3.2分子晶体与共价晶体 课件（36张ppt)

(共36张PPT)
第二节 分子晶体与共价晶体
第三章 晶体结构与性质
根据组成晶体粒子间作用力的不同，对下列各种晶体进行分类
氯化钠晶体结构
铜晶体结构
金刚石晶体结构
分子晶体 共价晶体 金属晶体 离子晶体
粒子间作用力
常见的
晶体类型
碘晶体晶胞
分子间作用力
金属键
共价键
离子键
从组成粒子和粒子间相互作用的角度分析以下四种晶体结构的共同特点是什么？
碘（I2） 干冰（CO2） 碳60（C60） 冰（H2O）
组成粒子都是分子
粒子之间都以分子间作用力相互吸引
【问题探讨】
一、分子晶体
1、概念：只含分子的晶体叫做分子晶体。
分子晶体
构成粒子
分子
粒子间的作用力
分子间作用力
分子内各原子间
共价键
2、分子晶体中微粒间的相互作用
所有分子晶体中是否均存在化学键？为什么？
否，稀有气体是单原子分子，无化学键，只有分子间作用力
（稀有气体除外）
3、分子晶体的物理性质
不导电，固态和熔融状态时都不导电，只有酸的水溶液能导电
熔沸点低，
易升华，
硬度小，
许多分子晶体常温下是气体或液体
(如干冰、碘、红磷、萘等)
分子间作用力很弱
不存在自由移动的离子或自由电子
溶解性
一般符合相似相溶原理
分子晶体 氧气 氮气 白磷 水
熔点/℃ -218.3 -210.1 44.2 0
分子晶体 硫化氢 甲烷 乙酸 尿素
熔点/℃ -85.6 -182 16.6 132.7
4、分子晶体熔沸点的比较
分子间作用力的大小决定了分子晶体的熔沸点高低
①含有分子间氢键的分子晶体，熔沸点较高。
②组成和结构相似的物质，不含氢键的分子晶体，相对分子质量越大，范德华力越大，熔沸点越高。
如H2O>H2Te>H2Se>H2S，HF>HCl，NH3>PH3
如：O2>N2 HI>HBr>HCl
③相对分子质量相等或相近，极性分子的范德华力大，熔沸点高。如CO>N2
④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>异戊烷>新戊烷；
5、常见的典型分子晶体
(1)部分非金属单质：X2、O2、H2、 S8、P4、C60
(4)部分非金属氧化物: CO2、SO2、NO2……
(5)几乎所有的酸： H2SO4、HNO3、H3PO4
(6)绝大多数有机物：乙醇、冰醋酸、蔗糖……
(2)稀有气体
(3)所有非金属氢化物：H2O、H2S、NH3、CH4、HX……
(除 SiO2 等）
(除B、Si、Ge等的单质、金刚石等)
大部分的共价化合物都是分子晶体
大多数分子晶体中，如果分子间作用力只是范德华力(无分子间氢键)，若以一个分子为中心，其周围最多可以有12个紧邻的分子，分子晶体的这一特征称为分子密堆积。如：C60、干冰 、I2、O2。
（1）分子密堆积
6、分子晶体的结构特征
碳60（C60）
干冰晶胞
碘 I2
分子间的作用力：范德华力
晶胞特点：
晶胞粒子数：
配位数：
顶点和面心各有1个分子
4
12
面心立方
干冰的晶体结构图
中心
CO2分子
以干冰晶体结构为例分析：分子密堆积的结构
①干冰中的CO2分子间作用力只存在 ，不存在 。
②每个晶胞中均摊 个CO2分子
③每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为 个。
4
12
范德华力
分子间氢键
（2）非密堆积
水分子间的主要作用力是氢键，由于氢键具有方向性，使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引，使得晶体中分子的空间利用率降低，留有相当大的空隙，这种晶体不具有分子密堆积特征。如HF、NH3、冰。
冰的结构
氢键有方向性
1、冬季河水结冰后，冰块往往浮在水面，为什么冰的密度比水小呢？
由于氢键的方向性，使冰晶体中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，形成空隙较大的网状体。冰融化后，分子间的空隙减小。所以冰的密度比水小，结的冰会浮在水面上。
【问题探讨】
2、冰晶体中1 mol H2O最多形成多少mol 氢键？
冰晶体1 mol H2O中最多含有2 mol氢键
1
2
3
4
冰的结构
小结：典型的分子晶体的结构特点
物质 干冰 冰
晶体 结构
结构 特点 ①相邻分子间只存在范德华力 ②每个晶胞中有4个CO2分子，12个原子 ③每个CO2分子周围等距离且紧邻的CO2分子有12个 ①水分子之间的作用力有范德华力和氢键，但主要作用力是氢键
②冰中位于四面体中心的水分子与四面体顶角方向的4个相邻的水分子相互作用
③1mol冰中含有2mol氢键
【思考与讨论】
硫化氢和水分子结构相似，但硫化氢晶体中，一个硫化氢分子周围有12个紧邻分子，而冰中一个水分子周围只有4个紧邻分子，为什么？
硫化氢晶体中分子之间只有范德华力，范德华力无饱和性与方向性，形成分子密堆积。因此，一个硫化氢分子周围有12个紧邻分子。
而冰晶体中水分子间存在氢键，氢键具有方向性，这迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子形成氢键。因此，冰中一个水分子周围只有4个紧邻分子。
取两块大小相同的干冰，在一块干冰中央挖一个小穴，撒入一些镁粉，用红热的铁棒把镁点燃，将另一块干冰盖上，你会看到镁粉在干冰内_________，像冰灯中装进一个 一样，发出___________。(切勿用手接触干冰，以免冻伤！)这个实验不但证明了金属镁可以跟二氧化碳____，而且也说明了干冰易_____的特性。
镁与二氧化碳的反应
（2Mg+ CO2 2MgO+ C )
继续燃烧
电灯泡
耀眼的白光
反应
升华
【资料卡片】
天然气水合物——一种潜在的能源
20世纪末，科学家发现海底存在大量天然气水合物晶体。其主要气体成分是甲烷，称甲烷水合物，外形像冰，在常温常压下会迅速分解释放出甲烷又称“可燃冰”。
【科学 技术 社会】
物质 熔点/℃ 沸点/℃
CO2 -56.2 （在527 kPa下测得） -78.5
SiO2 1 723 2 230
说明形成二氧化硅晶体的作用力是远强于分子间作用力的力。
【问题探讨】
碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族，二氧化硅的熔沸点远高于二氧化碳的熔沸点，说明什么？
干冰
SiO2
1、定义：
2、构成微粒及微粒间作用力
原子
共价键
共价晶体
构成粒子
粒子间的作用力
【注意】
(如稀有气体)
①由原子构成的晶体不一定是共价晶体；
②具有共价键的晶体不一定是共价晶体。
(如干冰晶体)
相邻原子间以共价键结合而形成空间立体网状结构的晶体。晶体中只含有共价键，无单个分子存在。
二、共价晶体
以碳为中心
3、常见的共价晶体及物质类别
硅(Si)、硼(B)、金刚石、锗(Ge)和灰锡(Sn)
(2)某些非金属化合物
碳化硅(SiC，俗称金刚砂)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等
(3)极少数金属化合物
氮化铝(AlN)、刚玉(α Al2O3)等
(1)某些单质
4、几种典型共价晶体的结构分析
(1)金刚石的结构特征
天然金刚石呈现多面体外形
金刚石的结构
金刚石的晶胞
金刚石晶体的结构特点
金刚石晶胞中：六元环结构 : 碳原子数目 : C－C键数目 = 2 : 1 : 2
①每个C周围紧邻　个C；围成正四面体形。
②每个碳原子都采取 ；
③所有的C－C键长相等，键角相等，键角为________；
④晶体中最小的碳环由__个碳组成，且_____同一平面内，
最多有 个碳原子在同一平面上；
⑤晶体中每个C参与了 条C-C键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故C原子数与C-C键数之比为____；
⑥一个C原子被　 个六元环共用，1个碳环占有的碳原子数为 个。
4
sp3杂化
109°28′
6
不在
4
1:2
12
0.5
4
金刚石晶胞
①金刚石晶胞中C原子配位数为___
4
②金刚石晶胞中含有的C原子数为___
8
③12g 金刚石含有_____个C原子，含有_____ 个C-C键
NA
2NA
配位数：一个C原子周围最邻近的C原子数
金刚石 晶体硅 SiC
(1)与碳同族单质(如Si、Ge)都具有与金刚石相似的结构；
(2)第ⅣA族相邻元素间也可形成相似结构的晶体(如SiC)
金刚石模型的演变
(2)二氧化硅的结构特征
SiO2是自然界含量最高的二元氧化物，熔点1713 ℃，有多种结构 ，最常见的是低温石英。遍布河岸的黄沙、带状的石英矿脉、花岗石里的白色晶体以及透明的水晶都低温石英。
黄沙
花岗岩
石英矿
水晶
SiO2在自然界分布：
低温石英的结构
其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，被广泛用作压电材料，如石英手表。
石英晶体中硅氧四面体相连构成的螺旋链
石英的左、右型晶体
SiO2用途：制造水泥、玻璃、人造红宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料
二氧化硅的晶体结构
①在SiO2晶体中，每个硅原子采取sp3杂化与 个氧原子结合；每个氧原子与 个硅原子结合；在SiO2晶体中硅原子与氧原子个数之比是 。 单个的SiO2分子存在。
②在SiO2 晶体中，每个硅原子形成 个共价键；每个氧原子形成 个共价键，1 mol SiO2中含 mol Si－O。
③在SiO2 晶体中，最小环为 元环，由 个Si原子和 个O原子构成。
每个Si原子被 个12元环共用，每个O原子被 个12元环共用。
4
没有
1:2
2
4
2
12
6
6
4
12
6
109 28
晶体硅的晶胞中，在Si－Si键之间插入O原子，即得到常见的SiO2晶胞。
晶体硅的结构
二氧化硅的结构
①二氧化硅晶胞中含有的Si原子数为___，O原子数为___。
8
16
②1molSiO2晶体中含_____molSi-O键。
4
二氧化硅的晶胞
【课堂练习】金刚石晶胞结构如图所示，回答下列问题。
(1)已知晶胞参数为a pm，则金刚石的密度为_____________ g·cm－3。
(2)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为_____ pm。
(3)碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？
小结：常见共价晶体的结构
物质 金刚石 二氧化硅
晶体 结构
结构 特点 ①碳原子采取sp3杂化，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C—C—C夹角为109°28′。 ③最小环上有6个碳原子。 ④1mol晶体中有2molC—C键。 ⑤1个晶胞中有8个碳原子。 ①每个硅原子均以4个共价键对称地与相邻的4个氧原子相结合，每个氧原子与2个硅原子相结合，向空间扩展，形成三维骨架结构。
②硅、氧原子个数比为1∶2。
③最小的环上有6个硅原子和6个氧原子。
④1molSiO2中有4molSi—O键。
共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗
熔点/0C ＞3550 3000 2700 1710 1410 1211
硬 度 10 9.5 9.5 7 6.5 6.0
①熔点很高，
②硬度很大，
③一般不导电，但晶体硅、锗是半导体
④难溶于一般溶剂
共价晶体中，原子间以较强的共价键相结合，要使物质熔化就要克服共价键，需要很高的能量。
硬度是衡量固体软硬程度的指标。硬度有不同的标度，最普通的硬度标度是画痕硬度，即摩氏硬度。
5、共价晶体的物理性质
【资料卡片】
(1)怎样从原子结构的角度理解金刚石，硅和锗的熔点和硬度依次下降？
(2)“具有共价键的晶体叫做共价晶体”，这种说法对吗？为什么？
不对，分子晶体中通常也含有共价键。如CO2晶体 干冰，只有分子内部才通过共价键结合，而分子间通过范德华力结合成分子晶体；此外，某些离子晶体中也含共价键，如NaOH、NH4Cl
结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体熔点越高。原子半径C 【思考与讨论】
(3)硬度大的物质一定经得起锤击吗？
硬度是衡量固体软硬程度的指标。以固体互相刻画时出现刻痕的固体的摩尔硬度较低。金刚石不能被任何天然矿物画出刻痕，因而是最硬的。但却很容易经锺击而破碎。物质经受锤击的性质属于延展性。由于共价晶体中的共价键具有方向性，当受到大的外力作用时会发生原了错位而断裂。硬度大的物质不一定经得锤击。
金刚石
1、天然金刚石
2、人工合成金刚石
以石墨为原料高压合成金刚石
以甲烷、氢气为原料低温低压合成金刚石
天然金刚石形成条件：高温高压
【科学 技术 社会】
总结：分子晶体与共价晶体的比较
晶体类型 共价晶体 分子晶体
组成微粒
作用力
熔沸点
硬度
溶解性
导电性
原子
分子
共价键
分子间作用力
很大
较小
很大
较小
不溶于常见溶剂
部分溶于水
不导电，个别为半导体
固体和熔化状态都不导电，部分溶于水导电
(1)依据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断。
构成共价晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键；构成分子晶体的微粒是分子或原子(稀有气体)，微粒间的作用力是分子间作用力。
(2)依据晶体的熔点判断。
共价晶体的熔点高，常在1000℃以上而分子晶体熔点低，常在数百摄氏度以下甚至更低。
(3)还可以依据晶体的硬度与机械性能判断。
共价晶体硬度大，分子晶体硬度小且较脆。
分子晶体和共价晶体的判断方法
(4)依据导电性判断。
分子晶体为非导体，但部分溶于水后能导电；共价晶体多数为非导体，但晶体硅、锗是半导体
(5)依据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。
(6)依据物质的状态判断。
一般常温常压下，呈气态或液态的单质与化合物，在固态时属于分子晶体。