U2.2 · 分子内作用力与势能曲线练习题 · Intramolecular Force and Potential Energy

键级越高，键越短（最低点越靠左）、键能越大（最低点越深）。$\ce{N2}$ N≡N 110 pm，941 kJ/mol；$\ce{O2}$ O=O 121 pm，495 kJ/mol；$\ce{F2}$ F–F 143 pm，155 kJ/mol。三键的 N₂ 最短最深，是 Z；单键的 F₂ 最长最浅，是 Y；O₂ 是 X。

最低点的深度就是键能：形成 1 mol F–F 键放出 155 kJ。2 个 F 原子形成 1 个 $\ce{F2}$，所以 0.250 mol F 原子形成 0.125 mol $\ce{F2}$，放出 0.125 × 155 = 19.4 kJ。直接用 0.250 × 155 会多算一倍。

先画 Lewis 结构：$\ce{CO}$ 是 C≡O 三键，$\ce{CO2}$ 是 O=C=O 两个双键，$\ce{CH3OH}$ 是 C–O 单键。同样两种原子之间，键级越高，共用电子越多，原子核被拉得越近，键越短。所以 $\ce{CO}$ < $\ce{CO2}$ < $\ce{CH3OH}$。

C=C 由一个 σ 键和一个 π 键组成。σ 键是轨道“头碰头”重叠，重叠程度大；π 键是 p 轨道“肩并肩”重叠，重叠程度小，所以比 σ 键弱，双键的键能不到单键的 2 倍。C=C（134 pm）其实比 C–C（154 pm）短；断键总是吸收能量。

相距很远时两个原子没有相互作用，势能取为 0。靠近时，每个原子核吸引对方的电子，吸引占优，势能下降；到 141 pm 时吸引和排斥平衡，势能最低，为 −366 kJ/mol（即 H–Br 的键能）。势能降低的部分以能量的形式放出，所以形成化学键放热。

键长是势能最低点的横坐标：约 121 pm。键能是从最低点（约 −495 kJ/mol）升到两个原子分开时的 0 所需的能量，约 495 kJ/mol，是正值（拆开化学键要吸收能量）。曲线在约 63 pm 处穿过 0，那只是势能等于 0 的位置，不是键长；曲线在右边趋于 0，表示原子已经分开。