第三章 第3节 原子晶体与分子晶体选修3鲁科版Word文档格式.docx

第三章 第3节 原子晶体与分子晶体选修3鲁科版Word文档格式.docx

《第三章 第3节 原子晶体与分子晶体选修3鲁科版Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章 第3节 原子晶体与分子晶体选修3鲁科版Word文档格式.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

（1）金刚石

在金刚石晶体里，每个碳原子都被相邻的4个碳原子包围，以共价键跟4个碳

原子结合，形成正四面体，被包围的碳原子处于正四面体的中心。

这些正四面体结

构向空间发展，构成一个坚实的、彼此联结的空间网状晶体（如右图）。

金刚石晶体

中所有C-C键长相等，键角相等（均为109028’）；

晶体中最小碳环由6个C组成且

六者不在同一平面内；

晶体中每个C参与了4条C-C键的形成，而在每条键中的贡

献只有一半，故C原子个数与C-C键数之比为1：

（4×

1/2）＝1：

2。

①金刚石晶体中每个碳原子以SP3杂化和它紧邻的的四个碳原子以共价键相互结合。

②晶体硅的晶体结构跟金刚石相近，即把金刚石中的碳原子换成硅原子。

【例1】在amol金刚石中含C—C键数为（）

A、4a×

6.02×

1023B、a×

1023C、2a×

1023D、8a×

1023

（2）水晶：

水晶是由硅原子和氧原子组成的空间立体网状的原子晶体，在SiO2晶体中，每个Si原子周围结合4个O原子，Si原子位于四面体的中心，氧原子分别位于4个顶点，同时每个O原子与2个Si原子相结合，也就是说，每个氧原子被2个硅氧四面体所共用，在每个四面体中占有一个Si原子、2个O原子，所以SiO2晶体是由Si原子和O原子按1：

2的比例组合成的立体网状的晶体，并不存在单个的SiO2分子。

原子晶体中的微粒是原子，因此原子晶体中不存在单个分子。

所以原子晶体的化学式如SiO2代表硅元素原子和氧气元素原子个数比为1:

2，并不代表分子。

SiO2晶体结构相当于将金刚石中的C原子全都改换为Si原子，同时在每两个Si原子中心联线的中间增添一个O原子，在晶体中只存在Si－O键，不存在Si－Si键和O－O键。

【例2】关于SiO2晶体的叙述正确的是（）

A、通常状况下，60克SiO2晶体中含有的分子数为NA（NA表示阿伏加德罗常数的数值）

　　B、60克SiO2晶体中，含有2NA个Si－O键

　　C、晶体中与同一硅原子相连的4个氧原子处于同一四面体的4个顶点

　　D、SiO2晶体中含有1个硅原子，2个氧原子

5.原子晶体的熔点高低与其内部的结构密切相关：

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，晶体的熔点就高。

原子晶体共价键的强弱的比较：

一般地说，原子半径越小，形成共价键的键长越短，键能越大，其熔、沸点越高。

如：

金刚石＞碳化硅＞晶体硅。

【例3】碳化硅（SiC）的一种具有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替出现的，即每个Si原子处于四个C原子构成的四面体的内部，每个C原子也处于四个Si原子构成的四面体的内部。

下列三种晶体：

①金刚石②晶体硅③碳化硅中，它们的熔点由高到低的顺序是（）

A、①③②　B、②③①C、③①②　D、②①③

二、分子晶体

1.分子晶体定义：

分子间通过分子间作用力构成的的晶体称为分子晶体。

（1）构成分子晶体的粒子是分子，粒子间的相互作用是分子间作用力

（2）原子首先通过共价键结合成分子，分子作为基本构成微粒，通过分子间作用力结合成分子晶体。

分子间作用力的特征：

①广泛存在于分子间；

②只有分子充分接近时才有分子间作用力；

③分子间作用力远小于化学键，化学键存在于离子、原子之间，键能大小为120~800kJ•mol－1。

分子间作用力存在于分子间，通常每摩尔为几到几十千焦。

2.分子晶体的类别：

多数非金属单质（除了金刚石、晶体硅、晶体硼、石墨等），多数非金属氧化物（如干冰、CO、冰等）、非金属气态氢化物（如NH3，CH4等）、稀有气体、许多有机物等。

形成分子晶体的物质类别多数是共价化合物和非金属单质。

分子晶体并不一定存在共价键，如稀有气体元素单质形成的晶体中只有范德华力。

【例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

3.常见的分子晶体的晶体结构

（1）碘晶体的晶胞是长方体，碘分子除了占据长方体的每个顶点外，在每

个面上还有一个碘分子。

（2）干冰：

干冰晶体是一种立方面心结构，每8个CO2分子构成立方体，

且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（同层4个，上层4个，下层4个）。

在分子晶体中，因分子之间的相互作用通常不具有方向性，因此分子晶体中的分子在堆积排列时会尽可能利用空间而采取紧密堆积的方式，这与金属晶体和离子晶体的紧密堆积是相似的。

（3）冰：

冰晶体主要是水分子依靠氢键形成的，由于氢键具有一定的方向性，中央的水分子与周围四个水分结合，边缘的四个水分子也按同样的规律再与其他的水分子结合。

这样每个水分子中的每个氧原子周围都有四个氢原子，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。

可以看出，由于氢键的方向性和饱和性使水分子不能采取紧密堆积，这种排列中，分子的间距比较大，有很多空隙，类似于蜂巢结构，比较松散。

因此水由液态变成固态时，密度变小。

①氢键：

具有方向性和饱和性，本质上与共价键的方向性和饱和性不同。

方向性：

X—H…Y三个原子在同一方向上，原因是这样的方向成键两原子电子云之间的排斥力最小，形成的氢键最强，体系更稳定。

饱和性：

每一个X—H只能与一个Y原子形成氢键，原因是H的原子半径很小，再有一个原子接近时，会受到X、Y原子电子云的排斥。

②冰晶体中存在氢键和范德华力，氢键的作用要强于范德华力，因此冰晶体主要依靠氢键形成。

【例5】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°

C，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

4.分子晶体的物理性质

（1）由于分子间作用力很弱，分子晶体气化或熔融时,克服分子间的作用力,不破坏化学健，所以分子晶体一般具有较低的熔点和沸点，较小的硬度，有较强的挥发性。

（2）由于分子晶体的构成微粒是分子，所以分子晶体在固态或熔融状态时都不导电。

（3）不同分子晶体在溶解度上差别很大，并且同一分子晶体在不同的溶剂中溶解度也有很大的差别，如碘易溶于CCl4等有机溶剂，不易溶解于水，分子晶体在溶剂中溶解情况一般符合“相似相溶”的经验性规律，非极性溶质一般能溶于非极性溶剂、极性溶质一般能溶于极性溶剂。

三、混合键型晶体----石墨

1.石墨的晶体具有层状结构，在每一层中每个碳原子用sp2杂化轨道与临近的三个碳原子以共价键结合，形成无限的六边形平面网状结构；

每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道并含有一个未成对电子，形成遍及整个平面的大π键。

由于电子可以在整个六边形网状平面上运动，因此石墨的大π键具有金属键的性质，这就是石墨沿层的平行方向导电性强的原因。

这些网络状的平面结构再以范德华力结合成层状结构，这样石墨晶体中既有共价键，又有范德华力，同时还有金属键的特性。

因此石墨又称为混合键型晶体。

2.石墨晶体独特的性质：

石墨晶体的熔沸点很高，如熔点高达3850℃，高于金刚石的熔点；

石墨质软，能导电。

石墨晶体熔点很高，但不属于原子晶体。

石墨晶体是层状结构，是原子晶体与分子晶体之间的一种过渡型晶体，又具有金属晶体某些性质，所以石墨晶体被称为混合键型晶体。

二综合探究

1.碳和硅位于元素周期表的同一主族，最外层电子数相同，化学性质也具有一定的相似性，如单质都可以和氧气发生反应，分别生成氧化物CO2和SiO2。

CO2和SiO2都属于酸性氧化物，可以与碱及碱性氧化物反应生成盐。

但是，CO2和SiO2的物理性质却存在很大差异，可能的原因是什么？

可能会认为的原因是：

二者的组成和结构相似，相对分子质量越大，熔沸点越高。

这样分析得出的结论与事实有一定的一致性，即SiO2的硬度和熔沸点高于干冰，但并不能解释CO2和SiO2性质差异为什么如此之大。

在分析问题时，千万不能只注重表面，要从本质上做深入的分析。

其实CO2和SiO2只是组成相似，在结构上存在很大差别：

（1）CO2的晶体干冰是分子晶体，影响其硬度和熔沸点的是存在于分子之间的范德华力。

（2）SiO2是原子晶体，影响其硬度和熔沸点的是原子之间的共价键。

共价键的键能要比分子间作用力大得多，因此才导致SiO2和CO2在硬度和熔沸点上的巨大差异。

固态CO2（即干冰）是分子晶体，CO2分子之间存在分子间作用力，这种分子间作用力很弱，这种作用只有几到几十焦每摩尔，很容易破坏它使晶体变成液体或气体，故干冰的熔点、沸点很低，硬度很小。

SiO2是原子晶体，晶体中不存在SiO2分子，而是每一个硅原子和四个氧原子形成四个共价键，每一个氧原子被两个硅原子共用。

由于SiO2晶体是由硅原子和氧原子按1:

2的比例通过共价键结合形成的立体网状结构的晶体，共价键的键能很大，破坏这些共价键需要很高的能量，所以SiO2晶体的熔沸点和硬度很高。

两种物质在性质上的巨大差异根本原因在于它们在结构上的不同。

2.金刚石和石墨都是碳元素的单质，但是二者在某些物理性质上却表现出较大的差异：

金刚石是天然矿物中最硬的，而石墨却比较软；

金刚石不导电，而石墨却能导电。

请解释其原因。

金刚石与石墨表现出了性质上的差异，这主要还是两者在结构上不同。

物质硬度大小与晶体中所存在作用强弱相关，作用强，不易发生形变，硬度就大；

作用弱，容易发生形变，硬度就小。

在金刚石中，每个碳原子与相邻的四个碳原子以共价键结合，形成正四面体结构，C-C共价键是一种很强的作用，不容易发生形变，因此硬度很大；

碳原子所有价电子都参与成键，晶体中没有自由电子，所以不能导电。

石墨晶体中，每个碳原子以三个σ键与另外三个碳原子结合，在同一平面内形成无数并置的正六边形的环。

平面与平面之间存在范德华力，它是一种很弱的作用，很容易发生形变，因此石墨比较软；

在每个碳原子上，都还有一个价电子未参与成键，该电子所在的2p轨道与碳原子形成的平面垂直，电子可以在同一平面内自由移动，相当于金属中的自由电子，所以石墨可以导电。

物质能否导电取决于相关物质内部是否存在自由移动的电荷。

电解质溶液或者熔融的电解质导电是因为具备可以自由移动的阴、阳离子；

金属导电是因为金属中存在自由电子。

所以，我们在考虑金刚石和石墨导电性的差异时，就要从物质的内部结构分析，确定有无可以自由移动的电荷。

三典题例析

【例1】下列有关分子晶体熔点的高低叙述中，正确的是（）

A、Cl2>

I2B、SiCl4>

CCl4C、NH3<

PH3D、C（CH3）4>

CH3（CH2）2CH3

【例2】

（2005上海高考）下列说法错误的是（）

A、原子晶体中只存在非极性共价键B、分子晶体的状态变化，只需克服分子间作用力

C、金属晶体通常具有导电、导热和良好的延展性D、离子晶体在溶化状态下能导电

【例3】下列物质的熔沸点高低顺序中，正确的是（）（双选）

A、金刚石>

晶体硅>

二氧化硅>

碳化硅B、CI4>

CBr4>

CCl4>

CH4

C、MgO>

H2O>

O2>

N2D、金刚石>

生铁>

纯铁>

钠

【例4】氮化铝（AlN）常用做砂轮及高温炉衬材料，熔化状态下不导电，可知它属于（）

A、离子晶体B、原子晶体C、分子晶体D、无法判断

【例5】下列化学式既能表示物质的组成，又能表示物质分子式的是（）

A.NH4NO3B.SiO2C.C6H5OHD.Fe

四思考发现

1.归纳整理四种类型晶体的结构和性质填表。

晶体种类

金属晶体

离子晶体

原子晶体

分子晶体

结构

构成微粒

金属离子、

自由电子

阴、阳离子

分子

微粒间的作用力

金属键

离子键

共价键

分子间作用力

性质

熔沸点

有高有低

较高

很高

较低

硬度

差距较大

较大

很大

较小

导

电

性

固态

导电

不导电

熔融

溶液

可能导电

2.如何比较分子晶体和原子晶体熔沸点的高低？

（1）一般地，原子晶体的熔沸点远远高于分子晶体的熔沸点。

（2）原子晶体熔沸点的高低与共价键的强弱有关。

一般来说，原子半径越小，形成的共价键的键长越短，键能越大，晶体的熔沸点越高。

如熔点：

金刚石>

碳化硅>

晶体硅。

分子晶体的熔沸点高低与分子间的作用力有关。

组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，熔沸点越高，如熔沸点O2>

N2，HI>

HBr>

HCl。

如果分子间存在氢键，则其沸点要高于组成和结构相似的没有氢键的分子晶体，如沸点：

H2S，HF>

HCl,NH3>

PH3。

组成和结构不相似的物质，分子的极性越大，其熔沸点就越高，如熔沸点：

CO>

N2。

五体验成功

基础强化：

1.下列晶体熔化时，只需克服分子间作用力的是（）（双选）

A、硫B、二氧化硅晶体C、干冰D、氧化镁

2.下列叙述正确的是（）（双选）

　　A、离子晶体中一定含有活泼金属元素的离子B、离子晶体都是化合物

C、固态不导电、水溶液能导电，这一性质能说明某晶体一定是离子晶体D、离子晶体一般具有较高的熔点

3.关于晶体的下列说法正确的是（）

　　A、在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子。

B、在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子。

　　C、原子晶体的熔点一定比金属晶体的高。

D、分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。

4.（2006全国高考理综）下列叙述正确的是（）

A．同一主族的元素，原子半径越大，其单质的熔点一定越高

B．同一周期元素的原子，半径越小越容易失去电子

C．同一主族的元素的氢化物，相对分子质量越大，它的沸点一定越高

D．稀有气体元素的原子序数越大，其单质的沸点一定越高

5.（2006上海高考）根据相关化学原理，下列判断正确的是（）

A．若X是原子晶体，Y是分子晶体，则熔点：

X<

Y

B．若A2十2D-→2A-十D2，则氧化性：

D2>

A2

C．若R2－和M+的电子层结构相同，则原子序数：

R>

M

D．若弱酸HA的酸性强于弱酸HB，则同浓度钠盐溶液的碱性：

NaA<

NaB

6.下列过程中，共价键被破坏的是（）

A.碘升华B.溴蒸汽被活性碳吸附C.蔗糖溶于水D.SO2溶于水

7.（2005天津高考）下列说法正确的是（）

A、H与D，16O与18O互为同位素；

H216O、D218O互为同素异形体；

甲醇、乙二醇和丙三醇互为同系物

B、在SiO2晶体中，1个

原子和2个O原子形成2个共价键

C、HI的相对分子质量大于HF，所以HI的沸点高于HF

D、由IA族和ⅥA族元素形成的原子个数比为1：

1,电子总数为38的化合物，是含有共价键的离子型化合物

8.（2005江苏高考）氮化铝（

）具有耐高温、耐冲击、导热性能好等优良性质，被广泛应用于电子工业、推测陶瓷工业等领域。

在一定条件下，氮化铝可通过如下反应合成：

，下列叙述正确的是（）

A、氮化铝的合成反应中，N2是还原剂，Al2O3是氧化剂B、上述反应中每生产2molAlN，N2得到3

电子

C、氮化铝中氮元素的化合价为－3价D、氮化铝晶体属于分子晶体

9.分子晶体具有的本质特征是（）

A、组成晶体的基本构成微粒是分子B、熔融时不导电

C、晶体内微粒间以分子间作用力相结合,这种作用很弱D、熔点一般比原子晶体低

10.下列有关晶体的叙述中，错误的是（）（双选）

A、离子晶体在熔化时，离子键被破坏，而分子晶体熔化时化学键不被破坏

B、白磷晶体中，结构粒子之间通过共价键结合

C、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。

D、构成分子晶体的结构粒子中一定存在共价键

11.熔化时，必须破坏非极性共价键的是（）

A、冰B、金刚石C、铁D、二氧化硅

12.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

综合应用：

13.石墨晶体具有一些独特的性质，质地较软，但熔点很高，还具有导电性，这主要是因为石墨具有一种独特的结构，石墨晶体是（）

A、原子晶体B、金属晶体C、分子晶体D、前三种晶体混合型

14.根据下表给几种物质的熔沸点数据，判断下列有关说法中错误的是（）

NaCl

MgCl2

AlCl3

SiCl4

单质B

熔点/℃

810

710

180

68

2300

沸点/℃

1465

1418

160

57

2500

A、SiCl4是分子晶体B、单质B可能是原子晶体

C、AlCl3加热能升华D、NaCl的键的强度比MgCl2小

15.下列说法中，正确的是（）

A、构成分子晶体的微粒一定含有共价键

B、在结构相似的情况下，原子晶体中的共价键越强，晶体的熔、沸点越高

C、分子晶体中共价键的键能越大，该分子晶体的熔、沸点一定也越高

D、分子晶体中只存在分子间作用力而不存在任何化学键，所以其熔、沸点一般较低

16.固体乙醇晶体中不存在的作用力是（）

A、极性键B、非极性键C、离子键D、氢键

17.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，与键能无关的变化规律是（）

A、HF、HCl、HBr、HI的热稳性依次减弱B、金刚石的硬度大于硅，其熔、沸点也高于硅

C、NaF、NaCl、NaBr、NaI的熔点依次降低D、F2、Cl2、Br2、I2的熔、沸点逐渐升高

18.单质硼有无定形和晶体两种，参考下列数据，回答下列问题：

金刚石

晶体硅

晶体硼

熔点（K）

3823

1683

2573

沸点（K）

5100

2628

2823

硬度（moh）

10

7.0

硅晶体示意图

9.5

（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硼原子构成的正二十面体如图，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点各有一个硼原子，通过观察图形及推算，可知此结构单元是由个硼原子构成，其中B—B键间的键角是（填度数）。

创新拓展：

19.1999年美国《科学》杂志报道：

在40GPa的高压下，用激光加热到1800K，人们成功制得了原子晶体CO2，下列对该物质的推断一定不正确的是（）

A．该原子晶体中含有极性键

B．该原子晶体易气化，可用作制冷材料

C．该原子晶体有很高的熔点、沸点

D．该原子晶体硬度大，可用作耐磨材料

20.下图所示的金刚石的一个基本重复结构单元，其中结构单元的立方体边长为acm，求金刚石的密度。

21.1996年诺贝尔化学奖授予对发现C60有重大贡献的三位科学家。

C60分子是形如足球状的多面体（如右图所示），该结构的建立基于以下理论：

（1）C60分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键；

（2）C60分子只含有五边形和六边形；

（3）多面体的顶点数、面数和棱边数的关系，遵循欧拉定理：

顶点数+面数－棱边数=2

据上所述，可推知C60分子有12个五边形和20个六边形，C60分子所含的双键数为30。

请回答下列问题：

C60的结构

（1）固体C60与金刚石相比较，熔点较高者应是，理由是

。

（2）试估计C60跟F2在一定条件下，能否发生反应生成C60F60（填“可能”或“不可能”），并简述其理由：

（3）通过计算，确定C60分子所含单键数为。

（4）C70分子也已制得，它的分子结构模型可以与C60同样考虑而推知。

通过计算确定C70分子中五边形和六边形的数目。

C70分子中所含五边形数为，六边形数为。

细品教材参考答案：

【例1】解析：

在金刚石晶体中，每一个碳原子与4个碳原子构成4个共价键，但属于这个碳原子的化学键只有一半，因此，每个碳原子可形成4×

=2个C—C共价键。

即amolC原子可形成a×

2×

1023个共价键。

答案：

C

【例2】解析：

60克SiO2晶体即1molSiO2，晶体中含有Si－O键数目为4mol（每个硅原子、氧原子分别含有4个、2个未成对电子，各拿出一个单电子形成Si－O共价键），含4NA个Si－O键；

SiO2晶体中含有无数的硅原子和氧原子，只是硅氧原子个数比为1：

【例3】解析：

在结构相似的原子晶体中，原子半径越小，键长越短，键能越大，熔、沸点越高。

题目中所给的信息是有关SiC结构的知识，通过信息加工并比较碳原子和硅原子的半径，应得出Si-Si键的键长比Si-C键的键长长，Si-C键比C-C键的键长长的结论，所以键能由高到低的顺序应该是C-C键>

C-Si键>

Si-Si键，由此可推出熔点由高到低的顺序是①③②。

A

【例4】解析：

对于这类要考虑一般规律与特例，非金属单质中金刚石、晶体硅、硼均为原子晶体，非金属氧化物中的二氧化硅为原子晶体，活泼金属氧化物为离子晶体，只有含氧酸为分子晶体。

【例5】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。

典题例析参考答案：

A、B选项属于无氢键存在的分子结构相似的情况，相对分子质量大的熔、沸点高；

C选项属于有氢键存在差别的分子结构相似的情况，存在氢键的熔、沸点高；

D选项属于相对分子质量相同，但分子结构不同的情况