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。