高考第二轮复习——分子结构与晶体结构学案含答案

高考第二轮复习——分子结构与晶体结构学案含答案

年 级 高三 学 科 化学 版 本 苏教版 内容标题 高三第二轮复习：分子结构与晶体结构 【本讲教育信息】 一. 教学内容： 分子结构与晶体结构 二. 教学目标 了解化学键的含义，理解并掌握共价键的主要类型及特点，共价键、离子键及金属键的 主要区别及对物质性质的影响。 能根据杂化轨道理论和价层电子对互斥模型判断简单分子或离子的空间构型，了解等电 子体的含义。 了解原子晶体、分子晶体和金属晶体的结构特征，掌握不同晶体的构成微粒及微粒间的 相互作用力，掌握影响晶体熔沸点、溶解性的因素。 三. 教学重点、难点 分子结构与晶体结构的特点，影响物质熔沸点和溶解性、酸性的因素 四. 教学过程 （一）化学键与分子结构： 1、化学键：相邻的两个或多个原子之间强烈的相互作用，通常叫做化学键。 三种化学键的比较： 离子键 共价键 金属键 形成过程 阴阳离子间的静电作用 原子间通过共用电子对 所形成的相互作用 金属阳离子与自由电子 间的相互作用 构成元素 典型金属（含 NH4+）和典型 非金属、含氧酸根 非金属 金属 实例 离子化合物，如典型金属氧 化物、强碱、大多数盐 多原子非金属单质、气 态氢化物、非金属氧化 物、酸等 金属 配位键：配位键属于共价键，它是由一方提供孤对电子，另一方提供空轨道所形成的共 价键，例如：NH4+的形成 在 NH4+中，虽然有一个 N－H 键形成过程与其它 3 个 N－H 键形成过程不同，但是一 旦形成之后，4 个共价键就完全相同。 共价键的三 个键参数 概念 意义 键长 分子中两个成键原子核间距离（米） 键长越短，化学键越强，形成的分子越稳 定 键能 对于气态双原子分子 AB，拆开 1molA-B 键 所需的能量 键能越大，化学键越强，越牢固，形成的 分子越稳定 键角 键与键之间的夹角 键角决定分子空间构型 键长、键能决定共价键的强弱和分子的稳定性：原子半径越小，键长越短，键能越大， 分子越稳定。 共价键的极性 极性键 非极性键 共用电子对偏移程度 偏移 不偏移 构成元素 不同种非金属元素 同种非金属元素 实例 HCl、H2O、CO2、H2SO4 H2、N2、Cl2 共价键按成键形式可分为σ键和π键两种，σ键主要存在于单键中，π键主要存在于双 键、叁键以及环状化合物中。σ键较稳定，而π键一般较不稳定。 共价键具有饱和性和方向性两大特征。 2、分子结构： 价层电子对互斥理论： 把分子分成两大类：一类是中心原子上的价电子都用于形成共价键。如 CO2、CH2O、CH4 等分子中的 C 原子。它们的立体结构可用中心原子周围的原子数来预测，概括如下： ABn 立体结构 范例 n=2 直线型 CO2 n=3 平面三角形 CH2O n=4 正四面体型 CH4 另一类是中心原子上有孤对电子（未用于形成共价键的电子对）的分子。如 H2O 和 NH3 中心原子上的孤对电子也要占据中心原子周围的空间，并参与互相排斥。因而 H2O 分子呈 V 型，NH3 分子呈三角锥型。 杂化轨道理论： 在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合，形成一组 新的轨道，这个过程叫做轨道的杂化，产生的新轨道叫杂化轨道。据参与杂化的 s 轨道与 p 轨道的数目，存在 sp3、sp2 、sp 三种杂化。 杂化轨道理论分析多原子分子（离子）的立体结构 化学式 中心原子孤对电子对数 杂化轨道数 杂化轨道类型 分子结构 CH4 0 4 sp3 正四面体 C2H4 0 3 sp2 平面三角形 BF3 0 3 sp2 平面三角形 CH2O 0 3 sp2 平面三角形 C2H2 0 2 sp 直线型 CO2 0 2 sp 直线型 NH3 1 4 sp3 三角锥型 NH4+ 0 4 sp3 正四面体 H2O 2 4 sp3 V 形 H3O+ 1 4 sp3 三角锥型 价层电子对互斥模型判断简单分子或离子的空间构型 电子对 数 目 电子对的 空间构型 成键电 子对数 孤电子 对 数 电子对的 排列方式 分子的 空间构型 实 例 2 直 线 2 0 直 线 CO2、C2H2 3 0 三角形 BF3、SO3 3 三角形 2 1 V 形 SnCl2、PbCl2 4 0 四面体 CH4、SO42- CCl4、NH4+ 3 1 三角锥 NH3、PCl34 四面体 2 2 V 形 H2O、H2S 说明： （1）等电子原理是指原子总数相同，价电子总数相同的分子或离子，对于主族元素而 言，价电子就是其最外层电子数，即为最外层电子总数相等。这一类分子或离子具有相似的 化学键特征、分子结构以及部分物理性质相似，但一般情况下，化学性质并不相似。同样， 化学键相似，并不是指键角等一定相同。利用等电子原理可判断一些简单分子或离子的主体 构型，如：CO2、CNS－、NO2＋、N3－的原子总数均为 3，价电子总数均为 16，因此，它们 的空间构型均为直线型。 （2）运用价层电子对互斥模型可预测分子或离子的空间构型，但要注意判断其价层电 子对数，对 ABn 型分子或离子，其价层电子对数的判断方法为： n＝ 在确定中心原子的价层电子对数时应注意如下规定： ①作为配体原子，卤素原子和氢原子提供一个电子，氧族元素的原子不提供电子； ②作为中心原子，卤素原子按提供 7 个电子计算，氧族元素的原子按提供 6 个电子计算； ③对于复杂离子，在计算价层电子对数时，还应加上负离子的电荷数或减去正离子的电 荷数； ④计算电子对数时，若剩余 1 个电子，也当作 1 对电子处理，双键、叁键等多重键作为 1 对电子看待。 3、杂化类型的判断： ①公式：n＝ ； 或：n＝中心原子的孤对电子对数＋配位原子总数 ②根据 n 值判断杂化类型： n＝2 时，sp 杂化；n＝3 时，sp2 杂化；n＝4 时，sp3 杂化； ③当电荷数为正值时，公式中取“－”，当电荷数为负值时，公式中取“＋”；当配位原 子为氧原子或硫原子时，成键电子数为 0。 ④杂化轨道所形成的化学键一般为单键，即为 σ 键。 4、价层电子对互斥模型和杂化轨道理论：说明的是价层电子对（杂化轨道）形成的σ键 的共用电子对和孤对电子对的空间构型，而分子的空间构型指的是形成σ键电子对的空间构 型，不包括孤对电子。 它包括两种类型： ①当中心原子无孤对电子时，两者的构型一致； ②当中心原子有孤对电子时，两者的构型不一致。如： 物质 H2O NH3 CH4 CCl4 中心原子孤对电子对数 2 1 无 无 价层电子对互斥模型 四面体 四面体 四面体 四面体 分子的空间构型 V 三角锥 正四面体 正四面体 键角 105° 107° 109°28′ 109°28′ 杂化类型 sp3 sp3 sp3 sp3 5、键的极性和分子的极性并非完全一致，只有极性键形成的分子不一定是极性分子，如 CH4、CO2 等。极性分子中也不一定不含非极性键。所以，二者不是因果关系。只含非极性 键的分子是非极性分子，如 H2、N2 等；含极性键的分子，若分子空间构型是对称的是非极 性分子，如 CO2、CH4 等，分子空间构型不对称的是极性分子。如 H2O、NH3 等。它们的关 系表示如下： 6、配合物的命名 ①关键在于配合物内界（即配离子）的命名。其命名顺序一般为：自左向右：配位体数 （即配位体右下角的数字）－配位体名称－“合”字或“络”字－中心离子的名称－中心离 子的化合价。如： ［Zn（NH3）2］SO4 内界为二氨合锌（Ⅱ） K3［Fe（CN）6］内界合称为：六氰合铁（Ⅲ） ②配合物可看作盐类，若内界为阳离子，则外界必为阴离子。若内界为阴离子，则外界 必为阳离子。可按盐的命名方法命名：自右向左为：某酸某或某化某。 ③配合物易溶于水电离为内界配体离子和外界离子，而内界的配体离子和分子通常不能 电离。 （二）晶体结构： 几种类型的晶体的比较 晶体类型 金属晶体 离子晶体 原子晶体 分子晶体 构成微粒 金属阳离子和自 由电子 阴、阳离子 原子 分子结 构 微粒间作 用力 金属键 离子键 共价键 分子间作用力 熔、沸点 随金属键强弱变 化，差别较大 较高 很高 较低 硬度 随金属键强弱变 化，差别较大 较大 很大 较小性 质 导电性 良好 水溶液和熔融状 态能导电 一般不导电 一般不导电 举例 所有固态金属 NaCl、CsCl、CaF2 金刚石、晶体硅、 SiO2 干冰、冰、I2 典型离子晶体的结构特征 NaCl 型晶体 CsCl 型晶体 每个 Na+离子周围被六个 离子所包围， 同样每个 也被六个 Na+所包围。 每个正离子被 8 个负离子包围着，同时每个负 离子也被 8 个正离子所包围。 金属键对金属通性的解释 金属通性 解释 金属光泽 金属中的自由电子能在一定范围内自由活动，无特征能量限制，可以在较宽范围 内吸收可见光并随即放出，因而使金属不透明、具一定金属光泽（多数为银白 色）。 导电 在外加电场的作用下，自由电子在金属内部发生定向运动，形成电流。 导热 自由电子把能量从温度高的区域传到温度低的区域，从而使整块金属达到同样的 温度。 有延展性 当金属受到外力作用时，金属原子之间发生相对滑动，表现为良好的延展性。 金属原子在空间的堆积方式 钠、钾、铬、钨等 体心立方堆积 镁、钛、锌等 六方堆积 金、银、铜、铝等 面心立方堆积 说明： 1、分子晶体的微粒间以分子间作用力或氢键相结合，因此，分子晶体具有熔沸点低、硬 度密度小，较易熔化和挥发等物理性质。影响分子间作用力的大小的因素有分子的极性和相 对分子质量的相对大小。一般而言，分子的极性越大、相对分子质量越大，分子间作用力越 强。分子晶体的熔沸点的高低与分子的结构有关：在同样不存在氢键时，组成与结构相似的 分子晶体，随着相对分子质量的增大，分子间作用力增大，分子晶体的熔沸点增大；对于分 子中存在氢键的分子晶体，其熔沸点一般比没有氢键的分子晶体的熔沸点高，存在分子间氢 键的分子晶体的熔沸点比存在分子内氢键的分子晶体的熔沸点高。分子晶体的溶解性与溶剂 和溶质的极性有关：一般情况下，极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶 剂――这就是相似相溶原理。如：HCl、NH3 等分子晶体易溶于水，而溴和碘等分子则易溶 于汽油和四氯化碳等非极性溶剂。分子间作用力不具有方向性和饱和性，而氢键具有方向性 和饱和性。所以，不存在氢键的分子晶体可以以紧密堆砌的方式排列，而存在氢键的分子晶 体则必须在一定的方向上堆砌排列。由于水中存在氢键，所以水在凝结成冰时，体积增大， 密度减小。 2、原子晶体的构成微粒是原子，原子间通过共价键相互结合，因此原子晶体的物理性质 与分子晶体有明显的不同，熔沸点高，硬度、密度大等特点。原子晶体中不存在分子，其化 −Cl −Cl 学式表示晶体中各组成微粒的原子个数比。 3、金属晶体的熔沸点差异很大，主要与金属键的相对强弱有关，一般情况下，金属原子 半径越小，电荷越大，金属键越强，金属晶体的熔沸点越高，反之越低。 4、离子键的实质是阴阳离子间的静电作用，它包括阴、阳离子间的静电引力和两种离子 的核之间以及它们的电子之间的静电斥力两个方面，当静电引力与静电斥力之间达到平衡时， 就形成了稳定的离子化合物，它不再显电性。离子键不具有方向性和饱和性。 决定离子晶体结构的因素有几何因素和电荷因素，除此以外还有键性因素。 （1）几何因素：晶体中正负离子的半径比 （2）电荷因素：晶体中阴、阳离子电荷比 （3）键性因素：离子键的纯粹程度 对晶体构型相同的离子化合物，离子电荷数越多，核间距越小，晶格能越大；晶格能越 大，离子键越强，晶体越稳定，熔点越高，硬度越大。 【典型例题】 例 1. 下列关于化学键的叙述正确的是： A. 化学键存在于原子之间，也存在于分子之间 B. 两个原子之间的相互作用叫做化学键 C. 离子键是阴、阳离子之间的吸引力 D. 化学键通常指的是相邻的两个或多个原子之间强烈的相互作用 解析：理解化学键、离子键等基本概念是解答本题的关键。化学键不存在于分子之间， 也不仅是两个原子之间的相互作用，也可能是多个原子之间的相互作用，而且是强烈的相互 作用。所以 A、B 都不正确。C 项考查的是离子键的实质，离子键是阴、阳离子间通过静电 作用（包括吸引力和排斥力）所形成的化学键，故 C 项也不正确。正确选项为 D。 答案：D 例 2. NH3 分子的空间构型是三角锥形，而不是正三角形的平面结构，其理由是： A. NH3 分子是极性分子 B. NH3 分子内三个 N—H 键的键长相等，键角相等 C. NH3 分子内三个 N—H 键的键长相等，3 个键角都等于 107°18′ D. NH3 分子内三个 N—H 键的键长相等，3 个键角都等于 120° 解析：空间构型决定分子的极性，反过来分子的极性验证了分子的空间构型，即分子有 极性说明其空间结构不对称。若 NH3 分子是正三角形的平面结构，则其键角应为 120°，分 子无极性；若 NH3 分子是极性分子，说明 NH3 分子不是正三角形的平面结构，故 A 正确。 若键角为 107°18′则接近于正四面体的 109°28′，说明 NH3 分子应为三角锥形。也可以从 NH3 分子的价层电子对互斥模型（或杂化轨道理论）分析。 答案：A、C 例 3. 下列关于化学键的叙述中，正确的是 A. 离子化合物可以含共价键 B. 共价化合物可能含离子键 C. 离子化合物中只含离子键 D. 共价化合物中不含离子键 解析：本题主要考查离子型化合物与共价型化合物的化学键类型。化学键之间相互关系 必须搞清，同一化合物中可能含多种键，如既有共价键，又有离子键，离子的形成可能由单 一原子转化而来，也可能由原子团形成，所以离子化合物中可能有共价键（极性键或非极性 键）而共价化合物中不可能有离子键。所以选 A、D。 答案：AD 例 4. 下列说法中正确的是 A. 分子中键能越大，键越长，则分子越稳定 B. 失电子难的原子获得电子的能力一定强 C. 化学反应中，某元素由化合态变为游离态，该元素被还原 D. 电子层结构相同的不同离子，其半径随核电荷数增多而减少 解析：A. 分子中键能越大，键越短，分子越稳定；B. 失电子难的原子，获得电子的能 力不一定强，例如ⅣA 族中的碳原子、零族的稀有气体原子，失电子难，得电子也难。C. 化学反应中，元素由化合态变为游离态，可能被氧化，也可能被还原，如：CuCl2+Fe = FeCl2+Cu，则 Cu2+被还原；CuBr2+Cl2 = CuCl2+Br2，则 Br－被氧化。因此答案为 D。 答案：D 例 5. 氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍 采用高纯硅与纯氮在 1300℃反应获得。 （1）氮化硅晶体属于_________晶体。 （2）已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且 N 原子和 N 原子，Si 原子与 Si 原子不直接相连，同时每个原子都满足 8 电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式 _______. （3）现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得到较高纯度的氮 化硅。反应的化学方程式为_______________________. 解析：原子晶体具有熔沸点高、硬度大等特点，因此氮化硅晶体属于原子晶体，所以氮 化硅的晶体结构中每个氮原子周围连接 3 个硅原子，而每个硅原子周围连接 4 个氮原子，相 互之间通过共价键相连形成立体网状结构，在原子的最外层形成 8 电子的稳定结构，故氮化 硅的化学式为：Si3N4。四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下生成氮化硅，反应方程式为： 3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl 答案：原子、Si3N4、3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl 例 6. 参考下表中物质的熔点，回答下列问题。 物 质 NaF NaCl NaBr NaI NaCl KCl RbCl CsCl 熔点（℃） 995 801 755 651 801 776 715 646 物 质 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 SiCl4 GeCl4 SbCl4 PbCl4 熔点（℃） -90.4 -70.2 5.2 120 -70.2 -49.5 -36.2 -15 （1）钠的卤化物及碱金属的氯化物的熔点与卤离子及碱金属离子的__ 有关，随 着 增大，熔点依次降低. （2）硅的卤化物及硅、锗、锡、铅的氯化物熔点与 有关，随着 增大， 增强，熔点依次升高. （3）钠的卤化物的熔点比相应的硅的卤化物的熔点高得多，这与 有关，因为一 般 比 熔点高. 解析：本题主要考查物质溶沸点的高低与晶体类型和晶体内部微粒之间作用力的关系以 及分析数据进行推理的能力。 （1）表中第一栏的熔点明显高于第二栏的熔点，第一栏为 IA 元素与ⅦA 元素组成的离 子晶体，则第二栏为分子晶体。 （2）分析比较离子晶体熔点高低的影响因素： 物质熔化实质是减弱晶体内微粒间的作用力，而离子晶体内是阴、阳离子，因此离子晶 体的熔化实际上是减弱阴、阳离子间的作用力――离子键，故离子晶体的熔点与离子键的强 弱有关。从钠的卤化物进行比较：卤素离子半径是 r（F－）

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