化学新课标选修3物质结构与性质第三章 晶体结构与性质第二节 分子晶体与原子晶体教案

本资料来自于资源最齐全的２１世纪教育网www.21cnjy.com
第二节 分子晶体与原子晶体
第一课时教 案
课题：第二节 分子晶体与原子晶体(1) 授课班级
课 时
教学目的 知识与技能 1、使学生了解分子晶体的组成粒子、结构模型和结构特点及其性质的一般特点。2、使学生了解晶体类型与性质的关系。3、使学生理解分子间作用力和氢键对物质物理性质的影响。4、知道一些常见的属于分子晶体的物质类别。
过程与方法 使学生主动参与科学探究，体验研究过程，激发他们的学习兴趣。
情感态度价值观
重 点 分子晶体的概念
难 点 氢键对物理性质的影响
知识结构与板书设计 第二节 分子晶体与原子晶体一、分子晶体1、分子晶体：(1) 定义:由分子构成。相邻分子靠分子间作用力相互吸引。(2) 构成微粒：分子(3) 微粒间的作用2、分子晶体特点：低熔点、升华、硬度很小，固体和熔融状态下都不导电。3、常见分子晶体分类：(1)所有非金属氢化物 (2)部分非金属单质， (3)部分非金属氧化物(4)几乎所有的酸(5)绝大多数有机物的晶体。4、分子晶体结构特点：（1）分子密堆积：① C60② 干冰：CO2的晶体。分子间存在范德华力，熔点低，易升华，制冷剂。（2）冰的晶体：氢键型晶体、每个水分子周围只有4个紧邻的水分子、正四面体形。特点：4℃密度最大。
教学过程
教学步骤、内容 教学方法、手段、师生活动
[引入]咱们在第二章中已学过分子间作用力，在必修中也学过离子键和共价键，有谁总结一下微粒间的作用力有哪些？（讨论）[师生共同总结]微粒间作用：微粒为分子：分子间作用力（或范德华力）或氢键；微粒为原子：极性共价键或非极性共价键；微粒为离子：离子键。[过渡]今天我们开始研究晶体中微粒间的作用力。[板书]第二节 分子晶体与原子晶体一、分子晶体[讲]只含分子的晶体称为分子晶体。如碘晶体只含I2分子，属于分子晶体。在分子晶体中，分子内的原子间以共价键结合，而相邻分子靠分子间作用力相互吸引。[板书]1、分子晶体：(1) 定义:由分子构成。相邻分子靠分子间作用力相互吸引。(2) 构成微粒：分子［讲］稀有气体为单原子分子。也是分子晶体[板书](3) 微粒间的作用［讲］分子间作用力，部分晶体中存在氢键。分子晶体采用密堆积。[设问]根据分子间作用力较弱的特点判断分子晶体的特性有哪些？参照表3-2。［投影］［讲］分子间作用力的大小决定了晶体的物理性质。分子晶体要熔化、要汽化都要克服分子间的作用力。分子的相对分子质量越大，分子间作用力越大，物质的熔沸点越高，硬度越大。比如氧气分子间作用力比氮气分子间作用力大，氧气沸点比氮气沸点高。工业上制氧气，就是先把空气液化，然后使液态空气蒸发，氮气首先从液态空气中蒸发出来，剩下的主要是液态氧气。由于分子间作用用很弱，克服分子间作用力使物质熔化、汽化所需要的能量较小，因此，分子晶体具有较低的熔沸点和较小的硬度。分子晶体熔化时，一般只破坏分子间作用力，不破坏分子内的化学键，但也有例外。如硫晶体熔化时，既破坏了分子间的作用力，同时部分S-S键断裂，形成更小的分子。[板书]2、分子晶体特点：低熔点、升华、硬度很小，固体和熔融状态下都不导电。［讲］根据相似相溶原理，非极性溶质一般能溶于非极性溶剂，极性溶质一般能溶于极性溶剂。[学生阅读]第二自然段，对常见的分子晶体归类。[板书]3、常见分子晶体分类：(1)所有非金属氢化物 (2)部分非金属单质， (3)部分非金属氧化物(4)几乎所有的酸(5)绝大多数有机物的晶体。[投影]图3-10氧和碳-60是分子晶体：[讲] 大多数分子晶体的结构有如下特征：如果分子间作用力只是范德华力，若以一个分子为中心，其周围通常可以有12个紧邻的分子，如图3—10，分子晶体的这一特征称为分子密堆积。[板书]4、分子晶体结构特点：（1）分子密堆积：［讲］只有范德华力，无分子间氢键——分子密堆积。这类晶体每个分子周围一般有12个紧邻的分子，如：C60 、干冰 、I2 、O2。分子密堆积属于面心立方结构。[板书]① C60［投影］［讲］C60 是由60个C原子组成的类似于足球的分子，由欧拉公式可推知该分子中有12个正五边形和20个正六边形。每个C原子与其他3个C原子紧邻成键，形成的总键数为90。 由于每个C原子可形成4个键，所以3个键中肯定有一个是双键，则其中的双键数为30 ,单键数为60。［知识拓展］欧拉公式　简单多面体的顶点数V、面数F及棱数E间有关系：　　V+F-E=2[讲]然而，分子间还有其他作用力的分子晶体，如我们最熟悉的冰，水分子之间的主要作用力是氢键(当然也存在范德华力)，从图3—11可见，在冰的晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的水分子。尽管氢键比共价键弱得多，不属于化学键，却跟共价键一样具有方向性，即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，密度反而增大，超过4℃时，才由于热运动加剧，分子间距离加大，密度渐渐减小。[讲]有一种晶体叫做干冰，是CO2的晶体，干冰的外观很像冰，硬度也跟冰相似，而熔点却比冰低得多，在常压下极易升华。而且，由于干冰中的CO2分子之间只存在范德华力不存在氢键，一个分子周围有12个紧邻分子，密度比冰的高。干冰在工业上广泛用作制冷剂。[板书]② 干冰：CO2的晶体。分子间存在范德华力，熔点低，易升华，制冷剂。[投影]干冰极其晶胞：［投影］［讲］每个CO2分子紧邻12个CO2分子（同层4个、上层4个、下层4个），三个互相垂直的平面上各4个。则此晶胞中的CO2分子数为4。大多数分子晶体具有这种结构特征。［讲］与密堆积相对的，是非密堆积。有分子间氢键——氢键具有方向性,使晶体中的空间利率不高,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（每个水分子周围只有4个紧邻的水分子）。[板书]（2）冰的晶体：氢键型晶体、每个水分子周围只有4个紧邻的水分子、正四面体形。特点：4℃密度最大。[投影]冰和液态水结构对比：［讲］水形成的晶体特征是所有水分子以氢键的结合一起形成链状或层状等结构。这属于氢键形晶体。当水形成冰晶体时，体积膨胀，密度减小。［思考与交流］已知氢键也有方向性，试分析为什么冬季河水总是从水面上开始结冰？［汇报］由于氢键的方向性，使冰晶体中每个水分子与四面体顶点的4个分子相互吸引，形成空隙较大的网状体，密度比水小，所以结的冰会浮在水面上［思考与交流］为什么冰融化为水时,密度增大？［汇报］在冰晶体中,每个分子周围只有4个紧邻的水分子,由于水分子之间的主要作用力是氢键,氢键跟共价键一样具有方向性,即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变,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,密度反而增大。［思考与交流］为何干冰的熔沸点比冰低，密度却比冰大？［汇报］由于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，所以熔沸点比干冰高。由于水分子间氢键的方向性，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，所以相同状况下冰体积较大。由于CO2 分子的相对分子质量>H2O ，所以干冰的密度大。[阅读]科学视野：天然气水合物—一种潜在的能源许多气体可以与水形成水合物晶体。最早发现这类水合物晶体的是19世纪初的英国化学家戴维，他发现氯可形成化学式为Cl2·8H20的水合物晶体。20世纪末，科学家发现海底存在大量天然气水合物晶体。这种晶体的主要气体成分是甲烷， 因而又称甲烷水合物。它的外形像冰，而且在常温常压下会迅速分解释放出可燃的甲烷，因而又称“可燃冰”………[随堂练习]第28届国际地质大会提供的资料显示，海底有大量的天然气水合物，可满足人类 1000年的能源需要。天然气水合物是一种晶体，晶体中平均每46个水分子构建成8个笼，每个笼可容纳五个CH4分子或1个游离H2O分子。根据上述信息，完成下两题：1、．下列关于天然气水合物中两种分子极性的描述正确的是A、两种都是极性分子 B、两种都是非极性分子C、CH4是极性分子，H2O是非极性分子 D、H2O是极性分子，CH4是非极性分子2、若晶体中每8个笼只有6个容纳了CH4分子，另外2个笼被游离H2O分子填充，则天然气水合物的平均组成可表示为A、CH4·14H2O B、 CH4·8H2O C、 CH4·(23/3)H2O D、 CH4·6H2O 解析：ＣＨ4分子为正四面体构型，是含有极性键的非极性分子，Ｈ２Ｏ分子为折线型，是极性分子。第1题D正确。第2题中ＣＨ4和Ｈ２Ｏ的个数比为6∶（46＋2）＝1∶8，Ｂ正确。
教学回顾：
第二节 分子晶体与原子晶体
第二课时教 案
课题：第二节 分子晶体与原子晶体(2) 授课班级
课 时
教学目的 知识与技能 1、掌握原子晶体的概念 2、了解金刚石等典型原子晶体的结构特征，能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的关系。
过程与方法
情感态度价值观
重 点 原子晶体的概念
难 点 氢键对物理性质的影响
知识结构与板书设计 二、原子晶体1、原子晶体：(1) 定义：原子都以共价键相结合，是三维的共价键网状结构。(2) 构成微粒：原子(3) 微粒间相互作用：共价键2、金刚石结构：正四面体网状空间结构，C--C--C夹角为109°28′，sp3杂化。3、SiO2原子晶体：制水泥、玻璃、宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维等。4、常见的原子晶体：(1)某些非金属单质，如硼(B)、硅(Si)和锗(Ge)等； (2)某些非金属化合物，如碳化硅(SiC，俗称金刚砂)、氮化硼(BN)等；(3)某些氧化物，如氧化铝(A12O3)等。5、原子晶体的特点：硬度最大、熔沸点高，难溶于水。
教学过程
教学步骤、内容 教学方法、手段、师生活动
[复习]分子晶体的有关内容。[过渡]下面我们学习微观空间里没有分子的晶体—原子晶体。[板书] 二、原子晶体[讲]有的晶体的微观空间里没有分子，原子晶体就是其中之一。在原子晶体里，所有原子都以共价键相互结合，整块晶体是一个三维的共价键网状结构，是一个“巨分子”，又称共价晶体。[板书]1、原子晶体：(1) 定义：原子都以共价键相结合，是三维的共价键网状结构。(2) 构成微粒：原子(3) 微粒间相互作用：共价键[投影]图3-14金刚石的多面体外型、晶体结构、晶胞示意图：［讲］原子晶体中只存在共价键，原子间全部通过共价键相结合。晶体中原子不遵循紧密堆积原则。晶体为立体空间网状结构。原子晶体中不存在单个分子。如SiO2代表硅原子和氧原子个数比为1：2，并不代表分子。[讲]金刚石是典型的原子晶体。天然金刚石的单一晶体经常呈现规则多面体的外形，在金刚石晶体中，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，C--C--C夹角为109°28′，即金刚石中的碳取sp3杂化轨道形成共价键。这些正四面体结构向空间发展，构成一个坚实的、彼此联结的空间网状结构。最小的碳环有6个碳原子。[板书]2、金刚石结构：正四面体网状空间结构，C--C--C夹角为109°28′，sp3杂化。［讲］每个C原子与4个C原子紧邻成键，由5个C原子形成正四面体结构单元，C-C键的夹角为109°28’ 。晶体中的最小环为六元环，每个C原子被12个六元环共有，每个C-C键被6个六元环共有，每个环所拥有的C原子数为1/2，拥有的C-C键数为1 ，则C原子数与C-C键数之比为1:2。 ［投影］[设问]金刚石的物理性质与C--C共价键参数有什么关系？[讲]金刚石里的C--C共价键的键长(154 pm)很短，键能(347．7kJ／mo1)很大，这一结构使金刚石在所有已知晶体中硬度最大，而且熔点(>3 550℃)也很高。高硬度、高熔点是原子晶体的特性。[讲]自然界里有许多矿物和岩石，化学式都是Si02，也是典型的原子晶体。SiO2具有许多重要用途，是制造水泥、玻璃、人造宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。[板书]3、SiO2原子晶体：制水泥、玻璃、宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维等。［投影］［讲］在SiO2晶体中，1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个Si原子周围结合4个O原子开成4个共价键，每个Si原子周围结合成4个O原子；同时，每个O原子跟2个Si原子相结合。实际上，SiO2晶体由Si原子和O原子按1：2的比例所组成的立体网状的晶体。最小的环上有12个原子。[投影]以二氧化硅为原料的高科技产品：[讲]常见的原子晶体。[板书]4、常见的原子晶体：(1)某些非金属单质，如硼(B)、硅(Si)和锗(Ge)等； (2)某些非金属化合物，如碳化硅(SiC，俗称金刚砂)、氮化硼(BN)等；(3)某些氧化物，如氧化铝(A12O3)等。[板书]5、原子晶体的特点：硬度最大、熔沸点高，难溶于水。［讲］原子晶体的熔沸点取决于共价键的键长和键能，键能越大，键长越短，共价键越强，熔沸点越高，如金刚石>金刚砂>晶体硅。有时键能的大小、键长的长短是可直接通过形成共价键的非金属原子所属元素的电负性来判断的。[学与问]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原子晶体”。这种说法对吗 为什么 ［汇报］1、由于金刚石、硅和锗的晶体都是原子晶体，形成晶体的粒子均为原子，粒子间的相互作用是共价键，所以熔沸点和硬度的大小由共价键的强弱决定。由于碳、硅、锗三种原子的半径依次增大，各个原子之间的共价键的键长依次增大，键的强度依次减弱，所以金刚石、硅和锗的熔点和硬度依次下降。2、此说法不对。“具有共价键”并不是原子晶体判定的唯一条件，分子晶体的分子内部也有共价键，如冰和干冰晶体都是分子晶体，但H2O和CO2中存在共价键。[自学1]资料卡片—某些原子的熔点和硬度“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划痕硬度，即摩氏硬度，以固体互相刻划时出现刻痕的固体的硬度较低。全刚石不能被任何天然矿物刻划出封痕，因而是最硬的。以金刚石的硬度为10，以另9种天然矿物为代表，可将摩氏硬度分为十度， 原子晶体金刚石 氮化硼 碳化硅 氧化铝 石英 硅 锗 熔点／℃ 3900 3000 2 700 2030 1710 1410 1211 硬度° 10 9．5 9．5 9 7 6．5 6．0[自学2]科学视野—金刚石经过琢磨的金刚石称为钻石，透光度高，纯净的金刚石无色透明，含杂质则呈蓝、黄、棕、绿、黑等色。习惯上钻石的质量按克拉计算(1克拉等于200mg)，超过lo克拉就被视为珍品，至今最大的金刚石是“非洲之星”，发现于1906年，质量为3 025克拉。我国发现的最大金刚石是281.25克拉的“金鸡钻”(发现于1937年)，被日本侵略者掠去，至今下落不明。……［投影］［小结］由于共价键既不同于金属键，又不同于离子键；它本身既具有饱和性，又具有方向性。共价键的饱和性和方向性在晶体结构中表现出十分明显的决定作用。首先，在这种类型晶体中，微粒的配位数由具有饱和性的键的数量所定的。其次，原子间的联结(键合)，都必须采取一定的方向。这样就从根本上确定了晶体结构的空间构型。可见原子晶体的结构特征是键有饱和性和方向性，它也决定了原子晶体配位数一般比金属晶体或离子晶体的都要小。毫无疑问，原子晶体的结构特征也必决定这类晶体性质的特殊性。由于原子晶体内键的饱和性和方向性，决定了这类晶体不具有延展性和良好的导电性、导热性。又由于共价键的结合力比离子键的结合力强，一般来说其硬度较大、熔沸点较高。[随堂练习] 1996年诺贝化学奖授予对发现C60有重大贡献的三位科学家。C60分子是形如球状的多面体（如下图所示）， 该结构的建立基于以下考虑： ①C60分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键； ②C60分子只含有五边形和六边形； ③多面体的顶点数、面数和棱边数的关系，遵循欧拉定理：顶点数+面数－棱边数=2 据上所述,可推知C60分子有12个五边形和20个六边形，C60分子所含的双键数为30。 请回答下列问题： （1）固体C60与金刚石相比较，熔点较高者应是________，理由是：_____________。 （2）试估计C60跟F2在一定条件下，能否发生反应生成C60F60(填“可能”或“不可能”)_________________，并简述其理由：______________。 （3）通过计算,确定C60分子所含单键数。C60分子所含单键数为____________。 （4）C70分子也已制得，它的分子结构模型可以与C60同样考虑而推知。通过计算确定C70分子中五边形和六边形的数目。 C70分子中所含五边形数为____________，六边形数为_________。 解答:（1）金刚石；金刚石属原子晶体，而固体C60不是，故金刚石熔点较高。 （2）可能； 因C60分子含30个双键，与极活泼的F2发生加成反应即可生成C60F60 （只要指出“C60含30个双键”即可） （3）依题意，C60分子形成的化学键数为：1/2(3×60)=90 ,也可由欧拉定理计算键数(即棱边数)：60+(12+20)－2=90 C60分子中单键为：90－30=60 [答“2×30（双键数）=60即可] （4）设C70分子中五边形数为x，六边形数为y。依题意可得方程组：解得：五边形数x=12，六边形数y=25
教学回顾：
第二节 分子晶体与原子晶体
第三课时
教 案
课题：第二节 分子晶体与原子晶体(3) 授课班级
课 时
教学目的 知识与技能 能够区分原子晶体和分子晶体。
过程与方法
情感态度价值观
重 点 晶体类型与性质之间的关系
难 点 分子晶体、原子晶体的结构特点
教学过程
教学步骤、内容 教学方法、手段、师生活动
［引入］自然界中有很多晶体存在，它们有不同的光泽、不同的外观，还有不同的熔沸点和硬度、密度，千变万化的晶体世界是由于晶体的不同的结合方式而产生性质上的差异性。［讲］今天我们在学习了原子晶体和分子晶体的基础上，来学习一种特殊的分子晶体----石墨晶体［板书］石墨晶体［讲］石墨晶体是层状片层结构，在每一层中，碳原子排列成六边形，一个个六边形排列成平面的网状结构，每一个碳原子都跟其他三个碳原子相结合。在同一层内，相信的碳原子以共价键相结合，层与层之间以分子间作用力相结合。［投影］［讲］在石墨晶体中，层与层之间是以范德华力结合，同层之间是C原子与C原子以共价键结合成的平面网状结构，故石墨为混合型晶体或过渡型晶体。在同层结构中，每个C原子与3个C原子紧邻成C-C键，键角为120°，其中最小的环为六元环，每个C原子被3个六元环共有，每个C-C键被2个六元环共有；每个六元环拥有的C原子数为2，拥有的C-C键数为3，则C原子数与C-C键数之比为2：3。［讲］石墨晶体不是原子晶体，而是原子晶体与分子晶体之间的一种过渡型晶体。由于石墨结构的特殊性，它的物理性质为熔点很高，有良好的导电性，还可作润滑剂。［思考与交流］1、石墨为什么很软？2、石墨的熔沸点为什么很高（高于金刚石）？［汇报］1、石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，容易滑动，所以石墨很软。2、石墨各层均为平面网状结构，碳原子之间存在很强的共价键（大π键），故熔沸点很高［过］下面，我们将原子晶体与分子晶体的知识做一下总结比较［思考与交流］以金刚石为例，说明原子晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同？［汇报］组成微粒不同，原子晶体中只存在原子，没有分子。相互作用不同，原子晶体中存在的是共价键。［思考与交流］为何CO2 熔沸点低？而破坏CO2 分子却比SiO2 更难？［汇报］因为CO2 是分子晶体，SiO2是原子晶体，所以熔化时CO2 是破坏范德华力而SiO2 是破坏化学键。所以SiO2熔沸点高。破坏CO2 分子与SiO2时，都是破坏共价健，而C-O键能>Si-O键能，所以CO2 分子更稳定。［投影小结］原子晶体与分子晶体的比较晶体类型原子晶体分子晶体概念相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体分子间以分子作用力相结合的晶体组成微粒原子分子微粒间作用力共价键分子间作用力熔沸点很高较低硬度很大较小溶解性不溶于任何溶剂部分溶于水导电性不导电，个别为半导体不导电，部分溶于水导电熔化时破坏的作用力破坏共价键一定破坏分子间作用力(有时还破坏氢键)实例金刚石干冰［问］那么，又如何对分子晶体和原子晶体进行判断呢？通常的方法有如下几种［小结］非金属单质是原子晶体还是分子晶体，可从以下角度进行分析判断：（1）依据组成晶体的粒子和粒子间的作用判断 原子晶体的粒子是原子，质点间的作用是共价键 分子晶体的粒子是分子，质点间的作用是分子间作用力和氢键。（2）记忆常见的、典型的原子晶体 a、单质：金刚石、晶体硅、晶体硼 b、化合物：SiO2 、SiC、BN（3）依据晶体的熔点判断原子晶体熔、沸点高，常在1000℃以上；分子晶体熔、沸点低，常在数百度以下至很低的温度。（4）依据导电性判断 分子晶体为非导体，但部分分子晶体溶于水后能导电； 原子晶体多数为非导体，但晶体硅、晶体锗是半导体。（5）依据硬度和机械性能判断 原子晶体硬度大，分子晶体硬度小且较脆。
教学回顾：
面心立方
a
SiO2平面结构
21世纪教育网 -- 中国最大型、最专业的中小学教育资源门户网站。 版权所有@21世纪教育网