《分子晶体与原子晶体》课件(新人教版-选修3)

1、 高中化学新人教版选修3系列课件物质结构与性质 3.2分子晶体与原子晶体 教学目标教学目标 知识与能力知识与能力 1、使学生了解分子晶体的组成粒子、结构模型和结构特点及其性质的一般特点。 2、使学生了解晶体类型与性质的关系。 3、使学生理解分子间作用力和氢键对物质物理性质的影响。 4、知道一些常见的属于分子晶体的物质类别。 5、使学生主动参与科学探究，体验研究过程，激发他们的学习兴趣。 、掌握原子晶体的概念，能够区分原子晶体和分子晶体。 、了解金刚石等典型原子晶体的结构特征，能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的关系。 教学重点难点：教学重点难点： 重点：重点：掌握分子晶体的结构特点和

2、性质特点；原子晶体的结构与性质的关系 难点：难点：是氢键的方向性和氢键对物体物理性质的影响 从三维空间结构认识晶胞的组成结构 教学方法建议：教学方法建议： 运用模型和类比方法诱导分析归纳 微粒为分子：微粒为分子：分子间作用力（或范德华力）或氢键；分子间作用力（或范德华力）或氢键；微粒为原子：极性共价键或非极性共价键；微粒为原子：极性共价键或非极性共价键；微粒为离子：离子键。微粒为离子：离子键。复习总结：复习总结：微粒间作用微粒间作用思考与交流思考与交流石墨和金刚石同属于碳的单质，为什么在硬度上会相石墨和金刚石同属于碳的单质，为什么在硬度上会相差如此之大？差如此之大？ 二氧化碳及其晶胞 观察与思

3、考：下列两种晶体有什么共同点？碘晶体结构碘晶体结构干冰晶体结构干冰晶体结构 一、分子晶体一、分子晶体1 1、概念、概念分子间以分子间作用力（范德华力，氢键）相分子间以分子间作用力（范德华力，氢键）相结合的晶体叫分子晶体结合的晶体叫分子晶体（1 1）构成分子晶体的粒子是分子。）构成分子晶体的粒子是分子。（2 2）粒子间的相互作用是分子间作用力。）粒子间的相互作用是分子间作用力。（3 3）范德华力远小于化学键的作用；范德华力远小于化学键的作用；（4）分子晶体熔化或三态变化破坏的是分子间作用）分子晶体熔化或三态变化破坏的是分子间作用力。力。 3、典型的分子晶体：、典型的分子晶体： 所有非金属氢化物：

4、所有非金属氢化物：H H2 2O O，H H2 2S S，NHNH3 3，CHCH4 4，HXHX 几乎所有酸：几乎所有酸：H H2 2SOSO4 4，HNOHNO3 3，H H3 3POPO4 4 部分非金属单质部分非金属单质: :X X2 2，O O2 2，H H2 2， S S8 8，P P4 4， C C6060 部分非金属氧化物部分非金属氧化物: : COCO2 2， SOSO2 2， NONO2 2， P P4 4O O6 6， P P4 4O O1010 大多数有机物：大多数有机物：乙醇，冰醋酸，蔗糖乙醇，冰醋酸，蔗糖 4、分子晶体结构特征只有范德华力，无分子间氢键分子密堆积每个

5、分子周围有12个紧邻的分子，如：C60、干冰 、I2、O2有分子间氢键不具有分子密堆积特征如：HF 、冰、NH3 氧（O2）的晶体结构碳60的晶胞 干冰的晶体结构图 思考：思考：1mol冰周围有？冰周围有？mol氢键氢键冰中个水分子周围有个水分子形成冰中个水分子周围有个水分子形成什么空间构型？什么空间构型？ 归纳要点分子的密度取决于晶体归纳要点分子的密度取决于晶体的体积，取决于紧密堆积程度，分子的体积，取决于紧密堆积程度，分子晶体的紧密堆积由以下两个因素决定：晶体的紧密堆积由以下两个因素决定：（1）范德华力）范德华力（2）分子间氢键）分子间氢键 5、分子晶体熔、沸点高低的比较规律、分子晶体熔、

6、沸点高低的比较规律分子晶体要熔化或汽化都需要克服分子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、化和汽化时需要的能量就越多，物质的熔、沸点就越高。沸点就越高。因此，比较分子晶体的熔、沸点高低，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（包括范力实际上就是比较分子间作用力（包括范力和氢键）的大小。和氢键）的大小。 （1）组成和结构相似的物质，相对分子质量越）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：大，范德华力越大，熔沸点越高。如：O2N2，HIHBr

7、HCl。（2）分子量相等或相近，极性分子的范德华力）分子量相等或相近，极性分子的范德华力大，熔沸点高，如大，熔沸点高，如CON2（3）含有氢键的，熔沸点较高。如）含有氢键的，熔沸点较高。如H2OH2TeH2SeH2S，HFHCl，NH3PH3 （4）在烷烃的同分异构体中，一般来说，支链）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：正戊烷数越多，熔沸点越低。如沸点：正戊烷异戊烷异戊烷新戊烷；芳香烃及其衍生物苯环上的同分异构新戊烷；芳香烃及其衍生物苯环上的同分异构体一般按照体一般按照“邻位邻位间位间位对位对位”的顺序的顺序。 思考思考1是不是在分子晶体中分子间只存在是不是在分子

8、晶体中分子间只存在范德华力？范德华力？ 思考思考2为什么冰融化为水时为什么冰融化为水时,密度增大？密度增大？不对，分子间氢键也是一种分子间作用力，不对，分子间氢键也是一种分子间作用力，如冰中就同时存在着范德华力和氢键。如冰中就同时存在着范德华力和氢键。在冰晶体中在冰晶体中,每个分子周围只有每个分子周围只有4个紧邻的水分子个紧邻的水分子,由于水分子之间的主要作用力是氢键由于水分子之间的主要作用力是氢键,氢键跟共价氢键跟共价键一样具有方向性键一样具有方向性,即氢键的存在迫使在四面体中即氢键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心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分个相邻水分子相

9、互吸引子相互吸引,这一排列使冰晶体中的水分子的空间这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不变利用率不变,留有相当大的空隙。当冰刚刚融化为留有相当大的空隙。当冰刚刚融化为液态水时液态水时,热运动使冰的结构部分解体热运动使冰的结构部分解体,水分子间的水分子间的空隙减小空隙减小,密度反而增大。密度反而增大。 思考思考3为何干冰的熔沸点比冰低，密为何干冰的熔沸点比冰低，密度却比冰大？度却比冰大？ 由于冰中除了范德华力外还有氢键作用，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。破坏分子间作用力较难，所以熔沸点比干冰高。 由于分子间作用力特别是氢键的方向性，由于分子间作用

10、力特别是氢键的方向性，导致晶体中有相当大的空隙，所以相同状况下导致晶体中有相当大的空隙，所以相同状况下体积较大体积较大 由于由于CO2分子的相对分子质量分子的相对分子质量H2O，所，所以干冰的密度大。以干冰的密度大。 科学视野：笼装化合物20世纪末，科学家发现海底存在大量天然气水合物晶体。这种晶体的主要气体成分是甲烷， 因而又称甲烷水合物。它的外形像冰，而且在常温常压下会迅速分解释放出可燃的甲烷，因而又称“可燃冰” 笼装化合物笼装化合物 CO2和和SiO2的一些物理性质如下表所示，通过的一些物理性质如下表所示，通过比较试判断比较试判断SiO2晶体是否属于分子晶体。晶体是否属于分子晶体。 碳元素

11、和硅元素处于元素周期表中同一主族，碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族，为什么为什么CO2晶体的熔、沸点很低，而晶体的熔、沸点很低，而SiO2晶体晶体的熔沸点很高？的熔沸点很高？ 18010928SiO共价键二氧化硅晶体结构示意图 10928 共价键金刚石的晶体结构示意图 二原子晶体（共价晶体）二原子晶体（共价晶体）1 1、概念：、概念：相邻原子间以共价键相结合而形成空间立相邻原子间以共价键相结合而形成空间立体网状结构的晶体。体网状结构的晶体。 （1）构成原子晶体的粒子是原子；）构成原子晶体的粒子是原子； （2）原子晶体的粒子间以较强的共价键相结合；）原子晶体的粒子间以较强的共价键相结合；

12、（3）原子晶体熔化破坏的是共价键。）原子晶体熔化破坏的是共价键。 观察观察思考思考 对比分子晶体和原子晶体的数据，原子对比分子晶体和原子晶体的数据，原子晶体有何物理特性？晶体有何物理特性？ 2、原子晶体的物理特性、原子晶体的物理特性 在原子晶体中，由于原子间在原子晶体中，由于原子间以较强的共价键相结合，而以较强的共价键相结合，而且形成空间立体网状结构，且形成空间立体网状结构，所以原子晶体的所以原子晶体的熔点和沸点高熔点和沸点高硬度大硬度大一般不导电一般不导电且难溶于一些常见的溶剂且难溶于一些常见的溶剂 在原子晶体中，由于原子间在原子晶体中，由于原子间以较强的共价键相结合，而且形以较强的共价键相

13、结合，而且形成空间立体网状结构，所以原子成空间立体网状结构，所以原子晶体有特殊的物理性质。晶体有特殊的物理性质。 3 3、常见的原子晶体、常见的原子晶体 某些非金属单质：某些非金属单质： 金刚石（金刚石（C C）、晶体硅）、晶体硅(Si)(Si)、晶体硼（、晶体硼（B B）、晶体）、晶体锗锗(Ge)(Ge)等等 某些非金属化合物：某些非金属化合物： 碳化硅（碳化硅（SiCSiC）晶体、氮化硼（）晶体、氮化硼（BNBN）晶体）晶体 某些氧化物：某些氧化物： 二氧化硅（二氧化硅（ SiOSiO）晶体、）晶体、AlAl2 2O O3 3 10928 共价键 思考：在金刚石晶体中，每个碳与思考：在金刚

14、石晶体中，每个碳与周围多少个碳原子成键？形成怎样的周围多少个碳原子成键？形成怎样的空间结构？最小碳环由多少个碳原子空间结构？最小碳环由多少个碳原子组成？它们是否在同一平面内？组成？它们是否在同一平面内？ 在金刚石晶体中，碳原子个数与在金刚石晶体中，碳原子个数与C-C键数之比为多少？键数之比为多少？12g金刚石金刚石C-C键数为多少键数为多少NA？ 金刚石中每个金刚石中每个C C原子以原子以spsp3 3杂化，分别与杂化，分别与4 4个个相邻的相邻的C C 原子形成原子形成4 4个个键，故键角为键，故键角为1091092828，每个，每个C C原子的配位数为原子的配位数为4 4；每个每个C C原

15、子均可与相邻的原子均可与相邻的4 4个个C C构成实心的正构成实心的正四面体，向空间无限延伸得到立体网状的金刚四面体，向空间无限延伸得到立体网状的金刚石晶体，在一个小正四面体中平均含有石晶体，在一个小正四面体中平均含有1+41+41/4 =21/4 =2个碳原子；个碳原子；在金刚石中最小的环是六元环，在金刚石中最小的环是六元环，1 1个环中平个环中平均含有均含有6 61/12=1/21/12=1/2个个C C原子，含原子，含C-CC-C键数为键数为6 61/6=11/6=1；金刚石的晶胞中含有金刚石的晶胞中含有C C原子为原子为8 8个，内含个，内含4 4个个小正四面体，含有小正四面体，含有C

16、-CC-C键数为键数为1616。 18010928SiO共价键 二氧化硅中二氧化硅中SiSi原子均以原子均以spsp3 3杂化，分别杂化，分别与与4 4个个O O原子成键，每个原子成键，每个O O原子与原子与2 2个个SiSi原子原子成键；成键；晶体中的最小环为十二元环，其中有晶体中的最小环为十二元环，其中有6 6个个SiSi原子和原子和6 6个个O O原子，含有原子，含有1212个个Si-OSi-O键；键；每个每个SiSi原子被原子被1212个十二元环共有，每个个十二元环共有，每个O O原原子被子被6 6个十二元环共有，每个个十二元环共有，每个Si-OSi-O键被键被6 6个个十二元环共有；

17、每个十二元环所拥有的十二元环共有；每个十二元环所拥有的SiSi原子数为原子数为6 61/12=1/21/12=1/2，拥有的，拥有的O O原子数为原子数为6 61/6=11/6=1，拥有的，拥有的Si-OSi-O键数为键数为12121/6=21/6=2，则则SiSi原子数与原子数与O O原子数之比为原子数之比为1 1：2 2。 思考思考1原子晶体的化学式是否可以代表其分子式？原子晶体的化学式是否可以代表其分子式？ 不能。因为原子晶体是一个三维的网状结构，无不能。因为原子晶体是一个三维的网状结构，无小分子存在小分子存在。思考思考2以金刚石为例，说明原子晶体的微观结构与分以金刚石为例，说明原子晶体

18、的微观结构与分子晶体有哪些不同？子晶体有哪些不同？（1）组成微粒不同，原子晶体中只存在原子，没有）组成微粒不同，原子晶体中只存在原子，没有分子。分子。（2）相互作用不同，原子晶体中存在的是共价键）相互作用不同，原子晶体中存在的是共价键。 4、原子晶体熔、沸点比较规律、原子晶体熔、沸点比较规律对于原子晶体，一般来说，原对于原子晶体，一般来说，原子间键长越短，键能越大，共价子间键长越短，键能越大，共价键越稳定，物质的熔沸点越高，键越稳定，物质的熔沸点越高，硬度越大。硬度越大。 思考思考3为何为何CO2熔沸点低？而破坏熔沸点低？而破坏CO2分子却比分子却比SiO2更更难？难？ 因为CO2是分子晶体，

19、SiO2是原子晶体，所以熔化时CO2是破坏范德华力而SiO2是破坏化学键。所以SiO2熔沸点高。破坏CO2分子与SiO2时，都是破坏共价键，而CO键能Si-O键能，所以CO2分子更稳定。思考思考4怎样从原子结构角度理解金刚石、碳化硅和锗的怎样从原子结构角度理解金刚石、碳化硅和锗的熔点和硬度依次下降？熔点和硬度依次下降？因为结构相似的原子晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体熔点越高，所以熔点和硬度有如下关系：金刚石碳化硅锗。 分子晶体、原子晶体结构与性质关系的比较分子晶体、原子晶体结构与性质关系的比较 晶体类型晶体类型分子晶体分子晶体原子晶体原子晶体结结构构粒子间的作用力粒子间的作用力性

20、性质质硬度硬度溶、沸点溶、沸点导电导电溶解性溶解性构成晶体粒子构成晶体粒子分子分子原子原子分子间作用力分子间作用力共价键共价键结构、性质结构、性质较小较小较大较大较低较低很高很高固态和熔融状固态和熔融状态都不导电态都不导电不导电不导电相似相溶相似相溶难溶于常见溶剂难溶于常见溶剂 【总结】非金属单质是原子晶体还是分子晶体的【总结】非金属单质是原子晶体还是分子晶体的判断方法判断方法（1）依据组成晶体的粒子和粒子间的作用判断：）依据组成晶体的粒子和粒子间的作用判断：原子晶体的粒子是原子，质点间的作用是共价键；原子晶体的粒子是原子，质点间的作用是共价键；分子晶体的粒子是分子，质点间的作用是范德华力。分

21、子晶体的粒子是分子，质点间的作用是范德华力。（2）记忆常见的、典型的原子晶体。）记忆常见的、典型的原子晶体。（3）依据晶体的熔点判断：原子晶体熔、沸点高，）依据晶体的熔点判断：原子晶体熔、沸点高，常在常在1000以上；分子晶体熔、沸点低，常在数百以上；分子晶体熔、沸点低，常在数百度以下至很低的温度。度以下至很低的温度。（4）依据导电性判断：分子晶体为非导体，但部）依据导电性判断：分子晶体为非导体，但部分分子晶体溶于水后能导电；原子晶体多数为非导分分子晶体溶于水后能导电；原子晶体多数为非导体，但晶体硅、晶体锗是半导体。体，但晶体硅、晶体锗是半导体。（5）依据硬度和机械性能判断：原子晶体硬度大，）

22、依据硬度和机械性能判断：原子晶体硬度大，分子晶体硬度小且较脆。分子晶体硬度小且较脆。 石石墨墨晶晶体体结结构构知识拓展石墨知识拓展石墨 （1）石墨中）石墨中C原子以原子以sp2杂化；杂化；（2）石墨晶体中最小环为六元环，含有）石墨晶体中最小环为六元环，含有C 2个，个，C-C键为键为 3；（3）石墨分层，层间为范德华力，硬度小，）石墨分层，层间为范德华力，硬度小，可导电；可导电；（4）石墨中）石墨中r（C-C）比金刚石中）比金刚石中r（C-C）短。短。 思考：（1 1）石墨为什么很软？）石墨为什么很软？（2 2）石墨的熔沸点为什么很高？）石墨的熔沸点为什么很高？石墨的熔点为什么高于金刚石？石墨

23、的熔点为什么高于金刚石？（3）石墨属于哪类晶体？）石墨属于哪类晶体？石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，容易滑动，所以石墨很软。容易滑动，所以石墨很软。它们都有很强的它们都有很强的C-CC-C共价键。在石墨共价键。在石墨中各层均为平面网状结构，碳原子中各层均为平面网状结构，碳原子之间存在很强的共价键（大之间存在很强的共价键（大键），键）， C-CC-C键长比金刚石的短，键的强度大，键长比金刚石的短，键的强度大，故其熔点金刚石高。故其熔点金刚石高。石墨为混合键型晶体。石墨为混合键型晶体。 熔点熔点（） 沸点沸点（）石墨石墨365236524827482

24、7金刚石金刚石 3550355048274827 例例1. 氮化硅（氮化硅（Si3N4）是一种新型的耐高温耐）是一种新型的耐高温耐磨材料，在工业上有广泛用途，它属于磨材料，在工业上有广泛用途，它属于A 原子晶体原子晶体 B. 分子晶体分子晶体 C. 金属晶体金属晶体 D. 离子晶体离子晶体答案：答案：A 典型例题典型例题 例例2 碳化硅（碳化硅（SiC）的一种晶体具有类似金刚石）的一种晶体具有类似金刚石的结构，其中的结构，其中C原子和原子和S原子的位置是交替的。在下原子的位置是交替的。在下列三种晶体列三种晶体金刚石金刚石 晶体硅晶体硅 碳化硅中，它们碳化硅中，它们的熔点从高到低的顺序是的熔点从高到低的顺序是 （ ）A. B. C. D.分析：分析：C与与Si同为同为IVA族元素，它们的相似性表现族元素，它们的相似性