用等電子體在性質(zhì)上的相似性制造新材料。(3)利用等電子原理針對(duì)某物質(zhì)找等電子體。┃┃典例剖析__■典例21919年，美國(guó)物理化學(xué)家朗繆爾提出等電子原理：原子總數(shù)相同、價(jià)電子總數(shù)相同的分子，互稱(chēng)為等電子體。等電子體的結(jié)構(gòu)相似、物理性質(zhì)相近。(1)根據(jù)上述原理，僅由第二周期元素的原子構(gòu)成的共價(jià)分子中，互為等電子體的是__N2__和__CO__；__CO2__和__N2O__。(2)此后，等電子原理又有所發(fā)展。例如，由短周期元素原子構(gòu)成的粒子，只要其原子總數(shù)相同，各原子最外層電子數(shù)之和相同，也可互稱(chēng)等電子體，它們也具有相似的結(jié)構(gòu)特征。在短周期元素組成的物質(zhì)中，與NOeq\o\al(－,2)互為等電子體的分子有__SO2__、__O3__。解析：(1)僅由第二周期元素原子構(gòu)成的共價(jià)分子中，N2與CO均有10個(gè)價(jià)電子，CO2與N2O均有16個(gè)價(jià)電子。(2)依題意，只要原子總數(shù)相同，各原子最外層電子數(shù)之和也相同，可互稱(chēng)等電子體，NOeq\o\al(－,2)為三原子，價(jià)電子總數(shù)為5＋6×2＋1＝18，SO2、O3也為三原子，價(jià)電子總數(shù)為6×3＝18。規(guī)律方法指導(dǎo)：等電子體的換算方法(1)將粒子中的兩個(gè)原子換成原子序數(shù)分別增加n和減少n(n＝1,2等)的原子，如N2與CO、Neq\o\al(－,3)和CNO－互為等電子體。(2)將粒子中的一個(gè)或幾個(gè)原子換成原子序數(shù)增加(或減少)n的元素帶n個(gè)單位電荷的陽(yáng)離子(或陰離子)，如N2O和Neq\o\al(－,3)互為等電子體。(3)同主族元素最外層電子數(shù)相等，故可將粒子中的元素原子換成同主族元素原子，如O3和SO2互為等電子體。┃┃變式訓(xùn)練__■2．等電子原理是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的分子(或離子)，它們的原子數(shù)相同，分子(或離子)中價(jià)電子數(shù)也相同，等電子體具有相似的電子結(jié)構(gòu)、幾何構(gòu)型和性質(zhì)。(1)C2Oeq\o\al(2－,4)和__N2O4__是等電子體，C2Oeq\o\al(2－,4)具有較強(qiáng)的還原性，它能使酸性KMnO4溶液褪色，Mn在元素周期表中的位置是__第四周期ⅦB族__，外圍電子排布圖為_(kāi)___。(2)二原子14價(jià)電子的等電子體共同特點(diǎn)是物質(zhì)中都具有共價(jià)三鍵，請(qǐng)舉出相應(yīng)的3個(gè)例子__N2、CO、Ceq\o\al(2－,2)、CN－(任選3個(gè))__(分子或離子)。每個(gè)分子或離子中含__1__個(gè)σ鍵，__2__個(gè)π鍵。解析：(1)氮原子比碳原子多一個(gè)電子，故N2O4與C2Oeq\o\al(2－,4)互為等電子體。(2)一個(gè)三鍵中有一個(gè)σ鍵和兩個(gè)π鍵。核心素養(yǎng)·專(zhuān)家博客鍵參數(shù)的測(cè)定運(yùn)用衍射譜、光譜等近代物理方法能夠測(cè)定分子和晶體中原子間的距離、立體構(gòu)型以及分子中化學(xué)鍵的強(qiáng)度等。一般而言，借助于數(shù)學(xué)和量子力學(xué)方法，可將衍射譜或光譜信息通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算轉(zhuǎn)換為鍵參數(shù)。例如，利用轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，可以測(cè)定異核雙原子分子的鍵長(zhǎng)；從雙原子分子的振動(dòng)光譜中，能夠分析化學(xué)鍵的相對(duì)強(qiáng)度(鍵能)；利用X射線(xiàn)衍射、電子衍射和中子衍射方法，能夠測(cè)定晶體中各原子間的相對(duì)位置。┃┃即時(shí)訓(xùn)練__■能夠用