(共38张PPT)
第二节 分子晶体与共价晶体
素养目标
1.结合常见的共价分子的实例,认识物质的构成微粒、微粒间相互作用与物质性质的关系,培养宏观辨识与微观探析的核心素养。
2.借助分子晶体、共价晶体等模型认识晶体的结构特点,培养证据推理与模型认知的核心素养。
知识铺垫
必备知识
正误判断
1.干冰是一种常见的灭火剂,其成分为CO2,干冰用于灭火的原因是其易升华,该过程中吸收大量的热,且CO2不支持燃烧。
2.水晶的主要成分是SiO2,水晶是具有空间网状结构的物质。
3.H2S的沸点比H2O低,其主要原因是水分子间存在氢键。
知识铺垫
必备知识
正误判断
一、分子晶体
1.特点
(1)构成微粒及微粒间的作用力。
(2)微粒堆积方式。
①若分子间作用力只有范德华力,则分子晶体有分子密堆积特征,即每个分子周围有12个紧邻的分子。
②若分子间还含有其他作用力,如氢键,则每个分子周围紧邻的分子要少于12个。如冰中每个水分子周围只有4个紧邻的水分子。
知识铺垫
必备知识
正误判断
2.分子晶体与物质的类别
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、P4O10、SO2、SO3等
几乎所有的酸
HNO3、H2SO4、H3PO4等
绝大多数有机物
苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等
知识铺垫
必备知识
正误判断
3.两种典型分子晶体的组成和结构
(1)干冰。
①每个晶胞中均摊4个CO2分子,含有12个原子。
②每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为12个。
(2)冰。
①水分子之间的作用力有范德华力、氢键,但主要是氢键。
②由于氢键具有方向性,使四面体中心的每个水分子与四面体顶点的4个相邻的水分子相互吸引。
知识铺垫
必备知识
正误判断
【微思考1】水结冰时,为什么冰浮在水面上?
提示:水分子间存在氢键,当水结冰时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,形成空隙较大的空间网状结构,导致冰的密度比水小,所以结的冰浮在水面上。
知识铺垫
必备知识
正误判断
二、共价晶体
1.结构特点
(1)构成微粒及作用力。
(2)空间结构:整块晶体是一个三维的共价键网状结构,不存在单个的小分子,是一个“巨分子”,又称共价晶体。
(3)常见的共价晶体:
①某些单质,如金刚石(C)、硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)和灰锡(Sn)等;
②某些非金属化合物,如碳化硅(SiC,俗称金刚砂)、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)等。
知识铺垫
必备知识
正误判断
2.典型共价晶体的结构
(1)金刚石晶体的结构特点:
①在晶体中每个碳原子以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晶体中碳碳键之间的夹角为109°28',碳原子采取了sp3杂化。
③最小环上有6个碳原子。
知识铺垫
必备知识
正误判断
(2)SiO2的结构特点:把金刚石晶体中的碳原子换为硅原子,每两个硅原子之间增加一个氧原子,即形成SiO2的晶体结构。
【微思考2】碳和硅同一主族,它们的氧化物CO2和SiO2,为什么物理性质差异很大?
提示:CO2的晶体是分子晶体,晶体中CO2分子之间通过范德华力相结合,每个CO2分子是由一个碳原子和两个氧原子构成的。SiO2是原子晶体,硅原子和氧原子之间通过共价键相互结合形成空间网状结构,晶体中不存在小分子。
知识铺垫
必备知识
正误判断
1.分子晶体中一定存在共价键。
( )
2.干冰升华的过程中破坏了共价键。( )
3.二氧化硅和干冰虽然是同一主族元素形成的氧化物,但属于不同的晶体类型。( )
4.分子晶体的熔、沸点比较低,共价晶体的熔、沸点比较高。
( )
5.含有共价键的晶体都是共价晶体。( )
6.SiO2是二氧化硅的分子式。( )
答案:1.× 2.× 3.√ 4.√ 5.× 6.×
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
分子晶体与氢键
问题探究
观察下图冰和干冰的晶体结构,回答下列问题:
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
(1)为什么干冰的熔点比冰低而密度却比冰大?
提示:冰中水分子间除了范德华力外还有氢键作用,而干冰中CO2分子间只有范德华力,所以冰的熔点比干冰高。由于水分子间形成的氢键具有方向性,导致冰晶体不具有分子密堆积特征,晶体中有较大的空隙,所以相同状况下冰的密度较小。由于干冰中CO2分子采取密堆积方式形成晶体,所以干冰的密度较大。
(2)干冰升华过程中破坏共价键吗?
提示:干冰升华过程中只破坏范德华力,不破坏共价键。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
深化拓展
1.分子晶体是分子通过分子间作用力形成的晶体,熔化时,只破坏分子间作用力而不破坏分子内的化学键。
2.少数以氢键作用形成的分子晶体,比一般的分子晶体的熔点高。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、糖等物质的熔点相对较高。
3.结构相似且分子之间不含氢键而利用范德华力形成的分子晶体,随着相对分子质量的增大,物质的熔点逐渐升高。例如,常温下Cl2为气态,Br2为液态,而I2为固态;CO2为气态,CS2为液态。
4.相对分子质量相等或相近的极性分子构成的分子晶体,其熔点一般比非极性分子构成的分子晶体的熔点高,如CO的熔点比N2的熔点高。
5.相对分子质量相同的烷烃同分异构体,一般支链越多,分子间相互作用越弱,熔、沸点越低。如熔、沸点:正戊烷>异戊烷>新戊烷。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
素能应用
典例1下列有关冰和干冰的叙述不正确的是( )
A.干冰和冰都是由分子密堆积形成的晶体
B.冰晶体中,每个水分子周围只有4个紧邻的水分子
C.干冰比冰的熔点低得多,常压下易升华
D.干冰中CO2分子间只存在范德华力,不存在氢键,一个分子周围有12个紧邻的分子
答案:A
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
解析:干冰晶体中,CO2分子间作用力只是范德华力,分子采取密堆积,一个分子周围有12个紧邻的分子;冰晶体中水分子间除了范德华力之外还存在氢键,由于氢键具有方向性和饱和性,故每个水分子周围只有4个紧邻的水分子,采取非密堆积的方式,空间利用率小,因而密度小。干冰熔化只需克服范德华力,冰融化需要克服范德华力和氢键,由于氢键作用力比范德华力大,所以干冰比冰的熔点低得多,而且常压下易升华。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练1-1在学习分子晶体后,某化学兴趣小组的同学查阅了几种氯化物的熔、沸点,记录如下:
根据这些数据分析,你认为属于分子晶体的是( )
A.NaCl、MgCl2、CaCl2
B.AlCl3、SiCl4
C.NaCl、CaCl2
D.全部
氯化物
NaCl
MgCl2
AlCl3
SiCl4
CaCl2
熔点/℃
801
712
190
-68
782
沸点/℃
1
465
1
418
230
57
1
600
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
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;由表中数据可知,MgCl2、NaCl、CaCl2熔、沸点较高,故不属于分子晶体;AlCl3、SiCl4熔、沸点较低,应为分子晶体。B项符合题目要求。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练1-2SiCl4的分子结构与CCl4类似,对其作出的如下推断正确的是( )
①SiCl4晶体是分子晶体 ②常温、常压下SiCl4是液体 ③SiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子 ④SiCl4的熔点高于CCl4
A.只有①
B.只有①②
C.只有②③
D.①②③④
答案:D
解析:CCl4在常温下是液体,形成的晶体是分子晶体,而SiCl4的结构与CCl4相似,都是由极性键形成的非极性分子,故SiCl4形成的晶体也是分子晶体。由于相对分子质量SiCl4>CCl4,故SiCl4的熔点高于CCl4。
探究1
探究2
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分子晶体与共价晶体的比较
问题探究
(1)分析金刚石、二氧化硅的晶体结构模型,判断共价晶体的化学式是否可以代表其分子式?
提示:不能。因为共价晶体是一个三维的空间网状结构,晶体中无小分子存在。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
(2)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构成微粒不同,共价晶体中只存在原子,没有小分子。②微粒间的相互作用不同,共价晶体中原子之间通过共价键结合,分子晶体中分子之间的作用是分子间作用力。
(3)分析二氧化硅晶体结构模型,判断晶体中最小的环上有多少个原子?1
mol
SiO2中含有多少摩尔Si—O键?
提示:SiO2晶体中最小环上有12个原子;1
mol
SiO2中含有4
mol
Si—O键。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
深化拓展
1.分子晶体与共价晶体的比较
晶体类型
分子晶体
共价晶体
定 义
相邻分子通过分子间作用力结合形成的晶体
相邻原子间以共价键结合而形成的三维网状结构的晶体
构成微粒
分子或原子(稀有气体)
原子
微粒间的
作用力
分子间作用力(氢键、范德华力)
共价键(极性键、非极性键)
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
晶体类型
分子晶体
共价晶体
物理性质
熔点
较低
很高
硬度
较小
很大
导电性
固态和熔融时都不导电,但某些分子晶体溶于水能导电,如HCl
固态和熔融时一般都不导电,但Si、Ge为半导体
溶解性
相似相溶
难溶于一般溶剂
影响熔点高低的因素
分子间作用力的强弱
共价键的强弱
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
晶体类型
分子晶体
共价晶体
典型实例
除共价晶体外的绝大多数非金属单质、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
①某些单质:金刚石、晶体硅、硼、锗、灰锡等。
②某些非金属化合物:SiO2、SiC、BN、Si3N4等
探究1
探究2
素养脉络
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2.分子晶体和共价晶体的判断方法
(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1
000
℃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。
(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;原子晶体多数为非导体,但晶体硅、锗是半导体。
探究1
探究2
素养脉络
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素能应用
典例2硅是一种重要的非金属单质,硅及其化合物的用途非常广泛。根据所学知识回答硅及其化合物的相关问题。
(1)基态硅原子的核外电子排布式为
。?
(2)晶体硅的微观结构与金刚石相似,晶体硅中Si—Si键之间的夹角大小为 。?
(3)请在框图中补充完成SiO2晶体的结构示意图(部分原子已画出),并进行必要的标注。
探究1
探究2
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随堂检测
(4)根据下表中三种物质(晶体)的熔点回答以下问题。
简要解释熔点产生差异的原因:
①SiO2和SiCl4:??
。?
②SiCl4和SiF4:??
。?
物质
SiO2
SiCl4
SiF4
熔点/℃
1
710
-70.4
-90.2
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
答案:(1)1s22s22p63s23p2 (2)109°28'
(3)如图所示
(4)①SiO2是共价晶体,微粒间作用力为共价键;SiCl4是分子晶体,分子间作用力为范德华力,故SiO2熔点高于SiCl4 ②SiCl4和SiF4均为分子晶体,分子间作用力均为范德华力,根据分子结构相似的物质,相对分子质量越大,范德华力越大,可知SiCl4熔点高于SiF4
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
解析:(2)晶体硅以一个硅原子为中心,与另外4个硅原子形成正四面体结构,所以Si—Si键之间的键角为109°28'。(3)图中给出的是硅晶体的结构,SiO2晶体相当于在硅晶体结构中的每个Si—Si键中“插入”一个氧原子,所以只要在上述每两个硅原子之间画一个半径比硅原子小的原子,再用实线连起来即可。(4)不同类型的晶体,其熔点具有较大的差别,一般共价晶体的熔点高,而分子晶体的熔点低。
规律总结
共价晶体具有三维网状结构,是一个“巨分子”;共价晶体的化学式不表示分子的实际组成,只表示组成原子的个数比;由原子构成的晶体不一定是共价晶体,如由稀有气体的原子组成的晶体属于分子晶体;共价晶体中不存在范德华力。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练2-1碳化硅(SiC)是一种晶体,具有类似于金刚石的结构,其中C原子和Si原子的位置是交替排列的。有下列三种晶体:①金刚石 ②晶体硅 ③碳化硅,它们的熔点从高到低的顺序是( )
A.①③②
B.②③①
C.③①②
D.②①③
答案:A
解析:C与Si同为第ⅣA族元素,三种晶体的相似性表现在金刚石是共价晶体,晶体硅、碳化硅也是共价晶体。根据硅的原子半径比碳大,可知Si—Si键的键能比C—C键小,而C—Si键键能应在二者之间,三种共价晶体空间结构相似,熔点取决于它们的键长与键能大小,故熔点从高到低分别是金刚石、碳化硅、晶体硅,正确答案为A。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练2-2有下列几种晶体:A.水晶;B.冰醋酸;C.白磷;D.金刚石;E.晶体氩;F.干冰。
(1)属于分子晶体的是 ,直接由原子构成的分子晶体是 。?
(2)属于共价晶体的化合物是 。?
(3)直接由原子构成的晶体是 。?
(4)受热熔化时,需克服共价键的是 。?
答案:(1)BCEF E (2)A (3)ADE (4)AD
解析:不同晶体的构成微粒不同,分子晶体由分子构成,共价晶体中无分子。分子晶体有B、C、E、F,注意晶体氩是由单原子分子构成的分子晶体;共价晶体和稀有气体形成的晶体都是由原子直接构成的;共价晶体有A、D,但属于化合物的只有A;分子晶体熔化时一般不破坏化学键;共价晶体熔化时,破坏共价键。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
1.下列各组物质各自形成的晶体中,均属于分子晶体的化合物是( )
A.NH3、HD、C8H10
B.PCl3、CO2、H2SO4
C.SO2、SO3、C60
D.CCl4、Na2S、H2O2
答案:B
解析:A项中HD是单质,不是化合物;C项中C60是单质,不是化合物;D项中Na2S是盐,不是分子晶体。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
2.下列说法正确的是( )
A.共价晶体中只存在非极性共价键
B.因为HCl的相对分子质量大于HF,所以HCl晶体的熔点高于HF
C.干冰升华时,分子内共价键不会发生断裂
D.金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合物
答案:C
解析:共价晶体中可能存在极性共价键,如SiO2、SiC等,A项不正确;HF晶体中存在氢键,熔点高于HCl晶体,B项不正确;干冰升华是物理变化,分子间作用力被破坏,但分子内共价键不断裂,C项正确;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,也可能是共价化合物,如AlCl3等,D项不正确。
探究1
探究2
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3.水的状态除了气态、液态和固态外,还有玻璃态。它是由液态水急速冷却到165
K时形成的,玻璃态的水无固定形状,不存在晶体结构,且密度与普通液态水的密度相同,有关玻璃态水的叙述正确的是( )
A.水由液态变为玻璃态,体积缩小
B.玻璃态水具有固定的熔点
C.玻璃态是水的一种特殊状态
D.玻璃态水是分子晶体
答案:C
解析:由玻璃态水的密度与普通液态水的密度相同,可知质量相同时体积相同,A错误;玻璃态的水不是晶体,则无固定的熔点,B错误;由水的状态除了气态、液态和固态外,还有玻璃态,可知玻璃态是水的一种特殊状态,C正确;玻璃态的水无固定形状,不是分子晶体,D错误。
探究1
探究2
素养脉络
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4.(双选)下列各组晶体状态的物质中,化学键类型相同,晶体类型也相同的是( )
A.SiO2和SO3
B.晶体硼和HCl
C.晶体硅和金刚石
D.硫黄和碘
答案:CD
解析:属于分子晶体的有SO3、HCl、硫黄和碘;属于共价晶体的有SiO2、晶体硼、晶体硅和金刚石。C、D两项符合题目要求。
探究1
探究2
素养脉络
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5.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组物质属于 晶体,其熔化时克服的微粒间的作用力是 。?
(2)B组物质中HF熔点比HCl、HBr高是由于?
。?
(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
A组
熔点/℃
B组
熔点/℃
金刚石
>3
550
HF
-83
晶体硅
1
410
HCl
-115
晶体硼
2
300
HBr
-89
二氧化硅
1
710
HI
-51
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
答案:(1)共价 共价键
(2)HF分子间能形成氢键,熔化时需要消耗的能量更多 (3)③④
解析:A组物质熔点很高,应是共价晶体,共价晶体熔化时破坏的是共价键;B组物质形成的晶体是分子晶体,且结构相似,一般情况下相对分子质量越大,熔点越高,HF的相对分子质量最小但熔点比HCl、HBr高的原因是HF分子间可形成氢键,HF熔化时除了破坏范德华力外,还要破坏氢键,所需能量更高,因而熔点更高;分子晶体在固态时和熔化状态时都不导电。第二节 分子晶体与共价晶体
课后篇素养形成
夯实基础轻松达标
1.下列关于共价晶体和分子晶体的说法不正确的是
( )
A.共价晶体硬度通常比分子晶体大
B.共价晶体的熔点较高
C.有些分子晶体的水溶液能导电
D.金刚石、水晶和干冰都属于共价晶体
答案D
解析由于共价晶体中粒子间以共价键结合,而分子晶体中分子间以分子间作用力结合,故共价晶体比分子晶体的熔点高,硬度大;有些分子晶体溶于水后能电离出自由移动的离子而导电,如H2SO4、HCl;D选项中的干冰(固态CO2)是分子晶体,D错误。
2.下列晶体中,其中任何一个原子都被相邻四个原子包围,以共价键形成正四面体,并向空间伸展成网状结构的是( )
A.C60
B.冰
C.金刚石
D.水晶
答案C
解析C60和冰都是分子晶体,A、B两项均不符合题意;金刚石和水晶都是共价晶体,在金刚石中,每个碳原子周围都有四个等距离的碳原子与之形成正四面体结构,C项符合题意;在水晶中,每个硅原子与四个氧原子以共价键相连形成正四面体结构,但是每个氧原子只与两个硅原子直接相连,D项不符合题意。
3.我们可以将SiO2的晶体结构想象为:在晶体硅的Si—Si键之间插入O原子。根据SiO2晶体结构图,下列说法不正确的是( )
A.石英晶体中每个Si原子通过Si—O极性键与4个O原子作用
B.每个O原子通过Si—O极性键与2个Si原子作用
C.石英晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2,可用“SiO2”来表示石英的组成
D.在晶体中存在石英分子,故“SiO2”可以叫做分子式
答案D
解析晶体硅的结构是五个硅原子形成正四面体结构,其中有一个位于正四面体的中心,另外四个位于四面体的顶点;SiO2的结构为每个硅原子周围有四个氧原子,而每个氧原子周围有两个硅原子,在晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2,“SiO2”仅表示石英中Si、O原子个数比,没有单个的SiO2分子。
4.AB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构成的晶体为在一维、二维或三维空间中的结构,且在空间中微粒通过化学键相互连接,故它们不可能是分子晶体;而②③所示结构都不以化学键与其他结构结合,故可能为分子晶体。
5.如图是冰的晶胞示意图,冰以此为单位向空间延伸,则冰中的每个水分子均摊氢键( )
A.2个 B.4个
C.8个 D.12个
答案A
解析每个水分子中的氧原子上含有两对孤电子对,可以分别与另外两个水分子形成2个氢键;每个水分子含有两个氢原子,也可以分别与另外两个水分子形成2个氢键;不过每个氢键都为两个水分子所共有,因而每个水分子均摊氢键数为4×=2。
6.根据下列性质判断,属于共价晶体的物质是( )
A.熔点为2
700
℃,导电性好,延展性强
B.无色晶体,熔点为3
550
℃,不导电,质硬,难溶于水和无机溶剂
C.无色晶体,能溶于水,质硬而脆,熔点为800
℃,熔化时能导电
D.熔点为-56.6
℃,微溶于水,硬度小,固态或液态时不导电
答案B
解析因为共价晶体中原子与原子之间以共价键结合,共价键的作用比较强,使共价晶体质硬而脆;B项符合共价晶体的特征。
7.X是核外电子数最少的元素,Y是地壳中含量最丰富的元素,Z在地壳中的含量仅次于Y,W可以形成自然界中硬度最大的共价晶体。下列叙述错误的是( )
A.WX4是沼气的主要成分
B.固态X2Y是分子晶体
C.ZW是共价晶体
D.ZY2的水溶液俗称“水玻璃”
答案D
解析氢原子的核外只有一个电子,X为氢元素;地壳中含量前两位的元素是氧、硅,故Y和Z分别是氧和硅;金刚石是自然界中硬度最大的物质,W元素是碳元素。CH4是沼气的主要成分,A项正确;H2O形成的晶体为分子晶体,B项正确;SiC结构与金刚石相似,C项正确;水玻璃是Na2SiO3的水溶液,D项错误。
8.下列各组物质的熔点按由高到低的次序排列,其中熔点高低均与键能大小有关的是( )
A.钠、干冰
B.金刚石、晶体硅
C.碘化氢、溴化氢
D.二氧化硅、二氧化碳
答案B
解析干冰为分子晶体,熔点较低,是由于分子间作用力弱,而不是因为键能小,A错误;晶体硅、金刚石都为共价晶体,原子半径C
HBr,C错误;二氧化碳形成的是分子晶体,其熔点低是由于分子间作用力小,熔点低不是由键能引起的,D错误。
9.碳元素的单质有多种,下图依次是C60、石墨和金刚石的结构图:
回答下列问题:
(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质,它们互为 。?
(2)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化方式分别为 、 。?
(3)C60属于 晶体,石墨属于 晶体。?
(4)石墨晶体中,层内C—C键的键长为142
pm,而金刚石中C—C键的键长为154
pm。金刚石中只存在碳碳间的 共价键,而石墨层内的碳碳之间不仅存在 共价键,还有 键。?
答案(1)同素异形体 (2)sp3 sp2
(3)分子 混合 (4)σ σ π(或大π)
解析(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质,它们的组成相同,结构不同、性质不同,互为同素异形体。(2)金刚石中每一个碳原子与相邻四个碳原子通过4个共价单键(碳原子采取sp3杂化)结合形成正四面体结构;石墨中的碳原子采用sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以σ键结合,形成正六边形的平面层状结构。
(3)C60的构成微粒是C60分子,所以属于分子晶体;石墨层内原子间以共价键结合,层与层之间通过范德华力结合,所以石墨属于混合晶体。
(4)在金刚石中只存在碳碳之间的σ键;石墨层内的碳原子之间不仅存在σ键,还存在π键。
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1.(双选)下列物质的沸点变化顺序正确的是( )
A.CH4B.NH3C.H2O>H2S>H2Se>H2Te
D.HF>HI>HBr>HCl
答案AD
解析同主族元素形成的气态氢化物的分子结构和性质相似,且相对分子质量随着原子序数增大而增大。一般情况下,范德华力随着相对分子质量的增大而增大;但由于氨、水和HF分子间分别可以形成氢键,所以其沸点在同主族元素气态氢化物中最高,故B、C两项错误,A、D正确。
2.干冰晶胞结构如图所示,即8个CO2分子占据立方体的顶点,且在6个面的中心又各有1个CO2分子。在每个CO2分子周围距离a(其中a为立方体棱长)的CO2分子有( )
A.4个
B.8个
C.12个
D.6个
答案C
解析根据题图,在每个CO2分子周围距离a的CO2分子,即为每个面心上的CO2分子,共有8×3×=12个,故C正确。
3.BeCl2熔点较低,易升华,可溶于醇和醚,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
解析由BeCl2熔点较低、易升华、可溶于醇和醚可知BeCl2晶体为分子晶体,分子晶体熔融状态下不导电,A项正确;根据BeCl2化学性质与AlCl3相似,由于AlCl3溶液中的Al3+能发生水解:Al3++3H2OAl(OH)3+3H+,使溶液显酸性,可知BeCl2水溶液应显酸性,B错误;BeCl2和BeBr2形成的晶体都是分子晶体,且二者结构相似,故熔、沸点随着相对分子质量的增大逐渐升高,C错误;由AlCl3能与NaOH溶液反应可知BeCl2也能与NaOH溶液反应,D错误。
4.(2020天津南开中学高二检测)已知氮化碳晶体是新发现的高硬度材料,且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于该晶体的说法错误的是( )
A.氮化碳属于共价晶体,比金刚石的硬度更大
B.该晶体中每个碳原子与4个氮原子相连,每个氮原子与3个碳原子相连,氮化碳的化学式为C3N4
C.该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构
D.该晶体与金刚石相似,都是原子间以非极性键形成空间网状结构
答案D
解析氮化碳为高硬度材料且是由非金属元素组成,因此该晶体应为共价晶体。又因为C—C键键长大于C—N键键长,故C—N键的键能大于C—C键,硬度更大的是氮化碳,A项正确;每个C原子与4个N原子形成共价单键,每个N原子与3个C原子形成共价单键,C原子和N原子的最外层都达到8电子稳定结构,所以氮化碳的化学式为C3N4,N的非金属性强于C的非金属性,氮化碳中C显+4价,N显—3价,B和C均正确;氮化碳晶体原子间以N—C极性键形成空间网状结构,D不正确。
5.石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体(结构如图)。下列有关说法正确的是( )
A.固态时,碳的各种单质的晶体类型相同
B.石墨烯中含有极性共价键
C.从石墨中剥离石墨烯需要破坏化学键
D.石墨烯具有导电性
答案D
解析碳形成的晶体有多种,如石墨、金刚石、C60等,其中金刚石为共价晶体,C60为分子晶体,A错误;石墨烯中含有的C—C键为非极性共价键,B错误;石墨晶体中,层与层之间的作用力为范德华力,从石墨中剥离出石墨烯需要破坏范德华力,C错误;石墨烯具有石墨的性质,具有导电性,D正确。
6.钻石的魅力在于它经过大自然千百万年的孕育,再经打磨,能放射出闪烁的光芒,钻石就是经过打磨的金刚石。已知金刚石的网状结构如图所示,由此可看出在含有共价键形成的碳原子环中,其中形成最小的环所需碳原子数及任意两个C—C键间的夹角是( )
A.6个 120°
B.5个 108°
C.4个 109°28'
D.6个 109°28'
答案D
解析根据金刚石的晶体结构特点可知,最小环上碳原子数为6个,每个碳原子与相连的4个碳原子形成正四面体结构,因而任意两个C—C键的夹角为109°28'。
7.C元素和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的相似,其中C原子的杂化方式为 ,微粒间存在的作用力是 ,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原子间不能形成π键。从原子半径大小的角度分析,为何C、O原子间能形成π键,而Si、O原子间不能形成π键: 。?
SiO2属于 晶体,CO2属于 晶体,所以熔点CO2 SiO2(填“<”“=”或“>”)。?
(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅、CO2四种晶体的构成微粒分别是 ,熔化时克服的微粒间的作用力分别是 。?
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轨道肩并肩重叠程度较小,故不能形成稳定的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)晶体硅中一个硅原子周围与4个硅原子相连形成正四面体结构,所以硅原子的杂化方式是sp3;因为Si—C键的键长小于Si—Si键的键长,所以熔点高低是:碳化硅>晶体硅。
(2)SiO2为共价晶体,CO2为分子晶体,所以熔点高低是:SiO2>CO2。
(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅均为共价晶体,构成微粒为原子,熔化时破坏共价键;CO2为分子晶体,由分子构成,CO2分子间以分子间作用力结合。
8.下表是元素周期表中短周期的一部分,表中所列字母分别代表一种元素。
(1)上述元素形成的单质中熔点最高的可能是 (填字母);dh4比gh4稳定,其原因是 ?
。?
(2)f和a所形成的物质的沸点在f相应主族元素的同类型化合物中比较高,其原因是 。?
(3)f的简单氢化物属于 晶体,a与d形成的化合物da4的空间结构是 ,它的晶体属于 晶体。?
(4)c、i、j可组成离子化合物cxij6,其晶胞结构如图所示,阳离子c+(用表示)位于正方体棱的中点和正方体内部;阴离子i(用表示)位于该正方体的顶点和面心。该化合物的化学式是 。?
答案(1)d 碳的原子半径比硅的原子半径小,C—Cl键的键能比Si—Cl键的键能大
(2)水分子之间可以形成氢键
(3)分子 正四面体 分子
(4)Na3AlF6
解析(1)根据各元素在周期表中的位置,结合物质熔点规律可知,d(碳元素)形成的单质熔点最高。CCl4比SiCl4稳定,原因是碳的原子半径比硅的原子半径小,C—Cl键的键能比Si—Cl键的键能大。
(2)氧的简单氢化物H2O的沸点比同主族其他元素的简单氢化物沸点高,原因是水分子间可以形成氢键。
(3)f的简单氢化物(一般指水)属于分子晶体;a与d形成的da4化合物为CH4,其分子的空间结构是正四面体,属于分子晶体。
(4)在晶胞中,含有阴、阳离子的数目比为(4×)∶(4×+1)=1∶3,则化学式可表示为Na3AlF6。
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请回答下列问题:
(1)31Ga基态原子的核外电子排布式是 。某种半导体材料由Ga和As两种元素组成,该半导体材料的化学式是 ,其晶体结构类型可能为 。?
(2)C、N元素形成的新材料具有如右图所示结构,该晶体的化学式为 。该晶体硬度将超过目前世界上最硬的金刚石,其原因是 。?
(3)以Al2O3为原料,在一定条件下可制得AlN,其晶体结构如图所示,该晶体属于 晶体。?
(4)下图是氮化镓的晶胞结构:
氮化镓中镓原子的杂化方式为 ,每个氮原子共与 个镓原子相结合。?
(5)立方氮化硼结构与金刚石相似,硬度与金刚石相当,晶胞边长为a
cm,立方氮化硼晶胞中含有 个氮原子、 个硼原子。?
答案(1)1s22s22p63s23p63d104s24p1或[Ar]3d104s24p1
GaAs 共价晶体
(2)C3N4 C3N4与金刚石都是共价晶体,C—N键键长比C—C键键长小,键能大
(3)共价 (4)sp3 4 (5)4 4
解析(1)Ga与Al同主族,位于第4周期第ⅢA族,从而可知其电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p1。由于Ga和As组成的物质是半导体材料,故不是离子化合物,Ga最外层有3个电子,As最外层有5个电子,两者以共价键形成GaAs,属于共价晶体。
(2)该晶胞中含C原子数=8×+4×=3,N原子数为4,故该晶体的化学式为C3N4。由于C—N键键长比C—C键键长小,键能大,所以金刚石硬度比C3N4硬度小。
(4)每个Ga与4个N形成共价键,这四个N构成正四面体结构;每个N与4个Ga通过共价键结合,这四个Ga构成正四面体结构,所以氮化镓中镓原子的杂化方式为sp3杂化。
(5)
由金刚石晶胞示意图可知,其中8个顶角共有8个碳原子,6个面共有6个碳原子,立方体内部还有4个碳原子,如上图所示,所以金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数=8×+6×+4=8,因此立方氮化硼晶胞中应该含有4个N原子和4个B原子。