第二节 分子晶体与共价晶体
课后·训练提升
基础巩固
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
解析分子晶体的稳定性与化学键有关,共价键越强,稳定性越大,而分子间作用力影响物质的熔、沸点,A项错误。稀有气体能形成分子晶体,且不含有共价键,B项、D项错误。冰和Br2都是由分子构成的分子晶体,C项正确。
2.如果分子间作用力只是范德华力,则该分子晶体将采取密堆积,原因是分子晶体中( )。
A.范德华力无方向性和饱和性
B.晶胞中的构成粒子是原子
C.化学键是共价键
D.三者都是
答案A
解析分子晶体中分子间以范德华力结合在一起,范德华力没有方向性和饱和性,所以分子在堆积成晶体时将采取分子密堆积,A项正确。
3.干冰熔点很低是由于( )。
A.CO2是非极性分子
B.CO的键能很小
C.CO2化学性质不活泼
D.CO2分子间的作用力较弱
答案D
解析干冰熔化时破坏的是分子间作用力。
4.下列属于分子晶体性质的是( )。
A.熔点1 070 ℃,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1 400 ℃,可作半导体材料,难溶于水
D.熔点97.81 ℃,质软,导电,密度为0.97 g·cm-3
答案B
解析分子晶体的主要性质有熔、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;分子晶体不导电,熔融状态下也不导电。
5.AB型化合物形成的晶体结构多种多样。如图所示的几种结构所表示的物质最有可能是分子晶体的是( )。
A.①③ B.②⑤
C.⑤⑥ D.③④⑤⑥
答案B
解析分子晶体中通常两个或两个以上的原子形成一个分子,分子中的原子不能被另一个分子共用,即分子中不存在向外扩展或延伸的结构,从各图中可以看出②⑤不存在共用现象,最有可能是分子晶体。
6.已知干冰晶体的晶胞如图所示,在每个CO2周围距离a(其中a为晶胞的棱长)的CO2有( )。
A.4个 B.8个
C.12个 D.6个
答案C
解析晶胞中处于顶角的CO2周围距离a的CO2即面心上的CO2分子,故每个CO2周围距离a的CO2有3×4=12个。
7.下列关于碳化硅的相关说法不正确的是( )。
A.原子半径C小于Si
B.Si和C以共价键结合
C.熔点:金刚石<碳化硅<硅
D.碳化硅、晶体硅、金刚石均属于共价晶体
答案C
解析同主族元素从上到下原子半径逐渐增大,因此原子半径C小于Si,故A项正确;SiC中的Si和C以共价键结合,故B项正确;C—C、C—Si、Si—Si键长逐渐增大,键能逐渐减小,熔点:金刚石>碳化硅>硅,故C项错误;碳化硅、晶体硅、金刚石中原子均以共价键结合,均属于共价晶体,故D项正确。
8.目前,世界上已合成了几百种有机超导体,TCNQ就是其中之一。TCNQ的分子结构如图所示。下列关于TCNQ的说法中错误的是( )。
A.分子中所有的氮原子在同一平面内
B.属于共价晶体
C.分子式为C12H4N4
D.该物质难溶于水
答案B
解析在CC中,C原子采取sp2杂化,在中C原子采取sp杂化,sp2杂化轨道为平面三角形,sp杂化轨道为直线形,故TCNQ分子中所有的原子都在同一平面内,分子中所有的氮原子也都在同一平面内,A项正确;TCNQ是分子,所形成的晶体为分子晶体,B项不正确;由分子结构知其分子式为C12H4N4,C项正确;TCNQ分子的对称性很好,是非极性分子,难溶于极性溶剂水中,D项正确。
9.二氧化硅晶体具有共价键三维骨架结构,其晶体模型如图所示。下列有关二氧化硅晶体的说法正确的是( )。
A.二氧化硅晶体中最小环为十二元环
B.晶体中Si—O—Si键角为180°
C.SiO2晶体中,1 mol SiO2含有2 mol Si—O键
D.因为原子半径O答案A
解析二氧化硅晶体中最小环上含有6个硅原子和6个氧原子,共12个原子,即十二元环,A项正确;氧原子通过两个共价单键与硅原子结合呈V形,不是直线形,B项错误;SiO2晶体中,1个Si可以与4个O形成Si—O,则1 mol SiO2含有4 mol Si—O,C项错误;SiO2晶体和SiC晶体虽然都是共价晶体,但其组成和结构不属于同一类型,不能只根据原子半径比较其晶体熔点的高低,D项错误。
10.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 ,粒子间存在的作用力是 。SiC和晶体Si的熔点高低顺序是 。
(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: 。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、干冰四种晶体的构成粒子分别是 (填“原子”“分子”或“离子”),熔化时克服的粒子间的作用力分别是
。
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,p-p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 共价键、共价键、共价键、分子间作用力
解析(1)晶体硅中1个硅原子与4个硅原子相连,呈正四面体形结构,所以硅原子采用sp3杂化,SiC的晶体结构与晶体硅相似,故碳原子也采用sp3杂化;因为Si—C的键长小于Si—Si,所以熔点: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,构成粒子均为原子,熔化时破坏共价键;干冰为分子晶体,由分子构成,CO2分子以分子间作用力相结合。
11.氮化硅是一种高温陶瓷材料,它的硬度大、熔点高、化学性质稳定,工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃时反应获得。
(1)氮化硅晶体属于 晶体。
(2)已知氮化硅的晶体结构中,原子间都以单键相连,且N原子和N原子、Si原子和Si原子不直接相连,同时每个原子都满足8电子稳定结构,请写出氮化硅的化学式:
。
(3)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下,加强热发生反应,可得到较高纯度的氮化硅。反应的化学方程式为 。
(4)六方氮化硼在高温高压下,可以转化为立方氮化硼,其结构与金刚石相似,硬度与金刚石相当,晶胞边长为361.5 pm,立方氮化硼晶胞中含有 个氮原子、 个硼原子,立方氮化硼的密度是 g·cm-3(只要求列算式,不必计算出数值,阿伏加德罗常数的值为NA)。
答案(1)共价
(2)Si3N4
(3)3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl
(4)4 4
解析(2)在氮化硅的晶体结构中,原子间都以单键相连,且N原子和N原子、Si原子和Si原子不直接相连,同时每个原子都满足8电子稳定结构,因此氮化硅的化学式为Si3N4。(4)立方氮化硼的结构与金刚石相似,硬度与金刚石相当,在金刚石的一个晶胞中含有C原子的个数:8×+6×+4=8,则在立方氮化硼晶胞中含有4个氮原子、4个硼原子;由于晶胞边长为361.5 pm,所以立方氮化硼的密度是ρ==
g·cm-3。
能力提升
1.某研究所合成了一种球形分子,它的分子式为C60Si60,其结构中包含C60和Si60。下列对该分子的叙述中正确的是 ( )。
A.形成的晶体属于分子晶体
B.分子中Si60被包裹在C60里面
C.C60和Si60之间通过分子间作用力结合
D.熔点高、硬度大
答案A
解析球形分子的分子式为C60Si60,其结构中包含C60和Si60,该物质的晶体属于分子晶体,A项正确。Si原子的半径大于C原子,所以Si—Si的键长比C—C的键长长,分子中Si60包裹着C60,B项错误。晶体中C原子与Si原子以共价键结合,C项错误。C60Si60属于分子晶体,熔点低、硬度小,D项错误。
2.下图所示是某无机化合物的二聚分子,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电子都达到8电子稳定结构。下列说法不正确的是( )。
A.该化合物的分子式是Al2Cl6
B.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
答案B
解析将二聚分子变成单分子,得BA3,根据两种元素都处于第三周期,可知BA3可能是PCl3或AlCl3,而在PCl3中所有原子已达稳定结构,不可能形成二聚分子,故只可能是AlCl3,则该化合物的分子式是Al2Cl6,故A项正确。该化合物是无机化合物的二聚分子,属于共价化合物,不存在离子键,只有极性共价键,在熔融状态下不能导电,固态时形成的晶体是分子晶体,故B项错误,C、D项正确。
3.冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞类似,如图所示。下列有关冰晶胞的说法正确的是( )。
金刚石晶胞
A.冰晶胞内水分子间以共价键结合
B.每个冰晶胞平均含有4个水分子
C.水分子间的氢键具有方向性和饱和性,也是σ键的一种
D.实验测得冰中氢键的作用力为18.5 kJ·mol-1,而冰的熔化热为5.0 kJ·mol-1,这说明冰熔化成水,氢键部分被破坏
答案D
解析水分子内存在共价键,冰晶胞中水分子间作用力主要是氢键, A项错误。冰晶胞结构与金刚石相似,可将金刚石晶胞图中小球皆看成水分子,所以冰晶胞中含有水分子数为4+8×+6×=8, B项错误。水分子间的氢键具有方向性和饱和性,氢键属于分子间作用力,不属于化学键, C项错误。冰中氢键的作用力为18.5 kJ·mol-1,而冰的熔化热为5.0 kJ·mol-1,说明冰熔化为液态水时只是破坏了一部分氢键,并且液态水中仍存在氢键, D项正确。
4.硫和氟形成的某化合物晶胞如图所示,下列说法中错误的是( )。
A.晶胞中含有12个F原子
B.该晶体在熔融状态下能导电
C.距离中心S原子最近的F原子共有6个
D.该化合物中,S显+6价
答案B
解析r(S)>r(F),所以小球表示F原子,F原子个数为24×+6=12,故A项正确;分子中含有不带电荷的S、F原子,S、F形成的晶体为分子晶体,分子晶体在熔融状态下以分子存在,所以熔融态不导电,故B项错误;根据图知,距离中心S原子最近的F原子有6个,故C项正确;该化合物中F原子个数为24×+6=12、S原子个数为1+8×=2,F、S原子个数之比为12∶2=6∶1,化学式为SF6,F元素为-1价,化合物中各元素化合价的代数和为0,则S元素为+6价,故D项正确。
5.金刚石是由碳原子所形成的正四面体结构向空间无限延伸而得到的具有共价键三维骨架结构的共价晶体。在立方体中,若一碳原子位于立方体体心,则与它直接相邻的四个碳原子位于该立方体互不相邻的四个顶角上(如下图中的小立方体)。请问,图中与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数为多少,它们分别位于大立方体的什么位置( )。
A.12,大立方体的12条棱的中点
B.8,大立方体的8个顶角
C.6,大立方体的6个面的中心
D.14,大立方体的8个顶角和6个面的中心
答案A
解析与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子分别位于大立方体的12条棱的中点,共12个。如图所示:
6.氮化铝(AlN)是一种重要的功能材料,如下面流程图所示,以三乙基铝[(C2H5)3Al]和氨为原料,采用溶胶-凝胶法可合成AlN。
请回答下列问题。
(1)基态N原子的电子排布式为 ,H、C、N三种元素的电负性由大到小的顺序为 。
(2)中间体分子中采取sp3杂化的原子有 。
(3)在C2H6分子中,存在下列作用中的 (填序号)。
①σ键 ②π键 ③极性键 ④非极性键
(4)AlN的晶体结构与金刚石类似,AlN晶体中Al—N—Al键角为 ;1个AlN晶胞中含有 个Al原子;若AlN的密度为d g·cm-3,设阿伏加德罗常数的值为NA,则AlN晶胞的棱长为 cm。
答案(1)1s22s22p3 N>C>H
(2)C、Al、N (3)①③④ (4)109°28' 4
解析(4)AlN的晶体结构与金刚石类似,Al与4个N呈正四面体结构,则AlN晶体中Al—N—Al键角为109°28';金刚石晶胞结构中含有8个碳原子,而AlN晶体是Al、N交替,1个AlN晶胞中,含有4个Al和4个N,1个AlN晶胞中存在4个AlN;设AlN晶胞棱长为a cm,AlN的密度为d g·cm-3,设阿伏加德罗常数的值为NA,则有d=,a=。
7.有E、Q、T、X、Z五种前四周期元素,原子序数E(1)基态Z原子的核外电子排布式为 。
(2)Q的简单氢化物极易溶于T的简单氢化物,其主要原因有 。
(3)化合物甲由T、X两种元素组成,其晶胞如下图,则甲的化学式为 。
(4)化合物乙的晶胞如下图,乙由E、Q两种元素组成,其硬度超过金刚石。
①乙的晶体类型为 ,其硬度超过金刚石的原因是 。
②乙的晶体中E、Q两种元素原子的杂化方式均为 。
答案(1)1s22s22p63s23p63d84s2
(2)这两种氢化物均为极性分子、相互之间能形成氢键 (3)KO2
(4)①共价晶体 C—N的键长小于C—C的键长,C—N的键能大于C—C的键能 ②sp3
解析由题意知,E、Q、T、X、Z五种元素分别为C、N、O、K、Ni。(1)基态Ni原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d84s2。(2)Q的简单氢化物NH3极易溶于T的简单氢化物H2O,其主要原因是这两种氢化物均为极性分子、分子之间能形成氢键。(3)由化合物甲的晶胞可知,甲的化学式为KO2。(4)①由化合物乙的晶胞可知,乙的化学式为C3N4,属于共价晶体,其硬度超过金刚石的原因是C—N的键长小于C—C的键长,C—N的键能大于C—C的键能。②C3N4晶体中C、N两种元素原子的杂化方式均为sp3杂化。(共64张PPT)
第二节 分子晶体与共价晶体
目 标 素 养
1.借助分子晶体、共价晶体模型认识分子晶体、共价晶体的结构特点。发展证据推理与模型认知的化学学科核心素养。
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。发展宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。
3.能够从化学键的特征,分析理解共价晶体的物理特性。发展宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。
知 识 概 览
一、分子晶体
1.定义:
只含分子的晶体称为分子晶体。分子晶体中相邻的分子间靠 分子间作用力 相互吸引。
2.物理特性:
(1)分子晶体的熔点 低 ,硬度 小 。
(2)一般是绝缘体,熔融状态也不导电。
(3)溶解性通常符合“相似相溶”规律。
3.常见分子晶体及物质类别:
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、P4O6、P4O10、SO2、SO3等
稀有气体 He、Ne、Ar等
几乎所有的酸 HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等
绝大多数有机物 苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等
4.分子晶体的常见堆积方式:
分子间作用力 堆积方式 实例
只有范德华力 采用分子密堆积,每个分子周围最多可以有12个紧邻的分子 如C60、干冰、I2、O2
范德华力、
氢键 由于氢键具有方向性,使每个分子周围的分子数减少 如HF、NH3、冰
5.冰:
冰的结构模型
(1)水分子之间的主要作用力是 氢键 ,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 4 个相邻水分子相互吸引。
微思考1从晶体结构的角度解释为什么冰的密度比液态水小
提示:冰晶体中水分子的空间利用率不高,留有相当大的空隙,故其密度比液态水的密度小。
微解读 配位数:即一个分子周围最邻近的分子的数目。如冰中,水分子的配位数为4;干冰中,二氧化碳分子的配位数为12。
6.干冰:
干冰的晶胞
(1)干冰中的CO2分子间只存在 范德华力 。
(2)①每个晶胞中有 4 个CO2分子。
②每个CO2分子周围紧邻的CO2分子数为 12 个。
微思考2为什么干冰的熔点比冰的熔点低而密度却比冰的密度大
提示:冰中除了范德华力外还有氢键作用,破坏分子间作用力较难,所以冰的熔点比干冰的熔点高。水分子间的氢键具有方向性,导致冰晶体不具有分子密堆积特征,晶体中有相当大的空隙,所以相同状况下冰的体积较大。CO2分子的相对分子质量大于H2O分子的相对分子质量,所以干冰的密度大。
二、共价晶体
1.金刚石。
(1)金刚石晶体中,每个碳原子采取 sp3 杂化,C—C—C夹角为 109°28' 。
(2)每个碳原子以四个共价单键对称地与相邻的4个碳原子结合形成共价键三维骨架结构。
(3)最小碳环由 6 个碳原子构成。
微思考3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构成粒子不同,共价晶体中构成粒子是原子,不是分子。②构成粒子间的相互作用不同,共价晶体中存在的是共价键,而不是分子间作用力。
2.二氧化硅晶体。
(1)二氧化硅的结构。
二氧化硅是自然界含量最高的固态二元氧化物,有多种结构,最常见的是低温石英。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,这一结构决定了它具有手性。
石英晶体中的硅氧四面体相连构成的螺旋链
①Si原子采取 sp3 杂化,正四面体内O—Si—O键角为 109°28' 。
②每个Si原子与相邻的 4 个O原子形成 4 个共价键, Si 原子位于正四面体的中心, O 原子位于正四面体的顶角。
(2)二氧化硅的用途。
二氧化硅是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。
3.共价晶体的结构特点。
(1)构成粒子及作用力:
(2)空间结构:整块晶体有共价键 三维骨架 结构,不存在单个的小分子。
4.共价晶体的性质特点。
(1)共价晶体中原子间以较强的共价键结合成三维骨架结构,所以共价晶体的硬度 很大 、熔点 很高 。
(2)一般来说,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 。
5.共价晶体与物质的类别。
微判断(1)具有共价键的晶体都是共价晶体。( )
(2)一般来说,共价晶体中,共价键越强,熔点越高。( )
(3)共价晶体的化学式表示其分子组成。( )
×
√
×
微训练 下列关于共价晶体的说法正确的是( )。
A.凡是由原子构成的晶体都是共价晶体
B.共价晶体中只存在极性共价键,不可能存在其他类型的化学键
C.共价晶体中,共价键越强,熔点越高
D.二氧化硅晶体的化学式为SiO2,也可以表示其分子式
答案:C
问题探究
常温下,液态水中水分子在不停地做无规则的运动。0 ℃以下,水凝结成冰,其中水分子排列由杂乱无序变得十分有序。
(1)冰晶体中存在哪几种粒子间的相互作用
提示:冰晶体中存在共价键、氢键、范德华力。
(2)冰晶体中粒子间的相互作用对冰晶体的结构与性质产生了怎样的影响
提示:在冰晶体中水分子之间的主要作用力是氢键,氢键具有方向性,氢键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4个相邻水分子相互吸引,这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不高,留有相当大的空隙。当冰刚刚融化为液态水时,热运动使冰的结构部分解体,水分子间的空隙减小,密度增大。冰中除了范德华力外还有氢键作用,破坏分子间氢键较难,所以水的熔、沸点较高。
归纳总结
1.分子晶体的物理性质。
(1)分子晶体具有较低的熔点和较小的硬度。分子晶体熔化时要破坏分子间作用力,分子间作用力很弱,所以分子晶体的熔点一般较低,部分分子晶体易升华(如干冰、碘、萘等),且硬度较小。
(2)分子晶体不导电。分子晶体在固态和熔融状态下均不存在自由移动的离子或自由电子,因而分子晶体在固态和熔融状态下都不能导电。有些分子晶体的水溶液能导电,如HI、乙酸等。
(3)分子晶体的溶解性一般符合“相似相溶”规律,即极性分子易溶于极性溶剂,非极性分子易溶于非极性溶剂。如:H2O是极性溶剂,SO2、H2S、HBr等都是极性分子,它们在水中的溶解度比N2、O2、CH4等非极性分子在水中的溶解度大。苯、CCl4是非极性溶剂,则Br2、I2等非极性分子易溶于其中,而水则不溶于苯和CCl4中。
2.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)有机化合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。
典例剖析
【例1】 (1)比较下列化合物的熔、沸点的高低(填“>”或“<”)。
①CO2 SO2;②NH3 PH3;
③O3 O2;④Ne Ar;
⑤CH3CH2OH CH3OH;⑥CO N2。
(2)已知AlCl3的熔点为190 ℃,但它在180 ℃即开始升华。
①请判断AlCl3固体是 晶体。
②设计实验验证你的判断,写出你的方案: 。
答案:(1)①< ②> ③> ④< ⑤> ⑥>
(2)①分子 ②将AlCl3熔融,测试其是否导电,若不导电,则是共价化合物
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,可比较六组物质熔、沸点的高低。(2)由AlCl3的熔点低以及在180 ℃时开始升华可判断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,可测其在熔融状态下是否导电,不导电则是共价化合物,导电则是离子化合物。
方法技巧 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、稀有气体、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。
学以致用
1.甲烷晶体的晶胞结构如图所示,下列说法正确的是( )。
A.甲烷晶胞中的球只代表1个C原子
B.晶体中1个CH4分子周围有12个紧邻的CH4分子
C.甲烷晶体熔化时需克服共价键
D.1个CH4晶胞中含有8个CH4分子
答案:B
2.(1)CO能与金属Fe形成Fe(CO)5,该化合物的熔点为253 K,沸点为376 K,其固体属于 晶体。
(2)F2与其他卤素单质反应可以形成卤素互化物,如ClF3、BrF3,常温下它们都是易挥发的液体。ClF3的熔、沸点比BrF3的 (填“高”或“低”)。
答案:(1) 分子 (2)低
解析:(1)该化合物熔点为253 K,沸点为376 K,熔、沸点较低,所以为分子晶体。(2)通常组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,范德华力越大,熔、沸点越高,所以ClF3的熔、沸点比BrF3的低。
问题探究
砷化镓是第二代半导体,熔点为1 238 ℃,具有共价键三维骨架结构,性能比硅更优良。砷化镓半导体材料的一个重要特性就是光电特性。由于它具有直接带隙以及宽禁带等结构,它的光发射效率比硅、锗等半导体材料高,广泛用于雷达、电子计算机、人造卫星、宇宙飞船等尖端技术中。砷化镓晶体的晶胞结构如图所示。
(1)砷化镓属于哪一种类型的晶体
提示:共价晶体。
(2)砷化镓与氮化硼属于同种晶体类型。则两种晶体中熔点较高的是哪一种 你的理由是什么
提示:BN 两者均为共价晶体,B—N的键长比Ga—As的键长短,B—N的键能大。
归纳总结
1.认识金刚石的晶胞。
金刚石晶胞的每个顶角和面心均有1个C原子,晶胞内部有4个C原子,每个金刚石晶胞中含有8个C原子。
(1)每个碳原子都采取sp3杂化,与相邻的4个碳原子以共价键相结合,形成正四面体形结构,键角为109°28'。
(2)晶体中最小的碳环由6个碳原子组成,且不在同一平面内,最多有4个碳原子在同一平面。
(3)每个碳形成4个C—C,每个碳原子占有2个C—C,即碳原子数与C—C数之比为1∶2。
(4)每个碳原子被12个六元环共用,1个碳环占有的碳原子数为 。
(5)每个C—C被6个六元环共用。
2.共价晶体熔点高低的比较。
(1)晶体的熔点的高低取决于共价键的键长和键能。键长越短,键能越大,共价键越稳定,物质的熔点越高。
(2)若没有告知键长或键能数据时,可比较原子半径的大小。一般原子半径越小,键长越短,键能越大,晶体的熔点就越高。如比较金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点高低。原子半径: CC—Si>Si—Si,熔点:金刚石>碳化硅>晶体硅。
典例剖析
【例2】 下表是某些共价晶体的熔点和硬度:
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的键能越大,晶体的熔点越高
C.构成共价晶体的原子半径越大,晶体的硬度越大
D.构成共价晶体原子的相对原子质量越小,晶体的硬度越大
答案:B
解析:共价晶体的熔点和硬度等物理性质取决于晶体内的共价键和晶体结构,同类型共价晶体,构成共价晶体的原子半径越小,键长越小,键能越大,对应共价晶体的熔点越高,硬度越大。原子种类和相对原子质量不能作为判断共价键强弱的依据。
方法指导
比较共价晶体和分子晶体熔点高低的基本思路:
学以致用
3.金刚石是典型的共价晶体。下列关于金刚石的说法中,正确的是( )。
A.晶体中不存在独立的单个分子
B.碳原子采用sp2杂化,相互之间以共价键相结合
C.碳原子通过共价键结合形成平面网状结构
D.化学性质稳定,即使在高温下也不会与氧气发生反应
答案:A
解析:金刚石是共价晶体,晶体中不存在独立的单个分子,故A项正确;碳原子采用sp3杂化,相互之间以共价键相结合,故B项错误;碳原子通过共价键结合形成空间网状结构,故C项错误;金刚石化学性质稳定,但在高温下会与氧气反应生成二氧化碳,故D项错误。
4.已知C3N4晶体很可能具有比金刚石更大的硬度,且原子间以单键结合。下列有关C3N4晶体的说法中错误的是( )。
A.C3N4晶体与金刚石同属于共价晶体
B.C3N4晶体中C—N的键长比金刚石中C—C的键长大
C.C3N4晶体中每个碳原子连接4个氮原子,每个氮原子连接3个碳原子
D.C3N4晶体中含有极性共价键,不含非极性共价键
答案:B
解析:C的原子半径比N的原子半径大,C—N的键长比C—C的键长小, B项错误。
1.某化学兴趣小组,在学习分子晶体后,查阅了几种氯化物的熔、沸点,记录如下:
根据这些数据分析,属于分子晶体的是( )。
A.NaCl、MgCl2、CaCl2 B.AlCl3、SiCl4
C.NaCl、CaCl2 D.只有SiCl4
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,表中的MgCl2、NaCl、CaCl2的熔、沸点较高,不属于分子晶体,AlCl3、SiCl4的熔、沸点较低,为分子晶体,B项正确,A、C、D三项错误。
2.下列有关分子晶体的说法中正确的是( )。
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
答案:B
解析:稀有气体组成的晶体中,不存在由两个或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,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N、O、F等原子结合的氢原子的分子间或者分子内,B项正确,C项错误。大多数只存在范德华力的分子晶体才采取分子密堆积的方式,D项错误。
3.干冰的晶胞结构如图所示,下列说法错误的是( )。
A.干冰能自发地呈现多面体外形
B.1个干冰晶胞中含有4个CO2分子
C.干冰升华时,CO2内的C=O受到破坏
D.CO2分子是含有极性键的非极性分子
答案:C
4.下列晶体性质的比较中不正确的是( )。
A.熔点:金刚石>碳化硅>晶体硅
B.沸点:NH3>PH3
C.硬度:白磷>冰>二氧化硅
D.熔点:SiI4>SiBr4>SiCl4
答案:C
解析:A项中三种物质都是共价晶体,原子半径r(C)C—Si>Si—Si,键能越大,共价晶体的熔点越高,A项正确。NH3分子间存在氢键,使得NH3的沸点大于PH3的沸点,B项正确。二氧化硅是共价晶体,硬度很大,白磷和冰都是分子晶体,硬度较小,C项错误。四卤化硅为分子晶体,它们的组成和结构相似,分子间不存在氢键,相对分子质量越大,熔点越高,D项正确。
5.下列有关晶体的说法一定正确的是( )。
①共价晶体中只存在非极性共价键
②稀有气体形成的晶体属于分子晶体
③干冰晶体升华时,分子内共价键会发生断裂
④金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合物
⑤具有离子键的化合物是离子化合物
A.①③ B.①④
C.②⑤ D.④⑤
答案:C
解析:①共价晶体中可能含极性共价键或者非极性共价键或者都含有,不一定只存在非极性共价键,故错误;②稀有气体是由单原子构成的分子晶体,故正确;③干冰晶体升华时,克服分子间的作用力,分子内共价键不会发生断裂,故错误;④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,如氯化铝是共价化合物,故错误;⑤具有离子键的化合物是离子化合物,故正确。
6.高压下,可将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体,下列说法正确的是( )。
A.CO2共价晶体的熔点高于SiO2晶体的熔点
B.在一定条件下,CO2分子晶体转化为CO2共价晶体是物理变化
C.1 mol CO2共价晶体中,含有2 mol C—O
D.将等物质的量的CO2气体与CO2共价晶体分别与足量NaOH溶液反应,放出热量相等
答案:A
解析:通常,共价晶体中成键原子半径越小,电负性越大,键能越大,熔点越高。CO2共价晶体中碳原子半径比SiO2共价晶体中硅原子半径小,且C的电负性比Si的电负性大,所以CO2共价晶体的熔点比SiO2共价晶体的熔点高,A项正确。CO2共价晶体转化为CO2分子晶体,结构已发生改变,且两者的性质也有较大差异,故两者是不同的物质,两者间的转化是化学变化,B项错误。CO2共价晶体与SiO2晶体结构类似,每个碳原子与4个氧原子通过1个共用电子对连接,所以1 mol CO2共价晶体中,含有4 mol C—O,C项错误。等物质的量的CO2分子晶体
和CO2共价晶体所具有的能量不同,所以等物质的量的CO2气体与CO2共价晶体分别与足量NaOH溶液反应,放出热量不相等,D项错误。
7.现有两组物质的熔点数据如下表所示:
根据表中数据回答下列问题。
(1)A组属于 晶体,其熔化时克服的粒子间的作用力是 。
(2)B组中HF熔点反常是由于 。
(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分子间存在氢键 (3)③④
解析:A组熔点很高,应是共价晶体,共价晶体熔化时破坏的是共价键;B组是分子晶体,且结构相似,一般是相对分子质量越大,熔点越高;HF的相对分子质量最小但熔点比HCl高,出现反常的原因是HF分子间存在氢键,HF熔化时除了破坏范德华力,还要破坏氢键,所需能量更多,因而熔点更高。分子晶体在固态和熔融状态都不导电。
