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分子晶体与共价晶体
[核心素养发展目标]
1.能从组成微粒、微粒间作用力和晶体性质等方面辨识分子晶体和共价晶体；能辨识常见的分子晶体和共价晶体。
2.能从微观角度分析分子晶体、共价晶体中各构成微粒之间的作用和对分子晶体、共价晶体体物理性质的影响
3.结合干冰、冰、金刚石、石英的结构模型，通过分析、推理、计算等方法认识研究典型分子晶体和共价晶体的组成和结构，建立模型，能运用模型揭示不同晶体的结构特点。
[学习过程]
[问题激疑引入]CO2和SiO2的一些物理性质如下：
熔点(OC) 沸点(OC)
CO2 -56.2 -78.4
SiO2 1723 2230
碳和硅在元素周期表中处于同一主族，为什么CO2晶体(干冰)硬度跟冰相似，熔点却比冰低得多，而SiO2晶体的硬度很大，熔沸点也很高？
[阅读、讨论探究1]阅读教材选择性必修II P78 第一段、第二段及表3-2，1.归纳分子晶体的概念；
2(1)归纳构成分子晶体的微粒及微粒间的作用力；(2)由原子构成的晶体一定不是分子晶体吗？
3(1)分子晶体的物理性质；(2)分子晶体能否导电？
4.归纳常见的分子晶体
[归纳总结1]分子晶体与共价晶体
一.分子晶体
1.分子晶体的概念：只含 的晶体称为分子晶体。
2.构成分子晶体的微粒： 。
3.构成分子晶体的微粒之间的作用力： ，有些分子晶体之间还存在 ；
注：稀有气体的分子是单原子分子，稀有气体组成的晶体中，原子与原子之间的作用力是 ， (填“存在”或“不存在”)共价键，所以稀有气体形成的晶体属于 晶体。
4.分子晶体的物理性质
(1)分子晶体熔、沸点 ，硬度 。
(2)分子晶体不导电。
5.常见的分子晶体：
(1)所有 ，如水、硫化氢、氨、氯化氢、甲烷等。
(2)部分 ，如卤素(X2)、氧(O2)、硫(S8)、氮(N2)、白磷(P4)、碳60(C60)、稀有气体等。
(3)部分 ，如CO2、P4O6、P4O10、SO2等。
(4)几乎所有的 ，如H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3、H2SO3等。
(5)绝大多数 ，如苯、乙醇、乙酸、葡萄糖等。
[练习探究1]1.下列晶体由原子直接构成，且属于分子晶体的是
A.固态氢 B.固态氖 C.磷 D.三氧化硫
2.下列有关分子晶体的说法中一定正确的是
A.分子内均存在共价键 B.分子间一定存在范德华力
C.分子间一定存在氢键 D.分子晶体熔化时需克服分子内的共价键
3.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
4.SiCl4的分子结构与CCl4的分子结构类似，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不是气体；③SiCl4的分子是由极性共价键形成的；④SiCl4的熔点高于CCl4的熔点
A.全部 B.只有①② C.只有②③ D.只有①
5.下列分子晶体：①H2O②HCl③HBr④HI⑤CO⑥N2⑦H2熔沸点由高到低的顺序是
A.①②③④⑤⑥⑦ B.④③②①⑤⑥⑦ C.①④③②⑤⑥⑦ D.⑦⑥⑤④③②①
[过渡激凝]分子在三维空间里呈周期性有序排列就形成分子晶体，那分子晶体的结构如何？
[阅读、讨论探究2]阅读教材选择性必修II P78倒数第一段、P79及下图：
讨论：1(1)干冰晶体中CO2分子与CO2分子间作用力是什么？(2)干冰晶体中CO2分子的排列有几种不同的方向 (3)晶体中与CO2分子等距紧邻的CO2分子有多少个(既CO2分子的配位数是多少)？
2(1)冰晶体结构中，水分子之间的主要作用力是什么？(2)冰晶体中处于四面体中心的每个水分子为什么只与四面体顶点的4个水分子紧邻而相互吸引？(3)冰晶体中H2O的配位数是多少？(4)1mol冰晶体中含有多少mol氢键？
3.硫化氢分子和水分子结构相似，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？
4(1)干冰和冰两种晶体中分子堆积方式是否相同？(2)哪种堆积方式的空间利用率较高？(3)为什么干冰的熔沸点比冰低而密度却比冰大？
5.为什么冰刚刚融化时，密度变大，4℃后密度又变小？
[归纳总结2]6.分子晶体的结构
(1)干冰类：分子间的作用力只有 ；晶体中分子堆积方式为 ，即以一个分子为中心，其周围通常可以有 个紧邻的分子，既干冰晶体中CO2分子的配位数为 。
(2)冰类：分子间作用力除了范德华力外还存在 ；在冰的晶体中，H2O之间的主要作用力是 ，氢键虽不属于化学键，却跟共价键一样具有 性，氢键的存在迫使在四面体中心的每个水分子与 方向的 个紧邻水分子互相吸引，既冰晶体中H2O分子的配位数为 ，使冰晶体中的水分子的空间利用率_______，分子间有相当大的空隙。当冰刚刚融化为液态水时，冰的结构部分解体，水分子间的空隙 ，密度反而 。
[练习探究2]1.C60分子和C60晶胞示意图如图所示。下列关于C60晶体的说法中不正确的是
A.C60晶体可能具有很高的熔、沸点 B.C60晶体的一个晶胞中含有的碳原子数为240
C.C60晶体可能易溶于四氯化碳中 D.C60晶体中每个C60分子与12个C60分子紧邻
2.冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞类似，其晶胞结构如图所示。下列有关说法正确的是
A.冰晶胞内水分子间以共价键结合
B.每个冰晶胞平均含有4个水分子，冰晶体中每个H2O分子与4个H2O分子紧邻
C.水分子间的氢键具有方向性和饱和性，也是σ键的一种
D.已知冰中氢键的作用力为18.5 kJ·mol-1，而常见的冰的熔化热为336 J·g-1，这说明冰变成水，氢键部分被破坏(假设熔化热全部用于破坏氢键)
[阅读、讨论探究3]阅读教材选择性必修II P81第一、二、三段和P82 倒数第一段，1.归纳共价晶体的概念；
2(1)归纳构成共价晶体的微粒及微粒之间的作用；
(2)①由原子构成的晶体一定是共价晶体吗？②含有共价键的晶体就一定是共价晶体吗？
3(1)归纳共价晶体的物理性质；(2)影响共价晶体熔点高低的因素有哪些？如何影响？
4.归纳常见的共价晶体。
[归纳总结3]二.共价晶体
1.概念：相邻原子间以 相结合形成共价键三维骨架结构的晶体；
2.构成微粒： ；
3.微粒之间的作用： ；
注：(1)稀有气体形成的晶体组成微粒也可以说是原子(因稀有气体是单原子分子)，但稀有气体形成的晶体中原子(或分子)之间作用为范德华力而不是 ，所以稀有气体形成的晶体为 晶体；
(2)由I2、S8等形成的晶体，因共价键只存在于分子中原子与原子之间，没有形成共价键三维骨架结构，所以它们是分子晶体晶体而不是共价晶体。
4.共价晶体的物理性质：共价晶体熔化时需要克服原子之间的 ，因此共价晶体一般熔点 ，硬度 。
注：共价晶体的熔沸点的高低取决于 ，一般来说，对于结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长 ，键能 ，共价晶体的硬度 ，熔点 。
5.常见的共价晶体
(1)某些 ，如硼(B)、硅和锗(Ge)等。
(2)部分 ，如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)等。
[练习探究3]1.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
2.磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料。如图为其晶体结构中最小的重复单元。下列有关说法正确的是
A.磷化硼的化学式为B2P B.磷化硼晶体的熔点高，且熔融状态下能导电
C.磷化硼晶体属于共价晶体 D.磷化硼晶体中P的配位数为2
3.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
4.我国的激光技术在世界上处于领先地位，据报道，有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。其原因可能是
A.碳、氮原子构成平面结构的晶体 B.碳氮键比金刚石中的碳碳键键长更短
C.氮原子电子数比碳原子电子数多 D.碳、氮的单质的化学性质均不活泼
5.下列晶体中①SiO2；②CO2；③P4；④晶体硅；⑤H2SO4；⑥P2O5；⑦SO3；⑧SiC；⑨冰醋酸； ⑩金刚石，属于共价晶体的一组是
A.①③④⑤⑥⑩ B.①④⑧⑩ C.③④⑧⑨⑩ D.①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩
[阅读、讨论探究4]阅读下图中的金刚石和二氧化硅的晶体结构和晶胞示意图
讨论：1(1)金刚石中碳原子的杂化轨道类型是什么？每个碳原子与几个碳原子相结合？这些碳原子之间形成的空间结构是什么？碳碳键的键角是多少？
(2)金刚石晶体中，最小碳环由多少个C原子构成？每个金刚石晶胞中含有多少个碳原子？
(3)金刚石晶体中碳原子数和碳碳共价键数之比是多少？12g金刚石中C-C共价键数是多少？
2(1)二氧化硅晶体中每个硅原子与几个氧原子相结合？硅原子与这些氧原子形成的空间结构是什么？每个氧原子与几个硅原子相结合？二氧化硅晶体中硅氧原子个数比为多少？SiO2是否可以代表二氧化硅的分子式？
(2)二氧化硅晶体中最小的环上有多少个原子？每个二氧化硅晶胞中含有多少个硅原子？多少个氧原子？
(3)60g SiO2晶体中Si-O的数目是多少？
[归纳总结4]6.常见共价晶体的结构：
(1)金刚石晶体
①在金刚石中，C原子采取 杂化方式，每个C原子与另外 个C原子以共价键相结合，形成 结构，C-C键键角为 ；
②晶体中最小碳环由 个C原子构成，且不在同一个平面内；
③每个C原子同属于 个共价键，即共价键两端的每个C只有 属于这个共价键，共价键两端有 个C原子，所以金刚石中C原子个数与C—C键数之比为 。
(2)二氧化硅晶体
①晶体硅的结构与金刚石类似，SiO2的晶体结构可以看作是在晶体硅的Si—Si键之间插入____原子而形成的，因此在二氧化硅晶体中，1个Si原子周围有 O原子，1个O原子周围有 Si原子，所以晶体中Si、O原子的个数比为 ，所以二氧化硅的化学式为SiO2；
②晶体中最小环由 个Si原子 个O原子构成；
③1mol SiO2晶体中含有 mol Si-O。
[练习探究4]1.2017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方晶体结构，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。下列有关说法错误的是
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
2.金刚砂与金刚石具有相似的晶体结构，硬度为9.5，熔点为2 700 ℃，其晶胞结构如图所示。下列说法正确的是
A.该晶体属于共价晶体，熔点比金刚石高 B.C位于Si构成的正四面体空隙中
C.C-Si的键长为a pm，则晶胞边长为2a pm D.金刚砂中C原子周围等距且最近的C原子数为6
3.最近科学家成功制成了一种新型的碳氧化合物，该化合物晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为一种空间网状的无限伸展结构。下列对该晶体叙述正确的是
A.该晶体类型是分子晶体 B.该晶体的空间最小环共有六个原子构成
C.晶体中碳原子数与C-O键数之比为1:2 D.该晶体中碳原子和氧原子的个数比为1:2
4.设NA为阿伏加德罗常数的值,下列说法正确的是
A.124 g P4含有的P-P键的个数为6NA B.28 g晶体硅中含有的Si-Si键的个数为4NA
C.12 g金刚石中含有的C-C键的个数为1.5NA D.60 g SiO2中含Si-O键的个数为2NA
分子晶体与共价晶体练习
1.有四组同一族元素所形成的不同物质，在101 kPa时测定它们的沸点(OC)如下表所示：
第一组 A -268.8 B -249.5 C -185.8 D -151.7
第二组 H2O 100.0 H2S -60.2 H2Se -42.0 H2Te -1.8
第三组 HF 19.4 HCl -84.0 HBr -67.0 HI -35.3
第四组 F2 -187.0 Cl2 -33.6 Br2 58.7 I2 184.0
下列各项判断正确的是
A.第一组物质是分子晶体，一定不能由原子直接组成且一定含有共价键
B.第二组物质组成的晶体中，冰的熔点最高，是因为H2O分子中化学键键能最大
C.化合物的稳定性：HBr>H2Se，是因为相同条件下HBr分子中化学键键能>H2Se分子中化学键键能
D.第四组物质形成的晶体熔化时，分子内原子之间共价键发生断裂
2.近年来，科学家合成了一些具有独特化学性质的氢铝化合物(AlH3)n。已知最简单的氢铝化合物的化学式为Al2H6，它的熔点为150℃，燃烧时放出大量的热。Al2H6的结构为。下列说法肯定错误的是
A.Al2H6在固态时所形成的晶体是分子晶体 B.氢铝化合物可能成为未来的储氢材料和火箭燃料
C.Al2H6中含有离子键和极性共价键 D.Al2H6在空气中完全燃烧，产物为氧化铝和水
3.BeCl2熔点较低，易升华，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.不与氢氧化钠溶液反应
4.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H2O分子可通过氢键与4个水分子相连，H2O分子与氢键的数目之比为1∶2，但由于冰晶体具有空间网状结构，所以冰不是分子晶体。
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
5.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分子的稳定性强于甲烷 D.每个顶角上的甲烷分子与它最近且等距的甲烷分子有12个
6.正硼酸(H3BO3)是一种片层状结构的白色晶体，层内的H3BO3分子通过氢键相连(如图所示)。下列有关说法正确的是
A.正硼酸晶体不属于分子晶体 B.H3BO3分子的稳定性与氢键有关
C.分子中硼原子最外层为8电子稳定结构 D.含1 mol H3BO3的晶体中有3 mol氢键
7.由一种原子直接构成的物质，不可能
A.硬度很大 B.常温下为气态 C.属于共价晶体 D.属于非电解质
8.下列事实能说明刚玉(Al2O3)是一种共价晶体的是①Al2O3是两性氧化物；②硬度很大；③它的熔点为2045OC；④自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石
A.①②③ B.②③ C.④ D.②
9.根据下表中给出的有关数据，判断下列说法中错误的是
AlCl3 SiCl4 晶体硼 金刚石 晶体硅
熔点/℃ 190 -60 2300 >3550 1410
沸点/℃ 183 57 2550 4827 2355
A.SiCl4是分子晶体 B.晶体硼是共价晶体
C.AlCl3是分子晶体，加热能升华 D.金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键弱
10.下列我国科研成果所涉及材料中，是共价晶体的是
A.4.03米大口径碳化硅反射镜 B.2022年冬奥会聚氨酯速滑服 C.能屏蔽电磁波的碳包覆银纳米线 D.“玉兔二号”钛合金筛网轮
11.在20世纪90年代末期，科学家发现并证明碳有新的单质C60存在。后来人们又相继发现了C70、C76、C90、C94等另外一些球碳分子。21世纪初,科学家又发现了管状碳分子和洋葱状碳分子，大大丰富了碳元素单质的家庭。下列有关说法错误的是
A.金刚石、C60、C70、管状碳和洋葱状碳都不能与H2发生加成反应
B.已知C(石墨，s)= C(金刚石，s) ΔH>0，则石墨比金刚石稳定
C.C90晶胞结构如图所示，每个C90分子周围与它最近且等距离的C90分子有12个
D.熔点：C6012.金刚石是由碳原子所形成的正四面体结构向空间无限延伸而得到的具有三维骨架结构的共价晶体。在立方体中，若一碳原子位于立方体体心，则与它直接相邻的四个碳原子位于该立方体互不相邻的四个顶角上(如图中的小立方体)。请问，图中与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数为多少，它们分别位于大立方体的什么位置
A.12，大立方体的12条棱的中点 B.8，大立方体的8个顶角
C.6，大立方体的6个面的中心 D.14，大立方体的8个顶角和6个面的中心
13.硅是制作光伏电池的关键材料。在Si晶体中掺杂不同种类的元素，可形成多电子的n型或缺电子的p型半导体。n型和p型半导体相互叠加形成p-n结，此时自由电子发生扩散运动，在交界面处形成电场。下列说法正确的是
A.1 mol Si晶体中含有的Si-Si数目为4NA B.若在Si晶体中掺入P元素，可得n型半导体
C.p-n结中，n型一侧带负电，p型一侧带正电 D.光伏电池的能量转化形式：光能→化学能→电能
14.方英石(SiO2)结构和金刚石相似，其结构单元如图，下列有关说法正确的是
A.图示结构单元中实际占有18个硅原子 B.1 mol Si形成2 mol Si-O
C.方英石晶体中的Si采用的是sp3杂化 D.方英石晶体中，Si-O之间的夹角为90°
15(1)科学家拟合成一种“二重结构”的球形分子，即把足球形C60分子嵌入足球形Si60分子中，外面的硅原子与里面的碳原子以共价键相结合。下列关于这种物质的叙述不正确的是 (填字母)。
A.该物质是一种新型化合物 B.该物质是两种单质组成的混合物
C.该晶体属于分子晶体 D.该物质具有极高的熔、沸点
(2)已知AlCl3的熔点为190OC(2.202×105 Pa)，但它在180℃时就开始升华。请回答下列问题：
①AlCl3固体属于 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 。
16(1)①在冰的结构中，每个水分子与相邻4个水分子以氢键相连接，则1mol冰中有 mol氢键。在冰晶体中除氢键外，还存在范德华力(11KJ.mol-1)。已知冰的升华热是51KJ.mol-1，则冰晶体中氢键的能量是 KJ.mol-1。
②冰的熔点高于干冰的原因是 。
(2)据《新科学》杂志报道，科研人员在20OC、1个大气压和其他一定的实验条件下，给水施加一个弱电场，水就可以结成冰，称为“热冰”。如图是水和“热冰”微观结构的计算机模拟图。请回答下列问题：
①以上信息体现了水分子具有 性，水分子中氧原子的杂化方式为 。
②参照热冰的图示，以一个水分子为中心，画出水分子间最基本的连接方式(用结构式表示)： 。
(3)固体二氧化碳外形似冰，受热气化无液体产生，俗称“干冰”。根据干冰的晶胞结构回答：
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)。干冰密度高于冰密度的原因是 。
③在干冰中撒入镁粉，用红热的铁棒引燃后，再盖上另一块干冰，出现的现象为 ，这个实验不但证明明了镁可以跟CO2反应，发生反应的化学方程式是 。而且也说明了干冰易 的特性。
④CO2、CS2晶体的沸点高低为 > (填相应物质的化学式)。
17(1)砷化镓为第二代半导体，以其为材料制造的灯泡寿命长、耗能少。已知砷化镓的晶胞结构如图所示。请回答下列问题：
下列说法不正确的是 (填字母)。
A.砷化镓是分子晶体 B.电负性：As＞Ga C.第一电离能：As＞Ga D.砷化镓晶体中含有非极性键
(2)氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在13 000 ℃时反应获得。
①氮化硅晶体属于 晶体。
②已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且N原子和N原子，Si原子与Si原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式： 。
(3)C、N元素形成的新材料具有如图所示结构，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 。
18(1)金刚石晶胞结构如图所示，回答下列问题。
①一个金刚石晶胞中含有 个碳原子。
②已知晶胞参数为a pm，则金刚石的密度为 g·cm-3。
③晶体中两个最近的碳原子之间的距离为 pm。
④碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？ 。
(2)金刚砂(SiC)的硬度为9.5，其晶胞结构如图甲所示，则金刚砂晶体类型为 ；在SiC中，每个C原子周围最近的C原子数目为 ；若晶胞的边长为a pm，则金刚砂的密度表达式为 。
(3)硅的某种单质的晶胞如图乙所示。GaN晶体晶胞结构与该硅晶体相似。则GaN晶体中，每个Ga原子与 个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为 。
(4)六方氮化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与该硅晶体相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5 pm，立方氮化硼晶胞中含有 个氮原子、 个硼原子，立方氮化硼的密度是 g·cm-3(只要求列算式，不必计算出数值，阿伏加德罗常数的值为NA)。

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