高中化学 第3章 物质的聚集状态与物质性质 第3节 原子晶体与分子晶体 第2课时学案 鲁科版选修3

第2课时分子晶体学习目标定位1.了解分子晶体的概念、结构特点及常见的分子晶体。2.能够从范德华力、氢键的特征，分析理解分子晶体的物理特性。3.会比较判断晶体类型。一、分子晶体及其结构特点1概念及微粒间的作用(1)概念：分子间通过分子间作用力相结合形成的晶体叫分子晶体。(2)微粒间的作用：分子晶体中相邻分子之间以分子间作用力相互吸引。2分子晶体的结构特点(1)碘晶体的晶胞是一个长方体，在它的每个顶点上有1个碘分子，每个面上有1个碘分子，每个晶胞从碘晶体中分享到4个碘分子。氯单质、溴单质的晶体结构与碘晶体的结构非常相似，只是晶胞的大小不同而已。(2)干冰晶体是一种面心立方结构，在它的每个顶点和面心上各有1个CO2分子，每个晶胞中有4个CO2分子。干冰晶体每个CO2分子周围，离该分子最近且距离相等的CO2分子有12个。(3) 在冰晶体中，由于水分子之间存在具有方向性的氢键，迫使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，这样的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，比较松散。在冰晶体中，每个水分子中的每个氧原子周围都有4个氢原子，氧原子与其中的两个氢原子通过共价键结合，而与属于其他水分子的另外两个氢原子靠氢键结合在一起。(1)分子晶体的结构特点若分子间不存在氢键，则分子晶体的微粒排列时尽可能采用紧密堆积方式；若分子间存在氢键，由于氢键具有方向性和饱和性，则晶体不能采用紧密堆积方式。(2)常见的分子晶体所有非金属氢化物：H2O、NH3、CH4、H2S等。多数非金属单质：卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、红磷、硫、稀有气体等。多数非金属氧化物：CO2、SO2、SO3、P2O5等。几乎所有的酸：H2SO4、CH3COOH、H3PO4等。绝大多数有机物：乙醇、蔗糖等。(3)分子晶体的性质分子晶体一般具有较低的熔点和沸点，较小的硬度、较强的挥发性。分子晶体在固态、熔融时均不导电。不同的分子晶体在溶解度上存在较大差别，并且同一分子晶体在不同的溶剂中溶解度也有较大差别。提醒(1)稀有气体固态时形成分子晶体，微粒之间只存在分子间作用力，分子内不存在化学键。(2)分子晶体汽化或熔融时，克服分子间作用力，不破坏化学键。例1下列各组物质各自形成晶体，均属于分子晶体的化合物是()ANH3、HD、C10H8BPCl3、CO2、H2SO4CSO2、SiO2、P2O5DCCl4、Na2S、H2O2答案B解析A中HD是单质，不是化合物；C中SiO2为原子晶体，不是分子晶体；D中Na2S是离子晶体，不是分子晶体。例2下表列举了几种物质的性质，据此判断属于分子晶体的物质是_。物质性质X熔点为10.31 ，液态不导电，水溶液导电Y易溶于CCl4，熔点为11.2 ，沸点为44.8 Z常温下为气态，极易溶于水，溶液pH7W常温下为固体，加热变为紫红色蒸气，遇冷变为紫黑色固体M熔点为1 170 ，易溶于水，水溶液导电N熔点为97.81 ，质软，导电，密度为0.97 gcm3答案X、Y、Z、W解析分子晶体熔、沸点一般比较低，硬度较小，固态不导电。M的熔点高，肯定不是分子晶体；N是金属钠的性质；X、Y、Z、W均为分子晶体。规律总结分子晶体具有熔、沸点较低，硬度较小，固态、熔融态不导电等物理特性。所有在常温下呈气态的物质、常温下呈液态的物质(除汞外)、易升华的固体物质都属于分子晶体。例3下图为冰晶体的结构模型，大球代表O，小球代表H。下列有关说法正确的是()A冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体B冰晶体具有空间网状结构，是原子晶体C水分子间通过HO键形成冰晶体D冰融化时，水分子之间空隙增大答案A解析冰中的水分子是靠氢键结合在一起，氢键不是化学键，而是一种分子间作用力，故B、C两项均错误；H2O分子形成氢键时沿O的四个sp3杂化轨道形成氢键，可以与4个水分子形成氢键，这4个水分子形成空间四面体构型，A项正确；水分子靠氢键连接后，分子间空隙变大，因此融化时，水的体积缩小，D项错误。易错警示(1)冰和水中存在氢键，水蒸气中不存在氢键。(2)冰中每个水分子能与4个H2O分子形成氢键，平均每个水分子有(4)个氢键。(3)水结成冰体积膨胀与氢键有关。(4)冰融化时破坏氢键和范德华力，不破坏共价键。水分子的稳定性与氢键无关，水的熔、沸点与共价键无关。二、石墨晶体的结构与性质石墨的晶体结构如下图所示：1在石墨晶体中，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以3个共价键与另外三个原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了正六边形的环，伸展成平面网状结构。2在同一平面的碳原子还各剩下一个2p轨道，并含有一个未成对电子形成键。电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导热和导电，这正是金属晶体的特征。3石墨晶体中网络状的平面结构以范德华力结合形成层状的结构，距离较大，结合力较弱，层与层间可以相对滑动，使之具有润滑性。石墨晶体中碳原子间形成共价键，层与层间的结合力为范德华力，同时还有金属键特性。因此，石墨晶体既不是原子晶体，也不是金属晶体、分子晶体，而是一种混合键型晶体。例4碳元素的单质有多种形式，下图依次是C60、石墨和金刚石的结构图：回答下列问题：(1)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化方式分别为_、_。(2)C60属于_晶体，石墨属于_晶体。(3)在金刚石晶体中，碳原子数与化学键数之比为_；在石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的化学键数为_，该晶体中碳原子数与共价键数之比为_。(4)石墨晶体中，层内CC键的键长为142 pm，而金刚石中CC键的键长为154 pm。推测金刚石的熔点_(填“”“”或“”)石墨的熔点。答案(1)sp3杂化sp2杂化(2)分子混合键型(3)12323(4) 解析(1)金刚石中碳原子与四个碳原子形成4个共价单键(即C原子采取sp3杂化方式)，构成正四面体，石墨中的碳原子采取sp2杂化方式，形成平面六元环结构。(2)C60中构成微粒是分子，所以属于分子晶体；石墨晶体有共价键、金属键和范德华力，所以石墨属于混合键型晶体。(3)金刚石晶体中每个碳原子平均拥有的化学键数为42，则碳原子数与化学键数之比为12。石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的碳原子数和化学键数分别为62和63，其比值为23。(4)石墨中的CC键比金刚石中的CC键键长短，键能大，故石墨的熔点高于金刚石。规律总结金刚石与石墨比较晶体金刚石石墨碳原子杂化方式sp3sp2碳原子成键数43有无未成对价电子无有最小环碳原子个数66键角109.5120含有1 mol C的晶体中所含化学键数目2 mol1.5 mol四种晶体类型的比较离子晶体原子晶体分子晶体金属晶体构成晶体的粒子阴、阳离子原子分子金属阳离子和自由电子粒子间的作用离子键共价键分子间作用力(有的有氢键)金属键作用力强弱(一般情况下)较强很强弱较强确定作用力强弱的一般判断方法离子所带电荷总数、离子半径键长(原子半径)分子间的氢键增大分子间作用力，组成和结构相似时比较相对分子质量离子半径、离子所带电荷数熔、沸点较高高低差别较大(如汞常温下为液态，钨熔点为3 410)硬度硬而脆大较小差别较大导热和导电性不良导体(熔化后或溶于水导电)不良导体不良导体(部分溶于水发生电离后导电)良导体溶解性多数易溶一般不溶相似相溶一般不溶于水，少数与水反应机械加工性不良不良不良优良延展性差差差优良1下列有关分子晶体的说法中一定正确的是()A分子内均存在共价键B分子间一定存在范德华力C分子间一定存在氢键D其结构一定为分子密堆积答案B解析稀有气体元素组成的分子晶体中，不存在由多个原子组成的分子，而是原子间通过范德华力结合成晶体，所以不存在任何化学键，故A项错误；分子间作用力包括范德华力和氢键，范德华力存在于所有的分子晶体中，而氢键只存在于含有与电负性较强的N、O、F原子结合的氢原子的分子之间或者分子之内，所以B项正确，C项错误；只存在范德华力的分子晶体才采取分子密堆积的方式，D项错误。2下列物质呈固态时，一定属于分子晶体的是()A非金属单质 B非金属氧化物C含氧酸 D金属氧化物答案C解析非金属单质中的金刚石、非金属氧化物中的SiO2均为原子晶体；金属氧化物通常为离子化合物，属离子晶体。3SiCl4的分子结构与CCl4相似，对其进行下列推测，不正确的是()ASiCl4的熔点高于CCl4BSiCl4晶体是分子晶体C常温、常压下，SiCl4是气体DSiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子答案C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的分子间作用力强，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。4甲烷晶体的晶胞结构如图所示，下列说法正确的是()A甲烷晶胞中的球只代表1个C原子B晶体中1个CH4分子中有12个紧邻的CH4分子C甲烷晶体熔化时需克服共价键D1个CH4晶胞中含有8个CH4分子答案B解析题图所示的甲烷晶胞中的球代表的是1个甲烷分子，并不是1个C原子，A错误；甲烷晶体是分子晶体，熔化时克服范德华力，C错误；甲烷晶胞属于面心立方晶胞，该晶胞中甲烷分子的个数为864，D错误。5根据下列性质判断所描述的物质可能属于分子晶体的是()A熔点1 070 ，易溶于水，水溶液能导电B熔点1 128 ，沸点4 446 ，硬度很大C熔点10.31 ，液态不导电，水溶液能导电D熔点97.81 ，质软，导电，密度0.97 gcm3答案C解析A项，熔点1 070 ，熔点高，不符合分子晶体的特点，故A错误；B项，熔点1 128 ，沸点4 446 ，硬度很大，属于离子晶体或原子晶体或金属晶体的特点，分子晶体分子间只存在分子间作用力，熔、沸点低，故B错误；C项，熔点10.31 ，熔点低，符合分子晶体的熔点特点，液态不导电，只存在分子，水溶液能导电，溶于水后，分子被水分子离解成自由移动的离子，如CH3COOHCH3COOH，有自由移动的离子，就能导电，故C正确；D项，熔点97.81 ，质软、导电、密度0.97 gcm3，是金属钠的物理性质，金属钠属于金属晶体，故D错误。6晶胞是晶体结构中可重复出现的最小的结构单元，C60晶胞结构如下图所示，下列说法正确的是()AC60摩尔质量是720BC60与苯互为同素异形体C在C60晶胞中有14个C60分子D每个C60分子周围与它距离最近且等距离的C60分子有12个答案D7请回答下列问题：(1)下列有关石墨晶体的说法正确的是_(填字母，下同)。a由于石墨晶体导电，所以它是金属晶体b由于石墨的熔点很高，所以它是原子晶体c由于石墨质软，所以它是分子晶体d石墨晶体是一种混合键型晶体(2)据报道，科研人员应用电子计算机模拟出来类似C60的物质N60，试推测下列有关N60的说法正确的是_。aN60易溶于水bN60是一种分子晶体，有较高的熔点和硬度cN60的熔点高于N2dN60的稳定性比N2强(3)已知碘晶胞结构如图所示，请回答下列问题：碘晶体属于_晶体。碘晶体熔化过程中克服的作用力为_。假设碘晶胞中立方体的长为a cm，阿伏加德罗常数的值为NA，则碘单质的密度为_。答案(1)d(2)c(3)分子分子间作用力 gcm3解析(1)石墨晶体中存在共价键、范德华力、大键，故为混合键型晶体。(2)C60是一种单质，属于分子晶体，而N60类似于C60，所以N60也是单质，属于分子晶体，即具有分子晶体的一些性质，如硬度较小和熔、沸点较低。分子晶体的相对分子质量越大，熔、沸点越高。单质一般是非极性分子，难溶于水等极性溶剂，因此a、b项错误，c项正确；N2分子以NN键结合，N60分子中只存在NN键，而NN键比NN键牢固得多，所以d项错误。(3)I2分子之间以分子间作用力结合，所以I2晶体属于分子晶体。观察碘的晶胞结构发现，一个晶胞中含有I2分子的数目为864，碘原子为8个。一个晶胞的体积为a3 cm3，质量为 g，则碘单质的密度为 gcm3。对点训练题组1分子晶体的判断1下列各组物质均属于分子晶体的是()ASO2，SiO2，P2O5 BPCl3，CO2，H2SO4CSiC，H2O，NH3 DHF，CO2，Si答案B解析SiO2、SiC、Si均为原子晶体。2下列晶体由原子直接构成，且属于分子晶体的是()A固态氢 B固态氖C磷 D三氧化硫答案B解析稀有气体分子都属于单原子分子，因此稀有气体形成的晶体属于分子晶体且由原子直接构成。其他分子晶体一般由分子构成，如干冰、冰等。3某化学兴趣小组，在学习分子晶体后，查阅了几种氯化物的熔、沸点，记录如下：NaClMgCl2AlCl3SiCl4CaCl2熔点/80171219068782沸点/1 4651 418230571 600根据这些数据分析，属于分子晶体的是()ANaCl、MgCl2、CaCl2BAlCl3、SiCl4CNaCl、CaCl2D全部答案B解析由于由分子构成的晶体，分子与分子之间以分子间作用力相互作用，而分子间作用力较小，克服分子间作用力所需能量较低，故分子晶体的熔、沸点较低，表中的MgCl2、NaCl、CaCl2熔、沸点很高，很明显不属于分子晶体，AlCl3、SiCl4熔、沸点较低，应为分子晶体，B项正确，A、C、D三项错误。4(2017合肥六中月考)AB型化合物形成的晶体结构多种多样。下图所示的几种结构所表示的物质最有可能是分子晶体的是()A BC D答案B解析从各图中可以看出都不能再以化学键与其他原子结合，所以最有可能是分子晶体。题组2分子晶体的结构与性质5BeCl2熔点较低，易升华，溶于醇和醚，其化学性质与AlCl3相似。由此可推测BeCl2()A熔融态不导电 B水溶液呈中性C熔点比BeBr2高 D不与NaOH溶液反应答案A解析由题知BeCl2熔点较低，易升华，溶于醇和醚，应属于分子晶体，所以熔融态不导电；对于组成相似的分子晶体，相对分子质量越大，范德华力越大，其熔、沸点越高，因此BeCl2的熔点比BeBr2的低；BeCl2的化学性质与AlCl3相似，根据AlCl3能和NaOH溶液反应，则BeCl2也可与NaOH溶液反应；AlCl3水溶液中由于铝离子水解而呈酸性，推知BeCl2也具有此性质。6下列说法正确的是()A分子晶体都具有分子密堆积的特征B分子晶体中，分子间作用力越大，通常熔点越高C分子晶体中，共价键键能越大，分子的熔、沸点越高D分子晶体中，分子间作用力越大，分子越稳定答案B解析含有氢键的分子晶体不具有分子密堆积的特征，如冰，A错误；分子晶体的熔、沸点高低与分子间作用力的大小有关，与化学键的强弱无关，B正确，C错误；分子的稳定性与化学键的强弱有关，与分子间作用力的大小无关，D错误。7水的沸点是100 ，硫化氢的分子结构跟水相似，但它的沸点却很低，是60.7 ，引起这种差异的主要原因是()A范德华力 B共价键C氢键 D相对分子质量答案C解析水分子之间存在氢键，氢键是一种较强的分子间作用力，氢键的存在使水的沸点比硫化氢的高。8下列关于分子晶体的说法不正确的是()A晶体的构成微粒是分子B干燥或熔融时均能导电C分子间以分子间作用力相结合D熔、沸点一般比较低答案B解析A项，分子晶体是由分子构成的；B项，干燥或熔融时，分子晶体既不电离也没有自由移动的电子，均不能导电；C项，分子间以分子间作用力相结合；D项，分子晶体的熔、沸点一般比较低。题组3常见晶体结构与性质的综合9下列有关晶体的叙述中，错误的是()A分子晶体熔化时化学键一般不被破坏B白磷晶体中，结构粒子之间通过共价键结合C构成分子晶体的结构粒子中可能存在共价键D石英晶体是直接由硅原子和氧原子通过共价键所形成的空间网状结构的晶体答案B解析分子晶体是通过分子间作用力将分子结合在一起的，所以熔化时，分子内部的化学键未发生变化，破坏的只是分子间作用力，A正确；白磷晶体是分子晶体，在P4内部存在共价键，而结构粒子(P4)之间是通过分子间作用力结合的，B错误；稀有气体在固态时也属于分子晶体，而稀有气体是单原子分子，在分子内部不存在共价键，在干冰晶体中，CO2分子内存在共价键，C正确；石英晶体是原子晶体，D正确。10石墨晶体为层状结构，每一层均为碳原子与周围其他3个碳原子相结合而成的平面片层，同层相邻碳原子间距为142 pm、相邻片层间距为335 pm。如图是其晶体结构片层俯视图。下列说法不正确的是()A碳原子采用sp2杂化B每个碳原子形成3个键C碳原子数与键键数之比为23D片层之间的碳形成共价键答案D解析每个碳原子形成3个键，采取sp2杂化，故A、B正确；每个碳原子平均含有3个键，所以碳原子数与键键数之比为23，故C正确；石墨片层之间的碳以范德华力结合而不是共价键，故D错误。11根据下表中给出的有关数据，判断下列说法中错误的是()AlCl3SiCl4晶体硼金刚石晶体硅熔点/190602 3003 5501 410沸点/183572 5504 8272 355A.SiCl4是分子晶体B晶体硼是原子晶体CAlCl3是分子晶体，加热能升华D金刚石中的CC键比晶体硅中的SiSi键弱答案D解析SiCl4、AlCl3的熔、沸点低，都是分子晶体，AlCl3的沸点低于其熔点，即在未熔化的温度下它就能汽化，故AlCl3加热能升华，A、C项正确；晶体硼的熔、沸点高，所以晶体硼是原子晶体，B项正确；碳原子的半径比硅的原子半径小，金刚石中的CC键键长比晶体硅中的SiSi键键长短，金刚石中的CC键键能比晶体硅中的SiSi键键能大，金刚石中的CC键比晶体硅中的SiSi键强，D项错误。12.中学教材上介绍的干冰晶体是一种立方面心结构，如图所示，即每8个CO2构成立方体，且在6个面的中心又各占据1个CO2分子，在每个CO2周围距离 a(其中a为立方体棱长)的CO2有()A4个 B8个 C12个 D6个答案C解析如图在每个CO2周围距离a的CO2即为每个面心上的CO2分子，共有8(3)12个。综合强化13参考下表中物质的熔点，回答有关问题：物质NaFNaClNaBrNaINaClKClRbClCsCl熔点/995801750622801776715646物质SiF4SiCl4SiBr4SiI4SiCl4GeCl4SnCl4PbCl4熔点/90.470.45.212070.449.536.215(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_的增大，熔点依次降低。(2)硅的卤化物熔点及硅、锗、锡、铅的氯化物的熔点与_有关，随着_的增大，_增大，故熔、沸点依次升高。(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。答案(1)半径半径(2)相对分子质量相对分子质量分子间作用力(3)晶体类型离子晶体分子晶体14决定物质性质的重要因素是物质结构。请回答下列问题：(1)上图是石墨的结构，其晶体中存在的作用力有_(填字母)。A键B键C氢键D配位键E范德华力F金属键G离子键(2)碳钠米管由单层或多层石墨层卷曲而成，其结构类似于石墨晶体，每个碳原子通过_杂化与周围碳原子成键，多层碳纳米管的层与层之间靠_结合在一起。(3)氮化硼(BN)晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相，与石墨相似，具有层状结构，可作高温润滑剂。立方相氮化硼是超硬材料，有优异的耐磨性。它们的晶体结构如图所示。关于这两种晶体的说法正确的是_(填字母)。a立方相氮化硼含有键和键，所以硬度大b六方相氮化硼层间作用力小，所以质地软c两种晶体中的BN键均为共价键d两种晶体均为分子晶体六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间构型为_，其结构与石墨相似却不导电，原因是_。NH4BF4(氟硼酸铵)是合成氮化硼钠米管的原料之一。1 mol NH4BF4含有_ mol配位键。答案(1)ABEF(2)sp2范德华力(3)bc平面三角形层状结构中没有自由移动的电子2解析(1)石墨晶体是介于原子晶体、金属晶体、分子晶体之间的一种特殊晶体，含有金属键，层与层之间存在范德华力，层内存在共价键。在石墨晶体中同层的每一个碳原子与相邻的三个碳原子以键结合；每个碳原子有一个未参与杂化的2p电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面，形成了大键，因此石墨晶体中既存在键又存在键。(3)立方相氮化硼晶体的硬度大小与是否含有键和键无关，与晶体的结构有关，即立方相氮化硼晶体为原子晶体，硬度较大，a错误；六方相氮化硼晶体与石墨晶体相似，根据石墨晶体可知其层和层之间是靠范德华力结合的，故其作用力小，质地较软，b正确；B和N都是非金属元素，两种晶体中的BN键都是共价键，c正确；六方相氮化硼晶体与石墨晶体相似，属于混合键型晶体，立方相氮化硼晶体为原子晶体，d错误。六方相氮化硼晶体与石墨晶体相似，同一层上的原子在同一平面内，根据六方相氮化硼晶体的晶胞结构可知，1个B原子与3个N原子相连，故为平面三角形结构；由于B最外层有3个电子都参与了成键，层与层之间没有自由移动的电子，故不导电。NH中有1个配位键，BF中有1个配位键，故1 mol NH4BF4含有2 mol配位键。15(1)水分子的立体结构是_，水分子能与很多金属离子形成配合物，其原因是在氧原子上有_。(2)冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞(其晶胞结构如图，其中空心球所示原子位于立方体的顶点或面心，实心球所示原子位于立方体内)类似。每个冰晶胞平均占有_个水分子。冰晶胞与金刚石晶胞中微粒排列方式相同的原因是_。(3)实验测得冰中氢键的作用能为18.5 kJmol1，而冰的熔化热为5.0 kJmol1，这说明_。答案(1)V形(或角形)孤电子对(2)8碳原子与氧原子都为sp3杂化，且氢键和共价键都具有方向性和饱和性(每个水分子与相邻的4个水分子形成氢键)(3)冰熔化为液态水时只是破坏了一部分氢键，也说明液态水中仍存在氢键我国经济发展进入新常态，需要转变经济发展方式，改变粗放式增长模式，不断优化经济结构，实现经济健康可持续发展进区域协调发展，推进新型城镇化，推动城乡发展一体化因：我国经济发展还面临区域发展不平衡、城镇化水平不高、城乡发展不平衡不协调等现实挑战。