学案分子晶体与共价晶体

15-/NUMPAGES15分子晶体与共价晶体【学习目标】掌握分子晶体、共价晶体的概念及结构特点。【学习重点】掌握晶体类型与性质之间的关系。【学习难点】了解氢键对物质物理性质的影响。图说考点【学习过程】[新知预习]一、分子晶体1．分子晶体的结构特点（1）构成微粒及作用力分子晶体eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(构成微粒：,微粒间的作用力：))（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________如C60、干冰、I2、O2范德华力、________分子不采用________如HF、NH3、冰2．分子晶体与物质的类别：物质种类实例所有____________H2O、NH3、CH4等部分____________卤素（X2）、O2、N2、白磷（P4）、硫（S8）等部分____________CO2、P4O10、SO2、P4O6等几乎所有的______HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等绝大多数________苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等3．两种典型的分子晶体的组成和结构（1）干冰①每个晶胞中有______个CO2分子，______个原子。②每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为______个。（2）冰①水分子之间的作用力有____________________，但主要是__________。②由于________的方向性，使四面体中心的每个水分子与四面体顶点的________个相邻的水分子相互吸引。二、共价晶体1．共价晶体的结构特点（1）构成微粒及作用力共价晶体eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(构成微粒：,微粒间作用力：))（2）空间构型：整块晶体是一个三维的共价键________结构，不存在________的小分子，是一个“巨分子”，又称________晶体。2．共价晶体与物质的类别物质种类实例某些__________晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等某些__________碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）、氮化硼（BN）等某些__________二氧化硅（SiO2）等3．典型共价晶体（1）金刚石①碳原子采取________杂化，C—C—C夹角为________。②每个碳原子与周围紧邻的________个碳原子以共价键结合成________结构，向空间伸展形成空间网状结构。③最小碳环由________个碳原子组成，且最小环上有4个碳原子在同一平面内；每个碳原子被12个六元环共用。（2）SiO2①低温石英有顶角相连的________形成螺旋式上升的长链，没有封闭的环状结构，决定了它具有________，被广泛用作压电材料。②有许多重要用途，制造水泥、玻璃、人造红宝石、单晶硅、________、芯片和________的原料。[即时性自测]1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）（1）分子晶体中，一定存在共价键和分子间作用力。（）（2）酸性氧化物都属于分子晶体。（）（3）分子晶体熔化时一定会破坏范德华力，有些分子晶体还会破坏氢键。（）（4）分子晶体的熔、沸点越高，分子晶体中共价键的键能越大。（）（5）分子晶体都采用分子密堆积，每个分子周围通常有12个紧邻的分子。（）（6）水在4℃时密度最大，是因为此时水分子间形成的氢键最多。（）（7）由原子直接构成的晶体一定是共价晶体。（）（8）共价晶体中不存在分子，所以SiO2只表示原子个数比。（）（9）以二氧化硅为主要成分的水晶和玛瑙均为共价晶体。（）（10）共价晶体中每个原子周围尽可能结合更多的原子，大多数为12个。（）2．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3．下列关于共价晶体的说法不正确的是（）A．共价晶体中的成键微粒是原子B．共价晶体中原子之间全部以共价键结合C．共价晶体均是化合物D．共价晶体的熔、沸点都比较高4．干冰和二氧化硅晶体同属第ⅣA族元素的最高价氧化物，它们的熔、沸点差别很大的原因是（）A．二氧化硅的相对分子质量大于二氧化碳的相对分子质量B．C—O键键能比Si—O键键能小C．干冰为分子晶体，二氧化硅为共价晶体D．干冰易升华，二氧化硅不能5．（1）比较下列化合物熔、沸点的高低（填“>”或“<”）。①CO2________CS2②NH3________PH3③O3________O2④Ne________Ar⑤CH3CH2OH________CH3OH⑥金刚石________晶体硅（2）已知AlCl3的熔点为190℃（2.02×105Pa），但它在180℃即开始升华。请回答：①AlCl3固体是________晶体。②设计一个可靠的实验，判断氯化铝是离子化合物还是共价化合物。你设计的实验是________________________________________________________________________。技能素养提升点一分子晶体的结构与性质[例1]（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，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________，由于其主要作用力与共价键一样具有________性，故1个水分子周围只能有________个紧邻的水分子，这些水分子位于________的顶角。这种排列方式使冰晶体中水分子的空间利用率________（填“较大”或“较小”），故冰的密度比水的密度要________（填“大”或“小”）。eq\x(状元随笔)氢键有方向性，空间利用率低，配位数小于12．[提升1]（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、C10H18B．PCl3、CO2、H2SO4C．SO2、C60、P2O5D．CCl4、Na2S、H2O2HD不是化合物（2）SiCl4的分子结构与CCl4类似，对其作出如下推测，其中不正确的是（）A．SiCl4晶体是分子晶体B．常温常压下SiCl4是气体C．SiCl4分子是由极性键形成的非极性分子D．SiCl4的熔点高于CCl4eq\x(状元随笔)分子晶体熔、沸点主要取决于分子间作用力大小。[关键能力]分子晶体的结构与性质1．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；（5）绝大多数有机物的晶体。2．两种典型的分子晶胞（1）干冰型堆积特征：分子密堆积。（2）冰型堆积特征：四面体型。3．分子晶体物理性质特征分子晶体具有熔、沸点较低、硬度较小、固态和熔融状态均不导电等物理特性。eq\x(状元随笔)分子晶体熔、沸点规律（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。提升点二分子晶体与共价晶体的比较CO2分子晶体[例2]（1）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。（2）在40GPa高压下，用激光器加热到1800K时，人们成功制得共价晶体干冰，其结构和性质与SiO2共价晶体相似，且比分子晶体干冰更稳定，下列说法正确的是________。A．共价晶体干冰易升华，可用作制冷剂B．共价晶体干冰有很高的熔点和沸点C．共价晶体干冰的硬度小，不能用作耐磨材料D．共价晶体干冰在一定条件下可与氢氧化钠反应E。每摩尔共价晶体干冰中含有4molC—O键（3）由分子晶体干冰转化为共价晶体干冰是________（填“物理”或“化学”）变化，反应的ΔH________（填“大于”或“小于”）0.eq\x(状元随笔)能量越低越稳定；化学组成相同，结构不同，属于不同物质。[提升2]C和Si元素在化学中占有极其重要的地位。（1）SiC的晶体结构与晶体硅相似，其中C原子的杂化方式为________，微粒间存在的作用力是____________________________。SiC和晶体Si的熔、沸点高低顺序是__________________。（2）C、Si为同一主族的元素，CO2和SiO2的化学式相似，但结构和性质有很大的不同。CO2中C与O原子间形成σ键和π键，SiO2中Si与O原子间不形成π键，试从原子半径大小的角度分析，其原因是______________________________________________。SiO2属于________晶体，干冰属于________晶体，所以熔点：干冰________（填“＜”“＝”或“＞”）SiO2．（3）金刚石、晶体硅、二氧化硅、干冰、冰五种晶体的构成微粒分别是______________________________________（填“原子”“分子”或“离子”），熔化时克服的微粒间的作用力分别是________________________________，熔点由高到低的顺序为：________________________。eq\x(状元随笔)不同晶体熔点：共价晶体大于分子晶体；同类晶体熔点：共价晶体看半径，分子晶体看分子间作用力。[关键能力]共价晶体与分子晶体的比较晶体类型共价晶体分子晶体概念相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体分子间以分子间作用力相结合的晶体组成微粒原子分子微粒间作用力共价键分子间作用力熔、沸点很高较低硬度很大较小溶解性不溶于大部分溶剂部分溶于水导电性不导电，个别为半导体不导电，部分溶于水后导电熔化时破坏的作用力共价键分子间作用力实例金刚石干冰eq\x(状元随笔)1．比较共价晶体和分子晶体熔、沸点遵循如下规律：2．判断分子晶体和共价晶体的方法（1）依据组成晶体的微粒和微粒间的相互作用判断组成共价晶体的微粒是原子，微粒间的相互作用是共价键；组成分子晶体的微粒是分子，微粒间的相互作用是分子间作用力。（2）依据物质的分类判断常见的共价晶体单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等，常见的共价晶体化合物有SiC、BN、AlN、Si3N4、C3N4、SiO2等；大多数非金属单质（除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外）、气态氢化物、非金属氧化物（除SiO2外）、酸、绝大多数有机物（除有机盐外）都是分子晶体。（3）依据晶体的熔点判断共价晶体的熔点更高，常在1000℃至几千摄氏度；分子晶体的熔点低，常在数百摄氏度以下甚至更低温度。（4）依据导电性判断共价晶体一般为非导体；分子晶体为非导体，分子晶体中的电解质（主要是酸和非金属氢化物）溶于水，使分子内的化学键断裂形成自由移动的离子也能导电。（5）依据硬度和机械性能判断共价晶体硬度大；分子晶体硬度小且较脆。形成性自评1．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2．下列晶体性质的比较中，正确的是（）A．熔点：单质硫>磷>晶体硅B．沸点：NH3>H2O>HFC．硬度：白磷>冰>二氧化硅D．熔点：SiI4>SiBr4>SiCl43．下表是某些共价晶体的熔点和硬度。共价晶体金刚石氮化硼碳化硅石英硅锗熔点/℃390030002700171014101211硬度109.59.576.56.0分析表中的数据，判断下列叙述正确的是（）A．构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高B．构成共价晶体的原子间的共价键键能越大，晶体的熔点越高C．构成共价晶体的原子的半径越大，晶体的硬度越大D．构成共价晶体的原子的相对原子质量越大，晶体的硬度越大4．如图是某无机化合物的二聚分子，该分子中A、B两种元素都是第三周期的元素，分子中所有原子的最外层都达到8电子的稳定结构。下列说法不正确的是（）A．该化合物的化学式是Al2Cl6B．该化合物是离子化合物，在熔融状态下能导电C．该化合物在固态时所形成的晶体是分子晶体D．该化合物中不存在离子键，也不含有非极性共价键5．常温下硫单质主要以S8形式存在，加热时S8会转化为S6、S4、S2等，当蒸气温度达到750℃时主要以S2形式存在，下列说法正确的是（）A．S8转化为S6、S4、S2属于物理变化B．不论哪种硫分子，完全燃烧时都生成SO2C．单质硫为共价晶体D．把硫单质在空气中加热到750℃即得S26．硅及其化合物的用途非常广泛，根据所学知识回答硅及其化合物的相关问题：（1）基态硅原子的核外电子排布式为__________________________________________。（2）单质硅存在与金刚石结构类似的晶体，其中原子与原子之间以________相结合，其晶胞中共有8个原子，其中在面心位置贡献________个原子，晶体硅中Si—Si—Si之间的夹角大小约为________。（3）下表列有三种物质（晶体）的熔点：物质SiO2SiCl4SiF4熔点/℃1710－70.4－90.2简要解释熔点产生差异的原因：①SiO2和SiCl4：______________________________________________________________。②SiCl4和SiF4：_____________________________________________________________。（4）SiC晶体结构与金刚石相似（如图所示），其硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能。其中C原子的杂化方式为__________，微粒间存在的作用力是__________，每个Si原子周围距离最近的C原子为__________个，每个Si原子周围最近的Si原子为__________个，设晶胞边长为acm，密度为bg·cm－3，则阿伏加德罗常数可表示为________（用含a、b的式子表示）。分子晶体与共价晶体参考答案新知预习一、1．分子分子间作用力密堆积氢键密堆积2．非金属氢化物非金属单质非金属氧化物酸有机物3．41212范德华力和氢键氢键氢键4二、1．原子共价键网状单个共价2．非金属单质非金属化合物氧化物3．（1）sp3109°28′4正四面体6（2）硅氧四面体手性硅光电池光导纤维即时性自测1．（1）×（2）×（3）√（4）×（5）×（6）×（7）×（8）√（9）×（10）×2．解析：稀有气体分子形成的晶体中，不存在由多个原子构成的分子，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氮、氧、氟原子结合的氢原子的分子间或者分子内，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，所以D项错误。答案：B3．解析：共价晶体可能是单质，如金刚石、晶体硅，也可能是化合物，如二氧化硅、碳化硅等。答案：C4．解析：干冰和SiO2所属晶体类型不同，干冰为分子晶体，熔化时破坏分子间作用力；SiO2为共价晶体，熔化时破坏化学键，所以熔点较高。答案：C5．解析：（1）各组物质均为分子晶体，根据分子晶体熔、沸点的判断规律，分子间作用力越大，相对分子质量越大，分子极性越大，则晶体的熔、沸点越高，较容易比较六组物质熔、沸点的高低。（2）由AlCl3的熔点低以及在180℃时开始升华判断AlCl3晶体为分子晶体。若验证一种化合物是共价化合物还是离子化合物，可测其熔融状态下是否导电，若不导电是共价化合物，导电则是离子化合物。答案：（1）①<②>③>④<⑤>⑥>（2）①分子②在熔融状态下，试验其是否导电，若不导电是共价化合物，若导电是离子化合物技能素养例1解析：（1）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，离顶角的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eq\f(\r(2),2)apm。每个CO2分子周围紧邻等距离的CO2共有12个。（2）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小，密度较小。答案：（1）12eq\f(\r(2),2)a（2）氢键范德华力方向4四面体较小小提升1解析：（1）分子晶体的构成微粒为分子，分子内部以共价键结合。HD属于分子晶体，但为单质，故A错误；PCl3、CO2、H2SO4均属于分子晶体，且均属于化合物，故B正确；C60属于分子晶体，但为单质，故C错误；Na2S中含有离子键，不属于分子晶体，故D错误。（2）SiCl4与CCl4结构相似，则SiCl4是分子晶体，A正确；SiCl4与CCl4结构相似，二者均为分子晶体，分子晶体的熔、沸点与相对分子质量有关，对于组成相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔、沸点越高，故SiCl4的熔、沸点高于CCl4，而常温常压下CCl4为液体，故常温常压下SiCl4不可能为气体，B错误，D正确；CCl4分子是由极性键形成的非极性分子，则SiCl4分子也是由极性键形成的非极性分子，C正确。答案：（1）B（2）B例2解析：（1）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×eq\f(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×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4（个）；（2）该题应从SiO2的结构和性质来判断；（3）二者属于不同物质，所以转化属于化学变化。由于共价晶体干冰更稳定，故该转化为放热反应，ΔH<0.答案：（1）124（2）BDE（3）化学小于提升2解析：（1）晶体硅中1个硅原子与4个硅原子相连，呈正四面体结构，所以其杂化方式是sp3，SiC晶体结构与晶体硅相似，故C原子的杂化方式也是sp3；因为Si—C键的键长小于Si—Si键，所以熔、沸点：碳化硅＞晶体硅。（2）SiO2为共价晶体，干冰为分子晶体，所以熔点：SiO2＞干冰。（3）金刚石、晶体硅、二氧化硅均为共价晶体，构成微粒为原子，熔化时破坏共价键；干冰和冰为分子晶体，由分子构成，CO2分子以分子间作用力相结合。冰中水分子以范德华力和氢键相结合。答案：（1）sp3共价键SiC>Si（2）Si的原子半径较大，Si、O原子间距离较大，p­p轨道肩并肩重叠程度较小，不能形成π键共价分子＜（3）原子、原子、原子、分子、分子共价键、共价键、共价键、分子间作用力、分子间作用力金刚石、二氧化硅、硅、冰、干冰形成性自评1．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；C中HCl为共价化合物，不存在离子键。答案：D2．解析：硫与磷是分子晶体，晶体硅是共价晶体，其中晶体硅的熔点远高于硫与磷的熔点，A项错误；氟化氢、水、氨都是分子晶体，其沸点高低与分子间作用力大小有关，因为这三种物质之中都存在氢键，且水分子间氢键最强，氨分子间氢键最弱，故水的沸点最高，氨的最低，B项错误；二氧化硅是原子晶体，硬度大，白磷和冰都是分子晶体，硬度较小，C项错误；卤化硅为分子晶体，它们的组成和结构相似，分子间不存在氢键，故相对分子质量越大，熔点越高，D项正确。答案：D3．解析：共价晶体的熔点和硬度与构成共价晶体的原子间的共价键键能有关，而原子间的共价键键能与原子半径的大小有关。答案：B4．解析：由A、B元素都在第三周期，并且所有原子最外层都达到8电子的稳定结构，可知A为Cl元素，B为Al元素，A项正确；因是二聚分子，故其固态时形成分子晶体，B项错误，C项正确；该化合物中不含离子键，只含极性共价键，D项正确。答案：B5．解析：