高届高级步步高高中化学选修3物质结构与性质学案第三章 第二节 第1课时.docx

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高届高级步步高高中化学选修3物质结构与性质学案第三章第二节第1课时

第二节　分子晶体与原子晶体

第1课时　分子晶体

[目标定位]　1.熟知分子晶体的概念、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。

一、干冰和冰的晶体结构

1．干冰晶胞结构如图所示,观察分析其结构模型,回答下列问题：

（1）构成干冰晶体的结构微粒是CO2分子,微粒间的相互作用力是范德华力。

（2）从结构模型可以看出：

干冰晶体是一种面心立方结构——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。

每个晶胞中有4个CO2分子。

2．冰晶体的结构如下图所示。

根据冰晶体的结构,回答下列问题：

（1）构成冰晶体的结构微粒是H2O分子,微粒间的相互作用力是范德华力、氢键。

（2）在冰的晶体中,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。

3．干冰和冰的比较

晶体

分子间作用力

结构特点

外观

硬度

熔点

密度

干冰

范德华力

1个分子周围紧邻12个分子

相似

相似（小）

干冰比冰低

干冰比冰大

冰

范德华力、

氢键

1个分子周围紧邻4个分子

分子晶体的理解

（1）分子间通过分子间作用力相结合形成的晶体叫分子晶体。

如：

干冰、碘晶体、冰等。

构成分子晶体的粒子只有分子。

（2）常见的典型的分子晶体有

①所有非金属氢化物,如水、氨、甲烷等；

②部分非金属单质,如卤素、O2、S8、P4、C60等；

③部分非金属氧化物,如CO2、SO3、P4O10等；

④几乎所有的酸；

⑤绝大多数有机物的晶体。

（3）两种典型的分子晶胞

①干冰型　堆积特征：

分子密堆积；

②冰型　堆积特征：

四面体型。

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（　　）

A．NH3、HD、C10H8B．PCl3、CO2、H2SO4

C．SO2、SiO2、P2O5D．CCl4、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。

2．水分子间可通过氢键彼此结合而形成（H2O）n,在冰中n值为5,即每个水分子被其他4个水分子包围形成变形四面体,如图所示为（H2O）5单元,由无限个这样的四面体通过氢键构成一个庞大的分子晶体,即冰。

下列有关叙述正确的是（　　）

A．1mol冰中含有4mol氢键

B．1mol冰中含有4×5mol氢键

C．平均每个水分子只含有2个氢键

D．平均每个水分子只含有个氢键

答案　C

解析　由图可知,每个水分子（处于四面体的中心）与4个水分子（处于四面体的四个顶点）形成四个氢键,因为每个氢键都是由2个水分子共同形成的,所以每个水分子形成的氢键数为4×＝2。

二、分子晶体的物理性质

1．分子晶体中粒子间是以范德华力或范德华力和氢键而形成的晶体,因此,分子晶体的熔、沸点较低,密度较小,硬度较小,较易熔化和挥发。

2．分子晶体熔、沸点高低的比较规律

（1）分子晶体分子间作用力越大,物质熔、沸点越高,反之越低；具有氢键的分子晶体,熔、沸点反常高。

（2）判断下列结论的正误,正确的打“√”,错误的打“×”

①组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,分子间作用力越强,物质的熔、沸点就越高（√）

②组成和结构不相似的物质（相对分子质量相近）,分子极性越大,其熔、沸点就越高（√）

③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（√）

④组成和结构不相似的物质,不能用相对分子质量大小比较分子间作用力的大小（√）

3．分子晶体在固态和熔融状态均不存在自由离子,因而不能导电,易溶于水的电解质在水中全部或部分电离而能够导电,不溶于水的物质或易溶于水的非电解质不能导电。

分子晶体的物理特性

（1）分子晶体具有熔、沸点较低,硬度较小,固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。

（2）分子间作用力的大小决定分子晶体的物理性质。

分子间作用力越大,分子晶体的熔、沸点越高,硬度越大。

3．下列物质,按沸点降低顺序排列的一组是（　　）

A．HF、HCl、HBr、HIB．F2、Cl2、Br2、I2

C．H2O、H2S、H2Se、H2TeD．CI4、CBr4、CCl4、CF4

答案　D

解析　A、C中HF和H2O分子间含有氢键,沸点反常；对结构相似的物质,B中沸点随相对分子质量的增加而增大；D中沸点依次降低。

4．下列性质符合分子晶体特点的是（　　）

①熔点1070℃,易溶于水,水溶液能导电

②熔点10.31℃,液态不导电,水溶液能导电

③能溶于CS2,熔点112.8℃,沸点444.6℃

④熔点97.81℃,质软,导电,密度为0.97g·cm－3

A．①④B．②③C．①②D．②④

答案　B

解析　本题考查分子晶体的性质。

分子晶体中分子之间是以分子间作用力相结合的,分子晶体具有低熔点、易升华、硬度小等性质。

①熔点高,不是分子晶体的性质；④能导电,不是分子晶体的性质,该处所述是金属钠的性质,故选②③。

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,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,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选项错误。

2．干冰熔点很低是由于（　　）

A．CO2是非极性分子

B．C==O键的键能很小

C．CO2化学性质不活泼

D．CO2分子间的作用力较弱

答案　D

3．SiCl4的分子结构与CCl4相似,对其进行的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．SiCl4的熔点高于CCl4

答案　B

解析　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,所以SiCl4的分子间作用力更大一些,熔、沸点更高一些；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。

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（　　）

A．2B．4C．8D．12

答案　A

解析　每个水分子与四个方向的4个水分子形成氢键,每个氢键为2个水分子共用,故其氢键个数为4×＝2。

5．

（1）CO能与金属Fe形成Fe（CO）5,该化合物熔点为253K,沸点为376K,其固体属于________晶体。

（2）F2与其他卤素单质反应可以形成卤素互化物,例如ClF3、BrF3等。

已知反应Cl2（g）＋3F2（g）===2ClF3（g）　ΔH＝－313kJ·mol－1,F—F键的键能为159kJ·mol－1,Cl—Cl键的键能为242kJ·mol－1,则ClF3中Cl—F键的平均键能为________kJ·mol－1。

ClF3的熔、沸点比BrF3的________（填“高”或“低”）。

答案　

（1）分子　

（2）172　低

解析　

（1）该化合物熔点为253K,沸点为376K,熔、沸点较低,所以为分子晶体。

（2）根据焓变的含义可得：

242kJ·mol－1＋3×159kJ·mol－1－6×ECl－F＝－313kJ·mol－1,解得Cl－F键的平均键能ECl－F＝172kJ·mol－1；组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,范德华力越大,所以ClF3的熔、沸点比BrF3的低。

[基础过关]

题组一　分子晶体及其判断

1．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；而金属氧化物通常为离子化合物,属离子晶体。

2．由解放军总装备部军事医学院研究所研制的小分子团水,解决了医务人员工作时的如厕难题。

新型小分子团水具有饮用量少、渗透力强、生物利用率高、在人体内储存时间长、排放量少的特点。

一次饮用125mL小分子团水,可维持人体6小时正常需水量。

下列关于小分子团水的说法正确的是（　　）

A．水分子的化学性质改变

B．水分子中的氢氧键缩短

C．水分子间的作用力减小

D．水分子间结构、物理性质改变

答案　D

解析　小分子团水仍是以分子为基本单位组成的聚集体,所以分子结构并没有改变,分子中的氢氧键并没有缩短,化学性质更不会改变。

它改变的是分子间的结构,分子间作用力增强,物理性质改变。

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：

NaCl

MgCl2

AlCl3

SiCl4

CaCl2

熔点/℃

801

712

190

－68

782

沸点/℃

1465

1418

230

57

1600

根据这些数据分析,属于分子晶体的是（　　）

A．NaCl、MgCl2、CaCl2B．AlCl3、SiCl4

C．NaCl、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。

题组二　分子晶体的性质及其应用

4．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。

5．如图是某无机化合物的二聚分子,该分子中A、B两种元素都是第三周期的元素,分子中所有原子的最外层都达到8个电子的稳定结构。

下列说法不正确的是（　　）

A．该化合物的化学式是Al2Cl6

B．该化合物是离子化合物,在熔融状态下能导电

C．该化合物在固态时所形成的晶体是分子晶体

D．该化合物中不存在离子键,也不含有非极性共价键

答案　B

解析　由A、B元素都在第三周期,并且所有原子最外层都达到8个电子的稳定结构,可知A为Cl元素,B为Al元素,故A正确；因是二聚分子,故其固态时形成分子晶体,B错误、C正确；该化合物中不含离子键,只含极性共价键,D正确。

题组三　冰和干冰的晶体结构

6．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F原子距离最近的HF分子有几个（　　）

A．3B．4C．5D．12

答案　B

解析　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分子与之最近,构成四面体,故B项正确。

7.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（　　）

A．4个B．8个

C．12个D．6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。

[能力提升]

8．正硼酸（H3BO3）是一种片层状结构白色晶体,层内的H3BO3分子通过氢键相连（如下图）。

下列有关说法正确的是（　　）

A．正硼酸晶体属于原子晶体

B．H3BO3分子的稳定性与氢键有关

C．分子中硼原子符合8电子稳定结构

D．含1molH3BO3的晶体中有3mol氢键

答案　D

解析　A项,正硼酸属于分子晶体；B项,H3BO3分子稳定性与分子内部的共价键有关,与分子间的氢键无关；C项,分子中的硼原子不符合8电子稳定结构；D项,

中的3个氢均形成氢键。

9．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（　　）

A．C60摩尔质量是720

B．C60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等距离的C60分子有12个

答案　D

10．下列分子晶体在熔化时,只破坏范德华力的是____________________________________

（填序号,下同）,既破坏范德华力,又破坏氢键的是__________。

①H2　②O2　③P4（白磷）　④SO2　⑤CO2　⑥H2O2⑦HF　⑧H2N—CH2CH2COOH　⑨H3PO4　⑩C2H6

答案　①②③④⑤⑩　⑥⑦⑧⑨

解析　有氢键的分子晶体,其分子中应含有H—F键、H—O键、H—N键中的任意一个键,在熔化时其中的氢键被破坏。

11．据报道科研人员应用计算机模拟出结构类似C60的物质N60。

已知：

①N60分子中每个氮原子均以N—N键结合三个N原子而形成8电子稳定结构；②N—N键的键能为167kJ·mol－1。

请回答下列问题：

（1）N60分子组成的晶体为________晶体,其熔、沸点比N2________（填“高”或“低”）,原因是________________________________________________________________________。

（2）1molN60分解成N2时吸收或放出的热量是_____________________________________

kJ（已知N≡N键的键能为942kJ·mol－1）,表明稳定性N60________（填“>”“<”或“＝”）N2。

（3）由

（2）列举N60的用途（举一种）：

______________________________________________。

答案　

（1）分子　高　N60、N2均形成分子晶体,且N60的相对分子质量大,分子间作用力大、故熔、沸点高

（2）13230　<

（3）N60可作高能炸药（其他答案合理也可）

解析　

（1）N60、N2形成的晶体均为分子晶体,因Mr（N60）>Mr（N2）,故N60晶体中分子的范德华力比N2晶体大,N60晶体的熔、沸点比N2晶体高。

（2）因每个氮原子形成三个N—N键,每个N—N键被2个N原子共用,故1molN60中存在N—N键：

1mol×60×3×＝90mol。

发生的反应为N60===30N2,故ΔH＝90×167kJ·mol－1－30×942kJ·mol－1＝－13230kJ·mol－1<0,为放热反应,表明稳定性N2>N60。

（3）由于反应放出大量的热同时生成大量气体,因此N60可用作高能炸药。

12．

（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18.5kJ·mol－1,而冰的熔化热为5.0kJ·mol－1,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

13．卤素互化物是指不同卤素原子之间以共价键结合形成的化合物,XX′型卤素互化物与卤素单质结构相似、性质相近。

试回答下列问题：

（1）如图是部分卤素单质和XX′型卤素互化物的熔点与其相对分子质量的关系图。

它们的熔点随着相对分子质量的增大而升高,其原因是__________________________________

________________________________________________________________________。

（2）卤素互化物可发生的反应：

H2O＋BrCl===HBrO＋HCl

KBr＋BrCl===KCl＋Br2

①写出KI与IBr反应的化学方程式：

_______________________________________。

②若要验证①反应能否发生,请你设计一个简单的实验：

______________________

________________________________________________________________________。

（3）试推测ICl的熔点所处的最小范围________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）相对分子质量越大,分子间的作用力越强

（2）①KI＋IBr===KBr＋I2　②向反应物混合液中滴加几滴淀粉溶液,若变蓝,证明能反应,否则不能反应

（3）介于Br2的熔点和IBr的熔点之间

解析　

（1）卤素单质及XX′型卤素互化物都是双原子分子,组成和结构相似,其相对分子质量越大,范德华力越大,熔、沸点越高。

（2）①主要考查学生运用信息、模拟信息的能力,KI＋IBr===KBr＋I2。

②欲验证反应能否发生,实际上是证明是否有I2生成,检验I2生成的方法是向混合物中滴加几滴淀粉溶液,若变蓝,则反应能发生,否则,反应不能发生。

（3）依据图像给出的信息,随着相对分子质量的增加,熔点逐渐升高,计算ICl的相对分子质量,最小范围介于Br2和IBr的熔点之间。