人教版高中化学选修三3.2 分子晶体与原子晶体 实用表格教案

第二节　分子晶体与原子晶体
教学目标：
1．了解分子晶体的概念及其结构。
2．进一步理解分子间作用力对物质性质的影响，掌握分子晶体的物理性质及其影响因素。(重点)
3．了解原子晶体的概念及其结构，掌握原子晶体的物理性质。(重点)
4．学会运用模型法和类比法区分不同的晶体类型。
[基础·初探]
教材整理1　分子晶体的结构与物质类别
1．结构特点
(1)构成微粒及作用力
(2)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 如 C60、干冰、I2、O2
范德华力、氢键 分子不采用密堆积 如HF、NH3、冰
2.属于分子晶体的物质种类
(1)所有非金属氢化物，如H2O、NH3、CH4等。
(2)部分非金属单质，如卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)等。
(3)部分非金属氧化物，如CO2、P4O10、SO2等。
(4)几乎所有的酸，如HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等。
(5)绝大多数有机物的晶体，如苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等。
教材整理2　两种典型的分子晶体
1．干冰
(1)每个晶胞中有4个CO2分子，12个原子。
(2)每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子有12个。
2．冰
(1)水分子之间的作用力有范德华力，但主要作用力是氢键。
(2)由于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个相邻的水分子相互吸引。
[探究·升华]
[思考探究]
观察下图冰和干冰的结构，回答下列问题。
问题思考：
(1)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？
【提示】　由于氢键的方向性，使冰晶体中每个水分子与四面体顶角方向的4个分子相互吸引，形成空隙较大的网状晶体，密度比水小，所以结的冰会浮在水面上。
(2)为什么冰融化为水时，密度增大？
【提示】　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。
(3)为什么干冰的熔沸点比冰低而密度却比冰大？
【提示】　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分子的相对分子质量，所以干冰的密度大。
(4)干冰升华过程中破坏共价键吗？
【提示】　干冰升华的过程中破坏分子间作用力，不破坏共价键。
[认知升华]
1．分子晶体是分子在分子间作用力的作用下形成的晶体，熔化时，只破坏分子间作用力不破坏化学键。
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、糖等物质的熔点较高。
3．结构相似，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．组成和结构相似且不存在氢键的同分异构体所形成的分子晶体，相对分子质量相同，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。
[题组·冲关]
题组1　分子晶体及其判断
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：
NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 CaCl2
熔点/℃ 801 712 190 －68 782
沸点/℃ 1 465 1 418 230 57 1 600
根据这些数据分析，他们认为属于分子晶体的是(　　)
【导学号：90990073】
A．NaCl、MgCl2、CaCl2　　 B．AlCl3、SiCl4
C．NaCl、CaCl2 D．全部
【解析】　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，故分子晶体的熔沸点较低，表中的MgCl2、NaCl、CaCl2熔、沸点很高，很明显不属于分子晶体，AlCl3、SiCl4熔、沸点较低，应为分子晶体，所以B项正确，A、C、D三项错误。
【答案】　B
2．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
【解析】　①、④、⑤、⑥构成的晶体为一维、二维或三维空间结构，且在空间中微粒通过化学键连接，故它们不可能是分子晶体；而②、③都不能再以化学键与其他原子结合，故可能为分子晶体。
【答案】　C
题组2　冰和干冰的晶体结构
3．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
【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。
【答案】　A
4．HF分子晶体、NH3分子晶体与冰的结构极为相似，在HF分子晶体中，与F原子距离最近的HF分子有(　　)
A．3个 B．4个
C．5个 D．12个
【解析】　根据HF分子晶体与冰结构相似可知，每个HF分子周围有4个HF分子与之最近，构成四面体，故B项正确。
【答案】　B
5．中学教材上介绍的干冰晶体的晶胞是一种面心立方结构，如图所示，即每8个CO2构成立方体，且在6个面的中心又各占据1个CO2分子，在每个CO2周围距离a(其中a为立方体棱长)的CO2有(　　) 【导学号：90990074】
A．4个 B．8个
C．12个 D．6个
【解析】　如图在每个CO2周围距离a的CO2即为每个面心上的CO2分子，共有8×＝12个。
【答案】　C
题组3　分子晶体的性质及应用
6．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0.97 g·cm－3
【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；晶体不导电，熔化时也不导电。
【答案】　B
7．SiCl4的分子结构与CCl4类似，对其作出如下推断，其中正确的是(　　)
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．全部
【解析】　我们熟悉的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。
【答案】　D
8．(1)比较下列化合物熔、沸点的高低(填“>”或“<”)。
【导学号：90990075】
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180 ℃即开始升华。请回答：
①AlCl3固体是________晶体。
②设计一个可靠的实验，判断氯化铝是离子化合物还是共价化合物。你设计的实验是____________________________________________________
__________________________________________________________。
【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，分子间作用力越大，相对分子质量越大，分子极性越大，则晶体的熔、沸点越高，较容易比较六组物质熔、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，可测其熔融状态下是否导电，若不导电是共价化合物，导电则是离子化合物。
【答案】　(1)①<　②>　③>　④<　⑤>　⑥>
(2)①分子　②在熔融状态下，试验其是否导电，若不导电是共价化合物，若导电是离子化合物
[基础·初探]
1．构成微粒及作用力
2．属于原子晶体的物质
(1)某些单质，如晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石、灰锡等。
(2)某些非金属化合物，如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等。
3．典型的原子晶体(如图)
(1)在晶体中每个碳原子以四个共价单键对称地与相邻的4个碳原子相结合，形成正四面体结构。
(2)晶体中C—C—C夹角为109°28′，碳原子采取了sp3杂化轨道形成共价键。
(3)最小环上有6个碳原子。
(4)晶体中C原子个数与C—C键数之比为
1∶(4×)＝1∶2。
[探究·升华]
[思考探究]
问题思考：
(1)分析金刚石、二氧化硅的晶体结构模型，判断原子晶体的化学式是否可以代表其分子式？
【提示】　不能。因为原子晶体是一个三维的网状结构，无小分子存在。
(2)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？
【提示】　①构成微粒不同，原子晶体中只存在原子，没有小分子。②相互作用不同，原子晶体中存在的是共价键。
(3)分析二氧化硅晶体结构模型，判断晶体中最小的环有多少个原子？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。
[认知升华]
　原子晶体与分子晶体的比较
晶体类型 原子晶体 分子晶体
含义 相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体 只含分子的晶体
构成粒子 原子 分子
粒子间作用力 共价键 分子间作用力
熔点 很高 较低
硬度 很大 较小
溶解性 一般不溶于各种溶剂 部分溶于水
导电性 不导电，个别为半导体 不导电，部分水溶液导电
熔化时破坏的作用力 破坏共价键 破坏分子间作用力
举例 金刚石、二氧化硅等 冰、干冰等
[题组·冲关]
题组1　常见的原子晶体的结构与性质
1．下列物质不属于原子晶体的是(　　)
A．金刚石　　　　　　　 B．碳化硅
C．水晶 D．食盐
【解析】　食盐属于离子化合物，形成离子晶体。
【答案】　D
2．金刚石是典型的原子晶体，下列关于金刚石的说法中错误的是(　　)
A．晶体中不存在独立的“分子”
B．碳原子间以共价键相结合
C．是硬度最大的物质之一
D．化学性质稳定，即使在高温下也不会与氧气发生反应
【解析】　在金刚石中，碳原子以共价键结合成空间网状结构，不存在具有有限固定组成的分子。由于碳的原子半径比较小，碳与碳之间的共价键键能高，所以金刚石的硬度很大，因此A、B、C选项是正确的；但是由于金刚石是碳的单质，可以在空气或氧气中燃烧生成CO2分子，故D选项的说法是错误的。
【答案】　D
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(　　)
【导学号：90990076】
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原子也通过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，故能叫分子式
【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，故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”仅表示石英的组成，故没有单个的SiO2分子。
【答案】　D
题组2　原子晶体类型的判断
4．根据下列性质判断，属于原子晶体的物质是(　　)
A．熔点2 700 ℃，导电性好，延展性强
B．无色晶体，熔点3 550 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂
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－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电
【解析】　本题考查的是各类晶体的物理性质特征。A项中延展性好，不是原子晶体的特征，因为原子晶体中原子与原子之间以共价键结合，而共价键有一定的方向性，使原子晶体质硬而脆，A项不正确，B项符合原子晶体的特征；C项不符合原子晶体的特征；D项符合分子晶体的特征。所以应该选择B项。
【答案】　B
5．下列各组晶体物质中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是(　　)
【导学号：90990077】
①SiO2和SO3　②金刚石和白磷　③CO2和SO2
④晶体硅和金刚石　⑤晶体氖和晶体氮
⑥硫黄和单质碘
A．①②③　　　　　 B．④⑤⑥
C．③④⑥ D．①③⑤
【解析】　属于分子晶体的有SO3、CO2、SO2、白磷、晶体氖、晶体氮、硫黄和单质碘。属于原子晶体的有SiO2、晶体硅和金刚石。但晶体氖是由稀有气体分子构成，晶体中不存在化学键。
【答案】　C
6．氮化碳结构如图，其中β?氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。下列有关氮化碳的说法不正确的是(　　)
A．氮化碳属于原子晶体
B．氮化碳中碳显－4价，氮显＋3价
C．氮化碳的化学式为C3N4
D．每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连
【解析】　根据β?氮化碳硬度超过金刚石晶体判断，氮化碳属于原子晶体，A项正确；氮的非金属性大于碳的非金属性，氮化碳中碳显＋4价，氮显－3价，B项错误；氮化碳的化学式为C3N4，每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连，C项和D项正确。故答案为B项。
【答案】　B
【规律总结】　判断原子晶体和分子晶体类型的方法
1依据构成晶体的粒子和粒子间的作用力判断,构成原子晶体的粒子是原子，粒子间的作用力是共价键；构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。
2依据晶体的熔点判断,原子晶体的熔点高，常在1 000℃以上；而分子晶体的熔点低，常在数百度以下甚至温度更低。
3依据晶体的导电性判断,分子晶体为非导体，但部分分子晶体溶于水后能导电，如HCl。原子晶体多数为非导体，但晶体Si、晶体Ge为半导体。
4依据晶体的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。
题组3　分子晶体、原子晶体熔沸点比较
7．下列有关物质的熔点高低顺序正确的是(　　)
A．HFB．金刚石<碳化硅<晶体硅
C．I2>SiO2
D．H2O>H2S，SO2【解析】　HCl、HBr；SO2、SeO2均为组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，熔点越高。HF、H2O分子中均存在氢键，所以熔点出现“反常”现象。金刚石、碳化硅和晶体硅中，
共价键键长：C—C共价键键能：C—C>C—Si>Si—Si
共价键键长越短，键能越大，则原子晶体的熔点越高。所以三者的熔点由高到低的顺序是金刚石>碳化硅>晶体硅。
【答案】　D
8．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的熔沸点高低顺序是________。
(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原子间不形成上述π键。从原子半径大小的角度分析，为何C、O原子间能形成上述π键，而Si、O原子间不能形成上述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_____________________________
____________________________________________________________。
【解析】　(1)晶体硅中一个硅原子周围与4个硅原子相连，呈正四面体结构，所以杂化方式是sp3，因为Si—C的键长小于Si—Si的键长，所以熔沸点碳化硅＞晶体硅。
(2)SiO2为原子晶体，CO2为分子晶体，所以熔点SiO2＞CO2。
(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅均为原子晶体，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。
【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，不能形成上述稳定的π键　原子　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
【规律总结】　原子晶体、分子晶体熔、沸点高低的比较方法