原子晶体与分子晶体

1、第三节 原子晶体与分子晶体二氧化碳和二氧化硅中碳和硅都是+4价，都是共价化合物。下面是二者物理性质的比较。二氧化硅二氧化碳（晶体干冰）水晶主要成分二氧化硅干冰主要成分是二氧化碳硬度大硬度小熔沸点很高熔沸点很低光导纤维，数据传输人造云雾 同样都是正四价化合物，都是由共价键组成，二者的差别怎么这样大呢？物质的性质是由物质的结构决定的。分析比较CO2和SiO2的结构，才能够解决上述难题。带着这个问题，我们开始本节知识的学习，走进原子晶体和分子晶体的世界。一：细品教材一、原子晶体1.原子晶体定义：相邻原子之间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体称为原子晶体。小结： 原子晶体的基本微粒：原子形成原子晶

2、体的作用力：共价键。在原子晶体中只存在共价键，没有分子间作用力和其他相互作用。2.常见的原子晶体：金刚石、晶体硅、晶体硼、二氧化硅、碳化硅等小结：记忆原子晶体时，分为单质和化合物两类来记。非金属单质：金刚石、晶体硅、晶体硼共价化合物：二氧化硅、碳化硅 3.原子晶体的物理性质：原子晶体中的原子以较强共价键相连接，因此在晶体中，原子不遵循紧密堆积原则;原子晶体一般熔点都很高，硬度都很大，这是由于原子晶体熔化时必须破坏其中的共价键，而共价键的键能相对较大，破坏它们需要很多的能量。另外原子晶体还具有难溶于水，固态时不导电等性质。小结：结构决定性质:原子晶体是由中性原子构成的，原子间通过共价键紧密地连接

3、在一起。共价键的饱和性和方向性决定了原子晶体中每个原子的配位数是一定的，原子的相对位置也是确定的，彼此连接形成稳定的空间立体网状结构。4.常见的几种原子晶体的结构：金刚石在金刚石晶体里，每个碳原子都被相邻的4个碳原子包围，以共价键跟4个碳原子结合，形成正四面体，被包围的碳原子处于正四面体的中心。这些正四面体结构向空间发展，构成一个坚实的、彼此联结的空间网状晶体。金刚石晶体中所有C-C键长相等，键角相等（均为109028）；晶体中最小碳环由6个C组成且六者不在同一平面内；晶体中每个C参与了4条C-C键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故C原子个数与C-C键数之比为1：（4×1/2）1

4、：2。小结：金刚石晶体中每个碳原子以SP3杂化和它紧邻的的四个碳原子以共价键相互结合。晶体硅的晶体结构跟金刚石相近，即把金刚石中的碳原子换成硅原子。例1：在a mol金刚石中含CC键数为（ C ）A、4a×6.02×1023 B、a×6.02×1023 C、2a×6.02×1023 D、8a×6.02×1023（2）水晶：水晶是由硅原子和氧原子组成的空间立体网状的原子晶体，在SiO2晶体中，每个Si原子周围结合4个O原子，Si原子位于四面体的中心，氧原子分别位于4个顶点，同时每个O原子与2个Si原子相结合，也就是说

5、，每个氧原子被2个硅氧四面体所共用，在每个四面体中占有一个Si原子、2个O原子，所以SiO2晶体是由Si原子和O原子按1：2的比例组合成的立体网状的晶体，并不存在单个的SiO2分子。原子晶体中的微粒是原子，因此原子晶体中不存在单个分子。所以原子晶体的化学式如SiO2代表硅元素原子和氧气元素原子个数比为1:2，并不代表分子。小结：SiO2晶体结构相当于将金刚石中的C原子全都改换为Si原子，同时在每两个Si原子中心联线的中间增添一个O原子，在晶体中只存在SiO键，不存在SiSi键和OO键。例2：关于SiO2晶体的叙述正确的是（ C ） A、通常状况下，60克SiO2晶体中含有的分子数为NA（NA表

6、示阿伏加德罗常数的数值） B、60克SiO2晶体中，含有2NA个SiO键 C、晶体中与同一硅原子相连的4个氧原子处于同一四面体的4个顶点 D、SiO2晶体中含有1个硅原子，2个氧原子 5.原子晶体的熔点高低与其内部的结构密切相关：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，晶体的熔点就高。小结：原子晶体共价键的强弱的比较：一般地说，原子半径越小，形成共价键的键长越短，键能越大，其熔、沸点越高。如：金刚石碳化硅晶体硅。例3：碳化硅（SiC）的一种具有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替出现的，即每个Si原子处于四个C原子构成的四面体的内部，每个C原子也处于四个Si原子

7、构成的四面体的内部。下列三种晶体：金刚石 晶体硅 碳化硅中，它们的熔点由高到低的顺序是（ ）A、 B、C、 D、解析：在结构相似的原子晶体中，原子半径越小，键长越短，键能越大，熔、沸点越高。答案：A二、分子晶体1.分子晶体定义：分子间通过分子间作用力构成的晶体称为分子晶体。（1）构成分子晶体的粒子是分子，粒子间的相互作用是分子间作用力（2）原子首先通过共价键结合成分子，分子作为基本构成微粒，通过分子间作用力结合成分子晶体。小结：（1）分子间作用力的特征：广泛存在于分子间；只有分子充分接近时才有分子间作用力；分子间作用力远小于化学键，化学键存在于离子、原子之间，键能大小为120800kJmol1

8、。分子间作用力存在于分子间，通常每摩尔为几到几十千焦。2. 分子晶体的划分：多数非金属单质（除了金刚石、晶体硅、晶体硼、石墨等），多数非金属氧化物（如干冰、CO、冰等）、非金属气态氢化物（如NH3，CH4等）、稀有气体、许多有机物等。小结：形成分子晶体的物质类别多数是共价化合物和非金属单质。分子晶体并不一定存在共价键，如稀有气体元素单质形成的晶体中只有范德华力。例4：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、金属氧化物解析：属氧化物为离子晶体3.常见的分子晶体的晶体结构 （1）碘晶体的晶胞是长方体，碘分子除了占据长方体的每个顶点外，在每个面上

9、还有一个碘分子。（2）干冰：干冰晶体是一种立方面心结构，每8个CO2分子构成立方体，且在六个面的中心又各占据1个CO2分子。小结：在分子晶体中，因分子之间的相互作用通常不具有方向性，因此分子晶体中的分子在堆积排列时会尽可能利用空间而采取紧密堆积的方式，这与金属晶体和离子晶体的紧密堆积是相似的。（3）冰：冰晶体主要是水分子依靠氢键形成的，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结合，边缘的四个水分子也按同样的规律再与其他的水分子结合。 这样每个水分子中的每个氧原子周围都有四个氢原子，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。可以看出，

10、由于氢键的方向性和饱和性使水分子不能采取紧密堆积，这种排列中，分子的间距比较大，有很多空隙，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。小结：氢键：具有方向性和饱和性，本质上与共价键的方向性和饱和性不同。方向性：XHY三个原子在同一方向上，原因是这样的方向成键两原子电子云之间的排斥力最小，形成的氢键最强，体系更稳定。饱和性：每一个XH只能与一个Y原子形成氢键，原因是H的原子半径很小，再有一个原子接近时，会受到X、Y原子电子云的排斥。冰晶体中存在氢键和范德华力，氢键的作用要强于范德华力，因此冰晶体主要依靠氢键形成。例5：水的沸点是100，硫化氢的分子结构跟水相似，但它的沸点却很低

11、，是60.7°C，引起这种差异的主要原因是（ C ）A范德华力 B共价键 C氢键 D相对分子质量4.分子晶体的物理性质（1）由于分子间作用力很弱，分子晶体气化或熔融时,克服分子间的作用力,不破坏化学健，所以分子晶体一般具有较低的熔点和沸点，较小的硬度，有较强的挥发性。（2）由于分子晶体的构成微粒是分子，所以分子晶体在固态或熔融状态时都不导电。 （3）不同分子晶体在溶解度上差别很大，并且同一分子晶体在不同的溶剂中溶解度也有很大的差别，如碘易溶于CCl4等有机溶剂，不易溶解于水，分子晶体在溶剂中溶解情况一般符合“相似相溶”的经验性规律，非极性溶质一般能溶于非极性溶剂、极性溶质一般能溶于极

12、性溶剂。三、混合键型晶体石墨1.石墨的晶体具有层状结构，在每一层中每个碳原子用Sp2杂化轨道与临近的三个碳原子以共价键结合，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，形成遍及整个平面的大键。由于电子可以在整个六边形网状平面上运动，因此石墨的大键具有金属键的性质，这就是石墨沿层的平行方向导电性强的原因。这些网络状的平面结构再以范德华力结合成层状结构，这样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。因此石墨又称为混合键型晶体。2.石墨晶体独特的性质 石墨晶体的熔沸点很高，如熔点高达3850，高于金刚石的熔点；石墨质软，能

13、导电。小结： 石墨晶体熔点很高，但不属于原子晶体。石墨晶体是层状结构，是原子晶体与分子晶体之间的一种过渡型晶体，又具有金属晶体某些性质，所以石墨晶体被称为混合键型晶体。二：基础整理在本节中，学习微粒间通过共价键和分子间力两种本质不同的相互作用构成的晶体的结构类型和性质特点。本节以微粒微粒间相互作用晶体模型为主线，先分别研究了原子晶体和分子晶体，然后再从综合问题研究出发，探讨了混合键型晶体的结构和性质特点。内容框架如下：三：综合探究1.碳和硅位于元素周期表的同一主族，最外层电子数相同，化学性质也具有一定的相似性，如单质都可以和氧气发生反应，分别生成氧化物CO2和SiO2。CO2和SiO2都属于酸

14、性氧化物，可以与碱及碱性氧化物反应生成盐。但是，CO2和SiO2的物理性质却存在很大差异，可能的原因是什么？其实CO2和SiO2只是组成相似，在结构上存在很大差别：CO2的晶体干冰是分子晶体，影响其硬度和熔沸点的是存在于分子之间的范德华力。SiO2是原子晶体，影响其硬度和熔沸点的是原子之间的共价键。共价键的键能要比分子间作用力大得多，因此才导致SiO2和CO2在硬度和熔沸点上的巨大差异。固态CO2（即干冰）是分子晶体，CO2分子之间存在分子间作用力，这种分子间作用力很弱，这种作用只有几到几十焦每摩尔，很容易破坏它使晶体变成液体或气体，故干冰的熔点、沸点很低，硬度很小。SiO2是原子晶体，晶体中

15、不存在SiO2分子，而是每一个硅原子和四个氧原子形成四个共价键，每一个氧原子被两个硅原子共用。由于SiO2晶体是由硅原子和氧原子按1:2的比例通过共价键结合形成的立体网状结构的晶体，共价键的键能很大，破坏这些共价键需要很高的能量，所以SiO2晶体的熔沸点和硬度很高。两种物质在性质上的巨大差异根本原因在于它们在结构上的不同。2.金刚石和石墨都是碳元素的单质，但是二者在某些物理性质上却表现出较大的差异：金刚石是天然矿物中最硬的，而石墨却比较软；金刚石不导电，而石墨却能导电。请解释其原因。金刚石与石墨表现出了性质上的差异，这主要还是两者在结构上不同。物质硬度大小与晶体中所存在作用强弱相关，作用强，不

16、易发生形变，硬度就大；作用弱，容易发生形变，硬度就小。在金刚石中，每个碳原子与相邻的四个碳原子以共价键结合，形成正四面体结构，C-C共价键是一种很强的作用，不容易发生形变，因此硬度很大；碳原子所有价电子都参与成键，晶体中没有自由电子，所以不能导电。石墨晶体中，每个碳原子以三个键与另外三个碳原子结合，在同一平面内形成无数并置的正六边形的环。平面与平面之间存在范德华力，它是一种很弱的作用，很容易发生形变，因此石墨比较软；在每个碳原子上，都还有一个价电子未参与成键，该电子所在的2P轨道与碳原子形成的平面垂直，电子可以在同一平面内自由移动，相当于金属中的自由电子，所以石墨可以导电。小结： 物质能否导电

17、取决于相关物质内部是否存在自由移动的电荷。电解质溶液或者熔融的电解质导电是因为具备可以自由移动的阴、阳离子；金属导电是因为金属中存在自由电子。所以，我们在考虑金刚石和石墨导电性的差异时，就要从物质的内部结构分析，确定有无可以自由移动的电荷。小结：典题例析例1.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>CCl4C、NH3<PH3 D、C(CH3)4>CH3(CH2)3CH3解析：A、B选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、沸点高；C选项属于有氢键存在差别的分子结构相似的情况，存在氢键的熔、沸点高；D选项属于相

18、对分子质量相同，但分子结构不同的情况，支链多的熔、沸点高。答案：B例2.（2005上海高考，）下列说法错误的是 （ ） A、原子晶体中只存在非极性共价键B、分子晶体的状态变化，只需克服分子间作用力C、金属晶体通常具有导电、导热和良好的延展性D、离子晶体在溶化状态下能导电例3.下列物质的熔沸点高低顺序中，正确的是（ ）A、金刚石>晶体硅>二氧化硅>碳化硅B、CI4>CBr4>CCl4>CH4C、MgO>H2O>O2>N2D、金刚石>生铁>纯铁>钠解析：对于A选项，同属于原子晶体，熔沸点高低，主要看共价键的强弱，显然对键能而言

19、，晶体硅<碳化硅，错误；B选项，同为组成结构相似的分子晶体，熔沸点高低要看相对分子质量大小，正确；C选项，对于不同晶型熔点高低一般为：原子晶体>离子晶体>分子晶体，MgO>（H2O、O2、N2），又H2O>O2>N2，正确。D选项，生铁为铁合金，熔点要低于纯铁，错误。答案：BC例4.氮化铝（AlN）常用做砂轮及高温炉衬材料，熔化状态下不导电，可知它属于（ B ）。A、离子晶体 B、原子晶体 C、分子晶体 D、无法判断例5.下列化学式既能表示物质的组成，又能表示物质分子式的是（ ） A .NH4NO3 B .SiO2 C .C6H5OH D .Fe解析：在四种

20、类型的晶体中，除分子晶体中含有单独存在的分子外，其余晶体中都不存在单个的分子，化学式仅仅代表物质中原子的最简组成，而不能表示其真正的分子。四：思考发现1.归纳整理四种类型晶体的结构和性质填表。晶体种类金属晶体离子晶体原子晶体分子晶体结构构成微粒金属离子、自由电子阴、阳离子原子分子微粒间的作用力金属键离子键共价键分子间作用力性质熔沸点有高有低较高很高较低硬度差距较大较大很大较小导电性固态导电不导电不导电不导电熔融导电导电不导电不导电溶液导电可能导电2.如何比较分子晶体和原子晶体熔沸点的高低？（1）一般地，原子晶体的熔沸点远远高于分子晶体的熔沸点。（2）原子晶体熔沸点的高低与共价键的强弱有关。一般

21、来说，原子半径越小，形成的共价键的键长越短，键能越大，晶体的熔沸点越高。如熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。分子晶体的熔沸点高低与分子间的作用力有关。组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，熔沸点越高，如熔沸点O2>N2，HI>HBr>HCl。如果分子间存在氢键，则其沸点要高于组成和结构相似的没有氢键的分子晶体，如沸点：H2O>H2S,HF>HCl,NH3>PH3。组成和结构不相似的物质，分子的极性越大，其熔沸点就越高，如熔沸点：CO>N2。五：体验成功基础强化： 1.下列晶体熔化时，只需克服分子间作用力的是（ ） A、硫 B、二氧化硅晶体 C

22、、干冰 D、氧化镁 2.下列叙述正确的是（ ） A、离子晶体中一定含有活泼金属元素的离子。 B、离子晶体都是化合物。 C、固态不导电、水溶液能导电，这一性质能说明某晶体一定是离子晶体。 D、离子晶体一般具有较高的熔点。 3.关于晶体的下列说法正确的是（ ） A、在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子。 B、在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子。 C、原子晶体的熔点一定比金属晶体的高。 D、分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。 4.（2006全国高考理综，）下列叙述正确的是A同一主族的元素，原子半径越大，其单质的熔点一定越高B同一周期元素的原子，半径越小越容易失去电子C同一主族的元素的氢化物，相对分子质

23、量越大，它的沸点一定越高D稀有气体元素的原子序数越大，其单质的沸点一定越高解析：同一主族的金属元素，原子半径越大，其单质的熔点越低，答案：D5.（2006上海高考，）根据相关化学原理，下列判断正确的是A若X是原子晶体，Y是分子晶体，则熔点：X<YB若A2十2D-2A-十D2，则氧化性：D2> A2C若R2和M+的电子层结构相同，则原子序数：R>MD若弱酸HA的酸性强于弱酸HB，则同浓度钠盐溶液的碱性:NaA<NaB6.下列过程中，共价键被破坏的是（ ）A.碘升华 B.溴蒸汽被活性碳吸附 C.蔗糖溶于水 D.SO2溶于水解析：碘升华、溴蒸气被活性炭吸附和蔗糖溶于水破坏的是

24、范德华力，SO2溶于水，与水反应生成H2SO3，共价键被破坏，形成新的共价键。答案：D7.（2005天津高考,）下列说法正确的是 （ ） A、H与D，16O与18O互为同位素；H216O、D218O互为同素异形体；甲醇、乙二醇和丙三醇互为同系物B、在SiO2晶体中，1个原子和2个O原子形成2个共价键C、HI的相对分子质量大于HF，所以HI的沸点高于HFD、由IA族和A族元素形成的原子个数比为1 ：1,电子总数为38的化合物，是含有共价键的离子型化合物 8.（2005江苏高考,）氮化铝（）具有耐高温、耐冲击、导热性能好等优良性质，被广泛应用于电子工业、推测陶瓷工业等领域。在一定条件下，氮化铝可通

25、过如下反应合成：，下列叙述正确的是（ ）A、 氮化铝的合成反应中，N2是还原剂，Al2O3是氧化剂B、上述反应中每生产2molAlN，N2得到3电子C、氮化铝中氮元素的化合价为3价D、氮化铝晶体属于分子晶体综合应用：1.石墨晶体具有一些独特的性质，质地较软，但熔点很高，还具有导电性，这主要是因为石墨具有一种独特的结构，石墨晶体是（ ）。A、原子晶体 B、金属晶体 C、分子晶体 D、前三种晶体混合型2.根据下表给几种物质的熔沸点数据，判断下列有关说法中错误的是（ ）NaClMgCl2AlCl3SiCl4单质B熔点/810710180682300沸点/14651418160572500A、SiCl

26、4是分子晶体 B、单质B可能是原子晶体C、AlCl3加热能升华 D、NaCl的键的强度比MgCl2小3.下列说法中，正确的是（ ）A、构成分子晶体的微粒一定含有共价键B、在结构相似的情况下，原子晶体中的共价键越强，晶体的熔、沸点越高C、分子晶体中共价键的键能越大，该分子晶体的熔、沸点一定也越高D、分子晶体中只存在分子间作用力而不存在任何化学键，所以其熔、沸点一般较低4.固体乙醇晶体中不存在的作用力是（ ）A、极性键 B、非极性键 C、离子键 D、氢键5.在解释下列物质性质的变化规律与物质结构间的因果关系时，与键能无关的变化规律是（ ）A、HF、HCl、HBr、HI的热稳性依次减弱B、金刚石的硬

27、度大于硅，其熔、沸点也高于硅C、NaF、NaCl、NaBr、NaI的熔点依次降低D、F2、Cl2、Br2、I2的熔、沸点逐渐升高6.单质硼有无定形和晶体两种，参考下列数据，回答下列问题：金刚石晶体硅晶体硼熔点（K）382316832573沸点（K）510026282823硬度（moh）107.09.5（1）晶体硼的晶体类型属于 晶体。（2）已知晶体硼的基本结构单元是由硼原子构成的正二十面体如图，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点各有一个硼原子，通过观察图形及推算，可知此结构单元是由 个硼原子构成，其中BB键间的键角是 （填度数）。 硅晶体示意图 解析：比较给出的金刚石、晶体硅及晶体硼的熔沸点的数据，可得出晶体硼为原子晶体。硼原子形成了正三角形，所以BB键间的角度为60°。由题给信息和图示可看出，要构成二十面体，在图示的另一面的中间部分，还应该有三个硼原子，即晶体硼的结构单元中有十二个硼原子。答案：（1）原子 （2）12 60°创新拓展1.1999年美国科学杂志报道：在40GPa的高压下，用激光加热到1800K，人们成功制得了原子晶体CO2，下列对该物质的推断一定不正确的是（ ）A该原子晶体中含有极性键B该原子晶体易气化，可用作制冷材料C该原子晶体