第二节 分子晶体与共价晶体
第1课时 分子晶体
[学习目标] 1.通过认识分子晶体,能描述分子晶体的概念,列举常见的分子晶体。2.通过借助冰、干冰等模型认识分子晶体的结构特点及物理性质,能从微观角度分析分子晶体中各构成粒子之间的作用和对分子晶体物理性质的影响,能辨析分子晶体中粒子的堆积模型并能用均摊法对晶胞进行分析。3.通过分子晶体的学习,能利用分子晶体的通性推断常见的分子晶体。
学习任务1 探究分子晶体及其结构
1.分子晶体
(1)概念: 只含分子的晶体称为分子晶体,在分子晶体中,相邻分子靠分子间作用力相互吸引。
(2)分子晶体中的粒子及粒子间的相互作用。
2.常见的典型分子晶体
物质类别 举例
所有非金属氢化物 H2O、H2S、NH3、CH4、HX等
部分非金属单质 X2、O2、H2、S8、N2、P4、C60等
部分非金属氧化物 CO2、SO2、NO2、P4O6、P4O10等
稀有气体 氦气(He)、氖气(Ne)等
几乎所有的酸 H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3等
绝大多数有机物 苯、四氯化碳、乙醇、冰醋酸、蔗糖等
3.分子晶体的常见堆积方式
(1)常见分子晶体的结构分析。
代表物质 干冰 冰
晶胞
晶胞占有 分子数 4 8
紧邻 分子数 每个二氧化碳分子周围有12个紧邻的分子 每个水分子周围有4个紧邻的分子
密度(相 对大小) 大 小
(2)分子晶体的常见堆积方式。
分子间 作用力 堆积方式 实例
范德华力 分子采用密堆积,每个分子周围最多有12个紧邻的分子 如C60、干冰、I2、O2
范德华力、 氢键 分子不采用密堆积,每个分子周围紧邻的分子少于12个 如HF、 NH3、冰
碘晶体的晶胞是一个长方体,在它的每个顶点上有一个碘分子,每个面上有一个碘分子,如图所示。
探究 分子晶体的结构特点
问题1:碘分子中碘原子之间的作用力是什么 碘晶体中碘分子之间的作用力是什么
提示:碘分子(I2)中两个碘原子以共价键相结合。碘晶体中碘分子(I2)之间以范德华力相结合。
问题2:碘的晶体类型是什么 你判断的依据是什么
提示:碘属于分子晶体。判断的依据是碘分子之间仅以分子间作用力相结合。
问题3: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
提示:硫化氢分子间只存在范德华力,属于分子密堆积,而冰中水分子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。
分子晶体的结构特点
(1)分子晶体的基本构成粒子是分子,分子之间普遍存在的作用力是范德华力,个别晶体中分子间还含氢键,如冰中。
(2)只存在范德华力的晶体,晶体中分子采取密堆积,晶胞中每个分子周围一般有12个分子紧邻。含有氢键的晶体,由于氢键的方向性,晶体中分子之间不满足密堆积,空间利用率不高,留有相当大的空隙,所以密度会减小,但是熔点、沸点往往会升高,如HF、NH3、冰等。
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】 分子的稳定性与化学键有关,共价键越强,稳定性越强,而分子间作用力只影响物质的熔、沸点,A错误;稀有气体形成的分子晶体,不含有共价键,B错误;冰和Br2都是由分子构成的分子晶体,C正确;稀有气体的构成粒子是分子,能形成分子晶体,D错误。
2.水是生命之源,如图为冰晶体的结构模型,大球代表氧原子,小球代表氢原子,下列有关说法正确的是( )
[A] 冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体
[B] 冰晶体和干冰晶体之间的作用力一样
[C] 水分子间通过H—O形成冰晶体
[D] 冰晶体融化时,水分子之间的空隙增大
【答案】 A
【解析】 由图可知,冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体,A项正确;水分子间通过氢键和范德华力形成冰晶体,而CO2是通过范德华力形成干冰晶体,B、C两项错误;冰融化后,氢键数目减少,水分子间的空隙减小,体积变小,D项错误。
3.如图为干冰的晶胞结构示意图。
(1)通过观察分析,有 种取向不同的CO2。将CO2视作质点,设晶胞边长为a pm,则紧邻的两个CO2的距离为 pm。
(2)其密度ρ为 (1 pm=10-10cm,设NA为阿伏加德罗常数的值)。
【答案】 (1)4 a (2) g·cm-3
【解析】 (1)由图可知CO2共有4种取向。两个紧邻的CO2的距离为面对角线长的一半,为a pm。
(2)ρ= g·cm-3。
学习任务2 探究分子晶体的物理性质
1.物理性质
(1)分子晶体的熔点、沸点较低,密度较小,硬度较小,较易熔化和挥发。
(2)一般是绝缘体,熔融状态也不导电。
(3)溶解性符合“相似相溶”规律。
2.分子晶体熔点、沸点高低的比较规律
(1)分子晶体中分子间作用力越大,物质熔点、沸点越高,反之越低。
(2)具有氢键的分子晶体,熔点、沸点反常高。
表一 几种分子晶体的熔点、沸点
分子晶体 熔点/℃ 沸点/℃
CF4 -183.6 -128
CCl4 -22.9 76.7
CBr4 90 190.5
表二 几种氯化物的熔点、沸点
氯化物 NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 CaCl2
熔点/℃ 801 712 190 -68 782
沸点/℃ 1 413 1 418 178 (升华) 57 1 600
探究 分子晶体熔点、沸点高低的比较与应用
问题1:结合表一中的已知数据,思考影响三种分子晶体熔点、沸点高低的因素是什么
提示:结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,分子间作用力越大,晶体熔点、沸点越高。
问题2:分析固态的HF与HCl、丙烷与丁烷的熔点、沸点高低情况。
提示:因为HF分子晶体中存在氢键,所以HF的熔点、沸点高于HCl的;因为丁烷的相对分子质量大于丙烷的,所以丙烷的熔点、沸点低于丁烷的。
问题3:根据表二中的数据信息,你认为属于分子晶体的是哪些物质 说明判断的理由。
提示:属于分子晶体的是AlCl3、SiCl4;由于由分子构成的晶体,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,故分子晶体的熔点、沸点较低,表中的NaCl、MgCl2、CaCl2的熔点、沸点较高,很明显不属于分子晶体,AlCl3、SiCl4的熔点、沸点较低,应为分子晶体。
问题4:含有金属元素的化合物一定不是分子晶体吗
提示:不一定,如氯化铝属于分子晶体。
1.分子晶体熔点、沸点低的原因
分子晶体中分子间的作用力是范德华力或范德华力和氢键,因此,分子晶体的熔点、沸点较低,硬度较小,较易熔化和挥发。
2.分子晶体熔点、沸点的比较
(1)组成和结构相似,不含氢键的分子晶体,相对分子质量越大,范德华力越强,熔点、沸点越高,如I2>Br2>Cl2>F2,HI>HBr>HCl。
(2)组成和结构不相似的分子晶体(相对分子质量接近),分子的极性越大,熔点、沸点越高,如CH3OH>CH3CH3。
(3)含有分子间氢键的分子晶体的熔点、沸点反常高,如H2O>H2Te>H2Se>H2S。
(4)对于有机物中的同分异构体,支链越多,熔点、沸点越低,如CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>>。
(5)烃、卤代烃、醇、醛、羧酸等有机物一般随分子中碳原子数的增加,熔点、沸点升高,如C2H6>CH4,C2H5Cl>CH3Cl,CH3COOH>HCOOH。
1.下列关于分子晶体熔、沸点的比较不正确的是( )
[A] Cl2[B] H2O[C] CH4[D] CH3CH2CH2CH2CH3>C(CH3)4
【答案】 B
【解析】 相对分子质量Cl2H2Se,故B错误;相对分子质量CH4C(CH3)4,故D正确。
2.下列性质属于分子晶体的是( )
[A] 熔点为1 070 ℃,易溶于水,水溶液导电
[B] 熔点为3 500 ℃,不导电,质硬,难溶于水和有机溶剂
[C] 能溶于CS2,熔点为113 ℃,沸点为445 ℃
[D] 熔点为97.81 ℃,质软,导电,密度为0.97 g·cm-3
【答案】 C
【解析】 分子晶体由分子构成,分子间作用力很弱,具有较低的熔点、沸点,硬度小,易挥发等性质。熔点高、质硬,不是分子晶体的性质,故A、B错误;单质硫能溶于CS2,熔点为113 ℃,沸点为445 ℃,单质硫是分子晶体,故C正确;熔点为97.81 ℃,质软,导电,密度为0.97 g·cm-3,是金属钠的物理性质,金属钠不属于分子晶体,故D错误。
3.(1)比较下列化合物熔点、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 ℃(2.02×105 Pa),但它在178 ℃即开始升华。请回答下列问题。
①AlCl3固体是 晶体。
②设计一个可靠的实验,判断AlCl3是离子化合物还是共价化合物。设计的实验是 。
【答案】 (1)①< ②> ③> ④< ⑤> ⑥>
(2)①分子 ②在熔融状态下,测其是否导电,若不导电是共价化合物,若导电是离子化合物
【解析】 (1)各组物质均为分子晶体,根据分子晶体熔点、沸点的判断规律,其相对分子质量越大,分子间作用力越大,分子极性越大,则晶体的熔点、沸点越高,较容易比较六组物质熔点、沸点的高低。
(2)①由AlCl3的熔点低以及在178 ℃时开始升华判断AlCl3晶体为分子晶体。②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,若导电是离子化合物。
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。
组成分子晶体的粒子是分子,粒子间的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,熔点、沸点低,在熔融状态和固态时均不导电。
[footnoteRef:0] 观察以下几种物质的晶胞结构示意图,回答下列问题。 [0:
命题解密与解题指导
情境解读:以三种分子晶体的晶胞结构为素材,考查分子晶体的结构、性质。
素养立意:借助三种分子晶体的晶胞结构及分子结构,发展宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知素养。
思考点拨:分子晶体结构与性质分析思路如下
]
Ⅰ.如图甲、乙是碳的两种氧化物。
(1)CO能与金属Fe形成化合物Fe(CO)5,该化合物熔点为253 K,沸点为376 K,其固体属于 晶体。
(2)二氧化碳晶胞中显示出的二氧化碳分子数为14,实际上一个二氧化碳晶胞中含有 个二氧化碳分子,二氧化碳分子中σ键与π键的个数比为 。
Ⅱ.卤素单质及其化合物有广泛的应用。
(3)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的熔点、沸点比BrF3的 (填“高”或“低”)。
(4)碘晶体晶胞如图丙所示。
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假设碘晶胞中长方体的长、宽、高分别为a cm、b cm、c cm,碘的摩尔质量为127 g·mol-1,阿伏加德罗常数的值为NA,则碘晶体的密度为 g·cm-3。
【答案】 (1)分子 (2)4 1∶1 (3)低 (4)①分子 ②范德华力 ③
【解析】 (1)由化合物Fe(CO)5熔点为253 K、沸点为376 K可知,其熔点、沸点较低,所以为分子晶体。
(2)二氧化碳的晶胞中,二氧化碳分子分布于晶胞的顶点和面心位置,则晶胞中含有二氧化碳的分子数为8×+6×=4;二氧化碳分子的结构式为OCO,每个分子中含有2个σ键和 2个π键,所以σ键与π键的个数比为1∶1。
(3)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,熔点、沸点越高,所以ClF3的熔点、沸点比BrF3的低。
(4)③一个晶胞中含有碘分子数为8×+6×=4,即含有8个碘原子。一个晶胞的体积为abc cm3,其质量为 g,则碘晶体的密度为 g·cm-3。
(时间:30分钟 满分:60分)
(选择题1~15题,每小题3分,共45分)
(一)分子晶体及其结构
1.医院在进行外科手术时,常用HgCl2稀溶液作为手术刀的消毒剂,已知HgCl2有如下性质:
①HgCl2晶体熔点较低;②HgCl2熔融状态下不导电;③HgCl2在水溶液中可发生微弱电离。
下列关于HgCl2的叙述正确的是( )
[A] HgCl2晶体属于分子晶体
[B] HgCl2属于离子化合物
[C] HgCl2属于电解质且属于强电解质
[D] HgCl2属于非电解质
【答案】 A
【解析】 由HgCl2的性质可知,HgCl2晶体属于分子晶体,属于共价化合物,是弱电解质,故A正确。
2.下列各组晶体物质均属于分子晶体的是( )
[A] SO2、SiO2、P2O5、O2
[B] H2SO4、H2O2、HCl、Ar
[C] NH4Cl、H2O、NH3、I2
[D] CO2、AlCl3、MgCl2、CO
【答案】 B
【解析】 SiO2不是分子晶体,A不符合题意;H2SO4、H2O2、HCl、Ar均是由分子通过分子间作用力聚集而成的分子晶体,B符合题意;NH4Cl是由铵根离子和氯离子构成的,不是分子晶体,C不符合题意;MgCl2是由镁离子和氯离子构成的,不是分子晶体,D不符合题意。
3.XY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构成的晶体为一维、二维和三维空间结构,且粒子在空间中通过化学键连接,故它们不可能是分子晶体;而②③都不能再以化学键与其他原子结合,故可能为分子晶体。
4.如图是甲烷晶体的晶胞结构,图中每个小球代表一个甲烷分子(甲烷分子分别位于立方体的顶角和面心)。下列有关该晶体的说法正确的是( )
[A] 该晶体与HI的晶体类型不同
[B] 该晶体熔化时只需要破坏共价键
[C] SiH4的稳定性强于甲烷的
[D] 每个甲烷分子与它最近且等距的甲烷分子有12个
【答案】 D
【解析】 甲烷、HI晶体均属于分子晶体,A项错误;甲烷晶体属于分子晶体,熔化时只需要破坏分子间作用力,不需要破坏共价键,B项错误;C的非金属性比Si的强,所以SiH4的稳定性弱于甲烷的,C项错误;根据晶胞的结构可知,以晶胞中顶角上的甲烷分子为研究对象,与它最近且等距的甲烷分子分布在立方体的3个面心上,每个顶角上的甲烷分子被8个立方体共用,每个面心上的甲烷分子被2个立方体共用,所以每个甲烷分子周围与它最近且等距的甲烷分子有=12(个),D项正确。
5.(2024·福建福州九县市期中)“可燃冰”是CH4与H2O形成的水合物,一定条件下,CH4能与H2O形成如图甲所示的笼状结构(表面的小球是水分子,内部的大球是甲烷分子)。受此启发,科学家设想用结构相似的C60与Si60合成一种类似工艺品“套球”(如图乙所示)的球形碳硅化合物Si60C60,外层球壳原子与里层球壳原子通过共价键结合。下列说法错误的是( )
[A] Si60C60的外层球壳为Si60,内层球壳为C60
[B] Si60C60形成的晶体是分子晶体
[C] “可燃冰”中分子间存在的作用力是氢键和范德华力
[D] “可燃冰”中最小的环中连接的原子总数是15
【答案】 D
【解析】 硅的原子半径比碳的大,所以碳硅化合物Si60C60的外层球壳为Si60,内层球壳为C60,A正确;外面的硅原子与里面的碳原子以共价键结合,说明该物质是由两种元素组成的Si60C60分子,属于分子晶体,B正确;“可燃冰”是CH4与H2O形成的水合物,分子之间存在范德华力,水分子间存在氢键,C正确;“可燃冰”中最小的环为五元环,水分子间存在氢键,相当于一个小球(H2O)含有两个原子,则一个最小的环中含有的原子总数为10,D错误。
(二)分子晶体的物理性质
6.(2024·山西长治期中)BeCl2和AlCl3的熔点均比较低,且易升华。下列说法错误的是( )
[A] 二者在固态时所形成的晶体都是分子晶体
[B] 二者在熔融状态时均不导电
[C] 二者所有原子都达到了8电子稳定结构
[D] 二者的中心原子杂化类型不同
【答案】 C
【解析】 根据题干信息可知,BeCl2和AlCl3的熔点均比较低,且易升华,是分子晶体,故A正确;BeCl2和AlCl3都属于共价化合物,不存在离子键,在熔融状态下均不能导电,故B正确;BeCl2中Be的最外层电子数为4,不满足8电子稳定结构,AlCl3中Al的最外层电子数为6,不满足8电子稳定结构,故C错误;BeCl2中Be的价层电子对数为2+×(2-2×1)=2,中心原子杂化类型为sp杂化,AlCl3中Al的价层电子对数为3+×(3-3×1)=3,中心原子杂化类型为sp2杂化,故D正确。
7.下列说法正确的是( )
[A] 冰融化时,分子中H—O发生断裂
[B] 分子晶体熔融时化学键不被破坏
[C] 分子晶体中,一定存在分子间作用力和共价键
[D] 分子晶体中,分子间作用力越大,该物质越稳定
【答案】 B
【解析】 冰为分子晶体,融化时破坏的是分子间作用力,A项错误;分子晶体是通过分子间作用力将分子结合在一起的,所以熔融时,分子内部的化学键未发生变化,破坏的只是分子间作用力,B项正确;稀有气体在固态时也属于分子晶体,而稀有气体是单原子分子,在分子内部不存在共价键,C项错误;分子晶体熔、沸点高低取决于分子间作用力大小,而共价键强弱决定了分子的稳定性强弱,D项错误。
8.下列说法正确的是( )
[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,熔点为-23.2 ℃,沸点为136.2 ℃,所以TiCl4属于分子晶体
【答案】 D
【解析】 C60、I2均为分子晶体,汽化或升华时均克服范德华力;乙酸分子间可形成氢键,其熔点比甲酸甲酯的高;HCl溶于水破坏的是共价键。故选D。
9.研究发现,在高压下氮气会发生聚合反应得到一种低熔点物质——高聚氮,这种高聚氮的氮氮键比N2中的氮氮三键要弱得多。下列有关高聚氮的说法不正确的是( )
[A] 高聚氮晶体属于分子晶体
[B] 高聚氮是一种单质
[C] 高聚氮的沸点高于氮气的
[D] 高聚氮转变成氮气是氧化还原反应
【答案】 D
【解析】 由题中信息可知,N—N要比N≡N弱得多,且高聚氮的熔点较低,说明高聚氮是分子晶体,A正确;高聚氮只含氮元素,具有固定熔点,属于单质,转变为N2的过程中化合价不变,故不属于氧化还原反应,B正确,D错误;高聚氮是氮气发生聚合反应得到的,相对分子质量高于氮气,因而沸点高于氮气,C正确。
10.下列分子晶体:①HCl、②HBr、③HI、④CO、⑤N2、⑥H2的熔点由高到低的顺序是( )
[A] ①②③④⑤⑥ [B] ③②①⑤④⑥
[C] ③②①④⑤⑥ [D] ⑥⑤④③②①
【答案】 C
【解析】 题给六种物质都属于分子晶体且均不存在分子间氢键,而相对分子质量由大到小的顺序是③>②>①>④=⑤>⑥,CO和N2的相对分子质量相同,但CO是极性分子,N2是非极性分子,所以熔点CO的大于N2的,都大于H2的,故正确顺序为③②①④⑤⑥。
11.某分子晶体的晶胞结构模型如图所示,下列说法正确的是( )
[A] 该晶胞模型为分子密堆积
[B] 该晶胞中分子的配位数为8
[C] 分子晶体的晶胞均可用此模型表示
[D] 该晶体熔、沸点高,硬度大
【答案】 A
【解析】 分子晶体中,以一个分子为中心,其周围最多可以有12个紧邻的分子的特征称为分子密堆积,以顶点分子为例,其周围有12个紧邻的分子,该晶胞模型为分子密堆积,A正确;晶胞中分子的配位数为12,B错误;分子晶体的晶胞类型很多,还有简单立方堆积等,C错误;分子晶体的熔、沸点低,硬度小,D错误。
综合应用
12.下列说法正确的是( )
[A] 范德华力普遍存在于分子之间,如液态水中因范德华力的存在使水分子发生缔合
[B] H2SO4为强电解质,硫酸晶体是能导电的
[C] 冰中1个水分子可通过氢键与4个水分子相连,所以冰中水分子与氢键的数目之比为1∶4
[D] 氢键有饱和性和方向性,所以液态水结成冰时体积会变大
【答案】 D
【解析】 液态水中因分子间氢键的存在使水分子发生缔合,A错误;虽然H2SO4为强电解质,但是硫酸晶体是分子晶体,不能导电,B错误;冰中1个水分子可通过氢键与4个水分子相连,2个水分子间只能形成1个氢键,所以冰中水分子与氢键数目之比为1∶2,C错误;氢键有饱和性和方向性,所以液态水结成冰时,水分子之间的空隙变大,故其体积会变大,D正确。
13.有四组由同一族元素形成的不同物质,在101 kPa时测定它们的沸点( ℃),数据如表所示:
分组 物质及沸点
第一组 X -268.8 Y -249.5 M -185.8 N -151.7
第二组 F2 -187.0 Cl2 -33.6 Br2 58.7 I2 184.0
第三组 HF 19.4 HCl -84.0 HBr -67.0 HI -35.3
第四组 H2O 100.0 H2S -60.2 H2Se -42.0 H2Te -1.8
下列各项判断正确的是( )
[A] 第四组物质中H2O的沸点最高,是因为H2O中化学键的键能最大
[B] 第三组与第四组相比较,稳定性:HBr>H2Se
[C] 第三组物质溶于水后,溶液的酸性:HF>HCl>HBr>HI
[D] 第一组物质是分子晶体,分子晶体中都含有共价键
【答案】 B
【解析】 第四组物质中H2O的沸点最高,是因为H2O的分子之间可以形成氢键,A错误;Se和Br同为第四周期元素,Br的非金属性较强,故稳定性:HBr>H2Se,B正确;第三组物质溶于水后,HF溶液的酸性最弱,C错误;第一组物质是分子晶体,其构成粒子为分子,但分子晶体中不一定含有共价键,如稀有气体分子中无共价键,D错误。
14.(2025·黑龙江大庆质检)成语“信口雌黄”中的雌黄是自然界中常见的矿物质,主要成分的化学式是As2S3,其结构如图所示。古人书写错误时常用雌黄进行涂改。下列说法错误的是( )
[A] 雌黄属于分子晶体,硬度较小
[B] As2S3结构中既含有极性键又含有非极性键
[C] 1 mol As2S3被O2氧化为As2O3和SO2时,转移18 mol电子
[D] As与N同主族,气态氢化物的键角:AsH3【答案】 B
【解析】 由As2S3的结构可知,As2S3由分子构成,属于分子晶体,硬度较小,A正确;由As2S3的结构可知,As2S3结构中仅含有As—S极性键,B错误;As2S3被O2氧化为As2O3和SO2时,砷元素化合价不变,硫元素由-2价上升到+4价,1 mol As2S3参与反应时转移18 mol电子,C正确;AsH3和NH3的中心原子的价层电子对数都是4,且都含有1个孤电子对,As与N同主族,N的电负性强于As的,对成键电子对的吸引更强,共价键之间的排斥作用更大,键角更大,则键角:AsH315.正硼酸(H3BO3)是一种片层状结构的白色晶体。层内的H3BO3通过氢键相连(如图)。下列有关说法错误的是( )
[A] 正硼酸晶体属于分子晶体
[B] H3BO3的稳定性与氢键有关
[C] 分子中硼原子杂化轨道的类型为sp2
[D] 1 mol H3BO3晶体中含有3 mol 氢键
【答案】 B
【解析】 正硼酸晶体中存在H3BO3,且该晶体中存在氢键,说明是分子晶体,A正确;分子的稳定性与分子内的B—O、H—O 共价键有关,与氢键无关,B错误;B只形成了3个单键,没有孤电子对,所以采取sp2杂化,C正确;根据题图可知,1个硼酸分子形成了6个氢键,但每个氢键是2个硼酸分子共用的,所以平均一个硼酸分子含3个氢键,则1 mol H3BO3晶体中含有3 mol氢键,D正确。
16.(15分,每空3分)水分子间存在氢键的作用(作用力介于范德华力与化学键之间),这种作用使它们彼此结合而形成(H2O)n。在冰中每个水分子被4个水分子包围形成变形四面体,通过氢键相互连接成庞大的分子晶体。
(1)1 mol 冰中有 mol氢键。
(2)水蒸气中常含有部分(H2O)2,要确定(H2O)2的存在,可采用的方法是 (填字母)。
A.标准状况下把1 L水蒸气冷凝后与足量金属钠反应,测产生氢气的体积
B.标准状况下把1 L水蒸气通过浓硫酸后,测浓硫酸增加的质量
C.该水蒸气冷凝后,测水的pH
D.该水蒸气冷凝后,测氢氧原子个数比
(3)水分子可电离生成两种含有相同电子数的粒子,其电离方程式为 。已知在相同条件下过氧化氢的沸点明显高于水的沸点,其可能原因是 。
(4)在冰晶体中除氢键外,还存在范德华力(11 kJ·mol-1)。已知冰的升华热是51 kJ·mol-1,则冰晶体中氢键的能量是 kJ·mol-1。
【答案】 (1)2 (2)AB
(3)H2O+H2OH3O++OH- 过氧化氢分子之间存在更强烈的氢键作用
(4)20
【解析】 (1)1 mol 冰中含有氢键的物质的量为 1×4 mol×=2 mol 。
(2)A项,(H2O)2也能与金属钠反应产生氢气,1 L水蒸气冷凝后与足量金属钠反应,若混有(H2O)2,由于(H2O)2也能与金属钠反应生成氢气,且一分子(H2O)2生成一分子氢气,所以产生氢气体积多,正确;B项,(H2O)2也能被浓硫酸吸收,若1 L水蒸气通过浓硫酸后,由于相对H2O而言,(H2O)2的相对分子质量大,所以分子数目相同时,浓硫酸增加的质量大,说明存在(H2O)2,正确;C项,(H2O)2呈中性,无论该物质是否存在,水都呈中性,pH不变,错误;D项,(H2O)2的分子中氢、氧原子个数比也为2∶1,无论是否存在,氢、氧原子个数比不变,错误。
(3)过氧化氢的相对分子质量比水的相对分子质量大,题中强调过氧化氢的沸点明显高于水的,因此可判断过氧化氢分子之间存在着更为强烈的氢键作用。
(4)1 mol 冰升华吸收的总能量为51 kJ,克服范德华力吸收的能量为11 kJ,故克服氢键吸收的总能量为 40 kJ,而1 mol 冰中含有2 mol 氢键,故冰晶体中氢键的能量是20 kJ·mol-1。
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第二节 分子晶体与共价晶体
第1课时 分子晶体
1.通过认识分子晶体,能描述分子晶体的概念,列举常见的分子晶体。2.通过借助冰、干冰等模型认识分子晶体的结构特点及物理性质,能从微观角度分析分子晶体中各构成粒子之间的作用和对分子晶体物理性质的影响,能辨析分子晶体中粒子的堆积模型并能用均摊法对晶胞进行分析。3.通过分子晶体的学习,能利用分子晶体的通性推断常见的分子晶体。
探究分子晶体及其结构
学习任务1
1.分子晶体
(1)概念: 只含 的晶体称为分子晶体,在分子晶体中,相邻分子靠
相互吸引。
(2)分子晶体中的粒子及粒子间的相互作用。
分子
分子间作用力
2.常见的典型分子晶体
物质类别 举例
所有 H2O、H2S、NH3、CH4、HX等
部分 X2、O2、H2、S8、N2、P4、C60等
部分 CO2、SO2、NO2、P4O6、P4O10等
稀有气体 氦气(He)、氖气(Ne)等
几乎所有的 H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3等
绝大多数有机物 苯、四氯化碳、乙醇、冰醋酸、蔗糖等
非金属氢化物
非金属单质
非金属氧化物
酸
3.分子晶体的常见堆积方式
(1)常见分子晶体的结构分析。
代表物质 干冰 冰
晶胞
晶胞占有分子数
紧邻分子数 每个二氧化碳分子周围有
个紧邻的分子 每个水分子周围有 个紧邻的分子
密度(相对大小)
4
8
12
4
大
小
(2)分子晶体的常见堆积方式。
分子间作用力 堆积方式 实例
范德华力 分子采用 ,每个分子周围最多有 个紧邻的分子 如C60、干冰、I2、O2
范德华力、 分子不采用 ,每个分子周围紧邻的分子少于12个 如HF、NH3、冰
密堆积
12
氢键
密堆积
碘晶体的晶胞是一个长方体,在它的每个顶点上有一个碘分子,每个面上有一个碘分子,如图所示。
探究 分子晶体的结构特点
问题1:碘分子中碘原子之间的作用力是什么 碘晶体中碘分子之间的作用力是什么
提示:碘分子(I2)中两个碘原子以共价键相结合。碘晶体中碘分子(I2)之间以范德华力相结合。
问题2:碘的晶体类型是什么 你判断的依据是什么
提示:碘属于分子晶体。判断的依据是碘分子之间仅以分子间作用力相结合。
问题3: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
提示:硫化氢分子间只存在范德华力,属于分子密堆积,而冰中水分子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。
分子晶体的结构特点
(1)分子晶体的基本构成粒子是分子,分子之间普遍存在的作用力是范德华力,个别晶体中分子间还含氢键,如冰中。
(2)只存在范德华力的晶体,晶体中分子采取密堆积,晶胞中每个分子周围一般有12个分子紧邻。含有氢键的晶体,由于氢键的方向性,晶体中分子之间不满足密堆积,空间利用率不高,留有相当大的空隙,所以密度会减小,但是熔点、沸点往往会升高,如HF、NH3、冰等。
归纳拓展
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
C
【解析】 分子的稳定性与化学键有关,共价键越强,稳定性越强,而分子间作用力只影响物质的熔、沸点,A错误;稀有气体形成的分子晶体,不含有共价键,B错误;冰和Br2都是由分子构成的分子晶体,C正确;稀有气体的构成粒子是分子,能形成分子晶体,D错误。
2.水是生命之源,如图为冰晶体的结构模型,大球代表氧原子,小球代表氢原子,下列有关说法正确的是( )
[A] 冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体
[B] 冰晶体和干冰晶体之间的作用力一样
[C] 水分子间通过H—O形成冰晶体
[D] 冰晶体融化时,水分子之间的空隙增大
A
【解析】 由图可知,冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体,A项正确;水分子间通过氢键和范德华力形成冰晶体,而CO2是通过范德华力形成干冰晶体,B、C两项错误;冰融化后,氢键数目减少,水分子间的空隙减小,体积变小,D项错误。
3.如图为干冰的晶胞结构示意图。
4
(1)通过观察分析,有 种取向不同的CO2。将CO2视作质点,设晶胞边长
为a pm,则紧邻的两个CO2的距离为 pm。
(2)其密度ρ为 (1 pm=10-10cm,设NA为阿伏加德罗常数的值)。
探究分子晶体的物理性质
学习任务2
1.物理性质
(1)分子晶体的熔点、沸点 ,密度 ,硬度较小,较易熔化和挥发。
(2)一般是绝缘体,熔融状态也不导电。
(3)溶解性符合“相似相溶”规律。
2.分子晶体熔点、沸点高低的比较规律
(1)分子晶体中分子间作用力 ,物质熔点、沸点 ,反之 。
(2)具有氢键的分子晶体,熔点、沸点 。
较低
较小
越大
越高
越低
反常高
表一 几种分子晶体的熔点、沸点
分子晶体 熔点/℃ 沸点/℃
CF4 -183.6 -128
CCl4 -22.9 76.7
CBr4 90 190.5
表二 几种氯化物的熔点、沸点
氯化物 NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 CaCl2
熔点/℃ 801 712 190 -68 782
沸点/℃ 1 413 1 418 178
(升华) 57 1 600
探究 分子晶体熔点、沸点高低的比较与应用
问题1:结合表一中的已知数据,思考影响三种分子晶体熔点、沸点高低的因素是什么
提示:结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,分子间作用力越大,晶体熔点、沸点越高。
问题2:分析固态的HF与HCl、丙烷与丁烷的熔点、沸点高低情况。
提示:因为HF分子晶体中存在氢键,所以HF的熔点、沸点高于HCl的;因为丁烷的相对分子质量大于丙烷的,所以丙烷的熔点、沸点低于丁烷的。
问题3:根据表二中的数据信息,你认为属于分子晶体的是哪些物质 说明判断的理由。
提示:属于分子晶体的是AlCl3、SiCl4;由于由分子构成的晶体,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,故分子晶体的熔点、沸点较低,表中的NaCl、MgCl2、CaCl2的熔点、沸点较高,很明显不属于分子晶体,AlCl3、SiCl4的熔点、沸点较低,应为分子晶体。
问题4:含有金属元素的化合物一定不是分子晶体吗
提示:不一定,如氯化铝属于分子晶体。
1.分子晶体熔点、沸点低的原因
分子晶体中分子间的作用力是范德华力或范德华力和氢键,因此,分子晶体的熔点、沸点较低,硬度较小,较易熔化和挥发。
2.分子晶体熔点、沸点的比较
(1)组成和结构相似,不含氢键的分子晶体,相对分子质量越大,范德华力越强,熔点、沸点越高,如I2>Br2>Cl2>F2,HI>HBr>HCl。
归纳拓展
(2)组成和结构不相似的分子晶体(相对分子质量接近),分子的极性越大,熔点、沸点越高,如CH3OH>CH3CH3。
(3)含有分子间氢键的分子晶体的熔点、沸点反常高,如H2O>H2Te>H2Se>
H2S。
归纳拓展
(5)烃、卤代烃、醇、醛、羧酸等有机物一般随分子中碳原子数的增加,熔点、沸点升高,如C2H6>CH4,C2H5Cl>CH3Cl,CH3COOH>HCOOH。
归纳拓展
1.下列关于分子晶体熔、沸点的比较不正确的是( )
[A] Cl2[B] H2O[C] CH4[D] CH3CH2CH2CH2CH3>C(CH3)4
B
【解析】 相对分子质量Cl2则熔、沸点H2O>H2Se,故B错误;相对分子质量CH4则分子间作用力CH4CH3CH2CH2CH2CH3和C(CH3)4分子式相同,
但C(CH3)4支链多于CH3CH2CH2CH2CH3,
则熔、沸点CH3CH2CH2CH2CH3>C(CH3)4,故D正确。
2.下列性质属于分子晶体的是( )
[A] 熔点为1 070 ℃,易溶于水,水溶液导电
[B] 熔点为3 500 ℃,不导电,质硬,难溶于水和有机溶剂
[C] 能溶于CS2,熔点为113 ℃,沸点为445 ℃
[D] 熔点为97.81 ℃,质软,导电,密度为0.97 g·cm-3
C
【解析】 分子晶体由分子构成,分子间作用力很弱,具有较低的熔点、沸点,硬度小,易挥发等性质。熔点高、质硬,不是分子晶体的性质,故A、B错误;单质硫能溶于CS2,熔点为113 ℃,沸点为445 ℃,单质硫是分子晶体,故C正确;熔点为97.81 ℃,质软,导电,密度为0.97 g·cm-3,是金属钠的物理性质,金属钠不属于分子晶体,故D错误。
3.(1)比较下列化合物熔点、沸点的高低(填“>”或“<”)。
①CO2 SO2。
②NH3 PH3。
③O3 O2。
④Ne Ar。
⑤CH3CH2OH CH3OH。
⑥CO N2。
<
>
>
<
>
>
【解析】 (1)各组物质均为分子晶体,根据分子晶体熔点、沸点的判断规律,其相对分子质量越大,分子间作用力越大,分子极性越大,则晶体的熔点、沸点越高,较容易比较六组物质熔点、沸点的高低。
(2)已知AlCl3的熔点为190 ℃(2.02×105 Pa),但它在178 ℃即开始升华。请回答下列问题。
①AlCl3固体是 晶体。
分子
【解析】 (2)①由AlCl3的熔点低以及在178 ℃时开始升华判断AlCl3晶体为分子晶体。
②设计一个可靠的实验,判断AlCl3是离子化合物还是共价化合物。设计的实验是
。
在熔融状态下,测其是否导电,若不导电是共价化合物,若导电是离
【解析】 ②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,若导电是离子化合物。
子化合物
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。
组成分子晶体的粒子是分子,粒子间的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,熔点、沸点低,在熔融状态和固态时均不导电。
思维建模
知识整合
观察以下几种物质的晶胞结构示意图,回答下列问题。
Ⅰ.如图甲、乙是碳的两种氧化物。
(1)CO能与金属Fe形成化合物Fe(CO)5,该化合物熔点为253 K,沸点为376 K,其固体属于 晶体。
分子
【解析】 (1)由化合物Fe(CO)5熔点为253 K、沸点为376 K可知,其熔点、沸点较低,所以为分子晶体。
(2)二氧化碳晶胞中显示出的二氧化碳分子数为14,实际上一个二氧化碳晶胞中含有 个二氧化碳分子,二氧化碳分子中σ键与π键的个数比为 。
4
1∶1
Ⅱ.卤素单质及其化合物有广泛的应用。
(3)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的熔点、沸点比BrF3的 (填“高”或“低”)。
低
【解析】 (3)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,熔点、沸点越高,所以ClF3的熔点、沸点比BrF3的低。
(4)碘晶体晶胞如图丙所示。
①碘晶体属于 晶体。
②碘晶体熔化过程中克服的作用力为 。
分子
范德华力
③假设碘晶胞中长方体的长、宽、高分别为a cm、b cm、c cm,碘的摩尔质
量为127 g·mol-1,阿伏加德罗常数的值为NA,则碘晶体的密度为 g·cm-3。
命题解密与解题指导
情境解读:以三种分子晶体的晶胞结构为素材,考查分子晶体的结构、性质。
素养立意:借助三种分子晶体的晶胞结构及分子结构,发展宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知素养。
思考点拨:分子晶体结构与性质分析思路如下
(时间:30分钟 满分:60分)
(选择题1~15题,每小题3分,共45分)
(一)分子晶体及其结构
1.医院在进行外科手术时,常用HgCl2稀溶液作为手术刀的消毒剂,已知HgCl2有如下性质:
①HgCl2晶体熔点较低;②HgCl2熔融状态下不导电;③HgCl2在水溶液中可发生微弱电离。
下列关于HgCl2的叙述正确的是( )
[A] HgCl2晶体属于分子晶体
[B] HgCl2属于离子化合物
[C] HgCl2属于电解质且属于强电解质
[D] HgCl2属于非电解质
A
【解析】 由HgCl2的性质可知,HgCl2晶体属于分子晶体,属于共价化合物,是弱电解质,故A正确。
2.下列各组晶体物质均属于分子晶体的是( )
[A] SO2、SiO2、P2O5、O2
[B] H2SO4、H2O2、HCl、Ar
[C] NH4Cl、H2O、NH3、I2
[D] CO2、AlCl3、MgCl2、CO
B
【解析】 SiO2不是分子晶体,A不符合题意;H2SO4、H2O2、HCl、Ar均是由分子通过分子间作用力聚集而成的分子晶体,B符合题意;NH4Cl是由铵根离子和氯离子构成的,不是分子晶体,C不符合题意;MgCl2是由镁离子和氯离子构成的,不是分子晶体,D不符合题意。
3.XY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
C
【解析】 ①④⑤⑥构成的晶体为一维、二维和三维空间结构,且粒子在空间中通过化学键连接,故它们不可能是分子晶体;而②③都不能再以化学键与其他原子结合,故可能为分子晶体。
4.如图是甲烷晶体的晶胞结构,图中每个小球代表一个甲烷分子(甲烷分子分别位于立方体的顶角和面心)。下列有关该晶体的说法正确的是( )
[A] 该晶体与HI的晶体类型不同
[B] 该晶体熔化时只需要破坏共价键
[C] SiH4的稳定性强于甲烷的
[D] 每个甲烷分子与它最近且等距的甲烷分子有12个
D
5.(2024·福建福州九县市期中)“可燃冰”是CH4与H2O形成的水合物,一定条件下,CH4能与H2O形成如图甲所示的笼状结构(表面的小球是水分子,内部的大球是甲烷分子)。受此启发,科学家设想用结构相似的C60与Si60合成一种类似工艺品“套球”(如图乙所示)的球形碳硅化合物Si60C60,外层球壳原子与里层球壳原子通过共价键结合。下列说法错误的是( )
[A] Si60C60的外层球壳为Si60,内层球壳为C60
[B] Si60C60形成的晶体是分子晶体
[C] “可燃冰”中分子间存在的作用力是氢键和范德华力
[D] “可燃冰”中最小的环中连接的原子总数是15
D
【解析】 硅的原子半径比碳的大,所以碳硅化合物Si60C60的外层球壳为Si60,内层球壳为C60,A正确;外面的硅原子与里面的碳原子以共价键结合,说明该物质是由两种元素组成的Si60C60分子,属于分子晶体,B正确;“可燃冰”是CH4与H2O形成的水合物,分子之间存在范德华力,水分子间存在氢键,C正确;“可燃冰”中最小的环为五元环,水分子间存在氢键,相当于一个小球(H2O)含有两个原子,则一个最小的环中含有的原子总数为10,D错误。
(二)分子晶体的物理性质
6.(2024·山西长治期中)BeCl2和AlCl3的熔点均比较低,且易升华。下列说法错误的是( )
[A] 二者在固态时所形成的晶体都是分子晶体
[B] 二者在熔融状态时均不导电
[C] 二者所有原子都达到了8电子稳定结构
[D] 二者的中心原子杂化类型不同
C
7.下列说法正确的是( )
[A] 冰融化时,分子中H—O发生断裂
[B] 分子晶体熔融时化学键不被破坏
[C] 分子晶体中,一定存在分子间作用力和共价键
[D] 分子晶体中,分子间作用力越大,该物质越稳定
B
【解析】 冰为分子晶体,融化时破坏的是分子间作用力,A项错误;分子晶体是通过分子间作用力将分子结合在一起的,所以熔融时,分子内部的化学键未发生变化,破坏的只是分子间作用力,B项正确;稀有气体在固态时也属于分子晶体,而稀有气体是单原子分子,在分子内部不存在共价键,C项错误;分子晶体熔、沸点高低取决于分子间作用力大小,而共价键强弱决定了分子的稳定性强弱,D项错误。
8.下列说法正确的是( )
[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,熔点为-23.2 ℃,沸点为136.2 ℃,所以TiCl4属于分子晶体
D
【解析】 C60、I2均为分子晶体,汽化或升华时均克服范德华力;乙酸分子间可形成氢键,其熔点比甲酸甲酯的高;HCl溶于水破坏的是共价键。故选D。
9.研究发现,在高压下氮气会发生聚合反应得到一种低熔点物质——高聚氮,这种高聚氮的氮氮键比N2中的氮氮三键要弱得多。下列有关高聚氮的说法不正确的是( )
[A] 高聚氮晶体属于分子晶体
[B] 高聚氮是一种单质
[C] 高聚氮的沸点高于氮气的
[D] 高聚氮转变成氮气是氧化还原反应
D
【解析】 由题中信息可知,N—N要比N≡N弱得多,且高聚氮的熔点较低,说明高聚氮是分子晶体,A正确;高聚氮只含氮元素,具有固定熔点,属于单质,转变为N2的过程中化合价不变,故不属于氧化还原反应,B正确,D错误;高聚氮是氮气发生聚合反应得到的,相对分子质量高于氮气,因而沸点高于氮气,
C正确。
10.下列分子晶体:①HCl、②HBr、③HI、④CO、⑤N2、⑥H2的熔点由高到低的顺序是( )
[A] ①②③④⑤⑥
[B] ③②①⑤④⑥
[C] ③②①④⑤⑥
[D] ⑥⑤④③②①
C
【解析】 题给六种物质都属于分子晶体且均不存在分子间氢键,而相对分子质量由大到小的顺序是③>②>①>④=⑤>⑥,CO和N2的相对分子质量相同,但CO是极性分子,N2是非极性分子,所以熔点CO的大于N2的,都大于H2的,故正确顺序为③②①④⑤⑥。
11.某分子晶体的晶胞结构模型如图所示,下列说法正确的是( )
[A] 该晶胞模型为分子密堆积
[B] 该晶胞中分子的配位数为8
[C] 分子晶体的晶胞均可用此模型表示
[D] 该晶体熔、沸点高,硬度大
A
【解析】 分子晶体中,以一个分子为中心,其周围最多可以有12个紧邻的分子的特征称为分子密堆积,以顶点分子为例,其周围有12个紧邻的分子,该晶胞模型为分子密堆积,A正确;晶胞中分子的配位数为12,B错误;分子晶体的晶胞类型很多,还有简单立方堆积等,C错误;分子晶体的熔、沸点低,硬度小,D错误。
12.下列说法正确的是( )
[A] 范德华力普遍存在于分子之间,如液态水中因范德华力的存在使水分子发生缔合
[B] H2SO4为强电解质,硫酸晶体是能导电的
[C] 冰中1个水分子可通过氢键与4个水分子相连,所以冰中水分子与氢键的数目之比为1∶4
[D] 氢键有饱和性和方向性,所以液态水结成冰时体积会变大
D
综合应用
【解析】 液态水中因分子间氢键的存在使水分子发生缔合,A错误;虽然H2SO4为强电解质,但是硫酸晶体是分子晶体,不能导电,B错误;冰中1个水分子可通过氢键与4个水分子相连,2个水分子间只能形成1个氢键,所以冰中水分子与氢键数目之比为1∶2,C错误;氢键有饱和性和方向性,所以液态水结成冰时,水分子之间的空隙变大,故其体积会变大,D正确。
13.有四组由同一族元素形成的不同物质,在101 kPa时测定它们的沸点( ℃),数据如表所示:
分组 物质及沸点
第一组 X
-268.8 Y
-249.5 M
-185.8 N
-151.7
第二组 F2
-187.0 Cl2
-33.6 Br2
58.7 I2
184.0
第三组 HF
19.4 HCl
-84.0 HBr
-67.0 HI
-35.3
第四组 H2O
100.0 H2S
-60.2 H2Se
-42.0 H2Te
-1.8
下列各项判断正确的是( )
[A] 第四组物质中H2O的沸点最高,是因为H2O中化学键的键能最大
[B] 第三组与第四组相比较,稳定性:HBr>H2Se
[C] 第三组物质溶于水后,溶液的酸性:HF>HCl>HBr>HI
[D] 第一组物质是分子晶体,分子晶体中都含有共价键
B
【解析】 第四组物质中H2O的沸点最高,是因为H2O的分子之间可以形成氢键,A错误;Se和Br同为第四周期元素,Br的非金属性较强,故稳定性:
HBr>H2Se,B正确;第三组物质溶于水后,HF溶液的酸性最弱,C错误;第一组物质是分子晶体,其构成粒子为分子,但分子晶体中不一定含有共价键,如稀有气体分子中无共价键,D错误。
14.(2025·黑龙江大庆质检)成语“信口雌黄”中的雌黄是自然界中常见的矿物质,主要成分的化学式是As2S3,其结构如图所示。古人书写错误时常用雌黄进行涂改。下列说法错误的是( )
[A] 雌黄属于分子晶体,硬度较小
[B] As2S3结构中既含有极性键又含有非极性键
[C] 1 mol As2S3被O2氧化为As2O3和SO2时,转移18 mol电子
[D] As与N同主族,气态氢化物的键角:AsH3B
【解析】 由As2S3的结构可知,As2S3由分子构成,属于分子晶体,硬度较小,A正确;由As2S3的结构可知,As2S3结构中仅含有As—S极性键,B错误;As2S3被O2氧化为As2O3和SO2时,砷元素化合价不变,硫元素由-2价上升到+4价,
1 mol As2S3参与反应时转移18 mol电子,C正确;AsH3和NH3的中心原子的价层电子对数都是4,且都含有1个孤电子对,As与N同主族,N的电负性强于As的,对成键电子对的吸引更强,共价键之间的排斥作用更大,键角更大,则键
角:AsH315.正硼酸(H3BO3)是一种片层状结构的白色晶体。层内的H3BO3通过氢键相连(如图)。下列有关说法错误的是( )
[A] 正硼酸晶体属于分子晶体
[B] H3BO3的稳定性与氢键有关
[C] 分子中硼原子杂化轨道的类型为sp2
[D] 1 mol H3BO3晶体中含有3 mol 氢键
B
【解析】 正硼酸晶体中存在H3BO3,且该晶体中存在氢键,说明是分子晶体,
A正确;分子的稳定性与分子内的B—O、H—O 共价键有关,与氢键无关,B错误;B只形成了3个单键,没有孤电子对,所以采取sp2杂化,C正确;根据题图可知,1个硼酸分子形成了6个氢键,但每个氢键是2个硼酸分子共用的,所以平均一个硼酸分子含3个氢键,则1 mol H3BO3晶体中含有3 mol氢键,D正确。
16.(15分,每空3分)水分子间存在氢键的作用(作用力介于范德华力与化学键之间),这种作用使它们彼此结合而形成(H2O)n。在冰中每个水分子被4个水分子包围形成变形四面体,通过氢键相互连接成庞大的分子晶体。
(1)1 mol 冰中有 mol氢键。
2
(2)水蒸气中常含有部分(H2O)2,要确定(H2O)2的存在,可采用的方法是
(填字母)。
A.标准状况下把1 L水蒸气冷凝后与足量金属钠反应,测产生氢气的体积
B.标准状况下把1 L水蒸气通过浓硫酸后,测浓硫酸增加的质量
C.该水蒸气冷凝后,测水的pH
D.该水蒸气冷凝后,测氢氧原子个数比
AB
【解析】 (2)A项,(H2O)2也能与金属钠反应产生氢气,1 L水蒸气冷凝后与足量金属钠反应,若混有(H2O)2,由于(H2O)2也能与金属钠反应生成氢气,且一分子(H2O)2生成一分子氢气,所以产生氢气体积多,正确;B项,(H2O)2也能被浓硫酸吸收,若1 L水蒸气通过浓硫酸后,由于相对H2O而言,(H2O)2的相对分子质量大,所以分子数目相同时,浓硫酸增加的质量大,说明存在(H2O)2,正确;
C项,(H2O)2呈中性,无论该物质是否存在,水都呈中性,pH不变,错误;D项,
(H2O)2的分子中氢、氧原子个数比也为2∶1,无论是否存在,氢、氧原子个数比不变,错误。
(3)水分子可电离生成两种含有相同电子数的粒子,其电离方程式为
。已知在相同条件下过氧化氢的沸点明显高于水的沸点,其可能原因是 。
过氧化氢分子之间存在更强烈的氢键作用
【解析】 (3)过氧化氢的相对分子质量比水的相对分子质量大,题中强调过氧化氢的沸点明显高于水的,因此可判断过氧化氢分子之间存在着更为强烈的氢键作用。
(4)在冰晶体中除氢键外,还存在范德华力(11 kJ·mol-1)。已知冰的升华热是51 kJ·mol-1,则冰晶体中氢键的能量是 kJ·mol-1。
20
【解析】 (4)1 mol 冰升华吸收的总能量为51 kJ,克服范德华力吸收的能量为11 kJ,故克服氢键吸收的总能量为 40 kJ,而1 mol 冰中含有2 mol 氢键,故冰晶体中氢键的能量是20 kJ·mol-1。
