第三章第二节第1课时 分子晶体.docx
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第三章第二节第1课时分子晶体
第二节 分子晶体与原子晶体
第1课时 分子晶体
1.了解分子晶体的概念及其结构。
2．进一步理解分子间作用力对物质性质的影响，掌握分子晶体的物理性质及其影响因素。
分子晶体的概念和性质[学生用书P39]
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．常见的分子晶体
（1）所有非金属氢化物，如水、硫化氢、氨、甲烷等。
（2）部分非金属单质，如卤素（X2）、氧（O2）、硫（S8）、氮（N2）、白磷（P4）、碳60（C60）等。
（3）部分非金属氧化物，如CO2、SO2、SO3、P4O6、P4O10等。
（4）几乎所有的酸，如H2SO4、HNO3、H3PO4、
H2SiO3等。
（5）绝大多数有机物的晶体，如苯、乙醇、乙酸、葡萄糖等。
3．分子晶体的物理性质
分子晶体熔、沸点较低，硬度较小。
1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。
（1）分子晶体中，一定存在共价键和分子间作用力。
（ ）
（2）酸性氧化物都属于分子晶体。
（ ）
（3）分子晶体熔化时一定会破坏范德华力，有些分子晶体还会破坏氢键。
（ ）
（4）有些分子晶体的水溶液能导电。
（ ）
（5）分子晶体的熔、沸点越高，分子晶体中共价键的键能越大。
（ ）
（6）因水分子间存在着比分子间作用力更强的作用力——氢键，故水分子较稳定。
（ ）
（7）沸点：
H2O＞H2S＞H2Se。
（ ）
答案：
（1）×
（2）× （3）√ （4）√ （5）× （6）× （7）×
2．（2019·哈尔滨测试）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、P4、C10H8
B．PCl3、CO2、H2SO4
C．SO2、SiO2、P2O5
D．CCl4、H2O、Na2O2
解析：
选B。
A中，P4（白磷）为单质，不是化合物；C中，SiO2为原子晶体；D中，Na2O2是金属氧化物，不是分子晶体。
1．分子晶体的物理性质
（1）分子晶体具有较低的熔、沸点和较小的硬度。
分子晶体熔化时要破坏分子间作用力，由于分子间作用力很弱，所以分子晶体的熔、沸点一般较低，部分分子晶体易升华（如干冰、碘、红磷、萘等），且硬度较小。
（2）分子晶体不导电。
分子晶体在固态和熔融状态下均不存在自由离子或自由电子，因而分子晶体在固态和熔融状态下都不能导电。
有些分子晶体的水溶液能导电，如HI、乙酸等。
（3）分子晶体的溶解性一般符合“相似相溶”规律，即极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂。
2．分子晶体的特例与熔、沸点高低的判断
（1）稀有气体
稀有气体单质是由原子直接构成的分子晶体，无化学键，晶体中只有分子间作用力。
（2）分子晶体熔、沸点高低的判断
①组成和结构相似、不含氢键的分子晶体，相对分子质量越大，分子间作用力越强，熔、沸点越高。
如I2＞Br2＞Cl2＞F2，HI＞HBr＞HCl。
②组成和结构不相似的分子晶体（相对分子质量接近），分子的极性越大，熔、沸点越高。
如CH3OH＞CH3CH3。
③含有分子间氢键的会导致熔、沸点反常升高。
如H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S。
④对于有机物中同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。
⑤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。
如C2H6＞CH4，C2H5Cl＞CH3Cl，CH3COOH＞HCOOH。
在解释下列物质性质的变化规律与物质结构间的因果关系时，可用范德华力解释的是（ ）
A．HF、HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱
B．F2、Cl2、Br2、I2的熔、沸点依次升高
C．金刚石的熔点高于晶体硅
D．C2H5OH的沸点比CH3—O—CH3的高
[解析] F2、Cl2、Br2、I2的相对分子质量依次增大，分子间的范德华力也依次增大，所以其熔、沸点也依次增大，B项符合题意；CH3—O—CH3的沸点比C2H5OH的低，是由于C2H5OH分子间形成氢键；HF、HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱，是由于H—X（X＝F、Cl、Br、I）键的键能依次减小；键能：
C—C键＞Si—Si键，所以金刚石的熔点高于晶体硅。
[答案] B
（1）分子晶体由于是通过分子间作用力结合在一起的，所以通常情况下熔、沸点较低，因此，可以通过熔、沸点的高低判断是否是分子晶体。
（2）组成相似的物质晶体类型一般也相同，因此同主族元素的化合物在比较时要特别注意这一方法的利用，如CO2和CS2的比较；但也有特例，如CO2和SiO2晶体类型并不相同。
分子晶体的概念
1．下列说法中错误的是（ ）
A．只含分子的晶体一定是分子晶体
B．所有的非金属氢化物都属于分子晶体
C．几乎所有的酸都属于分子晶体
D．碘升华时破坏了共价键
解析：
选D。
碘升华时，只破坏了分子间的范德华力，分子中的I—I键未被破坏（升华时I2分子不变）。
2．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．分子晶体全部为化合物
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，分子间通过范德华力结合成晶体，分子内不存在任何化学键，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氮、氧、氟原子结合的氢原子的分子之间或者分子之内，故B项正确，C项错误；部分非金属单质也是分子晶体，故D项错误。
分子晶体的特性
3．（2019·南昌高二检测）下列性质适合于分子晶体的是（ ）
①熔点为1070℃，易溶于水，水溶液导电
②熔点为10.31℃，液态不导电，水溶液导电
③能溶于CS2，熔点为112.8℃，沸点为444.6℃
④熔点为97.81℃，质软，导电，密度为0.97g·cm－3
A．①④ B．②③
C．①③D．②④
解析：
选B。
分子晶体熔、沸点低，硬度小，不导电，故①④错误，选B。
4．下列分子晶体的熔、沸点由高到低的顺序是（ ）
①HCl ②HBr ③HI ④CO ⑤N2 ⑥H2
A．①②③④⑤⑥B．③②①⑤④⑥
C．③②①④⑤⑥D．⑥⑤④③②①
解析：
选C。
相对分子质量越大，分子间的范德华力越大，分子晶体的熔、沸点越高，相对分子质量接近的分子，极性越强，熔、沸点越高，故④＞⑤。
典型的分子晶体（冰、干冰）的结构和性质[学生用书P40]
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。
2．冰晶体
（1）冰晶体的结构：
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原子周围都有四个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。
其结构可用下图表示。
（2）冰晶体的性质：
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。
3．干冰
（1）干冰的结构：
固态CO2称为干冰，干冰也是分子晶体。
CO2分子内存在C===O共价键，分子间存在分子间作用力，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）干冰的性质：
干冰的外观很像冰，硬度也跟冰相似，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。
（2019·济宁高二质检）下列有关冰和干冰的叙述不正确的是（ ）
A．干冰和冰都是由分子密堆积形成的晶体
B．冰晶体中每个水分子周围只有4个紧邻的水分子
C．干冰比冰的熔点低得多，常压下易升华
D．干冰中只存在范德华力不存在氢键，一个分子周围有12个紧邻的分子
解析：
选A。
干冰晶体中CO2分子间作用力只是范德华力，分子采取密堆积，一个分子周围有12个紧邻的分子；冰晶体中水分子间除了范德华力之外还存在氢键，由于氢键具有方向性和饱和性，故每个水分子周围只有4个紧邻的水分子，采取非密堆积的方式，空间利用率小，因而密度小。
干冰熔化只需克服范德华力，冰融化需要克服范德华力和氢键，由于氢键作用力比范德华力大，所以干冰比冰的熔点低得多，而且常压下易升华。
冰、干冰晶体结构
（1）水分子间主要作用力是氢键，具有特殊性。
冰的晶体结构如图。
冰晶体中，每个水分子与其他4个水分子形成氢键，每个水分子平均形成2个氢键（每个氢键由2个水分子均摊，故4×
＝2）。
（2）干冰晶体的结构代表了分子晶体结构的普遍性，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。
（1）如图为干冰的晶体结构示意图。
通过观察分析，每个CO2分子周围紧邻等距离的CO2分子有________个，有________种取向不同的CO2分子。
将CO2分子视作质点，设晶胞边长为apm，则紧邻的两个CO2分子的距离为________pm。
（2）在冰晶体中，水分子之间的主要作用力是________，还有________，由于其主要作用力与共价键一样具有________性，故1个水分子周围只能有________个紧邻的水分子，这些水分子位于________的顶角。
这种排列方式使冰晶体中水分子的空间利用率________（填“较大”或“较小”），故冰的密度比水的密度要________（填“大”或“小”）。
[解析] 观察并分析干冰和冰的晶体结构，可知在干冰晶体中，CO2分子排列为面心立方堆积，顶角为一种取向，三对平行面分别为三种不同取向。
离顶角的CO2分子最近的是面心的分子，两者的距离为面对角线的一半，即
apm。
每个CO2分子周围紧邻等距离的CO2共有12个。
在冰晶体中，水分子间的主要作用力是氢键，氢键具有方向性，1个水分子周围只有4个紧邻的水分子，使冰晶体中水分子的空间利用率小，密度较小。
[答案]
（1）12 4
a
（2）氢键 范德华力 方向 4 四面体 较小 小
冰晶体中的主要作用力是氢键，氢键具有方向性，可形成如图的构架形式，则该晶体中每个水分子有________个氢键。
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，故每个水分子中氢键个数为4×
＝2。
答案：
2
冰、干冰的结构特征
1．（2019·江西师大附中高二检测）
（1）水分子的立体构型是________，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（其晶胞结构如图所示，其中空心球所示原子位于立方体的顶角或面心，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键能为18.5kJ·mol－1，而冰的熔化热为5.0kJ·mol－1，这说明
________________________________________________________________________。
解析：
（1）根据水分子的结构可知：
水分子中的氧原子只能提供形成配位键所需的孤电子对。
（2）晶胞中的每个碳原子相当于一个水分子，晶胞中占有水分子数为8×
＋6×
＋4＝8。
因金刚石中每个碳原子与4个碳原子成键，故C、O均为sp3杂化，空间构型相同，晶体中微粒（H2O、C）的排列方式相同。
（3）由能量变化可判断氢键只有部分断裂。
答案：
（1）V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）冰融化为液态水时只是破坏了部分氢键，也说明液态水中仍存在氢键
2．中学教材上介绍的干冰晶体的晶胞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
解析：
选C。
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。
重难易错提炼
1.晶体冰中每个水分子可以与紧邻的4个水分子形成氢键（不是2个）；每个水分子平均形成2个氢键（不是4个）。
2.冰晶胞的结构和金刚石的晶胞结构相似，每个晶胞平均拥有8个水分子。
晶体中C、O均采用sp3杂化，均与4个其他原子形成四面体结构单元，因此，冰晶胞的结构与金刚石的晶胞结构有一定的相似性。
3.冰、氢氟酸中均有氢键，且O—H…O比F—H…F弱，但水的沸点更高，其原因是平均每个水分子形成的氢键数比HF多。
4.晶体冰的密度比液态水的小。
这是因为晶体冰中水分子形成的氢键具有方向性，使得冰晶体中水分子的空间利用率变小。
课后达标检测[学生用书P79（单独成册）]
[基础巩固]
1．支持固态氨是分子晶体的事实是（ ）
A．氮原子不能形成阳离子
B．铵根离子不能单独存在
C．常温下氨是气态物质
D．氨极易溶于水
解析：
选C。
分子晶体的熔点和沸点一般比较低，常温下有可能是气态，而其他晶体常温下不可能是气态。
注意D不能选，因为离子晶体也有可能极易溶于水。
2．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、C10H8
B．PCl3、CO2、H2SO4
C．SO2、SiO2、P2O5
D．CCl4、Na2S、H2O2
解析：
选B。
A中HD为单质，不是化合物；C中SiO2不是分子晶体，D中Na2S不是分子晶体。
3．科学家发现的C60是一种新型分子，它具有空心、类似于足球的结构。
最近科学家又发现另一种分子“N60”，它与C60的结构相似，在高温或机械撞击时，其积蓄的巨大能量会在一瞬间释放出来。
下列关于N60的说法正确的是（ ）
A．N60是由共价键结合而成的空心球状结构，是一种分子晶体
B．N60和14N都是氮的同位素
C．N60与NO2互为同素异形体
D．N60不可能成为很好的火箭燃料
解析：
选A。
A项，由于C60晶体为分子晶体，而N60结构与之相似，故N60也为分子晶体；B项，同位素是质子数相同中子数不同的同种元素的不同核素，N60是一种分子而非核素；C项，同素异形体是指同种元素形成的不同单质；D项，N60在高温或机械撞击时，其积蓄的巨大能量会在一瞬间释放出来，故N60可能成为很好的火箭燃料。
4．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
解析：
选C。
非金属单质中金刚石、晶体硅等均为原子晶体，非金属氧化物中的二氧化硅为原子晶体，大多数金属氧化物不是分子晶体，只有含氧酸一定为分子晶体。
5．SiCl4的分子结构与CCl4类似，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分子是由极性键形成的分子
D．SiCl4的熔点高于CCl4
解析：
选B。
SiCl4的相对分子质量高于CCl4，熔、沸点应高于CCl4，常温二者均为液体。
6．下列分子晶体，关于熔、沸点高低的比较中正确的是（ ）
A．Cl2＞I2B．CCl4＞CF4
C．PH3＞NH3D．CO2＞H2O
解析：
选B。
A项和B项分别是结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔、沸点越高，A项错误，B项正确；C项，NH3分子间存在氢键，晶体的熔、沸点较高，C项错误；D项可结合实际，CO2在常温下是气体，H2O在常温下是液体，H2O的熔、沸点高一些，D项错误。
7．下列事实与氢键有关的是（ ）
A．水加热到很高的温度都难以分解
B．CH4、SiH4、GeH4、SnH4的沸点随相对分子质量的增大而升高
C．H2O、H2S、H2Se、H2Te的热稳定性依次减弱
D．冰的密度比液态水小
解析：
选D。
分子的稳定性取决于分子内部的共价键的强弱，与氢键无关，第ⅣA族的氢化物不能形成氢键，其沸点变化规律取决于相对分子质量，也与氢键无关。
8．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
解析：
选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，构成四面体，故B项正确。
9．某化学兴趣小组，在学习了分子晶体后，查阅了几种氯化物的熔、沸点，记录如下：
氯化物
NaCl
MgCl2
AlCl3
SiCl4
CaCl2
熔点/℃
801
712
190
－68
782
沸点/℃
1465
1418
178
57
1600
根据表中数据分析，属于分子晶体的是（ ）
A．NaCl、MgCl2、CaCl2B．AlCl3、SiCl4
C．NaCl、CaCl2D．全部
解析：
选B。
分子晶体中，分子与分子之间以分子间作用力相结合，而分子间作用力较弱，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NaCl、MgCl2、CaCl2的熔、沸点很高，不属于分子晶体，AlCl3、SiCl4的熔、沸点较低，应为分子晶体，所以B项正确，A、C、D项错误。
10．
（1）Fe（CO）5常温下呈液态，熔点为－20.5℃，沸点为103℃，易溶于非极性溶剂，据此可判断Fe（CO）5晶体属于________（填晶体类型）。
（2）三氯化铁常温下为固体，熔点为282℃，沸点为315℃，在300℃以上易升华，易溶于水，也易溶于乙醚、丙酮等有机溶剂。
据此判断三氯化铁晶体类型为________（填晶体类型）。
解析：
由于分子间作用力很弱，分子晶体汽化或熔融时，只需克服分子间的作用力，不破坏化学键，所以分子晶体一般具有较低的熔点和沸点，较小的硬度，易升华，有较强的挥发性等特点。
答案：
（1）分子晶体
（2）分子晶体
11．
（1）比较下列化合物熔、沸点的高低（填“>”或“<”）。
①CO2________SO2；②NH3________PH3；
③O3__________O2；④Ne________Ar。
（2）已知AlCl3的熔点为190℃（2.202×105Pa），但它在180℃即开始升华。
请回答：
①AlCl3固体是________晶体；
②设计一个可靠的实验，判断氯化铝是离子化合物还是共价化合物。
你设计的实验是________________________________________________________________________。
解析：
（1）各组物质均为分子晶体，根据分子晶体熔、沸点的判断规律，较容易比较四组物质熔、沸点的高低。
（2）由AlCl3的熔点低以及在180℃时开始升华判断AlCl3晶体为分子晶体。
若验证一种化合物是共价化合物还是离子化合物，可测其熔融状态下是否导电，若不导电则是共价化合物，若导电则是离子化合物。
答案：
（1）①< ②> ③> ④<
（2）①分子 ②在熔融状态下，检验AlCl3是否导电，若不导电则AlCl3是共价化合物
[能力提升]
12．六氟化硫分子为正八面体构型（分子结构如图所示），难溶于水，在高温下仍有良好的绝缘性，在电器工业方面具有广泛用途。
下列推测正确的是（ ）
A．SF6各原子均达8电子稳定结构
B．SF6易燃烧生成SO2
C．SF6分子是含有非极性键的非极性分子
D．SF6是分子晶体
解析：
选D。
据信息六氟化硫分子为正八面体构型知SF6为分子晶体；据信息六氟化硫分子在高温下仍有良好的绝缘性，说明SF6不易燃；据图知S原子不是8电子稳定结构。
综上所述选D。
13．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
解析：
选B。
由A、B元素都在第三周期，并且所有原子最外层都达到8电子的稳定结构，可知A为Cl元素，B为Al元素，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。
14．（2019·合肥高二检测）AB型化合物形成的晶体结构多种多样。
如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．①③B．②⑤
C．⑤⑥D．③④⑤⑥
解析：
选B。
从各图中可以看出②⑤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。
15．
（1）德国和美国科学家制出了由20个碳原子构成的空心笼状分子C20，该笼状结构是由许多正五边形构成的（如图所示）。
C20分子共有________个正五边形，共有________个共价键，C20晶体属于________晶体。
（2）目前科学家拟合成一种“二重结构”的球形物质，即把足球形C60分子容纳在足球形Si60分子中，外面的硅原子与里面的碳原子以共价键相结合。
下列关于这种物质的叙述不正确的是________（填序号）。
A．该物质是一种新型化合物
B．该物质是两种单质组成的混合物
C．该晶体属于分子晶体
D．该物质具有极高的熔、沸点
解析：
（1）根据“由20个碳原子构成的空心笼状分子”可判断该物质一定是分子晶体。
根据其结构可知每个碳原子形成3个C—C键，每个共价键被2个碳原子共用，所以含有的共价键数是
＝30。
因为每个共价键被2个正五边形共用，所以平均每个正五边形含有的共价键数是
＝2.5，故C20分子共有
＝12个正五边形。
（2）该物质是一种“二重结构”的球形物质，碳原子和硅原子间形成共价键，因此它是一种新型化合物，故A项正确、B项错误；该晶体是由分子构成的，属于分子晶体，熔、沸点较低，故C项正确，D项错误。
答案：
（1）12 30 分子
（2）BD
16．水分子间存在一种“氢键”的作用（作用力介于范德华力与化学键之间），彼此结合而形成（H2O）n。
在冰中每个水分子被4个水分子包围形成变形的正四面体，通过“氢键”相互连接成庞大的分子晶体。
（1）1mol冰中有__________mol“氢键”。
（2）水蒸气中常含有部分（H2O）2，要确定（H2O）2的存在，可采用的方法是________。
A．把1L水蒸气冷凝后与足量金属钠反应，测产生氢气的体积
B．把1L水蒸气通过浓硫酸后，测浓硫酸增重的质量
C．该水蒸气冷凝后，测水的pH
D．该水蒸气冷凝后，测氢氧原子个数比
（3）
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