学年高中化学第三章晶体结构与性质第二节分子晶体与原子晶体第1课时课时作业新人教版选修3.docx

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学年高中化学第三章晶体结构与性质第二节分子晶体与原子晶体第1课时课时作业新人教版选修3

第二节　分子晶体与原子晶体

第1课时　分子晶体

[目标导航]　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、分子晶体

1．分子晶体的概念及结构特点

（1）概念：

只含分子的晶体称为分子晶体。

（2）构成微粒及作用力

分子晶体

（3）微粒堆积方式

①若分子间作用力只有范德华力，则分子晶体有分子密堆积特征，即每个分子周围有12个紧邻的分子。

②分子间含有其他作用力，如氢键，则每个分子周围紧邻的分子要少于12个。

如冰中每个水分子周围只有4个紧邻的水分子。

2．常见的分子晶体

（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、SO3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。

【议一议】

1．所有分子晶体中是否均存在化学键，为什么？

答案　绝大多数分子晶体的微粒内部都存在化学键，如N2、H2O、SO2等分子内部都有共价键，而稀有气体为单原子分子，分子内部无化学键，分子之间以范德华力结合，所以并非分子晶体的分子内部都存在化学键。

二、常见的分子晶体

1．冰

（1）水分子之间的主要作用力是氢键，当然也存在范德华力。

（2）氢键有方向性，它的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子互相吸引。

2．干冰

（1）在常压下极易升华。

（2）干冰中的CO2分子间只存在范德华力而不存在氢键，一个CO2分子周围等距紧邻的CO2分子有12个。

【议一议】

2．观察下图冰和干冰的结构，回答下列问题。

（1）已知氢键也有方向性，试分析为什么冬季河水总是从水面上开始结冰？

（2）为什么冰融化为水时，密度增大？

（3）为什么干冰的熔沸点比冰低，密度却比冰大？

（4）干冰晶体中，每个CO2分子紧邻的CO2分子有几个？

如何判断？

若图乙为干冰的一个晶胞，则此晶胞中CO2的分子数是多少？

答案　

（1）由于氢键的方向性，使冰晶体中每个水分子与四面体顶角的4个分子相互吸引，形成空隙较大的网状晶体，密度比水小，所以结的冰会浮在水面上。

（2）在冰晶体中，每个分子周围只有4个紧邻的水分子，由于水分子之间的主要作用力是氢键，氢键跟共价键一样具有方向性，即氢键的存在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，这一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。

当冰刚刚融化为液态水时，热运动使冰的结构部分解体，水分子间的空隙减小，密度反而增大。

（3）由于冰中除了范德华力外还有氢键作用，破坏分子间作用力较难，所以熔沸点比干冰高。

由于水分子间氢键的方向性，导致冰晶体不具有分子密堆积特征，晶体中有相当大的空隙，所以相同状况下冰体积较大。

由于CO2分子的相对分子质量>H2O分子的相对分子质量，所以干冰的密度大。

（4）每个CO2分子紧邻12个CO2分子；三个互相垂直的平面上各4个；此晶胞中CO2分子数为4。

一、分子晶体及其判断

【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（　　）

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。

规律总结

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。

变式训练1　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。

二、分子晶体的物理性质及应用

【例2】　下列物质，按沸点降低顺序排列的一组是（　　）

A．HF、HCl、HBr、HI

B．F2、Cl2、Br2、I2

C．H2O、H2S、H2Se、H2Te

D．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。

规律总结

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。

变式训练2　下列有关分子晶体熔点高低的叙述中，正确的是（　　）

A．氯气＞碘单质

B．四氯化硅＞四氟化硅

C．NH3＜PH3

D．异戊烷＞正戊烷

答案　B

解析　A、B选项属于无氢键存在，分子结构相似的情况，相对分子质量大的物质熔、沸点高；C选项属于有氢键存在，分子结构相似的情况，存在氢键的物质熔、沸点高；D选项属于相对分子质量相同的同分异构体，支链多的物质熔、沸点低。

1．下列晶体中，不是分子晶体的是（　　）

A．氯化铵B．硫酸

C．氦气D．三氧化硫

答案　A

2．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。

3．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，所以D选项也是错误的。

4．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，他们认为属于分子晶体的是（　　）

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，所以B项正确，A、C、D三项错误。

5．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。

6．Q、R、X、Y、Z为前20号元素中的五种，Q的低价氧化物与X单质分子的电子总数相等，R与Q同族，Y和Z的离子与Ar原子的电子层结构相同且Y的原子序数小于Z。

（1）Q的最高价氧化物，其固态属于____________晶体，俗名叫____________。

（2）R的氢化物分子的空间构型是____________，属于____________分子（填“极性”或“非极性”）。

（3）X的常见氢化物的立体构型是____________；它的另一氢化物X2H4是一种火箭燃料的成分，其电子式是____________。

（4）Q分别与Y、Z形成的共价化合物的化学式是____________和____________；Q与Y形成的分子的电子式是____________，属于____________分子（填“极性”或“非极性”）。

答案　

（1）分子　干冰

（2）正四面体形　非极性

（3）三角锥形　

解析　根据问题（4）中Q和Y、Z能形成共价化合物，则Y和Z为非金属元素，又由于Y和Z的离子与Ar原子的电子层结构相同，且Y的原子序数小于Z，因此Y和Z分别为S和Cl。

根据问题（3）X的氢化物X2H4是一种火箭燃料的成分，因此X为N，Q的低价氧化物与N2的电子数相同，因此Q为C，R与Q又在同族，因此R为Si。

（1）Q为C，其最高价氧化物为CO2，为分子晶体，俗名为干冰。

（2）R为Si，其氢化物为SiH4，因此空间构型是正四面体结构，非极性分子。

（3）N的常见氢化物为NH3，空间构型为三角锥形，N2H4的结构式为

，因此其电子式为

。

（4）C分别和S、Cl形成的共价化合物为CS2、CCl4，CS2和CO2结构相同，都是直线形非极性分子，其结构式为s==c==s，因此其电子式为

。

[经典基础题]

1．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

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；而金属氧化物通常为离子化合物，属离子晶体。

故C正确。

3．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。

4．下列物质在室温下均是分子晶体的是（　　）

A．H2O、CH4、HF

B．红磷、硫、碘

C．CO2、SO2、NO2

D．H2SO4、CH3CH2OH、HCHO

答案　B

5．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．4

C．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。

6．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　水分子间可以形成氢键，从而使该物质的熔、沸点升高。

7．已知氯化铝易溶于苯和乙醚，其熔点为190℃，则下列结论不正确的是（　　）

A．氯化铝是电解质

B．固态氯化铝是分子晶体

C．固态氯化铝是离子晶体

D．氯化铝为非极性分子

答案　C

8．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（　　）

A．N60易溶于水

B．N60是一种分子晶体，有较高的熔点和硬度

C．N60的熔点高于N2

D．N60的稳定性比N2强

答案　C

解析　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、熔沸点较低。

分子晶体相对分子质量越大，熔沸点越高。

单质一般是非极性分子，难溶于水这种极性溶剂，因此A、B项错误，C项正确。

N2分子以NN结合，N60分子中只存在N—N，而NN比N—N牢固得多，所以D项错误。

9．下列分子晶体在熔化时，只破坏范德华力的是________，既破坏范德华力，又破坏氢键的是________。

①H2　②O2　③P4（白磷）　④SO2　⑤CO2　⑥H2O2　⑦HF　⑧H2N—CH2CH2COOH　⑨C2H6

答案　①②③④⑤⑨　⑥⑦⑧

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键中的任何一个键，在熔化时其中的氢键被破坏。

[能力提升题]

10．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，右图所示为（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角）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。

11．自从英国化学家巴特列（N.Bartlett）首次合成了第一种稀有气体的化合物XePtF6以来，人们又相继发现了氙的一系列化合物，如XeF2、XeF4等。

巴特列为开拓稀有气体化学作出了历史性贡献。

（1）请根据XeF4的结构示意图（下图1）判断这个分子是极性分子还是非极性分子？

__________。

（2）XeF2晶体是一种无色晶体，下图2为它的晶胞结构图。

XeF2晶体属于哪种类型的晶体？

________。

　图1　　　　　　　　图2）

答案　

（1）非极性分子　

（2）分子晶体

解析　由其结构示意图可知，XeF4是非极性分子，XeF2是分子晶体。

12．

（1）比较下列化合物熔沸点的高低（填“＞”或“＜”）。

①CO2________SO2

②NH3________PH3

③O3________O2

④Ne________Ar

⑤CH3CH2OH________CH3OH

⑥CO________N2

（2）已知AlCl3的熔点为190℃（2.202×105Pa），但它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______________________。

答案　

（1）①＜　②＞　③＞　④＜　⑤＞　⑥＞

（2）①分子　②在熔融状态下，验证其是否导电，若不导电是共价化合物

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，较容易比较六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，若不导电是共价化合物，导电则是离子化合物。

13．Ⅰ.已知A、B、C、D四种分子所含原子的数目依次为1、3、6、6，且都含有18个电子，B、C是由两种元素的原子组成，且分子中两种原子的个数比均为1∶2。

D是一种有毒的有机物。

（1）组成A分子的原子的元素符号是________。

（2）从B分子的立体结构判断，该分子属于________分子（填“极性”或“非极性”）。

（3）C分子中都包含________个σ键，________个π键。

（4）D的熔、沸点比C2H6的熔、沸点高，其主要原因是（需指明D是何物质）：

________。

Ⅱ.CO的结构可表示为CO，N2的结构可表示为NN。

（5）下表是两者的键能数据：

（单位：

kJ·mol－1）

A—B

A===B

AB

CO

357.7

798.9

1071.9

N2

154.8

418.4

941.7

结合数据说明CO比N2活泼的原因：

__________________________________。

Ⅲ.Fe、Co、Ni、Cu等金属能形成配合物与这些金属原子的电子层结构有关。

（6）基态Ni原子的核外电子排布式为________，基态Cu原子的价电子排布式为________。

（7）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）。

答案　Ⅰ.

（1）Ar　

（2）极性　（3）5　0　（4）D是CH3OH，分子之间能形成氢键

Ⅱ.（5）CO中断裂1molπ键需吸收能量273kJ，N2中断裂1molπ键需吸收能量523.3kJ，所以CO分子中的π键比N2分子中的π键更容易发生反应

Ⅲ.（6）1s22s22p63s23p63d84s2　3d104s1　（7）分子晶体

解析　

（1）18个电子的单原子分子是氩。

（2）B是由两种元素的3原子构成的含有18个电子的分子，则B是H2S，是极性分子。

（3）C是由两种元素的6原子构成的含有18个电子的分子，原子个数比为1∶2，则C是N2H4，N原子采取sp3杂化，分子内有5个σ键，无π键。

（4）D是由6原子构成的含有18个电子有毒的有机物，应是甲醇。

CH3OH分子之间能形成氢键，因此熔、沸点比C2H6的熔、沸点高。

（5）CO分子中的一个π键的键能＝1071.9kJ·mol－1－798.9kJ·mol－1＝273kJ·mol－1。

N2分子内的一个π键的键能＝941.7kJ·mol－1－418.4kJ·mol－1＝523.3kJ·mol－1，键能越大越稳定，CO分子中的π键比N2更容易断裂，所以CO比N2活泼。

（6）基态Ni原子的核外电子排布式是1s22s22p63s23p63d84s2，基态Cu原子的价电子排布式为3d104s1。

（7）Fe（CO）5熔、沸点低，易溶于非极性溶剂，是分子晶体。

14．溴化碘（IBr）是一种卤素互化物。

它有很高的化学活性，有许多性质跟卤素单质很相似。

它在常温、常压下是深红色固体，熔点为41℃，沸点为116℃。

固体溴化碘是________晶体，含有________键。

溴化碘与水反应，生成一种无氧酸和一种含氧酸，反应方程式是_________________________________。

答案　分子　极性共价　IBr＋H2O===HBr＋HIO

15．已知X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42。

X元素原子的4p轨道上有3个未成对的电子，Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子。

X跟Y可形成化合物X2Y3，Z元素可以形成负一价离子。

请回答下列问题：

（1）X元素原子基态时的电子排布式为____________，该元素的符号是________；

（2）Y元素原子的价层电子排布图为____________，该元素的名称是________；

（3）X与Z可形成化合物XZ3，该化合物的立体构型为________；

（4）已知化合物X2Y3在稀硫酸溶液中可被金属锌还原为XZ3，产物还有ZnSO4和H2O，该反应的化学方程式是________________________；

（5）比较X的氢化物与同族第二、第三周期元素所形成的氢化物稳定性、沸点高低并说明理由___________________________________________________

________________________________________________________________。

答案　

（1）1s22s22p63s23p63d104s24p3　As

（2）

　氧

（3）三角锥形

（4）As2O3＋6Zn＋6H2SO4===2AsH3↑＋6ZnSO4＋3H2O

（5）稳定性：

NH3＞PH3＞AsH3，因为键长越短，键能越大，化合物越稳定；沸点：

NH3＞AsH3＞PH3，NH3可形成分子间氢键，沸点最高，AsH3相对分子质量比PH3大，分子间作用力大，因而AsH3比PH3沸点高

解析　

（1）由X元素原子4p轨道上有3个未成对电子可知，X元素原子基态时电子排布为1s22s22p63s23p63d10

4s24p3，为As元素；

（2）Y元素原子最外层2p轨道上有2个未成对电子，结合题意可知就为氧元素，则其价层电子排布图为

；由X、Y和Z三种元素的原子序数之和为42可知Z为H元素。

（3）AsH3与NH3结构类似，立体构型应为三角锥形。

（4）结合题干中信息写出反应物和生成物，再根据电子守恒法配平该化学方程式。

（5）其氢化物分别为NH3、PH3、AsH3。

其稳定性由化学键决定，键能越大，化合物越稳定；沸点由分子间作用力（含氢键）决定。