第二节 分子晶体与共价晶体第2课时 共价晶体
核心素养发展目标
1.能辨识常见的共价晶体，并能从微观角度分析共价晶体中各构成微粒之间的作用对共价晶体物理性质的影响。
2.能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体，并能利用均摊法对晶胞进行分析。
知识梳理
一、共价晶体的概念及其性质
1．共价晶体的结构特点及物理性质
(1)概念
相邻原子间以共价键相结合形成共价键三维骨架结构的晶体。
(2)构成微粒及微粒间作用
(3)物理性质
①共价晶体中，由于各原子均以强的共价键相结合，因此一般熔点很高，硬度很大，难溶于常见溶剂，一般不导电。
②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。
2．常见共价晶体及物质类别
(1)某些单质：如硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、金刚石等。
(2)某些非金属化合物：如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。
(3)极少数金属氧化物，如刚玉(α-Al2O3)等。
课堂练习
1、判断题
(1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体( )
(2)具有共价键的晶体一定是共价晶体( )
(3)共价晶体在固态或熔化时均不导电( )
(4)共价晶体由于硬度及熔、沸点都较高，故常温时不与其他物质反应( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)×
2．下表是某些共价晶体的熔点和硬度，分析表中的数据，判断下列叙述正确的是( )
共价晶体
金刚石
氮化硼
碳化硅
石英
硅
锗
熔点/℃
3
900
3
000
2
700
1
710
1
410
1
211
硬度
10
9.5
9.5
7
6.5
6.0
①构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高
②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
③构成共价晶体的原子半径越大，晶体的硬度越大
④构成共价晶体的原子半径越小，晶体的硬度越大
A．①②
B．③④
C．①③
D．②④
答案 D
3．(2019·长沙高二检测)下列物质的晶体直接由原子构成的一组是( )
①CO2 ②SiO2 ③晶体Si ④白磷 ⑤氨基乙酸 ⑥固态He
A．①②③④⑤⑥
B．②③④⑥
C．②③⑥
D．①②⑤⑥
答案 C
二、常见共价晶体结构分析
1．金刚石晶体
金刚石晶体中，每个碳原子均以4个共价单键对称地与相邻的4个碳原子相结合，形成C—C—C夹角为109°28′的正四面体结构(即金刚石中的碳采取sp3杂化轨道形成共价键)，整块金刚石晶体就是以共价键相连的三维骨架结构。其中最小的环是六元环。
2.二氧化硅晶体
(1)二氧化硅晶体中，每个硅原子均以4个共价键对称地与相邻的4个氧原子相结合，每个氧原子与
2个硅原子相结合，向空间扩展，形成三维骨架结构。晶体结构中最小的环上有6个硅原子和6个氧原子，硅、氧原子个数比为1∶2。
(2)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，而没有封闭的环状结构。这一结构决定了它具有手性。
课堂练习
1、判断题
(1)金刚石晶体中最小碳环是六元环，且6个碳原子在同一平面内( )
(2)金刚石晶体中每个碳原子被12个碳原子环所共有，每个C—C被6个六元环共用( )
(3)1
mol金刚石晶体中含有4
mol碳碳键( )
(4)1
mol二氧化硅晶体中含有4
mol硅氧键( )
答案 (1)× (2)√ (3)× (4)√
2．(2019·厦门外国语学校期中)2017年中外科学家团队共同合成了T-碳。T-碳的结构是将立方金刚石中的每个碳原子用一个由4个碳原子组成的正四面体结构单元取代，形成碳的一种新型三维立体晶体结构，如图所示(图中的表示碳形成的正四面体结构)。已知T-碳晶胞参数为a
pm，NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法错误的是( )
A．每个T-碳晶胞中含32个碳原子
B．T-碳中C—C的最小夹角约为109°28′
C．T-碳属于共价晶体
D．T-碳的密度为
g·cm－3
答案 B
课堂检测
1．金刚石是典型的共价晶体，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．是自然界中硬度最大的物质
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 D
2．美国《科学》杂志曾报道：在40
GPa的高压下，用激光加热到1
800
K，人们成功制得了共价晶体CO2，下列对该物质的推断一定不正确的是( )
A．该共价晶体中含有极性键
B．该共价晶体易气化，可用作制冷材料
C．该共价晶体有很高的熔、沸点
D．该共价晶体的硬度大，可用作耐磨材料
答案 B
3．下列关于SiO2晶体空间结构的叙述中正确的是( )
A．最小的环上，有3个硅原子和3个氧原子
B．最小的环上，硅原子数和氧原子数之比为1∶2
C．最小的环上，有6个硅原子和6个氧原子
D．存在四面体结构单元，O原子处于中心，Si原子处于4个顶角
答案 C
4．设NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法中正确的是( )
A．28
g晶体硅中含有Si—Si的个数为2NA
B．124
g白磷(P4)晶体中含有P—P的个数为4NA
C．12
g金刚石中含有C—C的个数为4NA
D．SiO2晶体中1
mol硅原子可与氧原子形成2NA个共价键(Si—O)
答案 A
5．如图所示是某共价晶体A的空间结构片段，A与某物质B反应生成C，其实质是在每个A—A中插入一个B原子，则C物质的化学式可能为( )
A．AB
B．A5B4
C．AB2
D．A2B5
答案 C
6．单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答问题：
金刚石
晶体硅
晶体硼
熔点/℃
＞3
550
1
410
2
573
沸点/℃
5
100
2
355
2
823
硬度
10
7.0
9.5
(1)晶体硼属于________晶体，理由是_______________________________________________。
(2)金刚石具有硬度大、熔点高等特点，大量用于制造钻头、金属切割刀具等。其结构如图所示，下列判断正确的是________(填字母)。
A．金刚石中C—C的键角均为109°28′，所以金刚石和CH4的晶体类型相同
B．金刚石的熔点高与C—C的键能无关
C．金刚石中碳原子个数与C—C数之比为1∶2
D．金刚石的熔点高，所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却
(3)已知晶体硼的结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图所示)，该结构单元中有20个正三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角上各有一个硼原子。通过观察图形及推算，得出此结构单元是由________个硼原子构成的，其中B—B的键角为__________，该结构单元共含有________个B—B。
答案 (1)共价 晶体硼的熔、沸点高，硬度大 (2)C (3)12 60° 30
3。第二节 分子晶体与共价晶体第1课时 分子晶体
核心素养发展目标
1.能辨识常见的分子晶体，并能从微观角度分析分子晶体中各构成微粒之间的作用和对分子晶体物理性质的影响。
2.能利用分子晶体的通性推断常见的分子晶体，理解分子晶体中微粒的堆积模型，并能用均摊法对晶胞进行分析。
知识梳理
一、分子晶体的概念和性质
1．分子晶体的概念
只含分子的晶体，或者分子间以分子间作用力结合形成的晶体叫分子晶体。
2．分子晶体中的粒子及粒子间的相互作用
3．常见的典型分子晶体
(1)所有非金属氢化物：如H2O、H2S、NH3、CH4、HX(卤化氢)等。
(2)部分非金属单质：如X2(卤素单质)、O2、H2、S8、P4、C60、稀有气体等。
(3)部分非金属氧化物：如CO2、SO2、NO2、P4O6、P4O10等。
(4)几乎所有的酸：如H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3等。
(5)绝大多数有机物：如苯、四氯化碳、乙醇、冰醋酸、蔗糖等。
4．分子晶体的物理性质
(1)分子晶体熔、沸点较低，硬度很小。
(2)分子晶体不导电。
(3)分子晶体的溶解性一般符合“相似相溶”规律。
课堂练习
1、判断题
(1)组成分子晶体的微粒是分子，在分子晶体中一定存在共价键和分子间作用力( )
(2)分子晶体熔化时一定破坏范德华力，有些分子晶体还会破坏氢键( )
(3)分子晶体熔化或溶于水均不导电( )
(4)分子晶体的熔、沸点越高，分子晶体中共价键的键能越大( )
(5)水分子间存在着氢键，故水分子较稳定( )
(6)NH3极易溶于水的原因一是NH3、H2O均为极性分子，二是NH3和H2O之间形成分子间氢键( )
答案 (1)× (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)√
2．下列各组物质各自形成晶体，均属于分子晶体的化合物是( )
A．NH3、HD、C10H18
B．PCl3、CO2、H2SO4
C．SO2、C60、P2O5
D．CCl4、Na2S、H2O2
答案 B
解析 分子晶体的构成微粒为分子，分子内部以共价键结合。HD属于分子晶体，但为单质，故A错误；PCl3、CO2、H2SO4均属于分子晶体，且为化合物，故B正确；C60属于分子晶体，但为单质，故C错误；Na2S中含有离子键，不属于分子晶体，故D错误。
3．(2019·贵州思南中学高二月考)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的叙述中正确的是( )
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。
4．下列分子晶体的熔、沸点由高到低的顺序是( )
①HCl ②HBr ③HI ④CO ⑤N2 ⑥H2
A．①②③④⑤⑥
B．③②①⑤④⑥
C．③②①④⑤⑥
D．⑥⑤④③②①
答案 C
解析 相对分子质量越大，分子间的范德华力越大，分子晶体的熔、沸点越高，相对分子质量接近的分子，极性越强，熔、沸点越高，故选C。
归纳总结：
1.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、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判断
组成分子晶体的微粒是分子，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、沸点低，在熔融状态或固体时均不导电。
2．分子晶体熔、沸点高低的判断
(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、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、沸点越高，如CH3OH＞CH3CH3。
(3)含有分子间氢键的分子晶体的熔、沸点反常升高，如H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S。
(4)对于有机物中的同分异构体，支链越多，熔、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、沸点升高，如C2H6＞CH4，C2H5Cl＞CH3Cl，CH3COOH＞HCOOH。
二、典型的分子晶体的结构和性质
1．分子晶体的结构特征
分子密堆积
分子非密堆积
微粒间作用力
范德华力
范德华力和氢键
空间特点
通常每个分子周围有12个紧邻的分子
每个分子周围紧邻的分子数小于12个，空间利用率不高
举例
C60、干冰、I2、O2
HF、NH3、冰
2.常见分子晶体的结构分析
(1)冰晶体
①结构：冰晶体中，水分子间主要通过氢键形成晶体。由于氢键具有一定的方向性，一个水分子与周围四个水分子结合，这四个水分子也按照同样的规律再与其他的水分子结合。这样，每个O原子周围都有四个H原子，其中两个H原子与O原子以共价键结合，另外两个H原子与O原子以氢键结合，使水分子间构成四面体骨架结构。其结构可用下图表示。
②性质：由于氢键具有方向性，冰晶体中水分子未采取密堆积方式，这种堆积方式使冰晶体中水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙。当冰刚刚融化成液态水时，水分子间的空隙减小，密度反而增大，超过4
℃时，分子间距离加大，密度逐渐减小。
(2)干冰
①结构：固态CO2称为干冰，干冰也是分子晶体。CO2分子内存在C==O共价键，分子间存在范德华力，CO2的晶胞呈面心立方体形，立方体的每个顶角有一个CO2分子，每个面上也有一个CO2分子。每个CO2分子与12个CO2分子等距离相邻(在三个互相垂直的平面上各4个或互相平行的三层上，每层上各4个)(如图所示)。
②性质：干冰的外观很像冰，硬度也跟冰相似，熔点却比冰低得多，在常压下极易升华，在工业上广泛用作制冷剂；由于干冰中的CO2之间只存在范德华力不存在氢键，密度比冰的高。
课堂练习
1、判断题
(1)干冰和冰都是由分子密堆积形成的晶体( )
(2)干冰比冰的熔点低很多，常压下易升华( )
(3)干冰晶体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( )
(4)冰晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的分子；1
mol冰中含有1
mol氢键( )
答案 (1)× (2)√ (3)√ (4)×
2．如图为干冰的晶体结构示意图。
(1)通过观察分析，有________种取向不同的CO2分子。将CO2分子视作质点，设晶胞边长为a
pm，则紧邻的两个CO2分子的距离为________
pm。
(2)其密度ρ为________(1
pm＝10－10
cm)。
答案 (1)4 a (2)
g·cm－3
解析 顶角一种取向，三对平行面分别为三种取向，所以共有4种取向。两个紧邻CO2分子的距离为面对角线的一半。ρ＝＝
g·cm－3。
课堂检测
1．下列物质固态时，一定是分子晶体的是( )
A．酸性氧化物
B．非金属单质
C．碱性氧化物
D．含氧酸
答案 D
2．水的沸点为100
℃，硫化氢的分子结构跟水相似，但它的沸点却很低，是－60.7
℃，引起这种差异的主要原因是( )
A．范德华力
B．共价键
C．氢键
D．相对分子质量
答案 C
3．干冰熔点很低是由于( )
A．CO2是非极性分子
B．C==O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
4．干冰气化时，下列所述内容发生变化的是( )
A．分子内共价键
B．分子间作用力
C．分子的性质
D．分子间的氢键
答案 B
5．下列属于分子晶体的一组物质是( )
A．CaO、NO、CO
B．CCl4、H2O、He
C．CO2、SO2、NaCl
D．CH4、O2、Na2O
答案 B
6．下列有关分子晶体熔点高低的叙述中，正确的是( )
A．氯气>碘单质
B．四氯化硅>四氟化硅
C．NH3
D．异戊烷>正戊烷
答案 B
7．自从英国化学家巴特列(N.Bartlett)首次合成了第一种稀有气体的化合物XePtF6以来，人们又相继发现了氙的一系列化合物，如XeF2、XeF4等。巴特列为开拓稀有气体化学作出了历史性贡献。
(1)请根据XeF4的结构示意图(图1)判断这个分子是极性分子还是非极性分子？________。
(2)XeF2晶体是一种无色晶体，图2为它的晶胞结构图。XeF2晶体属于哪种类型的晶体？________。
答案 (1)非极性分子 (2)分子晶体