2018-2019学年高中化学 第三章 第二节 分子晶体与原子晶体学案（含解析）新人教版选修3.doc

第二节 分子晶体与原子晶体课标要求1了解原子晶体的特征，能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的关系。2知道分子晶体与原子晶体的结构微粒、微粒间作用力以及与其他晶体的区别。1在分子晶体中，分子内的原子间以共价键相结合，分子间以分子间作用力相吸引，因此分子晶体熔点较低。2在原子晶体里，所有原子都以共价键相结合，形成三维的网状结构，因此原子晶体熔点高、硬度大。3干冰、冰、金刚石的晶体结构图示。 1分子晶体的概念及粒子间的相互作用力(1)概念：只含分子的晶体称为分子晶体。(2)粒子间的相互作用力：分子晶体内相邻分子间以分子间作用力相互吸引，分子内原子之间以共价键结合。特别提醒分子晶体熔化时，只破坏分子间作用力不破坏化学键。2常见的分子晶体及其物理性质(1)常见的分子晶体所有非金属氢化物，如水、硫化氢、氨、氯化氢、甲烷等。部分非金属单质，如卤素(X2)、氧(O2)、硫(S8)、氮(N2)、白磷(P4)、C60、稀有气体等。部分非金属氧化物，如CO2、SO2、SO3、P4O6、P4O10等。几乎所有的酸，如H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3等。绝大多数有机物的晶体，如苯、乙醇、乙酸、葡萄糖等。(2)物理性质：分子晶体熔、沸点较低，硬度较小。3分子晶体的结构特征(1)分子间作用力只有范德华力晶体中分子堆积方式为分子密堆积，即以一个分子为中心，其周围通常可以有12个紧邻的分子。如干冰的晶胞结构如图：每个晶胞中有4个分子。每个晶胞中有12个原子。每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子有12个。(2)分子间有其他作用力水分子之间的主要作用力是氢键，在冰的每个水分子周围只有4个紧邻的水分子。如冰的晶体结构如右图。4分子晶体熔沸点的比较(1)结构相似，分子之间不含氢键而利用范德华力形成的分子晶体，随着相对分子质量的增大，物质的熔点逐渐升高。例如，常温下Cl2为气态，Br2为液态，而I2为固态；CO2为气态，CS2为液态。(2)相对分子质量相等或相近的极性分子构成的分子晶体，其熔点一般比非极性分子构成的分子晶体的熔点高，如CO的熔点比N2的熔点高。(3)组成和结构相似且不存在氢键的同分异构体所形成的分子晶体，相对分子质量相同，一般支链越多，分子间相互作用越弱，熔、沸点越低，如熔、沸点：正戊烷异戊烷新戊烷。特别提醒少数以氢键作用形成的分子晶体，比一般的分子晶体的熔点高，如含有HF、HO、HN等共价键的分子间可以形成氢键，所以HF、H2O、NH3、醇、羧酸、糖等物质的熔点较高。1下列各组晶体都属于化合物组成的分子晶体是()AH2O、O3、CCl4BCCl4、(NH4)2S、H2O2CSO2、SiO2、CS2 DP2O5、CO2、H3PO4解析：选DA项，O3为单质；B项，(NH4)2S为离子晶体；C项，SiO2为原子晶体。2下列有关分子晶体的说法中正确的是()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其结构一定不能由原子直接构成解析：选B稀有气体元素组成的晶体中，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，且分子为单原子分子，故A、D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间或者分子内，所以B项正确，C项错误。1原子晶体的结构特点及物理性质(1)构成微粒及其相互作用(2)物理性质原子晶体中，由于各原子均以强的共价键相结合，因此一般熔点高，硬度大。结构相似的原子晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。特别提醒一般来说，原子晶体的熔点要比分子晶体的熔点高。2常见的原子晶体(1)物质类别 (2)金刚石的结构特点： 在晶体中每个碳原子以4个共价键与相邻的4个碳原子相结合，成为正四面体。晶体中CCC夹角为10928，碳原子采取了sp3杂化。最小环上有6个碳原子。晶体中碳原子个数与CC键数之比为112。1CO能与金属Fe形成Fe(CO)5，该化合物熔点为253 K，沸点为376 K，其固体属于什么晶体？提示：分子晶体。2某碳氮化合物具有立体网状结构，硬度比金刚石还硬，不溶于水，也不导电，你认为其属于什么晶体？提示：原子晶体。判断原子晶体和分子晶体类型的方法(1)依据构成晶体的粒子和粒子间的作用力判断构成原子晶体的粒子是原子，粒子间的作用力是共价键；构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)依据晶体的熔点判断原子晶体的熔点高，常在1 000 以上；而分子晶体熔点低，常在数百度以下甚至温度更低。(3)依据晶体的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导电，如HCl。原子晶体多数为非导体，但晶体Si、晶体Ge为半导体。(4)依据晶体的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。1下列晶体中属于原子晶体的是()A晶体碘B食盐C胆矾 D晶体硅解析：选D常见的原子晶体中属于非金属单质的有金刚石、晶体硅、晶体硼等，属于非金属化合物的有二氧化硅、碳化硅、氮化硅等。2下列有关分子晶体熔点的高低叙述中正确的是()ACl2I2BSiCl4CCl4CN2O2DC(CH3)4CH3CH2CH2CH2CH3解析：选BA、B、C、D选项中均无氢键，且都为分子晶体，物质结构相似则相对分子质量大的熔点高，故A、C错误，B正确；D中相对分子质量相同的同分异构体，支链越多，熔点越低，故D错误。三级训练节节过关1下列关于原子晶体和分子晶体的说法不正确的是()A原子晶体硬度通常比分子晶体大B原子晶体的熔、沸点较高C分子晶体都不溶于水D金刚石、水晶属于原子晶体解析：选C分子晶体有的能溶于水，如H2SO4等。2金刚石是典型的原子晶体。下列关于金刚石的说法中，错误的是()A晶体中不存在独立的“分子”B碳原子间以共价键相结合C是硬度最大的物质之一D化学性质稳定，即使在高温下也不会与氧气发生反应解析：选D金刚石是典型原子晶体，原子之间以共价键结合，构成空间网状结构，不存在独立的分子，金刚石的硬度大，性质稳定，但在高温下可与氧气反应，生成CO2气体。3下列性质适合于某种原子晶体的是()A熔点1 070 ，易溶于水，水溶液导电B熔点10.32 ，液态不导电，水溶液导电C能溶于CS2，熔点112 ，沸点444.6 D熔点3 550 ，很硬，不溶于水，不导电解析：选D由原子晶体所具有的一般特点，熔、沸点高，硬度大，不溶于水等性质，可以推断D应该是原子晶体。4有下列几种晶体：A.水晶，B.冰醋酸，C.白磷，D.金刚石，E.晶体氩，F.干冰。(1)属于分子晶体的是_(填字母，下同)，直接由原子构成的分子晶体是_。(2)属于原子晶体的化合物是_。(3)直接由原子构成的晶体是_。(4)受热熔化时，化学键不发生变化的是_，需克服共价键的是_。解析：根据构成晶体的粒子不同，分子晶体仅由分子组成，原子晶体中无分子。分子晶体有B、C、E、F，其中晶体氩是单原子分子构成的晶体；原子晶体和单原子分子晶体都由原子直接构成，原子晶体有A、D，但化合物只有A；分子晶体熔化时，一般不破坏化学键；原子晶体熔化时，破坏化学键。答案：(1)BCEFE(2)A(3)ADE(4)BCFAD1下列物质固态时一定是分子晶体的是()A酸性氧化物B碱性氧化物C含氧酸 D非金属单质解析：选C利用举特例法解题。A项，SiO2为酸性氧化物，属于原子晶体；B项，Na2O、CaO等碱性氧化物属于离子晶体；D项，金刚石、晶体硅等非金属单质属于原子晶体。2下列说法中错误的是()A干冰与二氧化硅晶体熔化时，所克服的微粒间相互作用不相同BC2H5OH与C2H5Br相比，前者的相对分子质量远小于后者，而沸点却远高于后者，其原因是前者的分子间存在氢键C非金属单质只能形成分子晶体D金刚石熔化时断裂共价键解析：选C干冰熔化时破坏范德华力，二氧化硅、金刚石等原子晶体熔化时破坏共价键，A、D项正确；乙醇的分子间易形成氢键，故其沸点高于C2H5Br，B项正确；C、Si、O是非金属元素，但金刚石、晶体硅、二氧化硅都是原子晶体，C项不正确。3据报道，用激光可将置于铁室中的石墨靶上的碳原子“炸松”，再用一个射频电火花喷射出氮气，可使碳、氮原子结合成碳氮化合物的薄膜，该碳氮化合物的硬度比金刚石更坚硬，则下列分析正确的是()A该碳氮化合物呈片层状结构B该碳氮化合物呈立体网状结构C该碳氮化合物中CN键长比金刚石的CC键长长D相邻主族非金属元素形成的化合物的硬度比单质小解析：选B由题意知，碳氮化合物的硬度比金刚石还大，说明该碳氮化合物为原子晶体，因此是立体网状结构，与金刚石相比，C原子半径大于N原子半径，所以CN键长小于CC键长。4如图为冰的一种骨架形式，依此为单位向空间延伸，请问该冰中的每个水分子有几个氢键()A2 B4C8 D12解析：选A每个水分子与四个方向的其他4个水分子形成氢键，因此每个水分子具有的氢键个数为42。5下列说法正确的是()A冰熔化时，分子中HO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，分子晶体的熔、沸点越高D分子晶体中，分子间作用力越大，该物质越稳定解析：选BA项，冰熔化时，破坏分子间作用力(主要是氢键)，分子内的HO键不发生断裂；C项，分子晶体中，分子间作用力越强，分子晶体的熔、沸点越高，与分子内共价键的键能大小无关；D项，分子晶体中，分子内共价键的键能越大，该分子越稳定。6下列性质符合分子晶体的是()A熔点1 070 ，易溶于水，水溶液能导电B熔点10.31 ，液体不导电，水溶液能导电C熔点97.81 ，质软，能导电，密度是0.97 gcm3D熔点63.65 ，熔化时能导电，水溶液也能导电解析：选BA项中的熔点太高，C项中能导电的说法不符合题意，D项中熔化时能导电的说法也不符合题意。7在下列三种晶体：金刚石，晶体硅，碳化硅中，它们的熔点从高到低的顺序是()ABC D解析：选A由于碳的原子半径小于硅的原子半径，因此，共价键键长：CC键CSi键SiSi键，而共价的键长越短，键能越大，所以题中三种物质的熔点从高到低的顺序是金刚石碳化硅晶体硅。8二氧化硅有晶体和无定形两种形态，晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。除石英外，SiO2还有磷石英和方英石等多种变体。方英石结构和金刚石相似，其结构单元如图。下列有关说法正确的是()A方英石晶体中存在着SiO4结构单元B1 mol Si形成2 mol SiO键C图示结构单元中实际占有18个硅原子D方英石晶体中，SiO键之间的夹角为90解析：选A由方英石结构示意图，知方英石晶体中存在着SiO4的结构单元，A项正确；1 mol Si形成4 mol SiO键，B项错误；题图所示的结构单元实际占有的硅原子数：8648个，C项错误；方英石晶体中存在着SiO4的结构单元，说明SiO键之间的夹角为10928，D项错误。9(1)如图为CO2分子晶体结构的一部分，观察图形。每个CO2分子周围有_个与之紧邻且等距的CO2分子；该结构单元平均占有_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_。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 CO键解析：(1)题给CO2分子晶体的一部分，取任一顶点的CO2分子，则与之距离最近且等距的是共用该顶点的三个面心上的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：38/212个；在此结构中，8个CO2分子处于顶点，6个CO2分子处于面心。所以，该结构单元平均占有的CO2分子数为：864；(2)该题应从SiO2的结构和性质来判断。答案：(1)124(2)BDE10碳有多种同素异形体，其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示：(1)在石墨烯晶体中，每个C原子连接_个六元环，每个六元环占有_个C原子。(2)在金刚石晶体中，C原子所连接的最小环也为六元环，每个C原子连接_个六元环，六元环中最多有_个C原子在同一平面。解析：(1)由石墨烯的结构可知，每个C原子连接3个六元环，每个六元环占有的C原子数为62。(2)由金刚石的结构可知，每个C可参与形成4条CC键，其中任意两条边(共价键)可以构成2个六元环。根据组合知识可知四条边(共价键)任选其中两条有6组，6212。因此每个C原子连接12个六元环。六元环中C原子采取sp3杂化，为空间六边形结构，最多有4个C原子位于同一平面。答案：(1)32(2)1241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()SiO2和SO3金刚石和白磷CO2和SO2晶体硅和金刚石晶体氖和晶体氮硫黄和单质碘A BC D解析：选C属于分子晶体的有SO3、CO2、SO2、白磷、晶体氖、晶体氮、硫黄和单质碘，属于原子晶体的有SiO2、晶体硅和金刚石。但晶体氖是由稀有气体单原子分子组成，晶体中不存在化学键。2下列晶体性质的比较中，正确的是()A熔点：单质硫磷晶体硅B沸点：NH3H2OHFC硬度：白磷冰二氧化硅D熔点：SiI4SiBr4SiCl4解析：选D硫与磷是分子晶体，晶体硅是原子晶体，其中晶体硅的熔点远高于硫与磷的熔点，A项错误；氟化氢、冰、氨都是分子晶体，三种物质之中都存在氢键，水在常温下是液体，氟化氢、氨常温下是气体，则水的沸点最高，氨的最低，B项错误；二氧化硅是原子晶体，硬度大，白磷和冰都是分子晶体，硬度较小，C项错误；卤化硅为分子晶体，它们的组成和结构相似，分子间不存在氢键，故相对分子质量越大，熔点越高，D项正确。3干冰和二氧化硅晶体同属第A族元素的最高价氧化物，它们的熔、沸点差别很大的原因是()A二氧化硅的相对分子质量大于二氧化碳的相对分子质量BC=O键键能比SiO键键能小C干冰为分子晶体，二氧化硅为原子晶体D干冰易升华，二氧化硅不能解析：选C干冰和二氧化硅晶体尽管同属第A族元素的最高价氧化物，但干冰是分子晶体，二氧化硅为原子晶体。原子晶体微粒间以较强的共价键结合，其熔、沸点较高，而分子晶体以较弱的分子间作用力结合，熔、沸点较低。4SiCl4的分子结构与CCl4相似，对其进行下列推测，不正确的是()ASiCl4晶体是分子晶体B常温、常压下SiCl4是气体CSiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子DSiCl4的熔点高于CCl4解析：选B由于SiCl4具有分子结构，所以一定属于分子晶体。影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间作用力的大小，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的分子间作用力较大，熔、沸点应该比CCl4高。CCl4的分子是正四面体结构，SiCl4与它结构相似，因此也应该是正四面体结构，是含极性键的非极性分子。5下列叙述中，结论(事实)和对应的解释(事实)均不正确的是()A金刚石的熔、沸点高于晶体硅，因为CC键的键能大于SiSi键的键能B二氧化硅晶体中不存在SiO2分子，因为它含有硅氧四面体的空间网状结构C稀有气体的晶体属于原子晶体，因为其组成微粒是原子，不存在分子间作用力D立体构型为正四面体结构的分子中，化学键的键角不一定是10928，有可能为60解析：选C稀有气体的晶体属于分子晶体，存在分子间作用力，不存在共价键，C项符合题意。6下面关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是()A存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶点B最小的环上，有3个Si原子和3个O原子C最小的环上，Si和O原子数之比为12D最小的环上，有6个Si原子和6个O原子解析：选D二氧化硅是原子晶体，为空间网状结构，存在硅氧四面体结构，硅处于中心，氧处于4个顶点，A项错误；在SiO2晶体中，每6个Si原子和6个O原子形成一个12元环(最小环)，D正确，B、C错误。7下列说法中正确的是()金刚石晶体中的最小碳原子环由6个碳原子构成金刚石晶体中的碳原子是sp3杂化的1 mol SiO2晶体中含2 mol SiO键金刚石化学性质稳定，即使在高温下也不会和O2反应A BC D解析：选A在金刚石晶体中的最小环为六元环，为空间六边形，由六个碳原子构成，正确；金刚石晶体中每个碳原子形成4个共价键，是sp3杂化，正确；在SiO2晶体中1个硅原子与四个氧原子形成4个共价键，所以1 mol SiO2晶体中含4 mol SiO键，错误；金刚石的化学性质很稳定，但在高温下可以和氧气反应生成CO2，错误。8干冰晶体是一种面心立方结构，如图所示，即每8个CO2构成立方体，且在6个面的中心又各有1个CO2分子，在每个CO2周围距离为a(其中a为立方体棱长)的CO2有()A4个 B8个C12个 D6个解析：选C在每个CO2周围距离为a的CO2即为每个面心上的CO2分子，共有812个。9硅是一种重要的非金属单质，硅及其化合物的用途非常广泛。根据所学知识回答硅及其化合物的相关问题。(1)基态硅原子的核外电子排布式为_。(2)晶体硅的微观结构与金刚石相似，晶体硅中SiSi键之间的夹角大小约为_。(3)请在框图中补充完成SiO2晶体的结构示意图(部分原子已画出)，并进行必要的标注。(4)下表列有三种物质(晶体)的熔点：物质SiO2SiCl4SiF4熔点/1 71070.590.2简要解释熔点产生差异的原因：SiO2和SiCl4：_；SiCl4和 SiF4：_。解析：(2)晶体硅以一个硅原子为中心，与另外4个硅原子形成正四面体结构，所以SiSi键之间的夹角大小约为10928。(3)图中给出的是硅晶体的结构，SiO2晶体相当于在硅晶体结构中的每个SiSi键中插入一个氧原子，所以只要在每两个硅原子之间画一个半径比硅原子小的原子，再用实线连起来即可。(4)晶体类型不同，其熔点具有很大的差别，一般原子晶体的熔点高，而分子晶体的熔点低。答案：(1)1s22s22p63s23p2(2)10928(3)如图所示： (4)SiO2是原子晶体，微粒间作用力为共价键。SiCl4是分子晶体，微粒间作用力为范德华力，故SiO2熔点高于SiCl4SiCl4和SiF4均为分子晶体，微粒间作用力为范德华力，结构相似时相对分子质量越大，范德华力越大，故SiCl4熔点高于SiF410(1)BN是一种新型的无机材料，由于碳单质与BN属于等电子体，其结构和性质具有极大的相似性，故可推知，在BN的晶体中，一种是类似于_的空间网状结构的晶体，可用作耐磨材料。(2)单质硼有无定形体和晶体两种，参考下表数据：金刚石晶体硅晶体硼熔点/K3 5501 4102 573沸点/K4 8272 628 2 823摩氏硬度106.59.5晶体硼的晶体类型属于_晶体，理由是_。已知晶体硼的基本结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如右图所示)，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点上各有一个硼原子。通过观察图形及推算，此基本结构单元由_个硼原子构成，其中BB键的键角为_。(3)假设将晶体硼的结构单元中每个顶点均削去，余下部分的结构与C60相同，则C60由_个正五边形_个正六边形构成。解析：(1)根据等电子体物质的结构与性质相似的原理，可推知BN的结构，一种类似于金刚石，硬度大、耐磨。(2)因为晶体硼有很高的熔沸点和很大的硬度，可推知其为原子晶体。晶体硼的基本结构单元为正二十面体，每个面均为正三角形，键角为60，一个三角形有三个顶点，每个顶点为五个三角形共用，每个三角形拥有硼原子数为31/5,20个三角形拥有硼原子数为2031/512，即此结构单元由12个B原子构成。(3)若将晶体硼的结构单元中每个顶点均削去，则削去的顶点变为五边形，原来的正三角形变为正六边形，故余下的结构共有12个正五边形(即原来的12个顶点，)20个正六边形(即原来的20个面)。答案：(1)金刚石(2)原子晶体硼有很高的熔沸点和很大的硬度1260(3)1220