3.2 第4课时 分子晶体 晶体结构的复杂性 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修2
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| 名称 | 3.2 第4课时 分子晶体 晶体结构的复杂性 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修2 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 154.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 鲁科版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-04-06 15:05:07 | ||
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文档简介
3.2 第4课时 分子晶体 晶体结构的复杂性
【学习目标】
1.借助分子晶体模型认识分子晶体的结构特点。
2.能够从范德华力、氢键的特征,分析理解分子晶体的物理特性。
3.学会比较分子晶体的熔、沸点。
4.通过认识石墨晶体的特殊结构,知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的。
5.会对四类晶体进行判断,并对它们的性质进行比较。
【自主预习】
一、分子晶体
1.概念与物理性质
概念 分子之间通过 结合形成的晶体
构成微粒 分子
微粒间的作用力 分子间作用力
分子晶体 与物质类 型的关系 ①部分非金属单质:卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)等 ②部分非金属氧化物:CO2、P4O10、SO2、SO3等 ③所有非金属氢化物:H2O、NH3、CH4等 ④几乎所有的酸:HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等 ⑤绝大多数有机物的晶体:苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等
2.典型分子晶体的结构分析
晶胞或结构类型 结构分析
(1)碘晶体的晶胞是一个长方体,在它的每个顶点和面心上各有1个I2分子,每个晶胞中有 个I2分子 (2)I2分子之间以 结合
(1)干冰晶胞是面心立方结构,在它的每个顶点和面心上各有1个CO2分子,每个晶胞中有 个CO2分子 (2)每个CO2分子周围距离最近且相等的CO2分子有 个 (3)干冰晶体中分子之间通过 相结合,熔化时分子内的化学键不断裂
(1)水分子之间的主要作用力是 ,当然也存在范德华力 (2)氢键有方向性,它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 个相邻水分子互相吸引
3.分子晶体的物理性质
(1)分子晶体由于以比较弱的 相结合,因此一般熔点 ,硬度 。
(2)对组成和结构相似,晶体中又不含氢键的分子晶体来说,随着相对分子质量的增大,范德华力 ,熔、沸点 。
二、晶体结构的复杂性
1.石墨晶体
晶体 模型
结构 特点 (1)石墨晶体是层状结构,在每一层内,每个C原子与邻近的3个C原子以共价键结合,形成无限的六边形平面网状结构。每个C原子还有1个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道,并含有1个未成对电子,因此能形成遍及整个平面的大π键 (2)C原子采取sp2杂化,C—C键之间的夹角为120° (3)层与层之间以范德华力结合
晶体 类型 石墨晶体中既含有共价键,又有范德华力,同时还有类似金属键的作用力,因此石墨晶体属于混合型晶体
物理 性质 熔点高、质软、易导电
用途 制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等
2.晶体的复杂性
(1)物质组成的复杂性导致晶体中存在多种不同微粒以及不同的微粒间作用。例如:BaTiO3含有一种阴离子和多种阳离子,它是一种重要的压电材料。近年来,一类与BaTiO3结构类似的有机/无机杂化材料在光电材料领域获得突破。Ca5(PO4)3OH含有一种阳离子和多种阴离子,是人体和动物骨骼的主要无机成分。
(2)金属键、离子键、共价键、配位键等都是化学键的典型模型,但是,原子之间形成的化学键往往是介于典型模型之间的过渡状态。
【参考答案】一、1.分子间作用力 2.4 范德华力 4 12 范德华力 氢键 4 3.(1)分子间作用力 较低 较小 (2)增大 升高
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)分子晶体内只有分子间作用力。 ( )
(2)分子晶体的相对分子质量越大,熔、沸点越高。 ( )
(3)分子晶体中分子间氢键越强,分子越稳定。 ( )
(4)冰晶体融化时水分子中共价键发生断裂。 ( )
(5)水是一种非常稳定的化合物,这是由于水中存在氢键。 ( )
(6)由极性键形成的分子可能是非极性分子。 ( )
(7)液态水和冰中都含有氢键。 ( )
(8)分子晶体中一定存在范德华力,可能有共价键。 ( )
【答案】(1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)√ (8)√
2.构成分子晶体的微粒中是不是一定含有共价键
【答案】不是,如稀有气体中无共价键。
3.分子晶体是如何形成的
【答案】原子以共价键结合为分子后,这些分子再以分子间作用力结合成晶体。
4.结合教材中冰晶体的结构示意图,分析水分子之间的结合力是什么样的,每个水分子周围有几个水分子相连。
【答案】冰晶体中的每个水分子通过氢键与周围4个水分子相连,平均每个水分子形成2个氢键。
5.分子晶体中存在哪些作用力
【答案】分子内存在共价键,有极性键和非极性键;分子之间存在分子间作用力。例如,冰中水分子内存在氢氧键,水分子之间存在范德华力、氢键。
【合作探究】
任务1 分子晶体的结构和性质
情境导入 可燃冰是一种气体水合物,八个水分子锁住一个甲烷分子,分子式可写作CH4·8H2O,形成不太稳定的固态结构,在常温下就会分解成水和甲烷气体。常温下,液态水中水分子在不停地做无规则运动。0 ℃以下,水凝结为冰,其中的水分子排列由杂乱无序变得十分有序。
问题生成
1.判断可燃冰的晶体类型。
【答案】可燃冰属于分子晶体。
2.可燃冰中水分子的键角和甲烷分子的键角哪个大
【答案】H2O的键角为105°,CH4的键角为109°28',甲烷分子的键角更大。
3.冰晶体中存在着哪几种微粒间的相互作用
【答案】共价键、氢键、范德华力。
4.可燃冰晶体中只存在分子间作用力吗
【答案】不是,可燃冰晶体中存在分子间作用力,CH4和H2O分子内原子间存在共价键,H2O分子间还存在氢键。
5.分子晶体中,分子间作用力越大,对应的物质越稳定吗 CH4和H2O分子哪个更稳定
【答案】决定分子稳定性大小的因素是化学键的强弱,而分子间作用力大小决定分子晶体熔、沸点的高低。H2O分子更稳定。
【核心归纳】
1.分子晶体熔、沸点的比较规律
(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。
2.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、绝大多数有机物的晶体都是分子晶体。
(2)依据组成晶体的粒子及粒子间相互作用判断,组成分子晶体的粒子是分子,粒子间作用是分子间作用力。
(3)依据物质的性质判断,分子晶体的硬度小,熔、沸点低,在熔融状态或固体时均不导电。
【典型例题】
【例1】SiCl4的分子结构与CCl4相似,下列对其进行的推测中不正确的是( )。
A.SiCl4晶体是分子晶体
B.常温、常压下SiCl4是气体
C.SiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子
D.SiCl4的熔点高于CCl4
【答案】B
【解析】SiCl4具有分子结构,因此属于分子晶体。CCl4分子是正四面体结构,SiCl4与CCl4的结构相似,也是正四面体结构,是含极性键的非极性分子。影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间作用力的大小,在SiCl4分子间、CCl4分子间只有范德华力,SiCl4的相对分子质量大于CCl4的相对分子质量,所以SiCl4的分子间作用力比CCl4的大,熔、沸点比CCl4的高,在常温常压下,CCl4是液体,故SiCl4不可能为气体。
【例2】下列分子晶体的熔、沸点排列顺序中,正确的是( )。
A.Cl2>I2
B.SiCl4>CCl4
C.NH3D.C(CH3)4>CH3CH2CH2CH2CH3
【答案】B
【解析】A、B两项属于无氢键且分子结构相似的情况,相对分子质量大的熔、沸点高;C项属于分子结构相似的情况,NH3分子间存在氢键,其熔、沸点高;D项属于分子式相同,但分子结构不同的情况,支链多的熔、沸点低。
【例3】下列属于分子晶体性质的是( )。
A.熔点1070 ℃,易溶于水,水溶液能导电
B.能溶于CS2,熔点112.8 ℃,沸点444.6 ℃
C.熔点1400 ℃,可作半导体材料,难溶于水
D.熔点97.81 ℃,质软,导电,密度0.97 g·cm-3
【答案】B
【解析】分子晶体的主要性质:熔、沸点低,硬度小;极性分子易溶于极性溶剂;非极性分子易溶于非极性溶剂;固态和熔化时均不导电。
任务2 四类晶体的比较
【活动探究】
1.含有阳离子的晶体一定是离子晶体吗
【答案】不一定,离子晶体和金属晶体中都含有阳离子。
2.金属晶体的熔点一定高于分子晶体、低于共价晶体吗
【答案】不一定,有的金属晶体的熔点低于分子晶体,有的金属晶体的熔点高于共价晶体。
【核心归纳】
1.晶体类型的五种判断方法
(1)依据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断
离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
构成晶体 的微粒 阴、阳离子 原子 分子 金属阳离子、 自由电子
微粒间 作用力 离子键 共价键 分子间 作用力 金属键
(2)依据物质的分类判断
①金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类是离子晶体。
②大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅等)、非金属氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、几乎所有的酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。
③常见的单质类共价晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等,常见的化合物类共价晶体有碳化硅、二氧化硅等。
④金属单质形成的晶体是金属晶体。
(3)依据晶体的熔点判断
①离子晶体的熔点较高。
②共价晶体熔点很高。
③分子晶体熔点低。
④金属晶体多数熔点高,但也有少数熔点相当低。
(4)依据导电性判断
①离子晶体溶于水及熔融状态时能导电。
②共价晶体一般为非导体。
③分子晶体为非导体,而分子晶体中的电解质(主要是酸和强极性非金属氢化物)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。
④金属晶体是电的良导体。
(5)依据硬度和机械性能判断
①离子晶体硬度较大、硬而脆。
②共价晶体硬度大。
③分子晶体硬度小且较脆。
④金属晶体多数硬度大,但也有硬度较小的,且具有延展性。
注意:a.常温下为气态或液态的物质,其晶体应属于分子晶体(Hg除外)。b.石墨属于混合型晶体,但因层内原子之间碳碳共价键的键长为1.42×10-10 m,比金刚石中碳碳共价键的键长(键长为1.54×10-10 m)短,所以熔、沸点高于金刚石。c.AlCl3晶体中虽含有金属元素,但属于分子晶体,熔、沸点低(熔点为190 ℃)。d.合金的硬度比成分金属大,熔、沸点比成分金属低。
2.晶体熔、沸点高低的比较
(1)不同类型晶体熔、沸点的比较
①不同类型晶体的熔、沸点高低一般规律:共价晶体>离子晶体>分子晶体。
②金属晶体的熔、沸点差别很大,如钨、铂等熔、沸点很高,汞、铯等熔、沸点很低。
(2)同种类型晶体熔、沸点的比较
①共价晶体
原子半径越小→键长越短→键能越大→熔、沸点越高
如熔点:金刚石>碳化硅>硅。
②离子晶体
一般地,离子所带的电荷数越多(主要因素),离子半径越小,离子键越强,离子晶体熔、沸点就越高,如熔点:MgO>NaCl>CsCl。
③分子晶体
ⅰ.具有氢键的分子晶体熔、沸点反常得高。如熔、沸点:H2O>H2Te>H2Se> H2S。
ⅱ.组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,熔、沸点越高,如熔、沸点:SnH4>GeH4>SiH4>CH4。
ⅲ.组成和结构不相似的物质(相对分子质量接近),分子的极性越大,其熔、沸点越高,如熔、沸点:CO>N2。
ⅳ.互为同分异构体的物质,支链越多,熔、沸点越低。如:熔、沸点:CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>
>。
④金属晶体
金属原子半径越小,价电子数越多,其金属键越强,金属熔、沸点越高,如熔、沸点:Na【典型例题】
【例4】下列物质的熔、沸点高低顺序中,正确的是( )。
A.金刚石>晶体硅>碳化硅
B.CI4>CBr4>CCl4>CH4
C.H2O>MgO>O2>N2
D.金刚石>生铁>纯铁
【答案】B
【解析】金刚石、晶体硅、碳化硅都属于共价晶体,熔、沸点的高低主要与其共价键的强弱有关,共价键键能:C—C键>Si—C键>Si—Si键,故熔、沸点:晶体硅<碳化硅<金刚石,A项错误;CI4、CBr4、CCl4、CH4为组成和结构相似且不存在分子间氢键的分子晶体,熔、沸点随着相对分子质量的增大而升高,B项正确;MgO属于离子晶体,H2O属于分子晶体,离子键的强度远大于分子间作用力,熔、沸点:MgO>H2O,C项错误;生铁为铁合金,熔点低于纯铁,D项错误。
【例5】分析下列物质的物理性质,判断其晶体类型:
(1)碳化铝,黄色晶体,熔点2200℃,熔融状态下不导电,属于 。
(2)溴化铝,无色晶体,熔点98 ℃,熔融状态下不导电,属于 。
(3)五氟化钒,无色晶体,熔点19.5 ℃,易溶于乙醇、氯仿、丙酮等,属于 。
(4)溴化钾,无色晶体,熔融时或溶于水中能导电,属于 。
【答案】(1)共价晶体 (2)分子晶体 (3)分子晶体
(4)离子晶体
【解析】(1)碳化铝熔点很高,熔融状态下不导电,碳化铝属于共价晶体。(2)溴化铝熔点较低,熔融状态下不导电,溴化铝属于分子晶体。(3)五氟化钒熔点较低,易溶于乙醇、氯仿、丙酮等有机溶剂,五氟化钒属于分子晶体。(4)溴化钾熔融时或溶于水中能导电,溴化钾属于离子晶体。
方法技巧 四类典型晶体的比较
晶体类型 离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
构成粒子 阴、阳离子 原子 分子 金属阳离子和自由电子
粒子间的作用力 离子键 共价键 分子间作用力 金属键
物理 性质 硬度 较大 很大 较小 差别较大
熔、沸点 较高 很高 较低 差别较大
溶解性 易溶于极性溶剂,难溶于非极性溶剂 难溶于任何溶剂 相似相溶 一般不溶于溶剂
导电性 固体不导电,熔融态和溶于水导电 一般不导电,硅为半导体 固体和熔融态不导电,有的溶于水导电 良好
导热性 不良 不良 不良 良好
延展性 不良 不良 不良 良好
决定熔、沸点高低的因素 离子半径大,电荷数少,熔、沸点低 原子半径小,键长短,键能大,熔、沸点高 一般相对分子质量大,熔、沸点高;分子间存在氢键时会反常 价电子数多,原子半径小,金属键强,熔、沸点高
熔化时键的变化 断开离子键,共价键不一定断裂 破坏共价键 破坏分子间作用力,不破坏化学键 破坏金属键
实例 金属氧化物(如K2O、Na2O)、强碱(如KOH、NaOH)、绝大部分盐(如NaCl) 部分非金属单质(如金刚石、硅、晶体硼),部分非金属化合物(如SiC、SiO2) 所有非金属氢化物(如水、硫化氢)、部分非金属单质(如卤素X2)、部分非金属氧化物(如CO2、SO2)、几乎所有的酸、绝大多数有机物(有机盐除外) 金属单质与合金(如Na、Al、Fe、青铜)
【随堂检测】
1.下列关于分子晶体的说法正确的是( )。
A.晶体中分子间作用力越大,分子越稳定
B.在分子晶体中一定存在共价键
C.冰和固体Br2都是分子晶体
D.稀有气体不能形成分子晶体
【答案】C
【解析】A项,分子晶体中分子间作用力越大,晶体的熔点越高,但不影响分子的稳定性;B项,在稀有气体元素形成的分子晶体中只有分子间作用力,而无共价键;D项,稀有气体能形成分子晶体。
2.BeCl2熔点较低,易升华,溶于醇和醚,其化学性质与AlCl3相似。由此可推测BeCl2( )。
A.熔融态不导电 B.水溶液呈中性
C.熔点比BeBr2高 D.不与NaOH溶液反应
【答案】A
【解析】A项,由题可知BeCl2熔点较低,易升华,溶于醇和醚,应属于分子晶体,所以其熔融态不导电;B项,AlCl3水溶液中由于铝离子水解而呈酸性,推知BeCl2也具有此性质;C项,对于组成相似的分子晶体,相对分子质量越大,范德华力越大,其熔、沸点越高,因此BeCl2的熔点比BeBr2低;D项,BeCl2化学性质与AlCl3相似,根据AlCl3能和NaOH溶液反应可知,BeCl2也可与NaOH溶液反应。
3.根据表中数据,判断下列说法中错误的是( )。
物质 Na2O NaCl AlF3 AlCl3
熔点 920 ℃ 801 ℃ 1292 ℃ 190 ℃
物质 BCl3 Al2O3 CO2 SiO2
熔点 -107 ℃ 2073 ℃ -57 ℃ 1723 ℃
A.铝的化合物的晶体中有离子晶体
B.表中只有BCl3和AlCl3是分子晶体
C.同族元素的氧化物可形成不同类型的晶体
D.不同族元素的氧化物可形成相同类型的晶体
【答案】B
【解析】由表可知,AlCl3、BCl3、CO2是共价化合物且属于分子晶体;SiO2是共价晶体;其他是离子晶体。
4.下表列举了几种物质的性质,据此判断属于分子晶体的是 (填字母)。
物质 性质
X 熔点为10.31 ℃,液态不导电,水溶液导电
Y 易溶于CCl4,熔点为11.2 ℃,沸点为44.8 ℃
Z 常温下为气体,极易溶于水,溶液pH>7
W 常温下为固体,加热变为紫红色蒸气,遇冷变为紫黑色固体
M 熔点为1170 ℃,易溶于水,水溶液导电
N 熔点为97.81 ℃,质软,导电,密度为0.97 g·cm-3
【答案】X、Y、Z、W
【解析】分子晶体的熔、沸点一般比较低,硬度较小,固态不导电。所有在常温下呈气态、液态的物质(除汞外)、易升华的固体物质都属于分子晶体。M的熔点高,肯定不是分子晶体;根据N的性质可推出N为金属钠;X、Y、Z、W均为分子晶体。
5.(1)据报道,科研人员应用电子计算机模拟出类似C60的物质N60,试推测下列有关N60的说法正确的是 (填字母)。
a.N60易溶于水
b.N60是一种分子晶体,有较高的熔点和硬度
c.N60的熔点高于N2
d.N60的稳定性比N2的强
(2)碘晶胞结构如图所示,请回答下列问题:
①碘晶体属于 晶体。
②碘晶体熔化过程中克服的作用力为 。
③假设碘晶胞中立方体的棱长分别为a、b、c cm,阿伏加德罗常数的值为NA,则碘单质的密度为 g·cm-3。
【答案】(1)c (2)①分子 ②分子间作用力 ③
【解析】(1)C60属于分子晶体,而N60类似于C60,所以N60属于分子晶体,具有分子晶体的一些性质,如硬度较小和熔、沸点较低;分子晶体的相对分子质量越大,熔、沸点越高;单质一般是非极性分子,难溶于水等极性溶剂,因此a、b两项错误,c项正确;N2分子中存在N≡N,键能大,N60分子中存在的N—N的键能比N≡N小,N60的稳定性比N2弱,d项错误。
(2)①I2分子之间以分子间作用力结合,所以碘晶体属于分子晶体。②碘晶体熔化过程中克服的作用力为分子间作用力。③碘晶胞中含有I2分子的数目为8×+6×=4,一个晶胞的体积为abc cm3,质量为 g,则碘单质的密度为 g·cm-3。
6.(2021·湖南卷,节选)硅和卤素单质反应可以得到SiX4,SiX4的熔、沸点如下表:
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 分子晶体的沸点取决于分子间作用力的大小,SiX4都是结构相似的分子晶体,相对分子质量依次增大,分子间作用力依次增大,熔、沸点依次升高
【解析】由题给熔、沸点数据可知,0 ℃时,SiF4为气态,SiCl4为液态,SiBr4、SiI4为固态。
2
【学习目标】
1.借助分子晶体模型认识分子晶体的结构特点。
2.能够从范德华力、氢键的特征,分析理解分子晶体的物理特性。
3.学会比较分子晶体的熔、沸点。
4.通过认识石墨晶体的特殊结构,知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的。
5.会对四类晶体进行判断,并对它们的性质进行比较。
【自主预习】
一、分子晶体
1.概念与物理性质
概念 分子之间通过 结合形成的晶体
构成微粒 分子
微粒间的作用力 分子间作用力
分子晶体 与物质类 型的关系 ①部分非金属单质:卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)等 ②部分非金属氧化物:CO2、P4O10、SO2、SO3等 ③所有非金属氢化物:H2O、NH3、CH4等 ④几乎所有的酸:HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等 ⑤绝大多数有机物的晶体:苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等
2.典型分子晶体的结构分析
晶胞或结构类型 结构分析
(1)碘晶体的晶胞是一个长方体,在它的每个顶点和面心上各有1个I2分子,每个晶胞中有 个I2分子 (2)I2分子之间以 结合
(1)干冰晶胞是面心立方结构,在它的每个顶点和面心上各有1个CO2分子,每个晶胞中有 个CO2分子 (2)每个CO2分子周围距离最近且相等的CO2分子有 个 (3)干冰晶体中分子之间通过 相结合,熔化时分子内的化学键不断裂
(1)水分子之间的主要作用力是 ,当然也存在范德华力 (2)氢键有方向性,它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 个相邻水分子互相吸引
3.分子晶体的物理性质
(1)分子晶体由于以比较弱的 相结合,因此一般熔点 ,硬度 。
(2)对组成和结构相似,晶体中又不含氢键的分子晶体来说,随着相对分子质量的增大,范德华力 ,熔、沸点 。
二、晶体结构的复杂性
1.石墨晶体
晶体 模型
结构 特点 (1)石墨晶体是层状结构,在每一层内,每个C原子与邻近的3个C原子以共价键结合,形成无限的六边形平面网状结构。每个C原子还有1个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道,并含有1个未成对电子,因此能形成遍及整个平面的大π键 (2)C原子采取sp2杂化,C—C键之间的夹角为120° (3)层与层之间以范德华力结合
晶体 类型 石墨晶体中既含有共价键,又有范德华力,同时还有类似金属键的作用力,因此石墨晶体属于混合型晶体
物理 性质 熔点高、质软、易导电
用途 制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等
2.晶体的复杂性
(1)物质组成的复杂性导致晶体中存在多种不同微粒以及不同的微粒间作用。例如:BaTiO3含有一种阴离子和多种阳离子,它是一种重要的压电材料。近年来,一类与BaTiO3结构类似的有机/无机杂化材料在光电材料领域获得突破。Ca5(PO4)3OH含有一种阳离子和多种阴离子,是人体和动物骨骼的主要无机成分。
(2)金属键、离子键、共价键、配位键等都是化学键的典型模型,但是,原子之间形成的化学键往往是介于典型模型之间的过渡状态。
【参考答案】一、1.分子间作用力 2.4 范德华力 4 12 范德华力 氢键 4 3.(1)分子间作用力 较低 较小 (2)增大 升高
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)分子晶体内只有分子间作用力。 ( )
(2)分子晶体的相对分子质量越大,熔、沸点越高。 ( )
(3)分子晶体中分子间氢键越强,分子越稳定。 ( )
(4)冰晶体融化时水分子中共价键发生断裂。 ( )
(5)水是一种非常稳定的化合物,这是由于水中存在氢键。 ( )
(6)由极性键形成的分子可能是非极性分子。 ( )
(7)液态水和冰中都含有氢键。 ( )
(8)分子晶体中一定存在范德华力,可能有共价键。 ( )
【答案】(1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)√ (8)√
2.构成分子晶体的微粒中是不是一定含有共价键
【答案】不是,如稀有气体中无共价键。
3.分子晶体是如何形成的
【答案】原子以共价键结合为分子后,这些分子再以分子间作用力结合成晶体。
4.结合教材中冰晶体的结构示意图,分析水分子之间的结合力是什么样的,每个水分子周围有几个水分子相连。
【答案】冰晶体中的每个水分子通过氢键与周围4个水分子相连,平均每个水分子形成2个氢键。
5.分子晶体中存在哪些作用力
【答案】分子内存在共价键,有极性键和非极性键;分子之间存在分子间作用力。例如,冰中水分子内存在氢氧键,水分子之间存在范德华力、氢键。
【合作探究】
任务1 分子晶体的结构和性质
情境导入 可燃冰是一种气体水合物,八个水分子锁住一个甲烷分子,分子式可写作CH4·8H2O,形成不太稳定的固态结构,在常温下就会分解成水和甲烷气体。常温下,液态水中水分子在不停地做无规则运动。0 ℃以下,水凝结为冰,其中的水分子排列由杂乱无序变得十分有序。
问题生成
1.判断可燃冰的晶体类型。
【答案】可燃冰属于分子晶体。
2.可燃冰中水分子的键角和甲烷分子的键角哪个大
【答案】H2O的键角为105°,CH4的键角为109°28',甲烷分子的键角更大。
3.冰晶体中存在着哪几种微粒间的相互作用
【答案】共价键、氢键、范德华力。
4.可燃冰晶体中只存在分子间作用力吗
【答案】不是,可燃冰晶体中存在分子间作用力,CH4和H2O分子内原子间存在共价键,H2O分子间还存在氢键。
5.分子晶体中,分子间作用力越大,对应的物质越稳定吗 CH4和H2O分子哪个更稳定
【答案】决定分子稳定性大小的因素是化学键的强弱,而分子间作用力大小决定分子晶体熔、沸点的高低。H2O分子更稳定。
【核心归纳】
1.分子晶体熔、沸点的比较规律
(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。
2.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、绝大多数有机物的晶体都是分子晶体。
(2)依据组成晶体的粒子及粒子间相互作用判断,组成分子晶体的粒子是分子,粒子间作用是分子间作用力。
(3)依据物质的性质判断,分子晶体的硬度小,熔、沸点低,在熔融状态或固体时均不导电。
【典型例题】
【例1】SiCl4的分子结构与CCl4相似,下列对其进行的推测中不正确的是( )。
A.SiCl4晶体是分子晶体
B.常温、常压下SiCl4是气体
C.SiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子
D.SiCl4的熔点高于CCl4
【答案】B
【解析】SiCl4具有分子结构,因此属于分子晶体。CCl4分子是正四面体结构,SiCl4与CCl4的结构相似,也是正四面体结构,是含极性键的非极性分子。影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间作用力的大小,在SiCl4分子间、CCl4分子间只有范德华力,SiCl4的相对分子质量大于CCl4的相对分子质量,所以SiCl4的分子间作用力比CCl4的大,熔、沸点比CCl4的高,在常温常压下,CCl4是液体,故SiCl4不可能为气体。
【例2】下列分子晶体的熔、沸点排列顺序中,正确的是( )。
A.Cl2>I2
B.SiCl4>CCl4
C.NH3
【答案】B
【解析】A、B两项属于无氢键且分子结构相似的情况,相对分子质量大的熔、沸点高;C项属于分子结构相似的情况,NH3分子间存在氢键,其熔、沸点高;D项属于分子式相同,但分子结构不同的情况,支链多的熔、沸点低。
【例3】下列属于分子晶体性质的是( )。
A.熔点1070 ℃,易溶于水,水溶液能导电
B.能溶于CS2,熔点112.8 ℃,沸点444.6 ℃
C.熔点1400 ℃,可作半导体材料,难溶于水
D.熔点97.81 ℃,质软,导电,密度0.97 g·cm-3
【答案】B
【解析】分子晶体的主要性质:熔、沸点低,硬度小;极性分子易溶于极性溶剂;非极性分子易溶于非极性溶剂;固态和熔化时均不导电。
任务2 四类晶体的比较
【活动探究】
1.含有阳离子的晶体一定是离子晶体吗
【答案】不一定,离子晶体和金属晶体中都含有阳离子。
2.金属晶体的熔点一定高于分子晶体、低于共价晶体吗
【答案】不一定,有的金属晶体的熔点低于分子晶体,有的金属晶体的熔点高于共价晶体。
【核心归纳】
1.晶体类型的五种判断方法
(1)依据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断
离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
构成晶体 的微粒 阴、阳离子 原子 分子 金属阳离子、 自由电子
微粒间 作用力 离子键 共价键 分子间 作用力 金属键
(2)依据物质的分类判断
①金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类是离子晶体。
②大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅等)、非金属氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、几乎所有的酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。
③常见的单质类共价晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等,常见的化合物类共价晶体有碳化硅、二氧化硅等。
④金属单质形成的晶体是金属晶体。
(3)依据晶体的熔点判断
①离子晶体的熔点较高。
②共价晶体熔点很高。
③分子晶体熔点低。
④金属晶体多数熔点高,但也有少数熔点相当低。
(4)依据导电性判断
①离子晶体溶于水及熔融状态时能导电。
②共价晶体一般为非导体。
③分子晶体为非导体,而分子晶体中的电解质(主要是酸和强极性非金属氢化物)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。
④金属晶体是电的良导体。
(5)依据硬度和机械性能判断
①离子晶体硬度较大、硬而脆。
②共价晶体硬度大。
③分子晶体硬度小且较脆。
④金属晶体多数硬度大,但也有硬度较小的,且具有延展性。
注意:a.常温下为气态或液态的物质,其晶体应属于分子晶体(Hg除外)。b.石墨属于混合型晶体,但因层内原子之间碳碳共价键的键长为1.42×10-10 m,比金刚石中碳碳共价键的键长(键长为1.54×10-10 m)短,所以熔、沸点高于金刚石。c.AlCl3晶体中虽含有金属元素,但属于分子晶体,熔、沸点低(熔点为190 ℃)。d.合金的硬度比成分金属大,熔、沸点比成分金属低。
2.晶体熔、沸点高低的比较
(1)不同类型晶体熔、沸点的比较
①不同类型晶体的熔、沸点高低一般规律:共价晶体>离子晶体>分子晶体。
②金属晶体的熔、沸点差别很大,如钨、铂等熔、沸点很高,汞、铯等熔、沸点很低。
(2)同种类型晶体熔、沸点的比较
①共价晶体
原子半径越小→键长越短→键能越大→熔、沸点越高
如熔点:金刚石>碳化硅>硅。
②离子晶体
一般地,离子所带的电荷数越多(主要因素),离子半径越小,离子键越强,离子晶体熔、沸点就越高,如熔点:MgO>NaCl>CsCl。
③分子晶体
ⅰ.具有氢键的分子晶体熔、沸点反常得高。如熔、沸点:H2O>H2Te>H2Se> H2S。
ⅱ.组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,熔、沸点越高,如熔、沸点:SnH4>GeH4>SiH4>CH4。
ⅲ.组成和结构不相似的物质(相对分子质量接近),分子的极性越大,其熔、沸点越高,如熔、沸点:CO>N2。
ⅳ.互为同分异构体的物质,支链越多,熔、沸点越低。如:熔、沸点:CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>
>。
④金属晶体
金属原子半径越小,价电子数越多,其金属键越强,金属熔、沸点越高,如熔、沸点:Na
【例4】下列物质的熔、沸点高低顺序中,正确的是( )。
A.金刚石>晶体硅>碳化硅
B.CI4>CBr4>CCl4>CH4
C.H2O>MgO>O2>N2
D.金刚石>生铁>纯铁
【答案】B
【解析】金刚石、晶体硅、碳化硅都属于共价晶体,熔、沸点的高低主要与其共价键的强弱有关,共价键键能:C—C键>Si—C键>Si—Si键,故熔、沸点:晶体硅<碳化硅<金刚石,A项错误;CI4、CBr4、CCl4、CH4为组成和结构相似且不存在分子间氢键的分子晶体,熔、沸点随着相对分子质量的增大而升高,B项正确;MgO属于离子晶体,H2O属于分子晶体,离子键的强度远大于分子间作用力,熔、沸点:MgO>H2O,C项错误;生铁为铁合金,熔点低于纯铁,D项错误。
【例5】分析下列物质的物理性质,判断其晶体类型:
(1)碳化铝,黄色晶体,熔点2200℃,熔融状态下不导电,属于 。
(2)溴化铝,无色晶体,熔点98 ℃,熔融状态下不导电,属于 。
(3)五氟化钒,无色晶体,熔点19.5 ℃,易溶于乙醇、氯仿、丙酮等,属于 。
(4)溴化钾,无色晶体,熔融时或溶于水中能导电,属于 。
【答案】(1)共价晶体 (2)分子晶体 (3)分子晶体
(4)离子晶体
【解析】(1)碳化铝熔点很高,熔融状态下不导电,碳化铝属于共价晶体。(2)溴化铝熔点较低,熔融状态下不导电,溴化铝属于分子晶体。(3)五氟化钒熔点较低,易溶于乙醇、氯仿、丙酮等有机溶剂,五氟化钒属于分子晶体。(4)溴化钾熔融时或溶于水中能导电,溴化钾属于离子晶体。
方法技巧 四类典型晶体的比较
晶体类型 离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
构成粒子 阴、阳离子 原子 分子 金属阳离子和自由电子
粒子间的作用力 离子键 共价键 分子间作用力 金属键
物理 性质 硬度 较大 很大 较小 差别较大
熔、沸点 较高 很高 较低 差别较大
溶解性 易溶于极性溶剂,难溶于非极性溶剂 难溶于任何溶剂 相似相溶 一般不溶于溶剂
导电性 固体不导电,熔融态和溶于水导电 一般不导电,硅为半导体 固体和熔融态不导电,有的溶于水导电 良好
导热性 不良 不良 不良 良好
延展性 不良 不良 不良 良好
决定熔、沸点高低的因素 离子半径大,电荷数少,熔、沸点低 原子半径小,键长短,键能大,熔、沸点高 一般相对分子质量大,熔、沸点高;分子间存在氢键时会反常 价电子数多,原子半径小,金属键强,熔、沸点高
熔化时键的变化 断开离子键,共价键不一定断裂 破坏共价键 破坏分子间作用力,不破坏化学键 破坏金属键
实例 金属氧化物(如K2O、Na2O)、强碱(如KOH、NaOH)、绝大部分盐(如NaCl) 部分非金属单质(如金刚石、硅、晶体硼),部分非金属化合物(如SiC、SiO2) 所有非金属氢化物(如水、硫化氢)、部分非金属单质(如卤素X2)、部分非金属氧化物(如CO2、SO2)、几乎所有的酸、绝大多数有机物(有机盐除外) 金属单质与合金(如Na、Al、Fe、青铜)
【随堂检测】
1.下列关于分子晶体的说法正确的是( )。
A.晶体中分子间作用力越大,分子越稳定
B.在分子晶体中一定存在共价键
C.冰和固体Br2都是分子晶体
D.稀有气体不能形成分子晶体
【答案】C
【解析】A项,分子晶体中分子间作用力越大,晶体的熔点越高,但不影响分子的稳定性;B项,在稀有气体元素形成的分子晶体中只有分子间作用力,而无共价键;D项,稀有气体能形成分子晶体。
2.BeCl2熔点较低,易升华,溶于醇和醚,其化学性质与AlCl3相似。由此可推测BeCl2( )。
A.熔融态不导电 B.水溶液呈中性
C.熔点比BeBr2高 D.不与NaOH溶液反应
【答案】A
【解析】A项,由题可知BeCl2熔点较低,易升华,溶于醇和醚,应属于分子晶体,所以其熔融态不导电;B项,AlCl3水溶液中由于铝离子水解而呈酸性,推知BeCl2也具有此性质;C项,对于组成相似的分子晶体,相对分子质量越大,范德华力越大,其熔、沸点越高,因此BeCl2的熔点比BeBr2低;D项,BeCl2化学性质与AlCl3相似,根据AlCl3能和NaOH溶液反应可知,BeCl2也可与NaOH溶液反应。
3.根据表中数据,判断下列说法中错误的是( )。
物质 Na2O NaCl AlF3 AlCl3
熔点 920 ℃ 801 ℃ 1292 ℃ 190 ℃
物质 BCl3 Al2O3 CO2 SiO2
熔点 -107 ℃ 2073 ℃ -57 ℃ 1723 ℃
A.铝的化合物的晶体中有离子晶体
B.表中只有BCl3和AlCl3是分子晶体
C.同族元素的氧化物可形成不同类型的晶体
D.不同族元素的氧化物可形成相同类型的晶体
【答案】B
【解析】由表可知,AlCl3、BCl3、CO2是共价化合物且属于分子晶体;SiO2是共价晶体;其他是离子晶体。
4.下表列举了几种物质的性质,据此判断属于分子晶体的是 (填字母)。
物质 性质
X 熔点为10.31 ℃,液态不导电,水溶液导电
Y 易溶于CCl4,熔点为11.2 ℃,沸点为44.8 ℃
Z 常温下为气体,极易溶于水,溶液pH>7
W 常温下为固体,加热变为紫红色蒸气,遇冷变为紫黑色固体
M 熔点为1170 ℃,易溶于水,水溶液导电
N 熔点为97.81 ℃,质软,导电,密度为0.97 g·cm-3
【答案】X、Y、Z、W
【解析】分子晶体的熔、沸点一般比较低,硬度较小,固态不导电。所有在常温下呈气态、液态的物质(除汞外)、易升华的固体物质都属于分子晶体。M的熔点高,肯定不是分子晶体;根据N的性质可推出N为金属钠;X、Y、Z、W均为分子晶体。
5.(1)据报道,科研人员应用电子计算机模拟出类似C60的物质N60,试推测下列有关N60的说法正确的是 (填字母)。
a.N60易溶于水
b.N60是一种分子晶体,有较高的熔点和硬度
c.N60的熔点高于N2
d.N60的稳定性比N2的强
(2)碘晶胞结构如图所示,请回答下列问题:
①碘晶体属于 晶体。
②碘晶体熔化过程中克服的作用力为 。
③假设碘晶胞中立方体的棱长分别为a、b、c cm,阿伏加德罗常数的值为NA,则碘单质的密度为 g·cm-3。
【答案】(1)c (2)①分子 ②分子间作用力 ③
【解析】(1)C60属于分子晶体,而N60类似于C60,所以N60属于分子晶体,具有分子晶体的一些性质,如硬度较小和熔、沸点较低;分子晶体的相对分子质量越大,熔、沸点越高;单质一般是非极性分子,难溶于水等极性溶剂,因此a、b两项错误,c项正确;N2分子中存在N≡N,键能大,N60分子中存在的N—N的键能比N≡N小,N60的稳定性比N2弱,d项错误。
(2)①I2分子之间以分子间作用力结合,所以碘晶体属于分子晶体。②碘晶体熔化过程中克服的作用力为分子间作用力。③碘晶胞中含有I2分子的数目为8×+6×=4,一个晶胞的体积为abc cm3,质量为 g,则碘单质的密度为 g·cm-3。
6.(2021·湖南卷,节选)硅和卤素单质反应可以得到SiX4,SiX4的熔、沸点如下表:
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 分子晶体的沸点取决于分子间作用力的大小,SiX4都是结构相似的分子晶体,相对分子质量依次增大,分子间作用力依次增大,熔、沸点依次升高
【解析】由题给熔、沸点数据可知,0 ℃时,SiF4为气态,SiCl4为液态,SiBr4、SiI4为固态。
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