学年人教版化学选修三讲义第3章 第2节 分子晶体与原子晶体 Word版含答案.docx

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学年人教版化学选修三讲义第3章第2节分子晶体与原子晶体Word版含答案

第二节　分子晶体与原子晶体

目标与素养：

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。

（微观探析与模型认知）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。

（宏观辨识与科学探究）

一、分子晶体

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。

2．分子晶体的物理性质

（1）分子晶体熔、沸点较低，硬度很小，易升华。

（2）分子晶体不导电。

3．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。

4．分子晶体的结构特征

（1）分子密堆积

大多数分子晶体的结构有如下特征：

如果分子间作用力只是范德华力，若以一个分子为中心，其周围通常可以有12个紧邻的分子，分子晶体的这一特征称为分子密堆积。

如C60、干冰、I2、O2等。

（2）含有氢键的分子晶体，不属于分子密堆积。

如冰等。

5．两种典型的分子晶体的空间结构

（1）冰

①结构：

冰晶体中，水分子间主要通过氢键形成晶体。

由于氢键具有一定的方向性，一个水分子与周围四个水分子结合，这四个水分子也按照同样的规律再与其他的水分子结合。

这样，每个O原子周围都有4个H原子，其中两个H原子与O原子以共价键结合，另外两个H原子与O原子以氢键结合，使水分子间构成四面体骨架结构。

②性质：

由于氢键具有方向性，冰晶体中水分子未采取密堆积方式，这种堆积方式使冰晶体中水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙。

当冰刚刚融化成液态水时，水分子间空隙减小，密度反而增大，超过4℃时，分子间距离加大，密度渐渐减小。

（2）干冰

①结构：

CO2分子内存在CO共价键，分子间存在范德华力，CO2的晶胞呈面心立方体形，立方体的每个顶角有一个CO2分子，每个面上也有一个CO2分子。

每个CO2分子与12个CO2分子等距离相邻（在三个互相垂直的平面上各4个或互相平行的三层上，每层上各4个）（如图所示）。

②性质：

硬度跟冰相似，熔点却比冰低得多；在常压下极易升华，在工业上广泛用作制冷剂；由于干冰中的CO2之间只存在范德华力不存在氢键，密度比冰的高。

二、原子晶体

1．结构特点及物理性质

（1）构成微粒及作用力

（2）立体构型：

整块晶体是一个三维的共价键网状结构，不存在单个的小分子，是一个“巨分子”，又称共价晶体。

（3）物理性质

①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。

②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。

2．常见的原子晶体

（1）物质类别

（2）金刚石的结构特点

①在晶体中每个碳原子以四个共价单键与相邻的4个碳原子相结合，成为正四面体。

②晶体中C—C—C夹角为109°28′，碳原子采取了sp3杂化。

③最小环上有6个碳原子。

④晶体中碳原子个数与C—C键数之比为1∶

＝1∶2。

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）分子晶体中分子间一定存在范德华力，可能含共价键（　　）

（2）干冰、冰均为分子晶体，晶体结构相同（　　）

（3）原子晶体中存在共价键，可能存在范德华力（　　）

（4）SiO2是原子晶体，构成粒子为Si、O原子，且个数比为1∶2（　　）

[答案]　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）√

2．下列物质：

①CO2　②冰　③SiC　④晶体硅　⑤二氧化硅　⑥H3PO4　⑦O2　⑧CH4　⑨NaCl　⑩Cu

（1）属于分子晶体的为________（填序号不同）。

（2）属于原子晶体的为________。

[答案]　

（1）①②⑥⑦⑧　

（2）③④⑤

分子晶体、原子晶体的空间结构

1.原子晶体——金刚石与SiO2

金刚石及其晶胞　　　　　二氧化硅

（1）①金刚石晶体中，每个C与另外4个C形成共价键，碳原子采取sp3杂化，C—C—C夹角是109°28′，最小的环是6元环。

每个C被12个六元环共用。

含有1molC的金刚石中形成的C—C有2mol。

②在金刚石的晶胞中，内部的C在晶胞的体对角线的

处。

每个晶胞含有8个C。

（2）SiO2晶体中，每个Si原子与4个O原子成键，每个O原子与2个Si原子成键，最小的环是12元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是Si原子。

1molSiO2晶体中含Si—O键数目为4NA，在SiO2晶体中Si、O原子均采取sp3杂化。

（1）原子晶体是一个三维的共价键网状结构，是一个“巨分子”，没有小分子存在；而分子晶体中存在真实的分子。

（2）原子晶体的化学式不表示实际组成，只表示组成原子的个数比，如SiO2只是表示晶体中Si与O的原子个数比为1∶2。

而分子晶体的化学式表示真实的组成。

2．分子晶体——干冰和冰

（1）干冰晶体中，每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有12个，属于分子密堆积。

晶胞中含有4个CO2分子。

同类晶体还有晶体I2、晶体O2等。

干冰的结构模型（晶胞）　冰的结构模型

（2）冰的结构模型中，每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接，含1molH2O的冰中，最多可形成2mol氢键。

晶胞结构与金刚石相似，含有8个H2O。

1.钻石的魅力在于它经过大自然千百万年的孕育，再经打磨，能放射出闪烁的光芒。

钻石就是经过打磨的金刚石，已知金刚石的网状结构如图所示，由此可看出在含有共价键形成的碳原子环中，其中最小的环上所需碳原子数及每个碳原子上任意两个C—C键间的夹角是（　　）

A．6个　120°　　B．5个　108°

C．4个　109°28′D．6个　109°28′

D　[根据金刚石的晶体结构特点可知，最小环上碳原子数为6个，每个碳原子与相连的4个碳原子形成小的正四面体，因而任意两个C—C键夹角为109°28′。

]

2.干冰晶胞如图所示，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（　　）

A．4个B．8个

C．12个D．6个

C　[如题图，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，故C正确。

]

3．HF分子晶体、NH3分子晶体与冰的结构极为相似，在HF分子晶体中，与HF分子距离最近的HF分子有几个（　　）

A．3B．4

C．5D．12

B　[根据HF分子晶体与冰结构相似可知，每个HF分子周围有4个HF分子与之距离最近，构成正四面体，故B项正确。

]

原子晶体与分子晶体的判断

1.原子晶体与分子晶体的比较

晶体类型

原子晶体

分子晶体

组成微粒

原子

分子

微粒间作用力

共价键

分子间作用力

熔、沸点

很高

较低

硬度

很大

较小

溶解性

一般不溶于各种溶剂

部分溶于水

导电性

不导电，个别为半导体

不导电，部分水溶液导电

熔化时破坏的作用力

共价键

分子间作用力

2.判断原子晶体和分子晶体的方法

（1）依据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断

构成原子晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键；构成分子晶体的微粒是分子，微粒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1000℃以上；而分子晶体熔点低，常在数XX以下甚至更低温度。

（3）依据晶体的导电性判断

分子晶体为绝缘体，但部分分子晶体溶于水后能导电，如HCl。

原子晶体多数为绝缘体，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。

4．下列各组晶体都属于化合物组成的分子晶体是（　　）

A．H2O、O3、CCl4

B．CCl4、（NH4）2S、H2O2

C．SO2、SiO2、CS2

D．P2O5、CO2、H3PO4

[答案]　D

5．X是核外电子数最少的元素，Y是地壳中含量最丰富的元素，Z在地壳中的含量仅次于Y，W可以形成自然界中硬度最大的原子晶体。

下列叙述错误的是（　　）

A．WX4是沼气的主要成分

B．固态X2Y是分子晶体

C．ZW是原子晶体

D．ZY2的熔点与WY2的相近

D　[氢原子的核外只有一个电子，X为氢元素；地壳中含量前两位的元素是氧、硅，故Y和Z分别是氧和硅；金刚石是自然界中硬度最大的物质，W元素是碳元素。

SiO2是原子晶体，CO2为分子晶体，二者熔点差别很大。

]

分子晶体、原子晶体的熔点、沸点比较

1.不同类型的晶体

熔、沸点：

原子晶体＞分子晶体。

2．同一类型的晶体

（1）分子晶体

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得高。

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。

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。

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的增加，熔、沸点升高。

如C2H6>CH4，C2H5Cl>CH3Cl，CH3COOH>HCOOH。

（2）原子晶体

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。

如比较金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点高低：

原子半径：

C

C—C＜C—Si

C—C>C—Si>Si—Si，熔点：

金刚石>碳化硅>晶体硅。

6．下列有关物质的熔点高低顺序正确的是（　　）

A．HF

B．金刚石<碳化硅<晶体硅

C．I2>SiO2

D．H2O>H2S，SO2

D　[HCl、HBr、SO2、SeO2均为组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，熔点越高。

HF、H2O分子中均存在氢键，所以熔点出现“反常”现象。

金刚石、碳化硅和晶体硅中，共价键键长：

C—C

C—C>C—Si>Si—Si，共价键键长越短，键能越大，则原子晶体的熔点越高。

所以三者的熔点由高到低的顺序是金刚石>碳化硅>晶体硅。

]

7．现有两组物质的熔点数据如下表所示：

A组

熔点/℃

B组

熔点/℃

金刚石

＞3550

HF

－83

晶体硅

1410

HCl

－115

晶体硼

2300

HBr

－89

二氧化硅

1710

HI

－51

根据表中数据回答下列问题：

（1）A组物质属于________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是________。

（2）B组物质中HF熔点反常是由于________________________。

（3）B组晶体不可能具有的性质是________（填序号）。

①硬度小　②水溶液能导电　③固体能导电　④液体状态能导电

[解析]　A组物质熔点很高，应是原子晶体，原子晶体熔化时破坏的是共价键；B组物质是分子晶体，且结构相似，一般是相对分子质量越大，熔点越高，HF的相对分子质量最小但熔点比HCl高，出现反常的原因是HF分子间存在氢键，HF熔化时除了破坏分子间作用力外，还要破坏氢键，所需能量更高，因而熔点更高；分子晶体在固态时和熔化状态时都不导电。

[答案]　

（1）原子　共价键

（2）HF分子间能形成氢键，熔化时需要消耗的能量更多

（3）③④

1．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（　　）

①SiO2和SO3　②金刚石和白磷　③CO2和SO2

④晶体硅和金刚石　⑤晶体氖和晶体氮

⑥硫黄和单质碘

A．①②③　　　　　　B．④⑤⑥

C．③④⑥D．①③⑤

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分子构成，晶体中不存在化学键。

]

2．SiCl4的分子结构与CCl4相似，对其进行下列推测不正确的是（　　）

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．常温、常压下SiCl4不是气体

[答案]　B

3．我们可以将SiO2的晶体结构想象为：

在晶体硅的Si—Si键之间插入O原子。

根据SiO2晶体结构图，下列说法不正确的是（　　）

A．石英晶体中每个Si原子通过Si—O极性键与4个O原子作用

B．每个O原子通过Si—O极性键与2个Si原子作用

C．石英晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2，可用“SiO2”来表示石英的组成

D．在晶体中存在石英分子，故SiO2叫分子式

D　[晶体硅的结构是五个硅原子形成正四面体结构，其中有一个位于正四面体的中心，另外四个位于四面体的

顶点；SiO2的结构为每个硅原子周围有四个氧原子，而每个氧原子周围有两个硅原子，在晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2，“SiO2”仅表示石英的组成，没有单个的SiO2分子。

]

4．AB型物质形成的晶体多种多样，下列图示的几种结构中最有可能是分子晶体的是（　　）

A．①②③④B．②③⑤⑥

C．②③D．①④⑤⑥

C　[①④⑤⑥构成的晶体为在一维、二维或三维空间结构，且在空间中微粒通过化学键连接，故它们不可能是分子晶体；而②③都不能再以化学键与其他原子结合，故为分子晶体。

]

5．下表列出三种物质（晶体）的熔点。

物质

SiO2

SiCl4

SiF4

熔点/℃

1710

－70.5

－90.2

简要解释熔点产生差异的原因：

（1）SiO2和SiCl4：

______________________；

（2）SiCl4和SiF4：

______________________。

[答案]　

（1）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SiCl4

（2）SiCl4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SiF4