《物质结构与性质》——9、键能、键长与键角

《物质结构与性质》——9、键能、键长与键角

化学键是构成物质的基本单元，其性质直接影响物质的化学行为。键能、键长与键角作为描述化学键的重要参数，不仅揭示了化学键的本质特征，还为预测化学反应提供了理论依据。本文将详细介绍这些键参数的定义、测量方法及其在化学中的实际应用。

1. 键能

共价键的强弱可用键能来衡量。

• 概念：在298.15 K、101 kPa条件下，气态分子中1 mol化学键解离成气态原子所吸收的能量。单位是kJ/mol。
• 注意：必须是气态分子、气态原子；标准是1mol化学键；解离1mol化学键吸收的能量与形成1mol化学键释放的能量相等。
• 数据来源：有些通过实验测定；大多数是推算获得。但由于同样的共价键键能并不一样，我们使用的键能实际上是一个平均值。如断开甲烷分子中4个C—H所需能量并不相等，其键能413.4mol/L就是一个平均值。

应用

• 判断共价键的稳定性：原子间形成共价键时，原子轨道重叠程度越大，释放能量越多，所形成的共价键键能越大，共价键越稳定。
• 判断分子的稳定性：一般来说，结构相似的（如同主族元素形成的单质和化合物）分子，共价键的键能越大，分子越稳定。
• 计算反应热：化学反应的焓变，ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能。

思考

（1）试利用上表中的数据进行计算，1molH2分别与1molCl2、1molBr2（蒸气）反应，分别形成2molHCl和2molHBr，哪一个释放的能量较多？如何用计算结果证明HCl分子和HBr分子哪个更容易发生热分解生成相应的单质。

生成2molHCl放出的热量更多，说明HCl分子更稳定，HBr分子相对不稳定，易分解生成H2、Br2。

（2）判断HF、HCl、HBr、HI的热稳定性。

它们分子中共价键的键能依次为：568kJ/mol、431.8kJ/mol、366kJ/mol，键能逐渐变小，越来越易断裂，其分子的热稳定性减弱，HF>HCl>HBr>HI。这与非金属越强，其气态氢化物越稳定的规律是一致的。

（3）N2、O2、F2与H2的反应能力依次增强，从键能的角度如何理解这一化学事实。

从上面表中键能数据可知，N≡N、O=O、F—F的键能依次减小，而N—H、O—H、H—F的键能依次增大，意味着旧化学键断裂吸收的能量减小（对应反应的活化能减小，反应速率增大），而生成新化学键放出的能量依次增大，生成的化学键越来越稳定。所以N2、O2、F2与H2的反应能力依次增强。

2. 键长

键长是衡量共价键强弱的另一重要参数。

• 键长概念：构成化学键的两个原子的核间距。一般，原子半径越小，共价键的键长越短（注意图中的半径是共价半径，不是原子半径）。

• 注意：键长并不是两个原子半径之和，因为形成化学键的原子轨道发生重叠。分子中原子始终处于不断振动之中，键长只是振动着的原子处于平衡位置时的核间距。
• 某些共价键的键长：注：1pm=
  m

应用

化学键的键长与键能是相关的。一般，共价键的键长超短，键能越大，共价键越稳定；反之，键长越长，键能越小，共价键越不稳定。

如，C—C、C=C、C≡C的键长分别为154pm、133pm、120pm，键长越来越小，它们的键能分别为347.7kJ/mol、615kJ/mol、812kJ/mol，越来越大。

思考

你认为键长、键能对分子的化学性质有什么影响？

一般，共价键键长越短，键能越大，对应的分子越稳定，化学性质越不活泼。

3. 键角

• 概念：在多原子分子中，相邻两个共价键之间的夹角。

如：

三原子分子二氧化碳的结构式为O=C=O，键角为180°，是一种直线形分子。

三原子分子水的结构式为H—O—H，键角为105°，是一种V形（角形）分子。

四原子分子氨的键角是107°，是三角锥形的分子。

应用

在多原子分子中键角是一定的，这表明共价键具有方向性，因此键角影响着共价分子的空间结构。原子轨道重叠时，会按“头碰头”或“肩并肩”的方式，从某个方向重叠，导致共价键有方向性。键角和键长都会影响共价分子的空间结构。如，P4、CH4、CH3Cl、CCl4的空间结构分别为正四面体、正四面体、四面体、正四面体。

某些分子的空间结构与键角：

键长和键角的数值可通过晶体的X射线衍射实验获得。

小结：

键能和键长决定了共价键的强弱。键角和键长决定了分子的空间结构。