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2课时课时作.docx

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2课时课时作.docx

《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2课时课时作.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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2课时课时作.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

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2课时课时作

第2课时　原子晶体

[目标导航]　1.知道原子晶体的概念，能够从原子晶体的结构特点理解其物理特性。

2.学会晶体熔、沸点比较的方法。

一、原子晶体的概念及其性质

1．原子晶体

（1）概念：

相邻原子间以共价键相结合形成的具有空间立体网状结构的晶体，称为原子晶体。

（2）构成微粒：

原子晶体中的微粒是原子，原子与原子之间的作用力是共价键。

（3）常见的原子晶体：

①常见的非金属单质，如金刚石（C）、硼（B）、晶体硅（Si）、锗（Ge）等。

②某些非金属化合物，如碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）、二氧化硅（SiO2）等。

2．原子晶体的熔沸点变化规律

原子晶体的熔点高低与其内部结构密切相关：

对结构相似的原子晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。

【议一议】

1．“具有共价键的晶体叫做原子晶体”这种说法对吗？

为什么？

答案　不对。

如HCl、H2O、CO2、CH3CH2OH分子中都有共价键，而它们都是分子晶体；如金刚石、晶体Si、SiC、SiO2中都有共价键，它们都是原子晶体；只有相邻原子间以共价键相结合形成空间网状结构的晶体才是原子晶体。

二、典型的原子晶体

1．金刚石：

正四面体网状空间结构，C—C—C夹角为109°28′，成键碳原子采取sp3杂化。

特点：

①硬度最大、熔点高；②不溶于（填“溶于”或“不溶于”）一般的溶剂；③不能导电。

2．SiO2：

把金刚石晶体中的碳原子换为硅原子，每两个硅原子之间增加一个氧原子，即成SiO2的晶体结构。

【议一议】

2．原子晶体的化学式是否可以代表其分子式？

答案　不能。

因为原子晶体是一个三维的网状结构，无小分子存在。

3．以金刚石为例，说明原子晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同？

答案　

（1）组成微粒不同，原子晶体中只存在原子，没有分子。

（2）相互作用不同，原子晶体中存在的是共价键。

一、原子晶体

【例1】　下列晶体中，其中任何一个原子都被相邻四个原子包围，以共价键形成正四面体，并向空间伸展成网状结构的是（　　）

A．C60B．冰C．金刚石D．水晶

答案　C

解析　C60和冰都是分子晶体，不符合题意。

在金刚石中，每个碳原子周围都有四个等距离的碳原子与之形成正四面体结构，所以C项正确。

在水晶中，每个硅原子周围有四个氧原子以共价键与其相连形成正四面体结构，但是每个氧原子周围只有两个硅原子与之直接相连，因此D选项不符合题意。

规律总结

1．构成原子晶体的微粒是原子，其相互作用是共价键。

2．原子晶体中不存在单个分子，化学式仅仅表示的是物质中的原子个数比关系，不是分子式。

变式训练1　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

答案　D

解析　在金刚石中，碳原子以共价键结合成空间网状结构，不存在固定组成的分子。

由于碳的原子半径比较小，碳与碳之间的共价键键能高，所以金刚石的硬度很高。

因此A、B、C选项是正确的。

但是由于金刚石是碳的单质，所以可以在空气或氧气中燃烧生成CO2分子，故D选项的说法是错误的。

二、原子晶体的性质

【例2】　晶体硅（Si）和金刚砂（SiC）都是与金刚石相似的原子晶体，请根据下表中数据，分析其熔点、硬度的大小与其结构之间的关系。

晶体

键能/kJ·mol－1

键长/pm

熔点/℃

摩氏硬度

金刚石

（C—C）348

154

3900

10

金刚砂

（C—Si）301

184

2700

9.5

晶体硅

（Si—Si）226

234

1410

6.5

答案　键长越短，键能越大，熔点越高，硬度越大；反之，键长越长，键能越小，熔点越低，硬度越小。

解析　在原子晶体里，所有原子都以共价键相互结合，整块晶体是一个三维的共价键网状结构。

所以，影响原子晶体的熔点、硬度的主要因素就是共价键的键能大小，键能越大，原子晶体的熔点、硬度越高，而共价键的键能又与键长相关，一般来说，键长越短，键能越大，键长越长，键能越小。

规律总结

晶体熔、沸点和硬度的比较方法：

1．先判断晶体类型。

主要依据构成晶体的微粒及其微粒间的作用力。

对于不同类型的晶体，一般来说，原子晶体的熔、沸点高于分子晶体，原子晶体的硬度大于分子晶体。

2．对于同一类型的晶体

（1）原子晶体的熔点高低、硬度大小取决于共价键的强弱，原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越强，熔点越高。

（2）分子晶体的熔、沸点高低取决于分子间作用力，分子间作用力与相对分子质量有关，同时还要考虑分子极性及是否存在氢键。

变式训练2　据报道，有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。

据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。

其原因可能是（　　）

A．碳、氮原子构成平面结构的晶体

B．碳氮键比金刚石中的碳碳键更短

C．氮原子电子数比碳原子电子数多

D．碳、氮的单质的化学性质均不活泼

答案　B

解析　由“这种化合物可能比金刚石更坚硬”可知该晶体应该是一种原子晶体，原子晶体是一种空间网状结构而不是平面结构，所以A选项是错误的。

由于氮原子的半径比碳原子的半径要小，所以二者所形成的共价键的键长要比碳碳键的键长短，所以该晶体的熔点、沸点和硬度应该比金刚石更高，因此B选项是正确的。

而原子的电子数和单质的活泼性一般不会影响到所形成的晶体的硬度等，所以C、D选项也是错误的。

1．氮化硅（Si3N4）是一种新型的耐高温耐磨材料，在工业上有广泛用途，它属于（　　）

A．原子晶体B．分子晶体

C．金属晶体D．离子晶体

答案　A

解析　耐高温、耐磨是原子晶体的特点，故氮化硅（Si3N4）是原子晶体。

2．干冰和二氧化硅晶体同属第ⅣA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

B．C—O键键能比Si—O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

答案　C

解析　干冰和SiO2所属晶体类型不同，干冰为分子晶体，熔化时破坏分子间作用力；SiO2为原子晶体，熔化时破坏化学键，所以熔点较高。

3．二氧化硅晶体是空间立体网状结构，如图所示：

关于二氧化硅晶体的下列说法中，正确的是（　　）

A．1molSiO2晶体中Si—O键为2mol

B．二氧化硅晶体的分子式是SiO2

C．晶体中Si、O原子是外电子层都满足8电子结构

D．晶体中最小环上的原子数为8

答案　C

解析　A选项错误，SiO2晶体中，1个硅原子与周围4个氧原子形成Si—O键，所以1molSiO2晶体中Si—O键为4mol；B选项错误，晶体中1个硅原子与周围4个氧原子形成共价键，1个氧原子与周围2个硅原子形成共价键，SiO2表示晶体中Si、O原子个数比为1∶2，并不是分子式；C选项正确，1个硅原子分别与4个氧原子形成4对共用电子对，1个氧原子分别与2个硅原子形成2对共用电子对，所以Si、O原子最外电子层都满足8电子结构；D选项错误，晶体中最小环上硅与氧交替连接，SiO2晶体中最小环上的原子数为12，其中6个硅原子，6个氧原子。

4．下列物质熔点的比较正确的是（　　）

A．F2＞Cl2＞Br2B．金刚石＞P4＞O2

C．S＞HBr＞金刚石D．I2＞CH4＞冰

答案　B

解析　A项中F2、Cl2、Br2均是分子晶体，由相对分子质量可知熔点：

F2＜Cl2＜Br2；晶体类型不同时，一般是原子晶体的熔点大于分子晶体的熔点，在常温时P4为固体，O2为气体，所以B项正确；同理因为标准状况下HBr、CH4是气态，冰、I2、S是固态且C项中金刚石为原子晶体，所以C、D两项错误。

5．固体熔化时，必须破坏非极性共价键的是（　　）

A．冰B．晶体硅

C．溴D．二氧化硅

答案　B

解析　冰在融化时克服的是分子间作用力，晶体硅克服的是非极性共价键，溴克服的是分子间作用力，二氧化硅克服的是极性共价键。

选项B符合题意。

6．现有两组物质的熔点数据如表所示：

A组

B组

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组属于________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是_____________。

（2）B组中HF熔点反常是由于____________。

（3）B组晶体不可能具有的性质是________________。

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

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

解析　A组熔点很高，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，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。

[经典基础题]

1．氮化硼（BN）是一种新型结构材料，具有质硬、耐磨、耐高温等优良特性，下列各组物质熔化时，所克服的微粒间作用与氮化硼熔化时克服的微粒间作用都相同的是（　　）

A．硝酸钠和金刚石B．晶体硅和水晶

C．冰和干冰D．苯和萘

答案　B

解析　因为BN为原子晶体，熔化时克服的微粒间的相互作用是共价键。

A中硝酸钠为离子晶体；C、D中物质均为分子晶体，只有B中物质均为原子晶体。

2．根据下列性质判断，属于原子晶体的物质是（　　）

A．熔点2700℃，导电性好，延展性强

B．无色晶体，熔点3550℃，不导电，质硬，难溶于水和无机溶剂

C．无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800℃，熔化时能导电

D．熔点－56.6℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电

答案　B

解析　本题考查的是各类晶体的物理性质特征。

A项中延展性好，不是原子晶体的特征，因为原子晶体中原子与原子之间以共价键结合，而共价键有一定的方向性，使原子晶体质硬而脆，A项不正确；B项符合原子晶体的特征；C项符合离子晶体的特征；D项符合分子晶体的特征。

所以应该选择B项。

3．氮化碳结构如图，其中β氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。

下列有关氮化碳的说法不正确的是（　　）

A．氮化碳属于原子晶体

B．氮化碳中碳显－4价，氮显＋3价

C．氮化碳的化学式为C3N4

D．每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连

答案　B

解析　根据β氮化碳硬度超过金刚石晶体判断，氮化碳属于原子晶体，A项正确；氮的非金属性大于碳的非金属性，氮化碳中碳显＋4价，氮显－3价，B项错误；氮化碳的化学式为C3N4，每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连，C项和D项正确。

故答案为B项。

4．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．分子晶体中有的水溶液能导电

D．金刚石、水晶和干冰都属于原子晶体

答案　D

解析　由于原子晶体中粒子间以共价键结合，而分子晶体中分子间以分子间作用力结合，故原子晶体比分子晶体的熔、沸点高，硬度大。

有些分子晶体溶于水后能电离出自由移动的离子而导电，如H2SO4、HCl等；D选项中的干冰（CO2）是分子晶体，D错。

5．下列晶体性质的比较中不正确的是（　　）

A．熔点：

金刚石＞碳化硅＞晶体硅

B．沸点：

NH3＞PH3

C．硬度：

白磷＞冰＞二氧化硅

D．熔点：

SiI4＞SiBr4＞SiCl4

答案　C

解析　A项中三种物质都是原子晶体，因原子半径r（C）＜r（Si），所以键长：

C—C＜C—Si＜Si—Si，故键能：

C—C＞C—Si＞Si—Si。

键能越大，原子晶体的熔点越高，A项正确；因为NH3分子间存在氢键，所以NH3的沸点大于PH3的沸点，B项正确；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；四卤化硅为分子晶体，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。

6．有关晶体的下列说法中，正确的是（　　）

A．分子晶体中分子间作用力越大，分子越稳定

B．原子晶体中共价键越强，熔点越高

C．冰融化时水分子中共价键发生断裂

D．原子晶体中只存在极性共价键，不可能存在其他类型的化学键

答案　B

7．最近，美国科学家成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的原子晶体，下列关于CO2的原子晶体的说法，正确的是（　　）

A．CO2的原子晶体和分子晶体互为同素异形体

B．在一定条件下，CO2的原子晶体转化为分子晶体是物理变化

C．CO2的原子晶体和分子晶体具有相同的物理性质

D．在CO2的原子晶体中，每个碳原子周围结合4个氧原子，每个氧原子与2

个碳原子相结合

答案　D

解析　同素异形体的研究对象是单质；CO2的不同晶体类型之间的转变生成了新物质，故为化学变化；CO2的不同晶体具有不同的物理性质；CO2的原子晶体结构类似于SiO2，每个碳原子结合4个氧原子，每个氧原子结合2个碳原子。

8．下列晶体中，化学键种类相同，晶体类型也相同的是（　　）

A．SO2与SiO2B．CO2与H2O2

C．金刚石与HClD．CCl4与SiC

答案　B

解析　题目中所给八种物质属分子晶体的是SO2、CO2、H2O2、HCl、CCl4，属原子晶体的是SiO2、金刚石、SiC，只有B项符合。

9．金刚石与金刚砂（SiC）具有相似的晶体结构，在金刚砂的空间网状结构中，碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。

试回答：

（1）金刚砂属于________晶体。

金刚砂的熔点比金刚石熔点________。

（2）金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合________个碳原子，其中键角是__________。

（3）金刚砂的结构中含有共价键形成的原子环，其中最小的环上有________个硅原子。

（4）碳、硅原子均采取________杂化。

答案　

（1）原子　低　

（2）4　109°28′　（3）3　（4）sp3

解析　由于金刚砂是网状结构，碳原子、硅原子交替以共价单键相结合，故金刚砂是原子晶体；硅原子半径比碳原子大，故金刚砂熔点低；硅和碳电子层结构、成键方式相同，均采取sp3杂化，硅原子周围有4个碳原子，键角109°28′；组成的六元环中，有3个碳原子，3个硅原子。

[能力提升题]

10．下列说法正确的是（　　）

A．在含4molSi—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4NA

B．金刚石晶体中，碳原子数与C—C键数之比为1∶2

C．30g二氧化硅晶体中含有0.5NA个二氧化硅分子

D．晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的原子晶体

答案　B

解析　在二氧化硅晶体中，每个硅原子形成4个Si—O键，故含有4molSi—O键的二氧化硅晶体的物质的量为1mol，即含有2NA个氧原子，A项错误；金刚石中每个碳原子均与另外4个碳原子形成共价键，且每两个碳原子形成一个C—C键，故1mol碳原子构成的金刚石中共有2molC—C键，因此碳原子数与C—C键数之比为1∶2，B项正确；二氧化硅晶体中不存在分子，C项错误；氖晶体是由单原子分子靠分子间作用力结合在一起形成的，属于分子晶体，D项错误。

11．有X、Y、Z、W、M五种短周期元素，其中X、Y、Z、W同周期，Z、M同主族；X＋与M2－具有相同的电子层结构；离子半径：

Z2－＞W－；Y的单质晶体熔点高、硬度大，是一种重要的半导体材料。

下列说法中，正确的是（　　）

A．X、M两种元素只能形成X2M型化合物

B．由于W、Z、M元素的氢化物的相对分子质量依次减小，所以其沸点依次降低

C．元素Y、Z、W的单质晶体属于同种类型的晶体

D．元素W和M的某些单质可作为水处理中的消毒剂

答案　D

解析　本题的突破口是：

Y单质晶体熔点高、硬度大，是一种重要的半导体材料，即Y是Si。

根据X、Y、Z、W同周期，Z、M同主族，X＋与M2－具有相同的电子层结构知，M是O，Z是S，X为Na。

离子半径：

Z2－＞W－，则W为Cl。

即X、Y、Z、W、M分别对应的是：

Na、Si、S、Cl、O。

A项，X、M两种元素能形成Na2O和Na2O2两种化合物。

B项，W、Z、M元素的氢化物分别为HCl、H2S、H2O，相对分子质量依次减小，但由于水分子间存在氢键，故水的沸点最高。

C项，Y、Z、W的单质晶体分别属于原子晶体、分子晶体和分子晶体。

D项，W和M的单质Cl2、O3可作为水处理中的消毒剂。

故选D。

12．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Si—Si键之间的夹角大小约为________。

（3）下表列有三种物质（晶体）的熔点：

物质

SiO2

SiCl4

SiF4

熔点/℃

1710

－70.4

－90.2

简要解释熔点产生差异的原因：

①SiO2和SiCl4：

___________________________________________________；

②SiCl4和SiF4：

____________________________________________________。

答案　

（1）1s22s22p63s23p2　

（2）109°28′

（3）①SiO2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　②SiCl4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

解析　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Si—Si键之间的夹角大小约为109°28′。

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。

13．单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答：

金刚石

晶体硅

晶体硼

熔点/K

＞3550

1410

2573

沸点/K

5100

2628

2823

硬度

10

7.0

9.5

注：

硬度以金刚石的硬度为10为代表。

（1）晶体硼的晶体类型属于__________晶体。

（2）已知晶体硼的基本结构单元是由B原子构成的正二十面体（如图所示），其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点各有一个B原子。

通过观察图形及推算，可知此结构单元是由________个硼原子构成的，其中B—B键间的键角是__________（填角度）。

答案　

（1）原子　

（2）12　60°

解析　比较给出的金刚石、晶体硅及晶体硼的熔点数据，可得出晶体硼为原子晶体。

硼原子形成了正三角形，所以B—B键间的夹角为60°，由题中信息可以看出，要构成正二十面体，需要有20×3个顶点，同时又知每个顶点为五个正三角形所共用，故在该正二十面体中实际顶点（硼原子）数为

＝12，故此基本结构单元是由12个硼原子构成的。

14．下表是元素周期表中短周期的一部分，表中所列字母分别代表一种元素。

（1）上述元素的单质中熔点最高的可能是________（填字母）；dh4比gh4稳定，其原因是__________________________________________________________

_________________________________________________________________。

（2）f和a所形成的物质的沸点在f相应主族元素的同类型化合物中比较高，其原因是____________________________________________________________

_________________________________________________________________。

（3）f的氢化物属于________晶体，a与d形成的化合物da4的立体构型是________，它的晶体属于________晶体。

（4）c、i、j可组成离子化合物cxij6，其晶胞结构如下图所示，阳离子c＋（用○表示）位于正方体棱的中点和正方体内部；阴离子ij6x－（用●表示）位于该正方体的顶点和面心。

该化合物的化学式是____________。

答案　

（1）d　碳的原子半径比硅的原子半径小，C—Cl键的键能比Si—Cl键的键能大　

（2）水分子之间存在氢键　（3）分子　正四面体　分子　（4）Na3[AlF6]

解析　

（1）根据各元素在周期表中的位置，结合物质熔点规律可知d（碳元素）形成的单质熔点最高。

CCl4比SiCl4稳定，原因是碳的原子半径比硅的原子半径小，C—Cl键的键能比Si—Cl键的键能大；

（2）H2O的沸点比同主族其他元素的氢化物沸点高的原因是水分子间存在氢键；（3）f的氢化物（一般指水）属于分子晶体，a与d形成的化合物（CH4）其分子的空间构型是正四面体，它的晶体属于分子晶体；（4）在

晶胞中，含有阴、阳离子的数目比为1∶3，则化学式为Na3[AlF6]。

15．通常人们把形成1mol某化学键所释放的能量看成该化学键的键能。

键能的大小可以用于衡量化学键的强弱，也可以用于估算化学反应的反应热（ΔH），化学反应的ΔH等于反应中断裂的旧化学键的键能之和与反应中形成的新化学键的键能之和的差。

请根据下表中的数据回答下列问题：

化学键

Si—O

Si—Cl

H—H

H—Cl

Si—Si

Si—C

键能/kJ·mol－1

460

360

436

431

176

347

（1）比较下列两组物质的熔点高低（填“＞”或“＜”）：

SiC________Si；SiCl4________SiO2。

（2）如右图所示，立方体中心的“●”表示硅晶体中的一个原子，请在立方体的顶点用“●”表示出与之紧邻的硅原子。

（3）工业上高纯硅可通过下列反应制取：

SiCl4（g）＋2H2（g）

Si（s）＋4HCl（g）

该反应的反应热ΔH＝________kJ/mol。

答案　

（1）＞　＜　

（2）如下图所示　（3）236

解析　此题考查的是根据微粒间作用力的大小比较物质熔、沸点的高低及反应热的计算。

（1）SiC和Si均为原子晶体，熔、沸点由共价键的键能大小决定，由于E（Si—C）＞E（Si—Si），故破坏Si—C键比破坏Si—Si键所需能量高，即SiC熔点高。

（2）晶体硅的结构与金刚石相似，5个原子构成正四面体结构，其中1个位于四面体中心