人教版选修3 第3章第2节 分子晶体与原子晶体第1课时 学案.docx

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人教版选修3第3章第2节分子晶体与原子晶体第1课时学案

第2节分子晶体与原子晶体

第一课时　分子晶体

学习目标：

1.了解分子晶体的概念及结构特点。

掌握分子晶体的性质。

2.能够通过分析分子晶体的组成微粒、结构模型及分子晶体中的作用力解释分子晶体的一些物理性质。

3.知道一些常见的属于分子晶体的物质类别。

[知识回顾]

什么是范德华力和氢键？

存在于什么微粒间？

主要影响物质的什么性质？

答：

范德华力是分子与分子之间存在的一种把分子聚集在一起的作用力。

它是分子之间普遍存在的相互作用力，它使得许多物质能以一定的聚集态（固态和液态）存在。

氢键：

是由已经与电负性很强的原子（如N、F、O）形成共价键的氢原子与另一个分子中或同一分子中电负性很强的原子之间的作用力。

范德华力和氢键主要存在于分子之间，主要影响物质的物理性质。

[要点梳理]

1．分子晶体的概念及结构特点

（1）分子晶体中存在的微粒：

分子。

（2）分子间以分子间作用力相结合形成的晶体叫分子晶体。

（3）相邻分子间靠分子间作用力相互吸引。

①若分子间作用力只有范德华力，则分子晶体有分子密堆积特征，即每个分子周围有12个紧邻的分子。

②分子间含有其他作用力，如氢键，则每个分子周围紧邻的分子要少于12个。

如冰中每个水分子周围只有4个紧邻的水分子。

2．常见的分子晶体

（1）所有非金属氢化物，如H2O、NH3、CH4等。

（2）部分非金属单质，如卤素（X2）、氧气O2、氮N2、白磷（P4）、硫（S8）等。

（3）部分非金属氧化物，如CO2、P4O10、SO2、SO3等。

（4）几乎所有的酸，如HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等。

（5）绝大多数有机物的晶体，如苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等。

3．典型的分子晶体（如图）

（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在常压下极易升华。

②干冰中的CO2分子间只存在范德华力而不存在氢键，一个CO2分子周围等距紧邻的CO2分子有12个。

知识点一　分子晶体的性质

1．分子晶体的构成微粒是真实存在的小分子或大分子。

只有分子晶体才有分子式，像NaCl、Cu、SiO2等只表示化学式，不表示分子式。

2．分子间作用力与化学键的区别和联系。

分子间作用力不是化学键，它比化学键弱得多，如HCl分子间作用力为21kJ·mol－1，而HCl分子中的H－Cl键的键能为431kJ·mol－1。

通常化学键的键能为120～800kJ·mol－1，而分子间作用力通常每摩尔约为几十千焦。

当破坏HCl分子间作用力时，只改变了HCl的状态，发生了物理变化；当HCl分子中的H－Cl键遭到破坏时，一般发生了化学变化，当固态或液态HCl溶于水时，虽也破坏了H－Cl键，但却不是化学变化。

因此，分子间作用力主要影响物质的物理性质，而化学键则主要影响物质的化学性质。

3．分子晶体的结构特征

（1）密堆积：

因为范德华力没有方向性和饱和性，所以范德华力的作用使相邻分子之间尽可能地相互接近，使它们占有最小的空间。

（2）若分子间只有范德华力，则分子晶体采取分子密堆积，通常每个分子周围有12个紧邻的分子。

如碘晶体的结构就属于此类，如右图所示。

（3）若分子间靠氢键形成晶体，则不采取密堆积结构，每个分子周围紧邻的分子数要小于12个。

因为氢键有方向性和饱和性，一个分子周围其他分子的位置和数目是一定的。

如冰晶体、苯甲酸晶体等。

4．分子晶体的物理性质

（1）分子间作用力与分子晶体熔沸点的关系

①分子晶体熔化、汽化时都要克服分子间作用力。

分子间作用力较弱，因此分子晶体的熔沸点都较低。

②分子晶体熔化时，一般只破坏分子间作用力，不破坏分子内的化学键。

（2）分子晶体的溶解性

一般情况下，极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂，即“相似相溶”原理。

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。

NH3、CH3CH2OH等能与H2O形成氢键，因此NH3、CH3CH2OH等极易溶于水。

（3）分子晶体的导电性

由于构成分子晶体的粒子是分子，不管是晶体状态，还是熔化之后，都不存在带电荷的离子，因此，分子晶体及它的熔融态均不导电。

分子晶体溶于水时，有些在水分子作用下发生电离，则其水溶液能导电（如HCl）；有些与水反应生成能电离的物质，水溶液也能导电（如SO2、SO3溶于水，生成H2SO3、H2SO4，二者的水溶液均能导电）；有些溶于水不导电（如CH3CH2OH）。

[问题探究]

1．分子晶体的熔沸点为什么较低？

[答案]　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，所以分子晶体一般熔沸点都较低。

2．分子晶体及其熔融态时能否导电？

为什么？

[答案]　不能。

因为分子晶体在固态和熔融状态均不存在自由电子，因而不能导电，易溶于水的电解质在水中全部或部分电离而能够导电，不溶于水的物质或易溶于水的非电解质不能导电。

分子晶体熔沸点高低的比较规律

（1）分子晶体分子间作用力越大，物质的熔沸点越高。

（2）分子间形成氢键的分子晶体，其熔沸点较高；而分子内形成氢键的分子晶体，其熔沸点较低。

（3）组成和结构不相似的分子晶体（相对分子质量相近），分子的极性越大，其熔沸点越高。

组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔沸点越高。

（4）对于同分异构体，支链越多，沸点越低。

冰易融化、干冰易气化、碘易升华，这都是因为它们是分子晶体，分子间的作用力较小，因而融化、气化、升华时需要克服的作用力小。

故可以利用这些特性来判断某些晶体是否是分子晶体。

1．氯化硼的熔点为10.7℃，沸点为12.5℃。

在氯化硼分子中，Cl－B－Cl键角为120°，它可以水解，水解产物之一是氯化氢，下列对氯化硼的叙述中，正确的是（　　）

A．氯化硼是原子晶体

B．熔化时，氯化硼能导电

C．氯化硼分子是一种极性分子

D．水解方程式：

BCl3＋3H2O===H3BO3＋3HCl

[解析]　首先根据性质推导该晶体是分子晶体还是原子晶体，再根据晶体的性质判断选项。

因为BCl3的熔、沸点较低，故应为分子晶体，分子晶体熔化时不导电，故A、B两项错误；又因Cl－B－Cl键角为120°，则可确定BCl3为非极性分子，C项错误。

[答案]　D

2．下表列举了几种物质的性质，据此判断属于分子晶体的是________。

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97.81℃，质软、导电，密度为0.97g·cm－3

[解析]　分子晶体熔沸点一般比较低，硬度较小，固体不导电。

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

[答案]　X、Y、Z、W

晶体的熔点高低、熔融态能否导电及溶解性等性质的结合，是判断晶体类型的重要依据。

知识点二　冰和干冰的晶体结构

1．干冰分子晶体的结构模型

干冰晶胞的结构如图1所示，从结构模型可以看出：

干冰晶体是一种立方面心结构——每8个CO2分子构成立方体，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）。

2．冰晶体的结构

冰晶体的结构如图2所示。

在冰的晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的水分子，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，这一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。

当冰刚刚融化为液态水时，热运动使冰的结构部分解体，水分子间的空隙减小，密度反而增大；超过4℃时，由于热运动加剧，分子间距离加大，密度逐渐减小。

[问题探究]

1．已知氢键也有方向性，试分析为什么冬季河水总是从水面上开始结冰？

[答案]　由于氢键的方向性，使冰晶体中每个水分子与四面体顶点的4个分子相互吸引，形成空隙较大的网状体，密度比水小，所以结的冰会浮在水面上。

2．为什么干冰的熔沸点比冰低，密度却比冰大？

[答案]　由于冰中除了范德华力外还有氢键作用，破坏分子间作用力较难，所以熔沸点比干冰高。

由于水分子间氢键的方向性，导致冰晶体不具有分子密堆积特征，晶体中有相当大的空隙，所以相同状况下冰体积较大。

由于CO2分子的相对分子质量＞H2O，所以干冰的密度大。

两种典型分子晶胞

（1）干冰型（范德华力）

①有一种晶体叫做干冰，它是固体CO2的晶体。

干冰的外观像冰，干冰不是冰。

其熔点比冰低得多，易升华。

②干冰晶体中CO2分子之间只存在分子间作用力，不存在氢键，因此干冰中CO2分子紧密堆积，晶胞中顶点和每个面上各有一个CO2分子，所以每个CO2分子周围最近且等距离的CO2分子数目是12个。

（2）冰型

①H2O中O杂化（sp3）VSEPR构型（四面体）。

②冰中含有的作用力

分子内——共价键；

分子间——范德华力。

③冰中1个水分子与周围4个水分子形成氢键。

并不是所有分子晶体中都存在化学键，如稀有气体是单原子分子，其晶体中不含化学键。

1．下图为冰晶体的结构模型，大球代表O原子，小球代表H原子。

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．冰融化时，水分子之间空隙增大

[解析]　在冰晶体中分子之间是通过氢键作用，是分子晶体，在每个水分子中氧原子按sp3方式杂化，每个水分子都可以与另外四个水分子形成氢键，而氢键具有方向性和饱和性。

所以每个水分子与另外四个水分子形成四面体，故A正确；冰晶体虽然具有空间网状结构，但分子之间是氢键，所以是分子晶体，故B错误；水分子之间是通过氢键作用的，故C错误；由于氢键有方向性，分子之间的空隙较大，当晶体熔化时，氢键被破坏，水分子之间的空隙减小，故D错误；故选A。

[答案]　A

2．如图为CO2分子晶体结构的一部分，观察图形。

试说明每个CO2分子周围有________个与之紧邻且等距的CO2分子；该结构单元平均占有________个CO2分子。

[解析]　题给CO2分子晶体的一部分，属面心立方结构。

取任一顶点的CO2分子，则与之距离最近且等距的共用该顶点的三个面面心上的CO2分子，共3个；而该顶点被8个同样晶胞共用，而面心上的分子被2个晶胞共用，这样符合题意的CO2分子有：

3×8/2＝12（个）；在此结构中，8个CO2分子处于顶点，为8个同样结构共用，6个CO2分子处于面心，为2个同样结构共用。

所以，该结构单元平均占有的CO2分子为：

8×

＋6×

＝4（个）

[答案]　12　4

冰融化与干冰升华克服的作用力不完全相同，干冰升华只克服范德华力，而冰融化除克服范德华力外还克服氢键。

[知识脉络]

[核心要点]

1.分子晶体：

只含分子的晶体称为分子晶体。

2．构成微粒及作用力

1．下列关于晶体的说法正确的是（　　）

A．分子晶体内一定存在共价键

B．分子晶体中分子间作用力越大，分子越稳定

C．冰融化时水分子中共价键没有断裂

D．由金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合物，其晶体一定不是分子晶体

[解析]　稀有气体元素形成的单质晶体中，分子内不存在共价键，A项错误；分子的稳定性强弱只与分子内所含化学键的强弱有关，而与分子间作用力无关，B项错误；冰融化时，其分子间作用力被破坏，而共价键没有发生变化，C项正确；AlCl3是共价化合物，其晶体是分子晶体，D项错误。

[答案]　C

2．下列单质由氢元素的三种核素（H、D、T）组成，其中熔点最高的是（　　）

A．H2B．HD

C．HTD．T2

[解析]　H2、HD、HT、T2均为氢元素组成的结构相似的单质，相对分子质量越大，其晶体的熔点越高。

[答案]　D

3．下列物质在室温下均是分子晶体的是（　　）

A．H2O、CH4、HF

B．红磷、硫、碘

C．CO2、SO2、NO2

D．H2SO4、CH3CH2OH、HCHO

[解析]　题目的核心是“室温”，在该条件下H2O、H2SO4、CH3CH2OH均为液体，而CH4、HF、CO2、NO2、SO2均为气体，故B项正确。

[答案]　B

4．北京301医院在进行外科手术时，常用HgCl2稀溶液作为手术刀的消毒剂，已知HgCl2有如下性质：

①HgCl2晶体熔点较低；②HgCl2熔融状态下不导电；③HgCl2在水溶液中可发生微弱电离。

下列关于HgCl2的叙述正确的是（　　）

A．HgCl2晶体属于分子晶体

B．HgCl2属于离子化合物

C．HgCl2属于电解质，且属于强电解质

D．HgCl2属于非电解质

[解析]　由信息①可知HgCl2晶体属于分子晶体，A项正确；由信息②③可知HgCl2属于共价化合物，且为弱电解质，故B、C、D均错误。

[答案]　A

5．下列分子晶体在熔化时，只破坏范德华力的是____________，

既破坏范德华力，又破坏氢键的是________________________。

①H2　②O2　③P4（白磷）　④SO2　⑤CO2　⑥H2O2　⑦HF　⑧H2N－CH2CH2COOH　⑨C2H6

[解析]　有氢键的分子晶体，其分子中应含有H－F键、H－O键、H－N键中的任何一个键，在熔化时其中的氢键被破坏，题中⑥⑦⑧中既有范德华力又有氢键。

[答案]　①②③④⑤⑨　⑥⑦⑧

6．Q、R、X、Y、Z为前20号元素中的五种，Q的低价氧化物与X单质分子的电子总数相等，R与Q同族，Y和Z的离子与Ar原子的电子层结构相同且Y的原子序数小于Z。

（1）Q的最高价氧化物，其固态属于________晶体，俗名叫________；

（2）R的氢化物分子的空间构型是________，属于________分子（填“极性”或“非极性”）；

（3）X的常见氢化物的空间构型是________；它的另一氢化物X2H4是一种火箭燃料的成分，其电子式是________________；

（4）Q分别与Y、Z形成的共价化合物的化学式是________和________；Q与Y形成的分子的电子式是________，属于________分子（填“极性”或“非极性”）。

[解析]　根据问题（4）中Q和Y、Z能形成共价化合物，则Y和Z为非金属元素，又由于Y和Z的离子与Ar原子的电子层结构相同，且Y的原子序数小于Z，因此Y和Z分别为S和Cl。

根据问题（3）X的氢化物X2H4是一种火箭燃料的成分，因此X为N，Q的低价氧化物与N2的电子数相同，因此Q为C，R与Q又在同族，因此R为Si。

（1）Q为C，其最高价氧化物为CO2，为分子晶体，俗名为干冰。

（2）R为Si，其氢化物为SiH4，因此空间构型是正四面体结构，非极性分子。

（4）C分别和S、Cl形成共价化合物为CS2、CCl4，CS2和CO2结构相同，都是直线形非极性分子，其结构式为S===C===S，因此其电子式为

∶∶C∶∶

。

[答案]　

（1）分子　干冰

（2）正四面体形　非极性

（3）三角锥形　

（4）CS2　CCl4　

∶∶C∶∶

　非极性