新版高中化学 第3章 物质的聚集状态与物质性质 第3节 原子晶体与分子晶体 第2课时学案 鲁科版选修.docx

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新版高中化学第3章物质的聚集状态与物质性质第3节原子晶体与分子晶体第2课时学案鲁科版选修

第2课时　分子晶体

[学习目标定位]　1.了解分子晶体的概念、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。

3.会比较判断晶体类型。

一、分子晶体及其结构特点

1．概念及微粒间的作用

（1）概念：

分子间通过分子间作用力相结合形成的晶体叫分子晶体。

（2）微粒间的作用：

分子晶体中相邻分子之间以分子间作用力相互吸引。

2．分子晶体的结构特点

（1）碘晶体的晶胞是一个长方体，在它的每个顶点上有1个碘分子，每个面上有1个碘分子，每个晶胞从碘晶体中分享到4个碘分子。

氯单质、溴单质的晶体结构与碘晶体的结构非常相似，只是晶胞的大小不同而已。

（2）干冰晶体是一种面心立方结构，在它的每个顶点和面心上各有1个CO2分子，每个晶胞中有4个CO2分子。

干冰晶体每个CO2分子周围，离该分子最近且距离相等的CO2分子有12个。

（3）在冰晶体中，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，比较松散。

在冰晶体中，每个水分子中的每个氧原子周围都有4个氢原子，氧原子与其中的两个氢原子通过共价键结合，而与属于其他水分子的另外两个氢原子靠氢键结合在一起。

（1）分子晶体的结构特点

若分子间不存在氢键，则分子晶体的微粒排列时尽可能采用紧密堆积方式；若分子间存在氢键，由于氢键具有方向性和饱和性，则晶体不能采用紧密堆积方式。

（2）常见的分子晶体

①所有非金属氢化物：

H2O、NH3、CH4、H2S等。

②多数非金属单质：

卤素（X2）、O2、N2、白磷（P4）、红磷、硫、稀有气体等。

③多数非金属氧化物：

CO2、SO2、SO3、P2O5等。

④几乎所有的酸：

H2SO4、CH3COOH、H3PO4等。

⑤绝大多数有机物：

乙醇、蔗糖等。

（3）分子晶体的性质

①分子晶体一般具有较低的熔点和沸点，较小的硬度、较强的挥发性。

②分子晶体在固态、熔融时均不导电。

③不同的分子晶体在溶解度上存在较大差别，并且同一分子晶体在不同的溶剂中溶解度也有较大差别。

提醒　

（1）稀有气体固态时形成分子晶体，微粒之间只存在分子间作用力，分子内不存在化学键。

（2）分子晶体汽化或熔融时，克服分子间作用力，不破坏化学键。

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、C10H8

B．PCl3、CO2、H2SO4

C．SO2、SiO2、P2O5

D．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。

例2

　下表列举了几种物质的性质，据此判断属于分子晶体的物质是________。

物质

性质

X

熔点为10.31℃，液态不导电，水溶液导电

Y

易溶于CCl4，熔点为11.2℃，沸点为44.8℃

Z

常温下为气态，极易溶于水，溶液pH>7

W

常温下为固体，加热变为紫红色蒸气，遇冷变为紫黑色固体

M

熔点为1170℃，易溶于水，水溶液导电

N

熔点为97.81℃，质软，导电，密度为0.97g·cm－3

答案　X、Y、Z、W

解析　分子晶体熔、沸点一般比较低，硬度较小，固态不导电。

M的熔点高，肯定不是分子晶体；N是金属钠的性质；X、Y、Z、W均为分子晶体。

规律总结

分子晶体具有熔、沸点较低，硬度较小，固态、熔融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。

例3

　下图为冰晶体的结构模型，大球代表O，小球代表H。

下列有关说法正确的是（　　）

A．冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体

B．冰晶体具有空间网状结构，是原子晶体

C．水分子间通过H—O键形成冰晶体

D．冰融化时，水分子之间空隙增大

答案　A

解析　冰中的水分子是靠氢键结合在一起，氢键不是化学键，而是一种分子间作用力，故B、C两项均错误；H2O分子形成氢键时沿O的四个sp3杂化轨道形成氢键，可以与4个水分子形成氢键，这4个水分子形成空间四面体构型，A项正确；水分子靠氢键连接后，分子间空隙变大，因此融化时，水的体积缩小，D项错误。

易错警示

（1）冰和水中存在氢键，水蒸气中不存在氢键。

（2）冰中每个水分子能与4个H2O分子形成氢键，平均每个水分子有（4×

）个氢键。

（3）水结成冰体积膨胀与氢键有关。

（4）冰融化时破坏氢键和范德华力，不破坏共价键。

水分子的稳定性与氢键无关，水的熔、沸点与共价键无关。

二、石墨晶体的结构与性质

石墨的晶体结构如下图所示：

1．在石墨晶体中，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以3个共价键与另外三个原子相连。

六个碳原子在同一个平面上形成了正六边形的环，伸展成平面网状结构。

2．在同一平面的碳原子还各剩下一个2p轨道，并含有一个未成对电子形成π键。

电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导热和导电，这正是金属晶体的特征。

3．石墨晶体中网络状的平面结构以范德华力结合形成层状的结构，距离较大，结合力较弱，层与层间可以相对滑动，使之具有润滑性。

石墨晶体中碳原子间形成共价键，层与层间的结合力为范德华力，同时还有金属键特性。

因此，石墨晶体既不是原子晶体，也不是金属晶体、分子晶体，而是一种混合键型晶体。

例4

　碳元素的单质有多种形式，下图依次是C60、石墨和金刚石的结构图：

回答下列问题：

（1）金刚石、石墨烯（指单层石墨）中碳原子的杂化方式分别为________、________。

（2）C60属于________晶体，石墨属于________晶体。

（3）在金刚石晶体中，碳原子数与化学键数之比为________________________________；

在石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的化学键数为________，该晶体中碳原子数与共价键数之比为________。

（4）石墨晶体中，层内C—C键的键长为142pm，而金刚石中C—C键的键长为154pm。

推测金刚石的熔点____（填“>”“<”或“＝”）石墨的熔点。

答案　

（1）sp3杂化　sp2杂化　

（2）分子　混合键型　（3）1∶2　3　2∶3　（4）<

解析　

（1）金刚石中碳原子与四个碳原子形成4个共价单键（即C原子采取sp3杂化方式），构成正四面体，石墨中的碳原子采取sp2杂化方式，形成平面六元环结构。

（2）C60中构成微粒是分子，所以属于分子晶体；石墨晶体有共价键、金属键和范德华力，所以石墨属于混合键型晶体。

（3）金刚石晶体中每个碳原子平均拥有的化学键数为4×

＝2，则碳原子数与化学键数之比为1∶2。

石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的碳原子数和化学键数分别为6×

＝2和6×

＝3，其比值为2∶3。

（4）石墨中的C—C键比金刚石中的C—C键键长短，键能大，故石墨的熔点高于金刚石。

规律总结——金刚石与石墨比较

晶体

金刚石

石墨

碳原子杂化方式

sp3

sp2

碳原子成键数

4

3

有无未成对价电子

无

有

最小环碳原子个数

6

6

键角

109.5°

120°

含有1molC的晶体中所含化学键数目

2mol

1.5mol

四种晶体类型的比较

离子晶体

原子晶体

分子晶体

金属晶体

构成晶体的粒子

阴、阳离子

原子

分子

金属阳离子

和自由电子

粒子间的作用

离子键

共价键

分子间作用力（有的有氢键）

金属键

作用力强弱

（一般情况下）

较强

很强

弱

较强

确定作用力强弱的一般判断方法

离子所带电荷总数、离子半径

键长（原子半径）

分子间的氢键增大分子间作用力，组成和结构相似时比较相对分子质量

离子半径、离子所带电荷数

熔、沸点

较高

高

低

差别较大（如汞常温下为液态，钨熔点为3410℃）

硬度

硬而脆

大

较小

差别较大

导热和

导电性

不良导体（熔化后或溶于水导电）

不良导体

不良导体（部分溶于水发生电离后导电）

良导体

溶解性

多数易溶

一般不溶

相似相溶

一般不溶于水，少数与水反应

机械加工性

不良

不良

不良

优良

延展性

差

差

差

优良

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，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，D项错误。

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；金属氧化物通常为离子化合物，属离子晶体。

3．SiCl4的分子结构与CCl4相似，对其进行下列推测，不正确的是（　　）

A．SiCl4的熔点高于CCl4

B．SiCl4晶体是分子晶体

C．常温、常压下，SiCl4是气体

D．SiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子

答案　C

解析　由于SiCl4具有分子结构，所以属于分子晶体。

影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间的作用力，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的相对分子质量，所以SiCl4的分子间作用力强，熔、沸点比CCl4高。

CCl4的分子是正四面体结构，SiCl4与它结构相似，因此也是正四面体结构，是含极性键的非极性分子。

4．甲烷晶体的晶胞结构如图所示，下列说法正确的是（　　）

A．甲烷晶胞中的球只代表1个C原子

B．晶体中1个CH4分子中有12个紧邻的CH4分子

C．甲烷晶体熔化时需克服共价键

D．1个CH4晶胞中含有8个CH4分子

答案　B

解析　题图所示的甲烷晶胞中的球代表的是1个甲烷分子，并不是1个C原子，A错误；甲烷晶体是分子晶体，熔化时克服范德华力，C错误；甲烷晶胞属于面心立方晶胞，该晶胞中甲烷分子的个数为8×

＋6×

＝4，D错误。

5．根据下列性质判断所描述的物质可能属于分子晶体的是（　　）

A．熔点1070℃，易溶于水，水溶液能导电

B．熔点1128℃，沸点4446℃，硬度很大

C．熔点10.31℃，液态不导电，水溶液能导电

D．熔点97.81℃，质软，导电，密度0.97g·cm－3

答案　C

解析　A项，熔点1070℃，熔点高，不符合分子晶体的特点，故A错误；B项，熔点1128℃，沸点4446℃，硬度很大，属于离子晶体或原子晶体或金属晶体的特点，分子晶体分子间只存在分子间作用力，熔、沸点低，故B错误；C项，熔点10.31℃，熔点低，符合分子晶体的熔点特点，液态不导电，只存在分子，水溶液能导电，溶于水后，分子被水分子离解成自由移动的离子，如CH3COOHCH3COO－＋H＋，有自由移动的离子，就能导电，故C正确；D项，熔点97.81℃，质软、导电、密度0.97g·cm－3，是金属钠的物理性质，金属钠属于金属晶体，故D错误。

6．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且等距离的C60分子有12个

答案　D

7．请回答下列问题：

（1）下列有关石墨晶体的说法正确的是________（填字母，下同）。

a．由于石墨晶体导电，所以它是金属晶体

b．由于石墨的熔点很高，所以它是原子晶体

c．由于石墨质软，所以它是分子晶体

d．石墨晶体是一种混合键型晶体

（2）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

（3）已知碘晶胞结构如图所示，请回答下列问题：

①碘晶体属于________晶体。

②碘晶体熔化过程中克服的作用力为______________。

③假设碘晶胞中立方体的长为acm，阿伏加德罗常数的值为NA，则碘单质的密度为__________________。

答案　

（1）d　

（2）c　（3）①分子　②分子间作用力　③

g·cm－3

解析　

（1）石墨晶体中存在共价键、范德华力、大π键，故为混合键型晶体。

（2）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，如硬度较小和熔、沸点较低。

分子晶体的相对分子质量越大，熔、沸点越高。

单质一般是非极性分子，难溶于水等极性溶剂，因此a、b项错误，c项正确；N2分子以N≡N键结合，N60分子中只存在N—N键，而N≡N键比N—N键牢固得多，所以d项错误。

（3）I2分子之间以分子间作用力结合，所以I2晶体属于分子晶体。

观察碘的晶胞结构发现，一个晶胞中含有I2分子的数目为8×

＋6×

＝4，碘原子为8个。

一个晶胞的体积为a3cm3，质量为

g，则碘单质的密度为

g·cm－3。

[对点训练]

题组1　分子晶体的判断

1．下列各组物质均属于分子晶体的是（　　）

A．SO2，SiO2，P2O5B．PCl3，CO2，H2SO4

C．SiC，H2O，NH3D．HF，CO2，Si

答案　B

解析　SiO2、SiC、Si均为原子晶体。

2．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。

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、CaCl2

B．AlCl3、SiCl4

C．NaCl、CaCl2

D．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。

4．（2017·合肥六中月考）AB型化合物形成的晶体结构多种多样。

下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

答案　B

解析　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。

题组2　分子晶体的结构与性质

5．BeCl2熔点较低，易升华，溶于醇和醚，其化学性质与AlCl3相似。

由此可推测BeCl2（　　）

A．熔融态不导电B．水溶液呈中性

C．熔点比BeBr2高D．不与NaOH溶液反应

答案　A

解析　由题知BeCl2熔点较低，易升华，溶于醇和醚，应属于分子晶体，所以熔融态不导电；对于组成相似的分子晶体，相对分子质量越大，范德华力越大，其熔、沸点越高，因此BeCl2的熔点比BeBr2的低；BeCl2的化学性质与AlCl3相似，根据AlCl3能和NaOH溶液反应，则BeCl2也可与NaOH溶液反应；AlCl3水溶液中由于铝离子水解而呈酸性，推知BeCl2也具有此性质。

6．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。

7．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　水分子之间存在氢键，氢键是一种较强的分子间作用力，氢键的存在使水的沸点比硫化氢的高。

8．下列关于分子晶体的说法不正确的是（　　）

A．晶体的构成微粒是分子

B．干燥或熔融时均能导电

C．分子间以分子间作用力相结合

D．熔、沸点一般比较低

答案　B

解析　A项，分子晶体是由分子构成的；B项，干燥或熔融时，分子晶体既不电离也没有自由移动的电子，均不能导电；C项，分子间以分子间作用力相结合；D项，分子晶体的熔、沸点一般比较低。

题组3　常见晶体结构与性质的综合

9．下列有关晶体的叙述中，错误的是（　　）

A．分子晶体熔化时化学键一般不被破坏

B．白磷晶体中，结构粒子之间通过共价键结合

C．构成分子晶体的结构粒子中可能存在共价键

D．石英晶体是直接由硅原子和氧原子通过共价键所形成的空间网状结构的晶体

答案　B

解析　分子晶体是通过分子间作用力将分子结合在一起的，所以熔化时，分子内部的化学键未发生变化，破坏的只是分子间作用力，A正确；白磷晶体是分子晶体，在P4内部存在共价键，而结构粒子（P4）之间是通过分子间作用力结合的，B错误；稀有气体在固态时也属于分子晶体，而稀有气体是单原子分子，在分子内部不存在共价键，在干冰晶体中，CO2分子内存在共价键，C正确；石英晶体是原子晶体，D正确。

10．石墨晶体为层状结构，每一层均为碳原子与周围其他3个碳原子相结合而成的平面片层，同层相邻碳原子间距为142pm、相邻片层间距为335pm。

如图是其晶体结构片层俯视图。

下列说法不正确的是（　　）

A．碳原子采用sp2杂化

B．每个碳原子形成3个σ键

C．碳原子数与σ键键数之比为2∶3

D．片层之间的碳形成共价键

答案　D

解析　每个碳原子形成3个σ键，采取sp2杂化，故A、B正确；每个碳原子平均含有

×3＝

个σ键，所以碳原子数与σ键键数之比为2∶3，故C正确；石墨片层之间的碳以范德华力结合而不是共价键，故D错误。

11．根据下表中给出的有关数据，判断下列说法中错误的是（　　）

AlCl3

SiCl4

晶体硼

金刚石

晶体硅

熔点/℃

190

－60

2300

3550

1410

沸点/℃

183

57

2550

4827

2355

A.SiCl4是分子晶体

B．晶体硼是原子晶体

C．AlCl3是分子晶体，加热能升华

D．金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键弱

答案　D

解析　SiCl4、AlCl3的熔、沸点低，都是分子晶体，AlCl3的沸点低于其熔点，即在未熔化的温度下它就能汽化，故AlCl3加热能升华，A、C项正确；晶体硼的熔、沸点高，所以晶体硼是原子晶体，B项正确；碳原子的半径比硅的原子半径小，金刚石中的C—C键键长比晶体硅中的Si—Si键键长短，金刚石中的C—C键键能比晶体硅中的Si—Si键键能大，金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键强，D项错误。

12.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。

[综合强化]

13．参考下表中物质的熔点，回答有关问题：

物质

NaF

NaCl

NaBr

NaI

NaCl

KCl

RbCl

CsCl

熔点/℃

995

801

750

622

801

776

715

646

物质

SiF4

SiCl4

SiBr4

SiI4

SiCl4

GeCl4

SnCl4

PbCl4

熔点/℃

－90.4

－70.4

5.2

120

－70.4

－49.5

－36.2

－15

（1）钠的卤化物及碱金属的氯化物的熔点与卤离子及碱金属离子的________有关，随着________的增大，熔点依次降低。

（2）硅的卤化物熔点及硅、锗、锡、铅的氯化物的熔点与________有关，随着________的增大，________增大，故熔、沸点依次升高。

（3）钠的卤化物的熔点比相应的硅的卤化物的熔点高得多，这与________有关，因为一般________比__________熔点高。

答案　

（1）半径　半径　

（2）相对分子质量　相对分子质量　分子间作用力　（3）晶体类型　离子晶体　分子晶体

14．决定物质性质的重要因素是物质结构。

请回答下列问题：

（1）上图是石墨的结构，其晶体中存在的作用力有______（填字母）。

A．σ键　B．π键　C．氢键　D．配位键　E．范德华力　F．金属键　G．离子键

（2）碳钠米管由单层或多层石墨层卷曲而成，其结构类似于石墨晶体，每个碳原子通过________杂化与周围碳原子成键，多层碳纳米管的层与层之间靠________结合在一起。

（3）氮化硼（BN）晶体有多种相结构。

六方相氮化硼是通常存在的稳定相，与石墨相似，具有层状结构，可作高温润滑剂。

立方相氮化硼是超硬材料，有优异的耐磨性。

它们的晶体结构如图所示。

①关于这两种晶体的说法正确的是________（填字母）。

a．立方相氮化硼含有σ键和π键，所以硬度大

b．六方相氮化硼层间作用力小，所以质地软

c．两种晶体中的B—N键均为共价键

d．两种晶体均为分子晶体

②六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间构型为_______________，其结构与石墨相似却不导电，原因是____________________________________________________

________________________________________________________________________。

③NH4BF4（氟硼酸铵）是合成氮化硼钠米管的原料之一。

1molNH4BF4含有________mol配位键。

答案　

（1）ABEF　

（2）sp2