化学人教版选修3学案：3-2 分子晶体与原子晶体 Word版含解析

化学人教版选修3学案：3-2 分子晶体与原子晶体 Word版含解析

www.ks5u.com 第二节　分子晶体与原子晶体 ‎[学习目标]　1.通过生活中常见物质了解分子晶体和原子晶体的晶体结构模型及其性质的一般特点。‎ ‎2．通过实验理解分子晶体和原子晶体的晶体类型与性质的关系。‎ ‎3．结合前面所学知识，进一步了解分子间作用力与氢键对物质物理性质的影响。‎ 一、分子晶体 ‎1．结构特点 ‎(1)构成微粒及微粒间的作用力 ‎(2)微粒堆积方式 ‎①若分子间作用力只是范德华力，则分子晶体有分子密堆积特征，即每个分子周围有12个紧邻的分子。‎ ‎②分子间含有其他作用力，如氢键，由于氢键具有方向性，使分子不能采取密堆积的方式，则每个分子周围紧邻的分子要少于12个。如冰中每个水分子周围只有4个紧邻的水分子。‎ ‎2．属于分子晶体的物质种类 ‎(1)所有非金属氢化物，如H2O、NH3、CH4等。‎ ‎(2)部分非金属单质，如卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)等。‎ ‎(3)部分非金属氧化物，如CO2、P4O10、SO2等。‎ ‎(4)几乎所有的酸，如HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等。‎ ‎(5)绝大多数有机物的晶体，如苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等。‎ ‎3．分子晶体的性质 ‎(1)一般而言，硬度较小。‎ ‎(2)具有较低的熔沸点，易挥发。‎ ‎(3)固体和熔融状态下都不导电；‎ ‎(4)“相似相溶原理”；非极性溶质一般能溶于非极性溶剂；极性溶质一般能溶于极性溶剂。‎ 二、原子晶体 ‎1．原子晶体的概念和结构特点 ‎(1)概念：相邻原子间以共价键结合而形成空间网状结构的晶体，叫做原子晶体。‎ ‎(2)构成微粒：原子。‎ ‎(3)微粒间作用：共价键。‎ ‎(4)原子晶体结构特征：‎ ‎①晶体中只存在共价键，原子间全部通过共价键相结合。晶体中原子不遵循密堆积原则。‎ ‎②整块晶体是一个三维的共价键网状结构，不存在单个分子，是一个“巨分子”，又称共价晶体。‎ ‎2．原子晶体的物理性质和常见类型 ‎(1)物理性质 ‎①一般具有很高的熔点和沸点：原子晶体中原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体熔、沸点就越高。‎ ‎②难溶于水。‎ ‎③硬度大：共价键作用强。‎ ‎(2)常见原子晶体 ‎①某些非金属单质；如：晶体硼、晶体Si和晶体Ge、金刚石等。‎ ‎②某些非金属化合物；如：金刚砂(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)等。‎ ‎(3)金刚石晶体的结构 在金刚石晶体中，每个碳原子被相邻的4个碳原子包围，形成正四面体，被包围的碳原子处于正四面体的中心，碳碳键的夹角为109°28′，碳原子以sp3杂化方式成键。‎ 知识点一　原子晶体与分子晶体的结构与性质 ‎1．分子晶体与原子晶体的比较 ‎2.干冰和冰的晶体结构 ‎(1)干冰分子晶体的结构模型：‎ 干冰晶胞的结构如图1所示，从结构模型可以看出：干冰晶体是一种立方面心结构——每8个CO2分子构成立方体，在六个面的中心又各占据1个CO2分子。每个CO2分子周围，离该分子最近且距离相等的CO2分子有12个(同层4个，上层4个，下层4个)。‎ ‎(2)冰晶体的结构：‎ 冰晶体的结构如图2所示。在冰的晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的水分子，在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引，这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙。当冰刚刚融化为液态水时，热运动使冰的结构部分解体，水分子间的空隙减小，密度反而增大；超过4 ℃时，由于热运动加剧，分子间距离加大，密度逐渐减小。‎ ‎3．金刚石和二氧化硅的晶体结构 ‎(1)金刚石的晶体结构：‎ 在金刚石晶体里，每个碳原子都被相邻的4个碳原子包围，以共价键跟4个碳原子结合，形成正四面体，被包围的碳原子处于正四面体的中心。这些正四面体结构向空间伸展，构成一个坚实的、彼此连接的空间网状晶体(如下图a)。每个晶胞(如下图b)中含有8个碳原子，金刚石晶体中所有C—C键键长相等(均为154 pm)，键角相等(均为109°28′)。每个C原子与另外4个C原子形成4个C—C(σ)键，而对每个键的贡献只有一半，故C原子个数与C—C键个数之比为1 ＝12。‎ 金刚石熔点高，沸点高，硬度最大，不导电。‎ 注意：a.金刚石晶体中最小碳环是由6个碳原子组成的六元环(6个碳原子不在同一平面内)。‎ b．每个金刚石晶胞中含碳原子数为8×＋6×＋4＝8。‎ ‎(2)二氧化硅晶体的结构：‎ 如下图，在SiO2晶体中，每个Si原子与4个O原子结合，Si在正四面体的中心，O在正四面体的顶点。同时，每个O原子为两个正四面体共有，正四面体内O—Si—O夹角为109°28′，而正四面体之间Si—O—Si夹角为104°30′。每个正四面体占有一个完整的Si原子，四个“半氧原子”，晶体中Si原子与O原子个数比为1＝12。故SiO2晶体中并不存在单个的SiO2分子，而是由Si原子和O原子按12的比例所组成的空间立体网状结构的晶体。在SiO2晶体中，最小的环是由6个Si原子和6个O原子组成的十二元环。每n mol SiO2晶体中，Si—O键最接近4n mol。‎ 注意：(1)金刚石晶体中碳原子呈sp3杂化；(2)二氧化硅晶体可以看做是在晶体硅中2个硅原子之间插入了1个氧原子。(3)晶体硅的结构与金刚石类似。‎ ‎1.(1)所有分子晶体中都存在化学键吗？(2)冰融化与干冰升华克服的作用力是否完全相同？‎ ‎【点拨】　(1)不一定，如稀有气体是单原子分子，其晶体中不含化学键。‎ ‎(2)不完全相同，干冰升华只克服范德华力，而冰融化除克服范德华力外还克服氢键。‎ ‎2．在原子晶体中为什么不存在分子？‎ ‎【点拨】　构成原子晶体的微粒是原子，这些原子以共价键相结合向空间延伸，形成空间网状结构，因此在晶体中不存在单个分子，也不存在离子。所以原子晶体的化学式如SiO2代表二氧化硅中硅、氧原子个数比为12，并不代表SiO2分子。‎ ‎3．“具有共价键的晶体叫做原子晶体”。这种说法对吗？为什么？‎ ‎【点拨】　不对。如：HCl、H2O、CO2、CH3CH2OH分子中都有共价键，而它们都是分子晶体；如：金刚石、晶体Si、SiC、SiO2中都有共价键，它们都是原子晶体，只有相邻原子间以共价键相结合形成空间网状结构的晶体才是原子晶体。‎ ‎【例1】　下列说法正确的是(　　)‎ A．原子晶体中只存在非极性共价键 B．因为HCl的相对分子质量大于HF，所以HCl的熔点高于HF C．干冰升华时，分子内共价键不会发生断裂 D．金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合物 ‎【提示】　熔化时，分子晶体破坏分子间作用力，原子晶体破坏共价键。‎ ‎【解析】　原子晶体中可能存在极性共价键，如SiO2、SiC等，A不正确；HF晶体中存在氢键，熔点高于HCl晶体，B不正确；干冰升华是物理变化，分子间作用力被破坏，但分子内共价键不断裂，C正确；金属元素和非金属元素形成的化合物不一定是离子化合物，也可能是共价化合物，如AlCl3等，D不正确。‎ ‎【答案】　C ‎(1)如图为CO2分子晶体结构的一部分，观察图形。试说明每个CO2分子周围有12个与之紧邻且等距的CO2分子；该结构单元平均占有4个CO2分子。‎ ‎(2)在40 GPa高压下，用激光器加热到1 800 K时，人们成功制得原子晶体干冰，其结构和性质与SiO2原子晶体相似，下列说法正确的是BDE。‎ A．原子晶体干冰易升华，可用作制冷剂 B．原子晶体干冰有很高的熔点和沸点 C．原子晶体干冰的硬度小，不能用作耐磨材料 D．原子晶体干冰在一定条件下可与氢氧化钠反应 E．每摩尔原子晶体干冰中含有4 mol C—O键 解析：(1)题给CO2分子晶体的一部分，属面心立方结构。取任一顶点的CO2分子，则与之距离最近且等距的共用该顶点的三个面面心上的CO2分子，共3个；而该顶点被8个同样晶胞共用，而面心上的分子被2个晶胞共用，这样符合题意的CO2分子有：3×＝12个；在此结构中，8个CO2分子处于顶点，为8个同样结构共用，6个CO2分子处于面心，为2个同样结构共用。所以，该结构单元平均占有的CO2分子为：8×＋6×＝4(个)；(2)该题应从SiO2的结构和性质来判断。‎ 知识点二　判断晶体类型(原子晶体和分子晶体的方法 非金属单质和共价化合物所形成的晶体是属于原子晶体还是分子晶体，可以从以下角度进行分析判断：‎ ‎(1)依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力判断 组成原子晶体的粒子是原子，粒子间的作用力是共价键；组成分子晶体的粒子是分子，粒子间的作用力是分子间作用力。‎ ‎(2)依据物质的分类判断 ‎①常见的原子晶体有：金刚石、晶体硼、晶体硅、晶体锗等单质；SiO2、SiC、BN、AlN、Si3N4等化合物。‎ 新型无机非金属材料“家庭”的成员(如Si3N4、BN等)熔点高、硬度大、耐高温、抗氧化，它们大多属于原子晶体。‎ ‎②大多数非金属单质(金刚石、石墨、晶体硅等除外)、气态氢化物、非金属氧化物(SiO2除外)、酸、绝大多数有机物的晶体(有机盐除外)都是分子晶体。‎ ‎(3)依据晶体的熔点判断 原子晶体熔、沸点高，常在1 000 ℃以上；分子晶体熔、沸点低，常在数百摄氏度以下或更低温度。‎ ‎(4)依据物质的状态判断 常温下呈气态或液态的单质与化合物，其固态时都属于分子晶体。‎ ‎(5)依据物质的挥发性判断 易挥发的物质固态时都属于分子晶体。‎ ‎(6)依据导电性判断 分子晶体为非导体，但部分分子晶体溶于水后能够导电；原子晶体多数为非导体，但晶体硅、晶体锗是半导体。‎ ‎(7)依据硬度和机械性能判断 原子晶体硬度大，分子晶体硬度小且较脆。‎ 原子晶体为什么具有很高的熔点和沸点？‎ ‎【点拨】　原子晶体中，原子间以较强的共价键相结合，要使物质熔化和汽化就要拆开共价键，这需要很高的能量。因此，原子晶体一般都具有很高的熔点和沸点，并难溶于水。如金刚石的熔点高于3 550 ℃，沸点为4 827 ℃。‎ ‎【例2】　下列性质描述的是分子晶体的是(　　)‎ A．熔点1 070 ℃，易溶于水，水溶液能导电 B．熔点10.31 ℃，液态不导电，水溶液能导电 C．难溶于CS2，熔点1 128 ℃，沸点4 446 ℃‎ D．熔点97.81 ℃，质软，导电，密度为0.97 g·cm－3‎ ‎【提示】　解答此类题要熟练掌握晶体的结构与性质及判断晶体类型的方法。‎ ‎【解析】　A项，熔点1 070 ℃，与分子晶体的特点不符；B项，熔点为10.31 ℃，熔点低，液态不导电，符合分子晶体的特点，水溶液能导电是由于分子溶于水后电离出自由移动的离子；C项，熔点1 128 ℃，沸点4 446 ℃，与分子晶体的特点不符；D项，质软，导电，而分子晶体在固态或熔融状态时都不导电，故与分子晶体的特点不符。‎ ‎【答案】　B 下列各组晶体物质中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是(　C　)‎ ‎①SiO2和SO3　②晶体硼和HCl　③CO2和SO2　④晶体硅和金刚石　⑤晶体氖和晶体氮　⑥硫黄和碘 A．①②③　 　　　　　　　 B．④⑤⑥‎ C．③④⑥ D．①③⑤‎ 解析：本题中属于分子晶体的有SO3、HCl、SO2、CO2、晶体氖、晶体氮、硫黄、碘。属于原子晶体的有SiO2、晶体硼、晶体硅、金刚石。但晶体氖是由稀有气体分子构成的，稀有气体分子间不存在化学键。‎ 知识点三　原子晶体和分子晶体熔沸点的比较 ‎1．对于不同类型的晶体 熔沸点的高低顺序为：原子晶体>分子晶体。‎ ‎2．对于同属于分子晶体的不同晶体 ‎(1)分子间作用力越大，物质的熔沸点越高；非金属氢化物分子间含有氢键的分子晶体，熔沸点比同族元素的氢化物反常的高。如H2O>H2Te>H2Se>H2S。‎ ‎(2)组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔沸点越高。例如SnH4>GeH4>SiH4>CH4。‎ ‎(3)组成和结构不相似的物质(相对分子质量接近)，分子的极性越大，其熔沸点越高。例如，CO>N2，CH3OH>CH3CH3。‎ ‎(4)同分异构体的支链越多，熔沸点越低。如：‎ ‎(5)‎ 烃、卤代烃、醇、醛、羧酸等有机物一般随分子里碳原子数的增加，熔沸点升高。如：C2H6>CH4，C2H5Cl>CH3Cl，CH3COOH>HCOOH。‎ ‎3．对于同属于原子晶体的不同晶体 ‎(1)晶体的熔沸点高低取决于共价键的键长和键能。键长越短，键能越大，共价键越稳定，物质的熔沸点越高。‎ ‎(2)若没有告知键长或键能数据时，可比较原子半径的大小。一般原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。原子半径越小，则化学键的键长越短，化学键就越强，键就越牢固，破坏化学键需要的能量就越大，故晶体的熔点就越高。例如，比较金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点高低：‎ 原子半径：CC—Si>Si—Si，熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。‎ 为什么分子晶体的熔沸点通常较低？如何判断常见分子晶体熔沸点的高低？‎ ‎【点拨】　这是因为分子晶体内分子之间以分子间作用力(主要是范德华力)相结合，范德华力远小于化学键的键能，因此受热时，分子之间只需要克服比较弱的范德华力就可以摆脱束缚，“自由”移动。这个过程中没有化学键被破坏，因此分子晶体的熔沸点通常较低。‎ 如果分子之间没有氢键，可以根据相对分子质量的大小来大致判断分子晶体熔沸点的高低。一般规律是相对分子质量大的分子晶体的熔沸点较高。‎ ‎【例3】　碳化硅(又名金刚砂)是一种晶体，具有类似于金刚石的结构，其中碳原子与硅原子的位置是交替的。下列各晶体：①晶体硅　②金刚石　③碳化硅　④干冰，它们的熔点由高到低的顺序是(　　)‎ A．①②③④ B．①③②④‎ C．②③①④ D．②③④①‎ ‎【提示】　‎ ‎【解析】　这些晶体中①②③属原子晶体，④属于分子晶体。一般来说，原子晶体熔点>分子晶体熔点；对于晶体类型相同的①②③，在晶体中键长Si—Si>C—Si>C—C，相应键能Si—Si碳化硅>晶体硅>干冰。‎ ‎【答案】　C 下列晶体性质的比较正确的是(　A　)‎ A．熔点：金刚石>晶体硅>晶体锗>硫 B．熔点：SiI4H2O>HF>NH3‎ D．硬度：金刚石>白磷>冰>水晶 解析：A项，金刚石、晶体硅和晶体锗都是原子晶体，硫是分子晶体，且原子半径：C晶体硅>晶体锗>硫；B项，SiI4、SiBr4、SiCl4和SiF4是组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量：SiI4>SiBr4>SiCl4>SiF4，故熔点：SiI4>SiBr4>SiCl4>SiF4；C项，H2O、HF和NH3都存在分子间氢键，H2O分子之间的氢键作用最强，NH3分子之间的氢键作用最弱，H2S分子之间只存在范德华力，故沸点：H2O>HF>NH3>H2S；D项，白磷和冰是分子晶体，硬度小，金刚石和水晶是原子晶体，硬度大。‎ ‎1．下列说法中，正确的是(　B　)‎ A．冰融化时，分子中H—O键发生断裂 B．原子晶体中，共价键越强，熔点越高 C．分子晶体中，共价键键能越大，该分子晶体的熔、沸点一定越高 D．分子晶体中，分子间作用力越大，该物质越稳定 解析：A项，冰为分子晶体，融化时破坏的是分子间作用力，故A项错误；B项，原子晶体熔点的高低取决于共价键的强弱，共价键越强，熔点越高，故B项正确；C项，分子晶体熔、沸点的高低取决于分子间作用力的大小，而共价键的强弱决定了分子的稳定性大小，所以C项错误，D项也错误。故选B。‎ ‎2．SiCl4的分子结构与CCl4相似，对其进行下列推测，不正确的是(　B　)‎ A．SiCl4晶体是分子晶体 B．常温、常压下，SiCl4是气体 C．SiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子 D．SiCl4的熔点高于CCl4‎ 解析：由于SiCl4具有分子结构，所以属于分子晶体。影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间的作用力，在这两种分子中都只有范德华力，SiCl4的相对分子质量大于CCl4的相对分子质量，所以SiCl4的分子间作用力大，熔、沸点比CCl4高。CCl4的分子是正四面体结构，SiCl4与它结构相似，因此也是正四面体结构，是含极性键的非极性分子。‎ ‎3．氮化碳的硬度比金刚石大，其结构如图所示。下列有关氮化碳的说法不正确的是(　B　)‎ A．氮化碳属于原子晶体 B．氮化碳中碳显－4价，氮显＋3价 C．氮化碳的化学式为C3N4‎ D．每个碳原子与4个氮原子相连，每个氮原子与3个碳原子相连 解析：‎ A项，根据氮化碳的硬度比金刚石晶体大判断，氮化碳属于原子晶体；B项，氮的非金属性强于碳的非金属性，氮化碳中碳显＋4价，氮显－3价；C项，晶体结构模型中虚线部分(正方形)是晶体的最小结构单元，该正方形顶点的原子被4个正方形共用，边上的原子被2个正方形共用，则其含有的碳原子数为4×＋4×＝3，氮原子数为4，故氮化碳的化学式为C3N4；D项，碳形成4个共价键，每个碳原子与4个氮原子相连，氮形成3个共价键，每个氮原子与3个碳原子相连。‎ ‎4．直接由原子构成的一组物质是(　D　)‎ A．干冰、二氧化硅、金刚石 ‎ B．氧化钠、金刚石、氯化氢 C．碘、石墨、氯化钠 ‎ D．二氧化硅、金刚石、晶体硼 解析：A项，干冰是由二氧化碳分子构成的，不是直接由原子构成的，错误。B项，Na2O是由离子构成的，HCl是由分子构成的，错误。C项，I2为分子晶体，是由分子构成的，氯化钠是由离子构成的，错误。D项，二氧化硅、金刚石、晶体硼均为原子晶体，均直接由原子构成，正确。‎ ‎5．下列关于物质熔、沸点高低的比较正确的是(　B　)‎ A．H2>N2>O2‎ B．NH3>AsH3>PH3‎ C．Cl2>Br2>I2‎ D．C(CH3)4>(CH3)2CHCH2CH3>CH3CH2CH2CH2CH3‎ 解析：分子晶体的熔、沸点随相对分子质量的增大而升高，即熔、沸点：H2AsH3>PH3，B项正确；相对分子质量相同的烷烃，其支链越多，熔、沸点越低，即熔、沸点：C(CH3)4<(CH3)2CHCH2CH3Si。‎ ‎(2)C、Si为同一主族的元素，CO2和SiO2的化学式相似，但结构和性质有很大的不同。CO2中C与O原子间形成σ键和π键，SiO2中Si与O原子间不形成π键，试从原子半径大小的角度分析，其原因是Si的原子半径较大，Si、O原子间距离较大，pp轨道肩并肩重叠程度较小，不能形成π键。SiO2属于原子晶体，干冰属于分子晶体，所以熔点：干冰<(填“<”“＝”或“>”)SiO2。‎ ‎(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅、干冰四种晶体的构成微粒分别是原子、原子、原子、分子(填“原子”“分子”或“离子”)，熔化时克服的微粒间的作用力分别是共价键、共价键、共价键、分子间作用力。‎ 解析：(1)晶体硅中1个硅原子与4个硅原子相连，呈正四面体结构，所以其杂化方式是sp3，SiC的晶体结构与晶体硅相似，故C原子的杂化方式也是sp3；因为Si—C键的键长小于Si—Si键，所以熔、沸点：碳化硅>晶体硅。(2)SiO2为原子晶体，干冰为分子晶体，所以熔点：SiO2>干冰。(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅均为原子晶体，构成微粒均为原子，熔化时破坏共价键；干冰为分子晶体，由分子构成，CO2分子以分子间作用力相结合。‎