人教版高中化学 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学案 鲁科版选修3.docx

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人教版高中化学第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学案鲁科版选修3

第3节　原子晶体与分子晶体

1．了解原子晶体、分子晶体的结构与性质。

2．能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体和石墨晶体的结构与性质。

（重点）

原子晶体

[基础·初探]

教材整理1　原子晶体

1．概念

相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体称为原子晶体。

2．特点

原子晶体的熔点很高，硬度很大。

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。

原子晶体中的原子服从紧密堆积排列吗？

说明理由。

【提示】　不服从。

由于共价键具有方向性和饱和性，原子晶体中每个原子周围排列的原子的数目是有限的，故原子的排列不服从紧密堆积方式。

教材整理2　几种原子晶体的结构

1．金刚石的结构

金刚石的晶体结构

在晶体中，碳原子以sp3杂化轨道与周围4个碳原子以共价键相结合，C—C键间的夹角为109.5°。

因为中心原子周围排列的原子的数目是有限的，所以这种比较松散的排列与金属晶体和离子晶体中的紧密堆积排列有很大的不同。

2．SiO2晶体的结构

二氧化硅的晶体结构

水晶是由Si和O构成的空间立体网状的二氧化硅晶体，一个硅原子与4个氧原子形成4个共价键，每个氧原子与2个硅原子形成2个共价键，从而形成以硅氧四面体为骨架的结构，且只存在Si—O键。

二氧化硅晶体中硅原子和氧原子个数比为1∶2，不存在单个分子，可以把整个晶体看成巨型分子。

3．SiC晶体的结构

SiC晶体的结构类似于金刚石晶体结构，其中C原子和Si原子的位置是交替的，所以在整个晶体中Si原子与C原子个数比为1∶1。

（1）金刚石的晶胞构型为正四面体。

（×）

（2）二氧化硅的分子式是SiO2。

（×）

（3）SiC熔化时断裂非极性共价键。

（×）

（4）原子晶体一定不是电解质。

（√）

[合作·探究]

原子晶体的物理性质

[探究背景]

金刚石、碳化硅、晶体硅这三种晶体的晶胞结构和键参数的差异决定了其性质不同。

[探究问题]

1．三种晶体都属于原子晶体。

金刚石晶体的每个晶胞含有8个碳原子。

2.

键能（kJ·mol－1）

①347

②301

③226

熔点（℃）

④2600

⑤1415

⑥3350

硬度

7

10

9

则：

（1）键能：

C—C①　C—Si②　Si—Si③（填序号）。

（2）熔点：

金刚石⑥，碳化硅④，晶体硅⑤（填序号）。

（3）硬度：

金刚石＞碳化硅＞晶体硅（填“＞”或“＜”）

3．规律：

原子晶体具有很高的熔点，很大的硬度；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。

[核心·突破]

1．金刚石和二氧化硅结构特点

金刚石

（1）每个碳与相邻4个碳以共价键结合，形成正四面体结构

（2）键角均为109.5°

（3）最小碳环由6个C组成且六个原子不在同一平面内

（4）每个C参与4条C—C键的形成，C原子数与C—C键个数之比为1∶2

（5）每个晶胞含8个C

SiO2

（1）每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构

（2）每个正四面体占有1个Si，4个“

O”，n（Si）∶n（O）＝1∶2

（3）最小环上有12个原子，即6个O，6个Si

2.原子晶体的特点

（1）原子晶体的构成微粒是原子，只存在共价键，不存在其他作用力。

（2）原子晶体的化学式表示其比例组成，晶体中不存在分子。

（3）原子晶体为空间立体网状结构，可把整个原子晶体看成一个巨型分子。

（4）原子晶体一般具有熔点高、硬度大、不溶于溶剂，一般不导电等特点。

[题组·冲关]

1．关于金刚石的下列说法中，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

【解析】　金刚石在高温下与O2反应生成CO2。

【答案】　D

2．下面关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是（　　）

A．存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶点

B．最小的环上，有3个Si原子和3个O原子

C．最小的环上，Si和O原子数之比为1∶2

D．最小的环上，有6个Si原子和6个O原子

【解析】　SiO2晶体中的正四面体单元中，Si处于中心，O处于4个顶点；在SiO2晶体中的最小环上有12个原子，其中有6个硅原子和6个氧原子。

【答案】　D

3．在xmol石英晶体中，含有Si—O键的数目是（　　）

A．xmolB．2xmol　　C．3xmol　　D．4xmol

【解析】　SiO2的结构类似于金刚石的空间网状结构，但每个Si键合4个O，每个O键合2个Si。

xmol石英（SiO2）晶体有xmolSi，由于每个Si键合4个O，就形成4个Si—O键，所以形成的Si—O键的物质的量为4xmol。

【答案】　D

4．通常人们把拆开1mol某化学键所吸收的能量看成该化学键的键能。

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

【导学号：

66240029】

化学键

Si－O

Si－Cl

H－H

H－Cl

Si－Si

Si－C

键能/

kJ·mol－1

460

360

436

431

226

301

请回答下列问题：

（1）比较下列两组物质的熔点高低（填“＞”或“＜”）。

SiC________Si；SiCl4________SiO2。

（2）如图立方体中心的“●”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－1。

【解析】　

（1）SiC和晶体Si皆为原子晶体，由于碳化硅晶体中的Si－C键的键能大于硅晶体中Si－Si键的键能，故SiC的熔点比Si高；SiCl4为分子晶体，SiO2为原子晶体，故SiCl4的熔点比SiO2低。

（2）晶体硅的结构与金刚石相似，每个硅原子都被相邻的4个硅原子包围，这4个硅原子位于四面体的四个顶点上，被包围的硅原子处于正四面体的中心。

（3）根据题目所给反应，需要断裂的旧化学键键能之和为：

4×360kJ·mol－1＋2×436kJ·mol－1＝2312kJ·mol－1，形成的新化学键键能之和为：

4×431kJ·mol－1＋2×226kJ·mol－1＝2176kJ·mol－1，所以ΔH＝＋136kJ·mol－1。

【答案】　

（1）＞　＜　

（2）如图1或图2　（3）＋136

图1　　　　　　　　　图2

【规律方法】　原子晶体熔、沸点高低的判断方法

原子晶体熔、沸点高低主要看原子半径。

因为原子晶体中原子间以较强的共价键相结合，原子半径越大，键长越长，共价键越不稳定，对应物质的熔、沸点越低。

分子晶体

[基础·初探]

教材整理1　分子晶体

1．定义

分子间通过分子间作用力结合形成的晶体称为分子晶体。

非金属单质、非金属的氢化物等无机物以及多数有机化合物形成的晶体大都属于分子晶体。

2．性质

（1）分子晶体在熔化时，破坏的只是分子间作用力，所以只需要外界提供较少的能量。

因此，分子晶体的熔点通常较低，硬度也较小，有较强的挥发性。

（2）对组成和结构相似，晶体中又不含氢键的物质来说，随着相对分子质量的增大，分子间作用力增强，熔、沸点升高。

（3）一般来说，分子间作用力无方向性，也使得分子在堆积时，会尽可能利用空间并采取紧密堆积方式，但是，分子的形状、分子的极性以及分子间是否存在具有方向性的氢键等，都会影响分子的堆积方式和结构型式。

3．碘晶体

碘晶体的晶胞是一个长方体，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。

4．干冰

干冰晶胞呈立方体型，其中二氧化碳分子因分子之间的相互作用，在晶胞中呈现有规律的排列。

5．冰晶体

冰晶体主要是水分子依靠氢键而形成的。

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子结合，边缘的四个水分子也按照同样的规律再与其他水分子结合，每个氧原子周围都有四个氢原子。

这种排列类似于蜂巢结构，比较松散。

因此水由液态变成固态时，密度变小。

（1）二氧化硅和干冰虽然是同一主族的氧化物，但属于不同的晶体类型。

（　　）

（2）分子晶体的熔、沸点比较低，原子晶体的熔、沸点比较高。

（　　）

（3）水是一种非常稳定的化合物，这是由于水中存在氢键。

（　　）

（4）由极性键形成的分子可能是非极性分子。

（　　）

（5）分子晶体中一定存在分子间作用力，不一定有共价键。

（　　）

【答案】　

（1）√　

（2）√　（3）×　（4）√　（5）√

教材整理2　石墨晶体

石墨晶体具有层状结构，每个碳原子采用sp2杂化轨道与邻近的三个碳原子以共价键相结合，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，因此能够形成遍及整个平面的大π键。

大π键具有金属键的性质。

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。

所以称为混合键型晶体。

1．石墨晶体为什么具有导电性？

【提示】　石墨晶体中每个C原子未参与杂化的轨道中含有1个未成对电子，能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，因此石墨沿平行的层能导电。

2．稀有气体由单原子构成，它属于原子晶体吗？

【提示】　不是，它属于分子晶体。

[合作·探究]

[探究问题]

1．干冰、冰结构性质探究

干冰

冰

晶胞结构

构成微粒

分子

分子

微粒间作用力

范德华力

范德华力、氢键

熔、沸点

很低

低

硬度

很小

小

导电性

固态、液态都不导电，溶于水生成弱电解质H2CO3后导电

固态不导电、液态时导电能力很弱

堆积方式

紧密堆积

非紧密堆积

应用

人工降雨、制冷剂

解暑、制冷剂

2.石墨结构中碳原子数和C—C键及性质的探究

（1）平均每个正六边形占有的C原子数和C—C键数各是多少？

（2）石墨晶体不属于原子晶体，但石墨的熔点为什么高于金刚石？

【提示】　

（1）石墨层状结构中每个C原子为三个正六边形共有，即对每个六边形贡献

个C原子，所以每个正六边形占有C原子数目为

×6＝2个。

每个C—C键为2个正六边形所共用，所以平均每个正六边形拥有3个C—C键。

（2）石墨晶体为层状结构，同层内碳原子以共价键结合成平面网状结构，C—C键的键长比金刚石中C—C键的键长短，键能大，所以石墨的熔、沸点高。

[核心·突破]

1．分子晶体熔、沸点高低规律

分子晶体要熔化或汽化都需要克服分子间的作用力。

分子间作用力越大，物质熔化和汽化时需要的能量就越多，物质的熔、沸点就越高。

因此，比较分子晶体的熔、沸点高低，实际上就是比较分子间作用力（包括范德华力和氢键）的大小。

（1）组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高。

如：

O2＞N2，HI＞HBr＞HCl。

（2）相对分子质量相等或相近时，极性分子的范德华力大，熔、沸点高，如：

CO＞N2。

（3）分子间含有氢键的物质，熔、沸点较高。

如：

H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S，HF＞HCl，NH3＞PH3。

（4）在烷烃的同分异构体中，一般来说，支链数越多，熔、沸点越低。

如沸点：

正戊烷＞异戊烷＞新戊烷；芳香烃及其衍生物苯环上的同分异构体一般按照“邻位＞间位＞对位”的顺序。

2．四种晶体类型的比较

类型

项目　　

离子晶体

原子晶体

分子晶体

金属晶体

构成晶体的微粒

阴、阳离子

原子

分子

金属阳离子和自由电子

微粒间的作用

离子键

共价键

分子间作用力（范德华力或氢键）

金属键

作用力强弱（一般地）

较强

很强

弱

一般较强，有的较弱

确定作用力强弱的一般判断方法

离子电荷、半径

键长（原子半径）

组成和结构相似时比较相对分子质量

离子半径、价电子数

熔、沸点

较高

高

低

差别较大（汞常温下为液态，钨熔点为3410℃）

硬度

略硬而脆

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（水）

多数易溶

一般不溶

相似相溶

一般不溶于水，少数与水反应

组成微粒堆积方式

非等径圆球紧密堆积

不服从紧密堆积原理

紧密堆积（与分子形状有关且分子间不存在氢键）

等径圆球紧密堆积（A1、A2、A3）

[题组·冲关]

1．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

【解析】　分子晶体相对于其他晶体来说，熔、沸点较低，硬度较小，导致这些性质特征的本质原因是基本构成微粒间的相互作用——范德华力及氢键相对于化学键来说是极其微弱的。

【答案】　C

2．分子晶体在通常情况下不具有的性质是（　　）

A．晶体构成微粒是分子

B．干燥或熔化时均能导电

C．微粒间以范德华力结合

D．熔点、沸点一般低于原子晶体和离子晶体

【解析】　分子一般含有共价键，所以干燥或熔化时不能电离出离子，故不能导电。

分子间以范德华力结合成晶体，熔点、沸点较低，一般低于原子晶体和离子晶体。

【答案】　B

3．下列分子晶体，关于熔点、沸点高低的叙述中，正确的是（　　）

A．Cl2＞I2

B．SiCl4＞CCl4

C．NH3＜PH3

D．C（CH3）4＞CH3CH2CH2CH2CH3

【解析】　A、B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点、沸点高；C选项属于分子结构相似的情况，但存在氢键的熔点、沸点高；D项属于相对分子质量相同，但分子结构不同的情况，支链多的熔点、沸点低。

【答案】　B

4．下列物质的熔点高低顺序，正确的是（　　）

A．金刚石＞晶体硅＞碳化硅

B．K＞Na＞Li

C．NaF＜NaCl＜NaBr

D．CI4＞CBr4＞CCl4＞CH4

【解析】　A项，键能：

C—C＞C—Si＞Si—Si，故熔点：

金刚石＞碳化硅＞晶体硅；B项，金属键：

Li＞Na＞K，故熔点：

Li＞Na＞K；C项，晶格能：

NaF＞NaCl＞NaBr，故熔点：

NaF＞NaCl＞NaBr；D项，相对分子质量：

CI4＞CBr4＞CCl4＞CH4，故熔点：

CI4＞CBr4＞CCl4＞CH4。

【答案】　D

5．下列关于物质熔点的排列顺序，不正确的是（　　）

A．HI＞HBr＞HCl＞HF

B．CI4＞CBr4＞CCl4＞CF4

C．NaCl＞NaBr＞KBr

D．金刚石＞碳化硅＞晶体硅

【解析】　A中为分子晶体，但由于HF分子间存在氢键，故HF的熔点出现反常；B中也为分子晶体，按相对分子质量由大到小排列，正确；C中为离子晶体，离子半径r（Cl－）＜r（Br－），故熔点NaCl＞NaBr，而阳离子r（Na＋）＜r（K＋），故熔点NaBr＞KBr，正确；D中为原子晶体，按键长可知正确。

【答案】　A