2022-2023学年下学期高二化学人教版（2019）选择性必修2第二节 分子晶体与共价晶体(共49张PPT)
文档属性
| 名称 | 2022-2023学年下学期高二化学人教版（2019）选择性必修2第二节 分子晶体与共价晶体(共49张PPT) |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 1.0MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2023-04-05 08:46:55 | ||
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文档简介
(共49张PPT)
2022-2023学年下学期高二化学人教版（2019）选择性必修2
第二节 分子晶体与共价晶体
第三章
素养目标
1.结合常见的共价分子的实例,认识物质的构成微粒、微粒间相互作用与物质性质的关系,培养宏观辨识与微观探析的核心素养。
2.借助分子晶体、共价晶体等模型认识晶体的结构特点,培养证据推理与模型认知的核心素养。
【知识铺垫】
1.干冰是一种常见的灭火剂,其成分为 CO2 ,干冰用于灭火的原因是其易 升华 ,该过程中吸收大量的热,且CO2不支持燃烧。
2.水晶的主要成分是 SiO2 ,水晶是具有空间网状结构的物质。
3.H2S的沸点比H2O低,其主要原因是水分子间存在氢键。
【自主梳理】
一、分子晶体
1.结构特点
(1)构成微粒及微粒间的作用力
(2)特征性质
分子晶体熔点低,硬度很小。
(3)堆积方式
类型 分子密堆积 分子非密堆积
分子间作用力 只有范德华力,无氢键 有分子间氢键和范德华力,氢键具有方向性
空间特点 每个分子周围最多有12个紧邻的分子 空间利用率不高,留有相当大的空隙
举例 C60、干冰、I2、O2 HF、NH3、冰
2.常见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等
绝大多数有机化合物 苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等
3.两种典型分子晶体的组成和结构
(1)干冰
①每个晶胞中均摊 4 个CO2分子,含有 12 个原子。
②每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子为 12 个。
(2)冰
①水分子之间的作用力有范德华力、氢键,但主要是氢键。
②由于氢键具有方向性,使四面体中心的每个水分子与四面体顶点的 4 个相邻的水分子相互吸引。
【微思考1】水结冰时,为什么冰浮在水面上
提示 水分子间存在氢键,当水结冰时每个水分子只与周围4个相邻水分子相互吸引,形成空隙较大的空间网状结构,导致冰的密度比水小,所以水结冰后会浮在水面上。
二、共价晶体
1.结构特点
(1)构成微粒及作用力
(2)空间结构:共价键三维骨架结构,不存在单个的小分子,是一个“巨分子”。
(3)物理性质
①共价晶体中,由于各原子均以强的共价键相结合,因此一般熔点 高 ,硬度
大 。
②结构相似的共价晶体,原子半径越小,键长越短,键能越大,晶体的熔点越高。
2.常见的共价晶体
(1)某些单质,如金刚石(C)、硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)和灰锡(Sn)等;
(2)某些非金属化合物,如碳化硅(SiC,俗称金刚砂)、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)等。
3.典型共价晶体的结构
(1)金刚石晶体
金刚石的晶体结构
金刚石的晶胞
①在晶体中每个碳原子以 4 个共价单键对称地与相邻的4个碳原子相结合,形成正四面体结构。
②晶体中碳碳键之间的夹角为109°28',碳原子采取了sp3杂化。
③最小环上有 6 个碳原子。
④一个金刚石晶胞中碳原子个数为 8 。
(2)二氧化硅晶体
①把金刚石晶体中的碳原子换为硅原子,在每两个硅原子之间增加一个
氧原子,即形成SiO2的晶体结构。
②低温石英的结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链,而没有封闭的环状结构。这一结构决定了它具有手性。
【微思考2】碳和硅在同一主族,为什么它们的氧化物CO2和SiO2的物理性质差异很大
提示 CO2的晶体是分子晶体,晶体中CO2分子之间通过范德华力相结合,每个CO2分子是由一个碳原子和两个氧原子构成的。SiO2是原子晶体,硅原子和氧原子形成共价键三维骨架结构,晶体中不存在小分子。
【自我检测】
1.判断下列说法的正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)分子晶体中一定存在共价键( )
(2)干冰升华的过程中破坏了共价键( )
(3)二氧化硅和干冰虽然是同一主族元素形成的氧化物,但属于不同的晶体类型( )
(4)分子晶体的熔、沸点比较低,共价晶体的熔、沸点比较高( )
(5)含有共价键的晶体都是共价晶体( )
(6)SiO2是二氧化硅的分子式( )
×
×
√
√
×
×
2.AB型物质形成的晶体多种多样,下列图示的几种结构中最有可能是分子晶体的是( )
A.①②③④
B.②③⑤⑥
C.②③
D.①④⑤⑥
答案 C
解析 ①④⑤⑥构成的晶体为在一维、二维或三维空间中的结构,且在空间中微粒通过化学键相互连接,故它们不可能是分子晶体;而②③所示结构都是独立的,没有通过化学键与其他结构结合,故可能为分子晶体。
3.有下列几种晶体:A.水晶 B.冰醋酸 C.白磷 D.金刚石 E.晶体氩 F.干冰
(1)属于分子晶体的是 。
(2)属于共价晶体的化合物是 。
(3)直接由原子构成的晶体是 。
(4)受热熔化时,需克服共价键的是 。
答案 (1)BCEF (2)A (3)ADE (4)AD
解析 不同晶体的构成微粒不同,分子晶体由分子构成,共价晶体中无分子。分子晶体有B、C、E、F,注意晶体氩是由单原子分子构成的分子晶体;共价晶体和稀有气体形成的晶体都是由原子直接构成的;共价晶体有A、D,但属于化合物的只有A;分子晶体熔化时不破坏化学键;共价晶体熔化时破坏共价键。
课堂篇 素养提升
探究1
分子晶体的结构特点
【问题探究】
观察下图冰和干冰的晶体结构,回答下列问题:
图甲:冰
图乙:干冰
(1)为什么干冰的熔点比冰低而密度却比冰大
提示 冰中水分子间除了范德华力外还有氢键作用,而干冰中CO2分子间只有范德华力,所以冰的熔点比干冰高。由于水分子间形成的氢键具有方向性,导致冰晶体不具有分子密堆积特征,晶体中有较大的空隙,所以相同状况下冰的密度较小。由于干冰中CO2分子采取密堆积方式形成晶体,所以干冰的密度较大。
(2)干冰升华过程中破坏共价键吗
提示 干冰升华过程中只破坏范德华力,不破坏共价键。
【深化拓展】
分子晶体的判断及性质比较
1.分子晶体的判断方法
(1)依据物质的类别判断
部分非金属单质、所有非金属氢化物、部分非金属氧化物、几乎所有的酸、绝大多数有机化合物的晶体都是分子晶体。
(2)依据组成晶体的粒子及粒子间作用力判断
组成分子晶体的微粒是分子,粒子间作用力是分子间作用力。
(3)依据物质的性质判断
分子晶体的硬度小,熔、沸点低。
2.分子晶体熔、沸点的比较
(1)结构相似,分子之间不含氢键而利用范德华力形成的分子晶体,随着相对分子质量的增大,物质的熔点逐渐升高。例如,常温下Cl2为气态,Br2为液态,而I2为固态;CO2为气态,CS2为液态。
(2)相对分子质量相等或相近的分子构成的分子晶体,极性分子构成的分子晶体的熔点一般比非极性分子构成的分子晶体的熔点高,如CO的熔点比N2的熔点高。
(3)组成和结构相似且不存在氢键的同分异构体所形成的分子晶体,相对分子质量相同,一般支链越多,分子间相互作用越弱,熔、沸点越低,如熔、沸点:正戊烷>异戊烷>新戊烷。
(4)组成和结构相似时,含氢键的分子晶体熔、沸点会反常的高。如H2O的熔、沸点高于H2S。
【素能应用】
典例1下列有关冰和干冰的叙述不正确的是( )
A.干冰和冰都是由分子密堆积形成的晶体
B.冰晶体中,每个水分子周围只有4个紧邻的水分子
C.干冰比冰的熔点低得多,常压下易升华
D.干冰中CO2分子间只存在范德华力,不存在氢键,一个分子周围有12个紧邻的分子
答案 A
解析 干冰晶体中,CO2分子间作用力只是范德华力,分子采取密堆积,一个分子周围有12个紧邻的分子;冰晶体中水分子间除了范德华力之外还存在氢键,由于氢键具有方向性,每个水分子周围只有4个紧邻的水分子,采取非密堆积的方式,空间利用率小,因而密度小。干冰熔化只需克服范德华力,冰融化需要克服范德华力和氢键,由于氢键作用力比范德华力大,所以干冰比冰的熔点低得多,而且常压下易升华。
变式设问 干冰熔化和冰融化破坏的分子间作用力是否相同
提示 不相同。干冰熔化破坏的是范德华力,冰融化破坏的是范德华力和氢键。
特别提醒 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);1 mol水分子平均形成2 mol氢键(不是4 mol)。
(2)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。
(3)晶体冰的密度比液态水的小。
变式训练1在学习分子晶体后,某化学兴趣小组的同学查阅了几种氯化物的熔、沸点,记录如下:
氯化物 NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 CaCl2
熔点/℃ 801 708 194 -69 772
沸点/℃ 1 413 1 412 178 57 1 600
根据这些数据分析,你认为属于分子晶体的是( )
A.NaCl、MgCl2、CaCl2 B.AlCl3、SiCl4
C.NaCl、CaCl2 D.全部
答案 B
解析 由分子构成的晶体,分子与分子之间以分子间作用力相互作用,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。由表中数据可知,MgCl2、NaCl、CaCl2熔、沸点较高,故不属于分子晶体;AlCl3、SiCl4熔、沸点较低,应为分子晶体。B项符合题目要求。
探究2
共价晶体的结构特点
【问题探究】
(1)分析金刚石、二氧化硅的晶体结构,判断共价晶体的化学式是否可以代表其分子式。
提示 不能。因为共价晶体中形成的是共价键三维骨架结构,晶体中无分子存在。
(2)以金刚石为例,说明共价晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同。
提示 ①构成微粒不同,共价晶体中只存在原子,没有分子。②微粒间的相互作用不同,共价晶体中原子之间通过共价键结合,分子晶体中分子之间的作用是分子间作用力。
(3)含1 mol碳原子的金刚石或1 mol SiO2中分别含有C—C和Si—O共价键的物质的量是多少
提示 含1 mol碳原子的金刚石和1 mol SiO2中分别含有C—C和Si—O共价键的物质的量分别为2 mol和4 mol。
【深化拓展】
分子晶体与共价晶体的比较
晶体类型 分子晶体 共价晶体
定 义 只含分子的晶体 相邻原子间以共价键结合而形成的共价键三维骨架结构的晶体
构成微粒 分子或原子(稀有气体) 原子
微粒间的作用力 分子间作用力(氢键、范德华力) 共价键(极性键、非极性键)
熔点 较低 很高
硬度 较小 很大
溶解性 相似相溶 难溶于一般溶剂
影响熔点高低的因素 分子间作用力的强弱 共价键的强弱
不存在分子
【素能应用】
典例2硅是一种重要的非金属单质,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)晶体硅的微观结构与金刚石相似,晶体硅中Si—Si共价键之间的夹角大小为 。
(3)请在框图中补充完成SiO2晶体的结构示意图(部分原子已画出),并进行必要的标注。
(4)根据下表中三种物质(晶体)的熔点回答以下问题。
简要解释熔点产生差异的原因:
①SiO2和SiCl4: 。
②SiCl4和SiF4: 。
物质 SiO2 SiCl4 SiF4
熔点/℃ 1 713 -69 -90.2
答案 (1)1s22s22p63s23p2 (2)109°28'
(3)如图所示
(4)①SiO2是共价晶体,微粒间作用力为共价键;SiCl4是分子晶体,分子间作用力为范德华力,故SiO2熔点高于SiCl4 ②SiCl4和SiF4均为分子晶体,分子间作用力均为范德华力,根据分子结构相似的物质,相对分子质量越大,范德华力越大,可知SiCl4的熔点高于SiF4
解析 (2)晶体硅以一个硅原子为中心,与另外4个硅原子形成正四面体结构,所以Si—Si共价键之间的键角为109°28'。(3)由图分析可知,图中给出的是硅晶体的结构,SiO2晶体相当于在硅晶体结构中的每个Si—Si共价键中“插入”一个氧原子,所以只要在上述每两个硅原子之间画一个半径比硅原子小的原子,再用实线连起来即可。(4)不同类型的晶体,其熔点具有较大的差别,一般共价晶体的熔点高,而分子晶体的熔点低。
易错提醒对分子晶体和共价晶体的认识误区
(1)共价晶体中形成的是共价键三维骨架结构,是一个“巨分子”,没有分子存在;而分子晶体中存在真实的分子。
(2)共价晶体的化学式只表示晶体中的原子的个数比,如SiO2只是表示晶体中Si与O的原子个数比为1∶2。而分子晶体的化学式表示分子的构成。
(3)由原子构成的晶体不一定是共价晶体,如稀有气体组成的晶体属于分子晶体。
变式训练2碳化硅(SiC)是一种晶体,具有类似于金刚石的结构,其中C原子和Si原子的位置是交替排列的。有下列三种晶体:①金刚石 ②晶体硅 ③碳化硅,它们的熔点从高到低的顺序是( )
A.①③② B.②③① C.③①② D.②①③
答案 A
解析 C与Si同为第ⅣA族元素,三种晶体的相似性表现在金刚石是共价晶体,晶体硅、碳化硅也是共价晶体。根据硅的原子半径比碳原子大可知,Si—Si的键能比C—C小,而C—Si的键能应在二者之间,三种共价晶体空间结构相似,熔点取决于它们的键长与键能大小,故熔点从高到低分别是金刚石、碳化硅、晶体硅,正确答案为A。
素养脉络
随堂检测
1.下列各组物质各自形成的晶体中,均属于分子晶体的化合物是( )
A.NH3、HD、C8H10 B.PCl3、CO2、H2SO4
C.SO2、SO3、C60 D.CCl4、Na2S、H2O2
答案 B
解析 A项中HD是单质,不是化合物;C项中C60是单质,不是化合物;D项Na2S中不存在分子,不是分子晶体。
2.下列说法正确的是( )
A.共价晶体中只存在非极性共价键
B.因为HCl的相对分子质量大于HF,所以HCl晶体的熔点高于HF
C.干冰升华时,分子内共价键不会发生断裂
D.金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合物
答案 C
解析 共价晶体中可能存在极性共价键,如SiO2、SiC等,A项不正确;HF晶体中存在氢键,熔点高于HCl晶体,B项不正确;干冰升华是物理变化,分子间作用力被破坏,但分子内共价键不断裂,C项正确;金属元素和非金属元素形成的化合物不一定是离子化合物,也可能是共价化合物,如AlCl3等,D项不正确。
3.水的状态除了气态、液态和固态外,还有玻璃态。它是由液态水急速冷却到165 K时形成的,玻璃态的水无固定形状,不存在晶体结构,且密度与普通液态水的密度相同,有关玻璃态水的叙述正确的是( )
A.水由液态变为玻璃态,体积缩小
B.玻璃态水具有固定的熔点
C.玻璃态是水的一种特殊状态
D.玻璃态水是分子晶体
答案 C
解析 由玻璃态水的密度与普通液态水的密度相同可知,质量相同时体积相同,A错误;玻璃态的水不是晶体,则无固定的熔点,B错误;水的状态除了气态、液态和固态外,还有玻璃态,由此可知玻璃态是水的一种特殊状态,C正确;玻璃态的水无固定形状,不是分子晶体,D错误。
4.下列各组晶体状态的物质中,化学键类型相同,晶体类型也相同的是( )
A.SiO2和SO3 B.晶体硼和HCl
C.晶体硅和C60 D.硫黄和碘
答案 D
解析 属于分子晶体的有SO3、HCl、C60、硫黄和碘;属于共价晶体的有SiO2、晶体硼和晶体硅。D项符合题目要求。
5.现有两组物质的熔点数据如下表所示:
A组 熔点/℃ B组 熔点/℃
金刚石 >3 550 HF -83
晶体硅 1 410 HCl -115
晶体硼 2 300 HBr -89
二氧化硅 1 713 HI -51
根据表中数据回答下列问题:
(1)A组物质属于 晶体,其熔化时克服的微粒间的作用力是 。
(2)B组物质中HF熔点比HCl、HBr高是由于 。
(3)B组晶体不可能具有的性质是 (填序号)。
①硬度小 ②水溶液能导电 ③固体能导电 ④液体状态能导电
答案 (1)共价 共价键
(2)HF分子间能形成氢键,熔化时需要消耗的能量更多 (3)③④
解析 A组物质熔点很高,应是共价晶体,共价晶体熔化时破坏的是共价键;B组物质形成的晶体是分子晶体,且结构相似,一般情况下相对分子质量越大,熔点越高,HF的相对分子质量最小,但熔点比HCl、HBr高的原因是HF分子间可形成氢键,HF熔化时除了破坏范德华力外,还要破坏氢键,所需能量更高,因而熔点更高;分子晶体在固态时和熔化状态时都不导电。
6.(2021湖南卷,18节选)硅和卤素单质反应可以得到SiX4。
SiX4的熔沸点
SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4
熔点/K 183.0 203.2 278.6 393.7
沸点/K 187.2 330.8 427.2 560.7
0 ℃时,SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4呈液态的是 (填化学式),沸点依次升高的原因是 。
答案 SiCl4 相对分子质量逐渐增大
解析 由题给数据可知,0 ℃时SiCl4为液态。卤化硅(SiX4)都是分子晶体,分子间作用力随着相对分子质量的增大而增大,导致熔、沸点升高。
本 课 结 束
2022-2023学年下学期高二化学人教版（2019）选择性必修2
第二节 分子晶体与共价晶体
第三章
素养目标
1.结合常见的共价分子的实例,认识物质的构成微粒、微粒间相互作用与物质性质的关系,培养宏观辨识与微观探析的核心素养。
2.借助分子晶体、共价晶体等模型认识晶体的结构特点,培养证据推理与模型认知的核心素养。
【知识铺垫】
1.干冰是一种常见的灭火剂,其成分为 CO2 ,干冰用于灭火的原因是其易 升华 ,该过程中吸收大量的热,且CO2不支持燃烧。
2.水晶的主要成分是 SiO2 ,水晶是具有空间网状结构的物质。
3.H2S的沸点比H2O低,其主要原因是水分子间存在氢键。
【自主梳理】
一、分子晶体
1.结构特点
(1)构成微粒及微粒间的作用力
(2)特征性质
分子晶体熔点低,硬度很小。
(3)堆积方式
类型 分子密堆积 分子非密堆积
分子间作用力 只有范德华力,无氢键 有分子间氢键和范德华力,氢键具有方向性
空间特点 每个分子周围最多有12个紧邻的分子 空间利用率不高,留有相当大的空隙
举例 C60、干冰、I2、O2 HF、NH3、冰
2.常见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等
绝大多数有机化合物 苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等
3.两种典型分子晶体的组成和结构
(1)干冰
①每个晶胞中均摊 4 个CO2分子,含有 12 个原子。
②每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子为 12 个。
(2)冰
①水分子之间的作用力有范德华力、氢键,但主要是氢键。
②由于氢键具有方向性,使四面体中心的每个水分子与四面体顶点的 4 个相邻的水分子相互吸引。
【微思考1】水结冰时,为什么冰浮在水面上
提示 水分子间存在氢键,当水结冰时每个水分子只与周围4个相邻水分子相互吸引,形成空隙较大的空间网状结构,导致冰的密度比水小,所以水结冰后会浮在水面上。
二、共价晶体
1.结构特点
(1)构成微粒及作用力
(2)空间结构:共价键三维骨架结构,不存在单个的小分子,是一个“巨分子”。
(3)物理性质
①共价晶体中,由于各原子均以强的共价键相结合,因此一般熔点 高 ,硬度
大 。
②结构相似的共价晶体,原子半径越小,键长越短,键能越大,晶体的熔点越高。
2.常见的共价晶体
(1)某些单质,如金刚石(C)、硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)和灰锡(Sn)等;
(2)某些非金属化合物,如碳化硅(SiC,俗称金刚砂)、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)等。
3.典型共价晶体的结构
(1)金刚石晶体
金刚石的晶体结构
金刚石的晶胞
①在晶体中每个碳原子以 4 个共价单键对称地与相邻的4个碳原子相结合,形成正四面体结构。
②晶体中碳碳键之间的夹角为109°28',碳原子采取了sp3杂化。
③最小环上有 6 个碳原子。
④一个金刚石晶胞中碳原子个数为 8 。
(2)二氧化硅晶体
①把金刚石晶体中的碳原子换为硅原子,在每两个硅原子之间增加一个
氧原子,即形成SiO2的晶体结构。
②低温石英的结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链,而没有封闭的环状结构。这一结构决定了它具有手性。
【微思考2】碳和硅在同一主族,为什么它们的氧化物CO2和SiO2的物理性质差异很大
提示 CO2的晶体是分子晶体,晶体中CO2分子之间通过范德华力相结合,每个CO2分子是由一个碳原子和两个氧原子构成的。SiO2是原子晶体,硅原子和氧原子形成共价键三维骨架结构,晶体中不存在小分子。
【自我检测】
1.判断下列说法的正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)分子晶体中一定存在共价键( )
(2)干冰升华的过程中破坏了共价键( )
(3)二氧化硅和干冰虽然是同一主族元素形成的氧化物,但属于不同的晶体类型( )
(4)分子晶体的熔、沸点比较低,共价晶体的熔、沸点比较高( )
(5)含有共价键的晶体都是共价晶体( )
(6)SiO2是二氧化硅的分子式( )
×
×
√
√
×
×
2.AB型物质形成的晶体多种多样,下列图示的几种结构中最有可能是分子晶体的是( )
A.①②③④
B.②③⑤⑥
C.②③
D.①④⑤⑥
答案 C
解析 ①④⑤⑥构成的晶体为在一维、二维或三维空间中的结构,且在空间中微粒通过化学键相互连接,故它们不可能是分子晶体;而②③所示结构都是独立的,没有通过化学键与其他结构结合,故可能为分子晶体。
3.有下列几种晶体:A.水晶 B.冰醋酸 C.白磷 D.金刚石 E.晶体氩 F.干冰
(1)属于分子晶体的是 。
(2)属于共价晶体的化合物是 。
(3)直接由原子构成的晶体是 。
(4)受热熔化时,需克服共价键的是 。
答案 (1)BCEF (2)A (3)ADE (4)AD
解析 不同晶体的构成微粒不同,分子晶体由分子构成,共价晶体中无分子。分子晶体有B、C、E、F,注意晶体氩是由单原子分子构成的分子晶体;共价晶体和稀有气体形成的晶体都是由原子直接构成的;共价晶体有A、D,但属于化合物的只有A;分子晶体熔化时不破坏化学键;共价晶体熔化时破坏共价键。
课堂篇 素养提升
探究1
分子晶体的结构特点
【问题探究】
观察下图冰和干冰的晶体结构,回答下列问题:
图甲:冰
图乙:干冰
(1)为什么干冰的熔点比冰低而密度却比冰大
提示 冰中水分子间除了范德华力外还有氢键作用,而干冰中CO2分子间只有范德华力,所以冰的熔点比干冰高。由于水分子间形成的氢键具有方向性,导致冰晶体不具有分子密堆积特征,晶体中有较大的空隙,所以相同状况下冰的密度较小。由于干冰中CO2分子采取密堆积方式形成晶体,所以干冰的密度较大。
(2)干冰升华过程中破坏共价键吗
提示 干冰升华过程中只破坏范德华力,不破坏共价键。
【深化拓展】
分子晶体的判断及性质比较
1.分子晶体的判断方法
(1)依据物质的类别判断
部分非金属单质、所有非金属氢化物、部分非金属氧化物、几乎所有的酸、绝大多数有机化合物的晶体都是分子晶体。
(2)依据组成晶体的粒子及粒子间作用力判断
组成分子晶体的微粒是分子,粒子间作用力是分子间作用力。
(3)依据物质的性质判断
分子晶体的硬度小,熔、沸点低。
2.分子晶体熔、沸点的比较
(1)结构相似,分子之间不含氢键而利用范德华力形成的分子晶体,随着相对分子质量的增大,物质的熔点逐渐升高。例如,常温下Cl2为气态,Br2为液态,而I2为固态;CO2为气态,CS2为液态。
(2)相对分子质量相等或相近的分子构成的分子晶体,极性分子构成的分子晶体的熔点一般比非极性分子构成的分子晶体的熔点高,如CO的熔点比N2的熔点高。
(3)组成和结构相似且不存在氢键的同分异构体所形成的分子晶体,相对分子质量相同,一般支链越多,分子间相互作用越弱,熔、沸点越低,如熔、沸点:正戊烷>异戊烷>新戊烷。
(4)组成和结构相似时,含氢键的分子晶体熔、沸点会反常的高。如H2O的熔、沸点高于H2S。
【素能应用】
典例1下列有关冰和干冰的叙述不正确的是( )
A.干冰和冰都是由分子密堆积形成的晶体
B.冰晶体中,每个水分子周围只有4个紧邻的水分子
C.干冰比冰的熔点低得多,常压下易升华
D.干冰中CO2分子间只存在范德华力,不存在氢键,一个分子周围有12个紧邻的分子
答案 A
解析 干冰晶体中,CO2分子间作用力只是范德华力,分子采取密堆积,一个分子周围有12个紧邻的分子;冰晶体中水分子间除了范德华力之外还存在氢键,由于氢键具有方向性,每个水分子周围只有4个紧邻的水分子,采取非密堆积的方式,空间利用率小,因而密度小。干冰熔化只需克服范德华力,冰融化需要克服范德华力和氢键,由于氢键作用力比范德华力大,所以干冰比冰的熔点低得多,而且常压下易升华。
变式设问 干冰熔化和冰融化破坏的分子间作用力是否相同
提示 不相同。干冰熔化破坏的是范德华力,冰融化破坏的是范德华力和氢键。
特别提醒 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);1 mol水分子平均形成2 mol氢键(不是4 mol)。
(2)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。
(3)晶体冰的密度比液态水的小。
变式训练1在学习分子晶体后,某化学兴趣小组的同学查阅了几种氯化物的熔、沸点,记录如下:
氯化物 NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 CaCl2
熔点/℃ 801 708 194 -69 772
沸点/℃ 1 413 1 412 178 57 1 600
根据这些数据分析,你认为属于分子晶体的是( )
A.NaCl、MgCl2、CaCl2 B.AlCl3、SiCl4
C.NaCl、CaCl2 D.全部
答案 B
解析 由分子构成的晶体,分子与分子之间以分子间作用力相互作用,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。由表中数据可知,MgCl2、NaCl、CaCl2熔、沸点较高,故不属于分子晶体;AlCl3、SiCl4熔、沸点较低,应为分子晶体。B项符合题目要求。
探究2
共价晶体的结构特点
【问题探究】
(1)分析金刚石、二氧化硅的晶体结构,判断共价晶体的化学式是否可以代表其分子式。
提示 不能。因为共价晶体中形成的是共价键三维骨架结构,晶体中无分子存在。
(2)以金刚石为例,说明共价晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同。
提示 ①构成微粒不同,共价晶体中只存在原子,没有分子。②微粒间的相互作用不同,共价晶体中原子之间通过共价键结合,分子晶体中分子之间的作用是分子间作用力。
(3)含1 mol碳原子的金刚石或1 mol SiO2中分别含有C—C和Si—O共价键的物质的量是多少
提示 含1 mol碳原子的金刚石和1 mol SiO2中分别含有C—C和Si—O共价键的物质的量分别为2 mol和4 mol。
【深化拓展】
分子晶体与共价晶体的比较
晶体类型 分子晶体 共价晶体
定 义 只含分子的晶体 相邻原子间以共价键结合而形成的共价键三维骨架结构的晶体
构成微粒 分子或原子(稀有气体) 原子
微粒间的作用力 分子间作用力(氢键、范德华力) 共价键(极性键、非极性键)
熔点 较低 很高
硬度 较小 很大
溶解性 相似相溶 难溶于一般溶剂
影响熔点高低的因素 分子间作用力的强弱 共价键的强弱
不存在分子
【素能应用】
典例2硅是一种重要的非金属单质,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)晶体硅的微观结构与金刚石相似,晶体硅中Si—Si共价键之间的夹角大小为 。
(3)请在框图中补充完成SiO2晶体的结构示意图(部分原子已画出),并进行必要的标注。
(4)根据下表中三种物质(晶体)的熔点回答以下问题。
简要解释熔点产生差异的原因:
①SiO2和SiCl4: 。
②SiCl4和SiF4: 。
物质 SiO2 SiCl4 SiF4
熔点/℃ 1 713 -69 -90.2
答案 (1)1s22s22p63s23p2 (2)109°28'
(3)如图所示
(4)①SiO2是共价晶体,微粒间作用力为共价键;SiCl4是分子晶体,分子间作用力为范德华力,故SiO2熔点高于SiCl4 ②SiCl4和SiF4均为分子晶体,分子间作用力均为范德华力,根据分子结构相似的物质,相对分子质量越大,范德华力越大,可知SiCl4的熔点高于SiF4
解析 (2)晶体硅以一个硅原子为中心,与另外4个硅原子形成正四面体结构,所以Si—Si共价键之间的键角为109°28'。(3)由图分析可知,图中给出的是硅晶体的结构,SiO2晶体相当于在硅晶体结构中的每个Si—Si共价键中“插入”一个氧原子,所以只要在上述每两个硅原子之间画一个半径比硅原子小的原子,再用实线连起来即可。(4)不同类型的晶体,其熔点具有较大的差别,一般共价晶体的熔点高,而分子晶体的熔点低。
易错提醒对分子晶体和共价晶体的认识误区
(1)共价晶体中形成的是共价键三维骨架结构,是一个“巨分子”,没有分子存在;而分子晶体中存在真实的分子。
(2)共价晶体的化学式只表示晶体中的原子的个数比,如SiO2只是表示晶体中Si与O的原子个数比为1∶2。而分子晶体的化学式表示分子的构成。
(3)由原子构成的晶体不一定是共价晶体,如稀有气体组成的晶体属于分子晶体。
变式训练2碳化硅(SiC)是一种晶体,具有类似于金刚石的结构,其中C原子和Si原子的位置是交替排列的。有下列三种晶体:①金刚石 ②晶体硅 ③碳化硅,它们的熔点从高到低的顺序是( )
A.①③② B.②③① C.③①② D.②①③
答案 A
解析 C与Si同为第ⅣA族元素,三种晶体的相似性表现在金刚石是共价晶体,晶体硅、碳化硅也是共价晶体。根据硅的原子半径比碳原子大可知,Si—Si的键能比C—C小,而C—Si的键能应在二者之间,三种共价晶体空间结构相似,熔点取决于它们的键长与键能大小,故熔点从高到低分别是金刚石、碳化硅、晶体硅,正确答案为A。
素养脉络
随堂检测
1.下列各组物质各自形成的晶体中,均属于分子晶体的化合物是( )
A.NH3、HD、C8H10 B.PCl3、CO2、H2SO4
C.SO2、SO3、C60 D.CCl4、Na2S、H2O2
答案 B
解析 A项中HD是单质,不是化合物;C项中C60是单质,不是化合物;D项Na2S中不存在分子,不是分子晶体。
2.下列说法正确的是( )
A.共价晶体中只存在非极性共价键
B.因为HCl的相对分子质量大于HF,所以HCl晶体的熔点高于HF
C.干冰升华时,分子内共价键不会发生断裂
D.金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合物
答案 C
解析 共价晶体中可能存在极性共价键,如SiO2、SiC等,A项不正确;HF晶体中存在氢键,熔点高于HCl晶体,B项不正确;干冰升华是物理变化,分子间作用力被破坏,但分子内共价键不断裂,C项正确;金属元素和非金属元素形成的化合物不一定是离子化合物,也可能是共价化合物,如AlCl3等,D项不正确。
3.水的状态除了气态、液态和固态外,还有玻璃态。它是由液态水急速冷却到165 K时形成的,玻璃态的水无固定形状,不存在晶体结构,且密度与普通液态水的密度相同,有关玻璃态水的叙述正确的是( )
A.水由液态变为玻璃态,体积缩小
B.玻璃态水具有固定的熔点
C.玻璃态是水的一种特殊状态
D.玻璃态水是分子晶体
答案 C
解析 由玻璃态水的密度与普通液态水的密度相同可知,质量相同时体积相同,A错误;玻璃态的水不是晶体,则无固定的熔点,B错误;水的状态除了气态、液态和固态外,还有玻璃态,由此可知玻璃态是水的一种特殊状态,C正确;玻璃态的水无固定形状,不是分子晶体,D错误。
4.下列各组晶体状态的物质中,化学键类型相同,晶体类型也相同的是( )
A.SiO2和SO3 B.晶体硼和HCl
C.晶体硅和C60 D.硫黄和碘
答案 D
解析 属于分子晶体的有SO3、HCl、C60、硫黄和碘;属于共价晶体的有SiO2、晶体硼和晶体硅。D项符合题目要求。
5.现有两组物质的熔点数据如下表所示:
A组 熔点/℃ B组 熔点/℃
金刚石 >3 550 HF -83
晶体硅 1 410 HCl -115
晶体硼 2 300 HBr -89
二氧化硅 1 713 HI -51
根据表中数据回答下列问题:
(1)A组物质属于 晶体,其熔化时克服的微粒间的作用力是 。
(2)B组物质中HF熔点比HCl、HBr高是由于 。
(3)B组晶体不可能具有的性质是 (填序号)。
①硬度小 ②水溶液能导电 ③固体能导电 ④液体状态能导电
答案 (1)共价 共价键
(2)HF分子间能形成氢键,熔化时需要消耗的能量更多 (3)③④
解析 A组物质熔点很高,应是共价晶体,共价晶体熔化时破坏的是共价键;B组物质形成的晶体是分子晶体,且结构相似,一般情况下相对分子质量越大,熔点越高,HF的相对分子质量最小,但熔点比HCl、HBr高的原因是HF分子间可形成氢键,HF熔化时除了破坏范德华力外,还要破坏氢键,所需能量更高,因而熔点更高;分子晶体在固态时和熔化状态时都不导电。
6.(2021湖南卷,18节选)硅和卤素单质反应可以得到SiX4。
SiX4的熔沸点
SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4
熔点/K 183.0 203.2 278.6 393.7
沸点/K 187.2 330.8 427.2 560.7
0 ℃时,SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4呈液态的是 (填化学式),沸点依次升高的原因是 。
答案 SiCl4 相对分子质量逐渐增大
解析 由题给数据可知,0 ℃时SiCl4为液态。卤化硅(SiX4)都是分子晶体,分子间作用力随着相对分子质量的增大而增大,导致熔、沸点升高。
本 课 结 束