最新版高中化学 第3章第3节 原子晶体与分子晶体 第2课时学案.docx

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最新版高中化学第3章第3节原子晶体与分子晶体第2课时学案

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。

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