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第二节 分子晶体与共价晶体
[目标]1.了解分子晶体、共价晶体的概念、结构特点及性质。
2.了解氢键对冰晶体结构及物理性质的影响。
3.通过认识分子晶体、共价晶体的构成粒子及粒子之间的作用力,能辨识不同晶体主要物理性质及熔化时破坏的作用力。
[重点]分子晶体与共价晶体
[难点]研究典型分子晶体、原子晶体的组成和结构,建立模型,能运用模型揭示不同晶体的结构特点。
一、目标导学
[时间]15min
[内容]阅读教材p.78-83、笔记,完成下列任务：
1.什么是分子晶体？常见的分子晶体有哪些？
2.分子晶体有哪些物理性质？
3.重点研究干冰（CO2）的晶胞结构
4.什么是共价晶体？常见的共价晶体有哪些？
5.共价晶体有哪些物理性质？
6.重点研究金刚石（C）的晶胞结构
二、自主学习
一、分子晶体
只含分子的晶体叫做分子晶体。
构成粒子
分子晶体
分子
粒子间的作用力
分子间的作用力
分子内各原子间
共价键
[思考1]所有分子晶体中是否均存在化学键？为什么？
三、合作学习
稀有气体是单原子分子，无化学键。
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
1.常见的分子晶体
2.分子晶体的物理性质
分子晶体 氧气 氮气 白磷 水
熔点/℃ -218.3 -210.1 44.2 0
分子晶体 硫化氢 甲烷 乙酸 尿素
熔点/℃ -85.6 -182 16.6 132.7
①分子晶体具有较低的熔、沸点和较小的硬度。
[注意]分子晶体熔化时破坏的是分子间作用力，分子间作用力较低。
②分子晶体不导电。
[提示]分子晶体在固态和熔融状态下均不存在自由移动的离子。
有些分子晶体的水溶液能导电，如HI、CH3COOH等。
③分子晶体的溶解性一般符合“相似相溶”规律。
[举例]H2O(极性溶剂)—溶解度:SO2(极性分子)>N2(非极性分子)
CCl4(非极性溶剂)—溶解度:I2(非极性分子)>水(极性分子)
[规律]分子晶体熔沸点的比较
分子间作用力越强，熔、沸点高。
若分子间有氢键，则分子间作用力大，熔、沸点大大增加。
如：H2O>H2Te>H2Se>H2S
组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，分子间作用力越大，
熔、沸点越高。
如：SnH4>GeH4>SiH4>CH4
相对分子质量相近时，分子极性越大，熔沸点越高。
如：CO>N2
有机物中的同分异构体中，支链数越多，熔沸点越低。
如：正戊烷>异戊烷>新戊烷
3.分子晶体的堆积方式
分子密堆积 分子非密堆积
微粒间作用力
空间特点
举例
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，空间利用率低
范德华力
范德华力和氢键
C60、干冰、I2、O2
HF、NH3、冰
①干冰(CO2)—密堆积
中心
[干冰晶体的结构特征]
(1)CO2分子间只存在范德华力，不存在氢键。
(2)每个晶胞中均摊 4 个CO2分子,含有12个原子。
(3)每个CO2分子配位数为12。
3.分子晶体的堆积方式
②冰(H2O)—非密堆积
冰晶体的晶胞
冰
水分子间的氢键
氢键
O
H
H
O
H
H
O
H
H
O
H
H
O
H
H
氢键
氢键
氢键
①水分子间作用力有氢键、范德华力，主要是氢键。晶体中分子的空间利用率降低，留有相当大的空隙。
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。
③分子以氢键相连接，含1mol H2O的冰中，最多可形成2氢键。
[冰晶体的结构特征]
冰晶体的晶胞
[思考2]干冰的密度比冰大的原因？
冰晶体的晶胞
[思考3]为什么冰的熔点比干冰的熔点高得多？
[思考4]为什么水凝结成冰后密度减小？
干冰(CO2)分子只存在范德华力，采用密堆积，而水分子间还存在氢键，采用非密堆积，故CO2的密度比冰的高。
CO2分子间只存在范德华力，水分子间还存在氢键，氢键使水的熔点大大增加。
冰的水分子间存在氢键，每个水分子周围有4个水分子形成四面体形，空间利用率不高，密度减小。
冰晶体的晶胞
[思考5]为什么水在4℃时的密度最大？
[思考6]硫化氢和水分子结构相似，但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，这是为什么？
当冰刚融化时，冰的结构部分解体，水分子间的空隙减小，密度增大，超过4℃时，由于热运动加剧，分子间距离加大，密度逐渐减小。
H2S分子中不存在氢键，晶体采用密堆积；
H2O分子中存在氢键，晶体采用非密堆积。
科学·技术·社会
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Cl2·8H2O的水合物晶体。20世纪末，科学家发现海底和大陆冰川或永久冻土底部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",可表示为8CH4·46H2O。
二、共价晶体
所有原子都以共价键相互结合形成三维的立体网状结构的晶体。
共价晶体
构成粒子
原子
粒子间的作用力
共价键
[注意]①熔化时破坏的作用力：共价键。
②由原子构成的晶体不一定是共价晶体。
③具有共价键的晶体不一定是共价晶体。
1.常见的共价晶体
①某些单质：如金刚石(C)、硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)等
②某些非金属化合物：碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)等
金刚石
碳化硅陶瓷
氮化硅轴承
单晶硅(Si)
石英(SiO2)
①熔点很高。
共价晶体中原子间以较强的共价键相结合，使物质熔化要断裂共价键，需要很高的能量。
②硬度很大。
③一般不导电，但晶体硅是半导体。
④难溶于一般溶剂。
2.共价晶体的物理性质
共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗
熔 点 ＞3550 3000 2700 1710 1410 1211
硬 度 10 9.5 9.5 7 6.5 6.0
[规律]共价晶体熔点和硬度的比较
结构相似的原子晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，对应共价晶体的熔沸点、硬度越大。
[思考1]从原子结构的角度理解金刚石、硅、锗的熔点、硬度依次下降。
原子半径：C3.典型共价晶体
(1)金刚石
②每个碳原子都采取的杂化方式sp3;
③所有的C—C键长和键角相等，键角为 ；
④晶体中最小的碳环由6个碳组成，且不在同一平面内；
⑤C原子与C—C键数之比为1:2；
①碳原子周围紧邻的碳原子有4个；
。
109 28
'
正四面体
⑥在金刚石晶胞中占有的碳原子数8;　
⑦12g 金刚石含有NA个C原子，含有2NA个C-C键。
A
B
C
D
⑧晶胞边长a pm，则晶体密度为 。
⑨指出A、B、C、D处碳原子的坐标。
109°28'
(0，0，0)
z
x
y
(2)二氧化硅
②在SiO2 晶体中，每个硅原子形成4个共价键；每个氧原子形成2个共价键；
① 在SiO2晶体中，每个硅原子采取sp3杂化与4个氧原子结合；每个氧原子与2个硅原子结合；在SiO2晶体中硅原子与氧原子个数之比是1:2。不存在SiO2分子存在。
硅氧四面体构成螺旋链
石英的左、右型晶体
二氧化硅是自然界含量最高的固态二元氧化物，有多种结构，最常见的是低温石英(α SiO2)。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，没有封闭的环状结构，这一结构决定了它具有手性。
SiO2有许多重要用途。
水泥
玻璃
单晶硅
硅光电池
芯片
光导纤维
三、共价晶体与分子晶体比较及判断
比较项目 共价晶体 分子晶体
构成粒子 原子 分子
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
导电性 不导电 Si半导体 不导电
导热性 不良 不良
溶解性 不溶 相似相溶
共价晶体 分子晶体
熔沸点的 决定因素 共价键 强弱 分子间
作用力
类别 ①C、B、Si单质 ②SiC、SiO2、Si3N4、BN ①大多非金属单质
②非金属氢化物
③几乎所有酸
④绝大多数有机物
共价晶体—共价键饱和性和方向性—非密堆积
分子晶体—无氢键—密堆积
—有氢键—非密堆积
(1)依据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断。
共价晶体-原子-共价键。 分子晶体-分子-分子间作用力。
(2)依据晶体的熔点判断。
共价晶体-熔点很高,常在1000℃以上。分子晶体-熔点低,常在数百℃以下。
[模型方法]分子晶体和共价晶体的判断
(4)依据导电性判断。
分子晶体不导电,部分溶于水后能导电;原子晶体不导电,但硅、锗是半导体。
(3)依据晶体的硬度与机械性能判断。
共价晶体硬度很大,分子晶体硬度较小且较脆。
[模型方法]分子晶体和共价晶体的熔沸点判断
分析晶
体类型
晶体类型不同
晶体类型相同
共价晶体>分子晶体
共价晶体—共价键的强弱:半径→键长→键能
分子晶体—氢键、Mr、极性、支链
四、复述检测
[达标检测1]判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(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。(　　)
(7)共价晶体中只存在非极性共价键。(　　)
(8)在干冰晶体中,与一个CO2分子相邻且等距离的CO2分子共有6个。(　)
[达标检测2]下列晶体由原子直接构成,且属于分子晶体的是(　　)。
A.二氧化硅 B.固态氖 C.白磷 D.三氧化硫
[达标检测3]下列晶体由原子直接构成,且属于分子晶体的是(　　)。
A.二氧化硅 B.固态氖 C.白磷 D.三氧化硫
[达标检测4]有下列物质:①水晶　②冰醋酸　③硫黄　④晶体氩 ⑤金刚石 　⑥碳化硅　⑦干冰　⑧过氧化氢。根据要求填空:
(1)属于共价晶体的化合物是　　　　。
(2)直接由原子构成的晶体是　　　　。
(3)直接由原子构成的分子晶体是　　　　。
(4)由极性分子构成的晶体是　　　　,属于分子晶体的单质是　　　　。
[达标检测5]下列物质按熔、沸点由高到低顺序排列,正确的一组是(　)。
A.F2、Cl2、Br2、I2 B.HI、HBr、HCl、HF
C.CI4、CBr4、CCl4、CF4 D.H2O、H2S、H2Se、H2Te
[达标检测6]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(　　)。
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数目之比为1∶2
D.金刚石的熔点高,所以在打孔过程中不需要浇水冷却

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