学年人教版选修3 第三章 第二节 分子晶体与原子晶体 第1课时 学案.docx

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学年人教版选修3第三章第二节分子晶体与原子晶体第1课时学案

第二节　分子晶体与原子晶体

第1课时　分子晶体

课程目标

核心素养建构

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。

[知识梳理]

一、分子晶体的结构与物质类别

1.分子晶体的结构特点

（1）构成微粒及作用力

（2）堆积方式

分子间

作用力

堆积方式

实例

范德华力

分子采用密堆积，每个分子周围有12个紧邻的分子

如C60、干冰、I2、O2

范德华力、氢键

分子不采用密堆积，每个分子周围紧邻的分子少于12个

如HF、NH3、冰

2.分子晶体与物质的类别

物质种类

实例

所有非金属氢化物

H2O、NH3、CH4等

部分非金属单质

卤素（X2）、O2、N2、白磷（P4）、硫（S8）等

部分非金属氧化物

CO2、P4O10、SO2、SO3等

几乎所有的酸

HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等

绝大多数有机物的晶体

苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等

二、两种典型的分子晶体的组成和结构

1.冰

（1）水分子之间的主要作用力是氢键，当然也存在范德华力。

（2）氢键有方向性，它的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子互相吸引。

2.干冰

（1）干冰中的CO2分子间只存在范德华力，不存在氢键。

（2）①每个晶胞中有4个CO2分子，12个原子。

②每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为12个。

[自我检测]

1.判断正误，正确的打“√”；错误的打“×”。

（1）分子晶体内只有分子间作用力。

（　　）

（2）分子晶体的相对分子质量越大，熔、沸点越高。

（　　）

（3）分子晶体中分子间氢键越强，分子越稳定。

（　　）

（4）冰晶体融化时水分子中共价键发生断裂。

（　　）

（5）水是一种非常稳定的化合物，这是由于水中存在氢键。

（　　）

（6）由极性键形成的分子可能是非极性分子。

（　　）

（7）水和冰中都含有氢键。

（　　）

（8）分子晶体中一定存在范德华力，可能有共价键。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）×　（6）√　（7）√　（8）√

2.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、P4、C10H8B.PCl3、CO2、H2SO4

C.SO2、SiO2、P2O5D.CCl4、H2O、Na2O2

解析　A中，P4（白磷）为单质，不是化合物；C中，SiO2为原子晶体；D中，Na2O2是离子化合物、离子晶体。

答案　B

提升一　分子晶体及其判断

【例1】　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，他们认为属于分子晶体的是（　　）

A.NaCl、MgCl2、CaCl2B.AlCl3、SiCl4

C.NaCl、CaCl2D.全部

解析　由分子构成的晶体，分子与分子之间靠分子间作用力聚集在一起，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正确，A、C、D错误。

答案　B

【名师点拨】

1.分子晶体的定义

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。

特别提醒　稀有气体单质是由原子直接构成的分子晶体，无化学键，晶体中只有分子间作用力。

2.常见的典型的分子晶体

（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（X2）、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，如HNO3、H2SO4、H3PO4等；

（5）绝大多数有机物的晶体，如苯、乙醇、乙酸等。

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。

4.晶体冰中有关氢键的易错点

（1）晶体冰中每个水分子可以与紧邻的4个水分子形成氢键（不是2个）；每个水分子平均形成2个氢键（不是4个）。

（2）冰晶胞的结构和金刚石的晶胞结构相似，每个晶胞平均拥有8个水分子。

晶体中C、O均采用sp3杂化，均与4个其他原子形成四面体结构单元，因此，冰晶胞的结构与金刚石的晶胞结构有一定的相似性。

（3）冰、氢氟酸中均有氢键，且O—H…O比F—H…F弱，但水的沸点更高，其原因是平均每个水分子形成的氢键数比HF多。

（4）晶体冰的密度比液态水的小。

这是因为晶体冰中水分子形成的氢键具有方向性和饱和性，使得冰晶体中水分子的空间利用率变小。

【深度思考】

请列举判断物质是否为分子晶体的方法？

提示　

（1）可以根据物质的类别判断晶体是否为分子晶体；

（2）可以根据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断是否为分子晶体，构成分子晶体的微粒是分子，微粒间的作用力是分子间作用力；（3）可以根据晶体的特征性质判断晶体是否为分子晶体：

①熔、沸点和硬度：

分子晶体的熔、沸点较低，硬度小；②导电性：

分子晶体不导电，部分溶于水导电。

【变式训练】

1.SiCl4的分子结构与CCl4相似，对其进行的下列推测中不正确的是（　　）

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

解析　由于SiCl4具有分子结构，所以属于分子晶体。

在常温、常压下SiCl4是液体。

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

影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间作用力的大小，在SiCl4分子间、CCl4分子间只有范德华力，SiCl4的相对分子质量大于CCl4的相对分子质量，所以SiCl4的分子间作用力比CCl4的大，熔、沸点比CCl4的高。

答案　B

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

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。

答案　B

3.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

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正确，C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错误。

答案　B

提升二　分子晶体的物理性质及应用

【例2】　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.①B.②③

C.①②D.②④

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。

答案　B

【名师点拨】

1.分子晶体的物理性质

（1）分子晶体具有较低的熔、沸点和较小的硬度。

分子晶体熔化时要破坏分子间作用力，由于分子间作用力很弱，所以分子晶体的熔、沸点一般较低，部分分子晶体易升华（如干冰、碘、红磷、萘等），且硬度较小。

（2）分子晶体不导电。

分子晶体在固态和熔融状态下均不存在自由移动的离子或自由电子，因而分子晶体在固态和熔融状态下都不能导电。

有些分子晶体的水溶液能导电，如HI、乙酸等。

（3）分子晶体的溶解性一般符合“相似相溶”规律，即极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂。

如：

H2O是极性溶剂，SO2、H2S、HBr等都是极性分子，它们在水中的溶解度比N2、O2、CH4等非极性分子在水中的溶解度大。

苯、CCl4是非极性溶剂，则Br2、I2等非极性分子易溶于其中，而水则不溶于苯和CCl4中。

2.分子晶体熔、沸点比较规律

（1）少数主要以氢键作用形成的分子晶体，比一般的分子晶体的熔、沸点高，如含有H—F、H—O、H—N等共价键的分子间可以形成氢键，所以HF、H2O、NH3、醇、羧酸等物质的熔、沸点相对较高。

（2）组成与结构相似，分子之间不含氢键而只利用范德华力形成的分子晶体，随着相对分子质量的增大，物质的熔、沸点逐渐升高。

例如，常温下Cl2呈气态，Br2呈液态，而I2呈固态；CO2呈气态，CS2呈液态。

（3）相对分子质量相等或相近的极性分子构成的分子晶体，其熔、沸点一般比非极性分子构成的分子晶体的熔、沸点高，如CO的熔、沸点比N2的熔、沸点高。

（4）有机物中组成和结构相似且不存在氢键的同分异构体，相对分子质量相同，一般支链越多，分子间的相互作用力越弱，熔、沸点越低，如熔、沸点：

正戊烷＞异戊烷＞新戊烷。

【深度思考】

相对分子质量越大，分子晶体的熔、沸点就一定越高吗？

提示　不一定。

比较分子晶体熔、沸点高低时，首先要判断分子间是否存在氢键。

若不存在氢键，再看分子的组成和结构是否相似，比较范德华力大小。

【变式训练】

4.下列有关分子晶体熔点的高低叙述中，正确的是（　　）

A.Cl2＞I2

B.SiCl4＞CCl4

C.PH3＞NH3

D.C（CH3）4＞CH3CH2CH2CH2CH3

解析　NH3分子间存在氢键，分子间作用力大，PH3分子间不存在氢键，分子间作用力弱，NH3的熔点高于PH3，C不正确；A、B、D选项中均无氢键，且固态时都为分子晶体，物质结构相似，相对分子质量大的熔点高，故A不正确，B正确；相对分子质量相同的烷烃的同分异构体，支链越多，熔点越低，故D不正确。

答案　B

5.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

解析　干冰熔化时破坏的分子间作用力。

答案　D

6.下列说法中正确的是（　　）

A.C60汽化和I2升华克服的作用力不相同

B.甲酸甲酯和乙酸的分子式相同，它们的熔点相近

C.NaCl和HCl溶于水时，破坏的化学键都是离子键

D.常温下TiCl4是无色透明液体，熔点－23.2℃，沸点136.2℃，所以TiCl4属于分子晶体

解析　C60、I2均为分子晶体，汽化或升华时均克服范德华力；B中乙酸分子可形成氢键，其熔、沸点比甲酸甲酯高。

答案　D

7.下列事实与氢键有关的是（　　）

A.水加热到很高的温度都难以分解

B.水结成冰体积膨胀，密度变小

C.CH4、SiH4、GeH4、SnH4熔点随相对分子质量增大而升高

D.HCl的稳定性强于HBr

解析　H—O键的键能较大，故水加热到很高的温度都难以分解，与氢键无关，A错误；水结冰时，由于氢键的存在，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，造成体积膨胀，密度变小，B正确；CH4、SiH4、GeH4、SnH4都为分子晶体，熔点随相对分子质量增大而升高，与氢键无关，C错误；氯元素的非金属性强于溴元素，故HCl的稳定性强于HBr，与氢键无关，D错误。

答案　B

课时作业

基础题组

1.分子晶体具有某些特征的本质原因是（　　）

A.组成晶体的基本微粒是分子

B.熔融时不导电

C.基本构成微粒间以分子间作用力相结合

D.熔点一般比较低

解析　分子晶体相对于其他晶体来说，熔、沸点较低，硬度较小，本质原因是其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比较弱。

答案　C

2.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

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低；BeCl2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。

答案　A

3.下列各物质所形成的晶体中，属于分子晶体且分子内只含极性共价键的是（　　）

A.CO2B.O2

C.NH4ClD.Ar

解析　固体CO2（干冰）是分子晶体，分子内只有极性的碳氧共价键。

O2、Ar是固体都属于分子晶体，但O2中只有非极性共价键，Ar原子间没有共价键。

NH4Cl由NH

和Cl－组成，是离子化合物，不属于分子晶体。

答案　A

4.下列能说明固态氨是分子晶体的事实是（　　）

A.氮原子不能形成阳离子

B.铵根离子不能单独存在

C.常温常压下，氨是气态物质

D.氨极易溶于水

解析　分子晶体的熔、沸点较低，故常温常压下氨呈气态，说明固态氨属于分子晶体。

答案　C

5.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平均形成几个氢键（　　）

A.2B.4

C.8D.12

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。

答案　A

6.中学教材上介绍的干冰晶体是面心立方结构，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

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。

答案　C

7.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4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.冰融化后，水分子之间空隙增大

解析　冰晶体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4个sp3杂化轨道形成氢键，每个水分子可以与4个水分子形成氢键，从而形成空间四面体构型，A项正确。

因为冰晶体中形成的氢键具有方向性和饱和性，故水分子靠氢键连接后，分子间空隙变大，因此冰融化成水后，体积减小，水分子之间空隙减小，D项错误。

答案　A

8.下列分子晶体：

①HCl、②HBr、③HI、④CO、⑤N2、⑥H2的熔点由高到低的顺序是（　　）

A.①②③④⑤⑥B.③②①⑤④⑥

C.③②①④⑤⑥D.⑥⑤④③②①

解析　题给六种物质都属于分子晶体且均不存在分子间氢键，而相对分子质量由大到小的顺序是③＞②＞①＞④＝⑤＞⑥，根据分子晶体熔沸点高低的判断，依据熔沸点由高到低的顺序为③②①⑥，CO和N2的相对分子质量相同，但CO是极性分子，N2是非极性分子，所以熔点前者大于后者都大于H2，故正确顺序为③②①④⑤⑥。

答案　C

9.

（1）CO能与金属Fe形成Fe（CO）5，该化合物的熔点为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”）。

（3）C60的晶体结构类似于干冰，则每个C60晶胞的质量为____________g（用含NA的式子表示，NA为阿伏加德罗常数的值）。

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。

（3）C60晶体为面心立方结构，所以每个C60晶胞有4个C60分子（面心3个，顶角1个），所以一个C60晶胞质量＝

g＝

g。

答案　

（1）分子　

（2）172　低　（3）

10.

（1）如图为干冰的晶体结构示意图。

通过观察分析，每个CO2分子周围紧邻等距离的CO2分子有________个，有________种取向不同的CO2分子。

将CO2分子视作质点，设晶胞边长为apm，则紧邻的两个CO2分子的距离为________pm。

（2）在冰晶体中，水分子之间的主要作用力是________，还有________，由于该主要作用力与共价键一样具有________性，故1个水分子周围只有________个紧邻的水分子，这些水分子位于________的顶点。

这种排列方式使冰晶体中水分子的空间利用率________（填“较高”或“较低”），故冰的密度比水的密度要________（填“大”或“小”）。

解析　观察并分析干冰和冰的晶体结构，可知在干冰晶体中，CO2分子排列为面心立方堆积，顶点为一种取向，三对平行面分别为三种不同取向。

离顶点的CO2分子最近的是面心的分子，两者的距离为面对角线的一半，即

apm。

每个CO2分子周围紧邻且等距离的CO2分子共有12个。

在冰晶体中，水分子间的主要作用力是氢键，氢键具有方向性，1个水分子周围只有4个紧邻的水分子，使冰晶体中水分子的空间利用率较低，分子的间距较大，结构中有许多空隙，造成冰的密度小于水的密度。

答案　

（1）12　4　

a　

（2）氢键　范德华力　方向　4　四面体　较低　小

能力题组

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）：

________。

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。

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）

12.

（1）德国和美国科学家制出了由20个碳原子构成的空心笼状分子C20，该笼状结构是由许多正五边形构成的（如图所示）。

C20分子共有________个正五边形，共有________个共价键，C20晶体属于________晶体。

（2）目前科学家拟合成一种“二重结构”的球形分子，即把足球形C60分子容纳在足球形Si60分子中，外面的硅原子与里面的碳原子以共价键相结合。

下列关于这种物质的叙述不正确的是________（填序号）。

A.该物质是一种新型化合物

B.该物质是两种单质组成的混合物

C.该晶体属于分子晶体

D.该物质具有极高的熔、沸点

解析　

（1）根据“由20个碳原子构成的空心笼状分子”可判断该物质一定是分子晶体。

根据其结构可知每个碳原子形成3个C—C键，每个共价键被2个碳原子共用，所以含有的共价键数是

＝30。

因为每个共价键被2个正五边形共用，所以平均每个正五边形含有的共价键数是

＝2.5，故C20分子共有

＝12个正五边形。

（2）该物质是一种“二重结构”的球形分子，故A项正确；该物质中碳原子和硅原子间形成共价键，因此它是化合物，故B项错误；该晶体是由分子构成的，属于分子晶体，故C项正确；该晶体属于分子晶体，熔、沸点较低，故D项错误。

答案　

（1）12　30　分子　

（2）BD

13.在我国南海300～500m海底深处沉积物中存在着大量的“可燃冰”，其主要成分为甲烷水合物。

在常温、常压下它会分解成水和甲烷，因而得名。

请回答下列问题：

（1）甲烷晶体的晶胞结构如图所示，下列说法正确的是__________（填序号）。

A.甲烷晶胞中的球只代表一个C原子

B.晶体中1个CH4分子中有12个紧邻的CH4分子

C.CH4熔化时需克服共价键

D.1个CH4晶胞中含有8个CH4分子

E.CH4是非极性分子

（2）水在不同的温度和压强条件下可以形成多种不同结构的晶体，冰晶体结构有多种。

其中冰Ⅶ的晶体结构如下图所示。

①水分子的立体结构是________形，在酸性溶液中，水分子容易得到一个H＋，形成水合氢离子（H3O＋），水分子能与H＋形成配位键，其原因是在氧原子上有________________，应用价层电子对互斥理论（或模型）推测H3O＋的形状为________。

②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__________________________________________________________________

____________________________________________________________________。

（3）用x、y、z分别表示H2O、H2S、H2Se的沸点（℃），则x、y、z的大小关系是________，其判断依据是___________________________________________________________________________________________