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第2课时　分子晶体
1.了解分子晶体的结构和特点。2.能区别分子晶体和共价晶体。
分子晶体
学习任务一
1.概念及微粒间的作用力
(1)概念:分子通过 构成的固态物质。
(2)微粒间的作用力:分子晶体中相邻分子之间以 相互吸引。
分子间作用力
分子间作用力
2.典型分子晶体的结构特征
(1)构成干冰晶体的结构微粒是 ,微粒间的相互作用力是 。
二氧化碳分子
范德华力
(2)从结构模型可以看出:干冰晶体是一种 结构——每8个二氧化碳分子构成立方体,在 6个面的中心又各占据1个二氧化碳分子。每个二氧化碳分子周围,离该分子最近且距离相等的二氧化碳分子有 个。每个晶胞中有 个二氧化碳分子。
3.分子晶体的物理特性
分子晶体中相邻分子间以范德华力或范德华力和氢键结合,因此,分子晶体的沸点 ,密度 ,硬度 ,较易熔化和挥发。
面心立方
12
4
较低
较小
较小
下列分别为分子晶体干冰与冰的组成与结构图:
探究　典型分子晶体的结构特点
问题1:干冰晶胞中每一个二氧化碳分子与周围最近的几个分子相邻
提示:取处于晶胞立方体顶点处的二氧化碳分子分析,与该分子最近的分子处于立方体的面心,一共有12个。
问题2:冰晶体中每一个水分子与周围多少个水分子紧密相邻
提示:4个。
问题3:与干冰相比,同为分子晶体,为什么冰中水分子紧密相邻的分子数减少
提示:因为冰中水分子间的作用力主要是氢键,氢键具有方向性和饱和性,每个水分子通过氧原子的两个孤电子对和两个氢原子形成四面体结构,沿着四面体的顶点方向与周围四个水分子形成氢键,造成空间利用率不高,紧密相邻的分子数减少。
问题4:结合上述冰与干冰的结构差异性,想一想为什么干冰的熔、沸点比冰的低而密度却比冰的大
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、沸点比干冰的高;由于水分子间氢键具有方向性和饱和性,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,所以相同状况下冰的体积较大,并且由于CO2的相对分子质量大于H2O的相对分子质量,所以干冰的密度大。
问题5:分子晶体中是否存在化学键
提示:绝大多数分子晶体中分子内部存在化学键,如N2、H2O、SO2等分子内部都有共价键,而稀有气体为单原子分子,分子内部无化学键,分子之间以范德华力结合。
归纳拓展
分子晶体的结构特点
1.分子晶体的基本构成微粒是分子,分子之间普遍存在的作用是范德华力,个别晶体中分子间还含有氢键,如冰。
2.只含范德华力的晶体,晶体中分子采取密堆积,晶胞中每一个分子周围一般有12个分子紧邻。含有氢键的晶体,由于氢键具有方向性和饱和性,晶体中分子之间不满足密堆积,空间利用率不高,留有相当大的空隙,所以密度会减小,但是熔、沸点往往会升高,如冰等。
1.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.其结构一定为分子密堆积
B
【解析】 稀有气体是单原子分子,分子内不存在共价键,A错误;分子间作用力包括范德华力和氢键,前者存在于所有分子晶体中,氢键只存在于某些特定的分子间或分子内,B正确,C错误;只存在范德华力的分子晶体才为分子密堆积,D错误。
2.下列能支持固态氨是分子晶体的事实为(　　)
A.氮原子不能形成阳离子
B.铵根离子不能单独存在
C.常温下氨是气态物质
D.氨极易溶于水
C
【解析】 常温下氨是气态物质,说明NH3的熔、沸点低,微粒之间的作用力小,所以固态的氨是分子晶体,C符合题意。
3.下列各组晶体物质均属于分子晶体的是(　　)
A.SO2、SiO2、P2O5、O2
B.H2SO4、H2O2、HCl、Ar
C.NH4Cl、H2O、NH3、I2
D.CO2、AlCl3、MgCl2、CO
B
【解析】 SiO2为共价晶体,A不符合题意;H2SO4、H2O2、HCl、Ar均是由分子通过分子间作用力聚集而成的分子晶体,B符合题意;NH4Cl是由铵根离子和氯离子构成的离子晶体,C不符合题意;MgCl2是由镁离子和氯离子构成的离子晶体,D不符合题意。
规律方法
分子晶体的判断方法
(1)依据物质的类别判断。
大部分非金属单质、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)依据组成晶体的微粒及微粒间作用力判断。
构成分子晶体的微粒是分子,微粒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,在熔融状态和固体时均不导电。
石墨晶体
学习任务二
1.结构特点
(1)在石墨的二维结构平面内,每个碳原子以C—C键与 个碳原子结合,形成六元环层。
(2)在同一平面的碳原子还各剩下一个2p轨道,并含有1个未成对电子,这些p轨道相互平行,相邻碳原子的p轨道相互重叠,形成 键。电子比较自由,相当于金属中的自由电子,使得石墨能够导电,但具有一定的 。
(3)石墨晶体中网络状的平面结构以 结合形成层状的结构,距离较大,结合力较弱,层与层间可以 ,使之具有良好的润滑性。
3
大π
方向性
分子间作用力
相对滑动
2.晶体类型
石墨晶体中,同一层中碳原子间以共价键结合形成二维网状结构,层与层间以分子间作用力相结合,所以属于 晶体。
3.性质
熔点 ,质软, 导电。
混合型
高
易
探究　石墨的结构与性质
问题1:碳元素形成的单质种类繁多,如金刚石、C60、C70、C76、石墨等,根据学过的知识,思考它们分别属于哪种晶体类型
提示:金刚石属于共价晶体,C60、C70、C76属于分子晶体,石墨属于混合型晶体。
问题2:石墨具有质软的性质,可以制作铅笔芯,如何解释
提示:石墨是层状结构,层与层之间相隔较远,只存在范德华力,结合力较弱,所以表现为质软、易滑动。
问题3:同样是由碳原子构成的石墨的熔点为什么比金刚石的还高
提示:石墨中,同一层内碳原子之间以共价键结合,每一个碳原子与周围三个碳原子形成3个共价键,并且在层内形成大π键,使原子之间离得更近,键长变短,键能增大,所以熔点较高。
问题4:石墨和金刚石由同种元素组成,为什么石墨能够导电,而金刚石不能
提示:石墨晶体同一层中存在自由移动的电子,能够导电,而金刚石是共价晶体,碳原子中的外围电子均参与形成C—C键,无自由移动的电子,不能导电。
石墨的性质
(1)导电性、导热性:石墨晶体中,形成大π键的电子可以在整个层内运动,比较自由,相当于金属中的自由电子,所以石墨能导电、导热,并且沿层的平行方向导电性强,这也是晶体各向异性的表现。
(2)润滑性:石墨层间作用力为范德华力,结合力弱,层与层间可以相对滑动,使之具有润滑性,因而可以作润滑剂、铅笔芯等。
归纳拓展
1.下列有关石墨晶体的说法正确的是(　　)
A.由于石墨晶体能导电,所以它是金属晶体
B.由于石墨的熔点很高,所以它是共价晶体
C.由于石墨质软,所以它是分子晶体
D.石墨晶体内每个六边形平均占有2个碳原子
D
2.航天飞机表层的防热瓦曾成为其能否安全着陆的制约因素,当时的防热瓦是以石墨材料为主要成分的十分疏松的泡沫陶瓷。下列有关说法合理的是
(　　)
A.石墨成为该泡沫陶瓷主要成分的主要原因是石墨是共价晶体
B.石墨成为该泡沫陶瓷主要成分的主要原因是石墨熔点很高
C.石墨中碳碳键之间的夹角是109°28′
D.C60也可代替石墨用作航天飞机表层的防热瓦材料
B
【解析】 石墨为混合型晶体,键角为120°,熔点高,可用作防热瓦材料;
C60为分子晶体,熔点低,不能用作防热瓦材料,故选B。
3.用高压釜施加高温、高压并加入金属镍等催化剂,可实现如图所示的石墨转化为物质B的过程。下列有关说法错误的是(　　)
A.石墨的层状结构比物质B的结构更稳定
B.在该条件下,石墨转化为物质B的变化是化学变化
C.物质B的硬度比石墨的大,属于共价晶体
D.石墨和物质B均能导电
D
【解析】 由题给结构可知,高温、高压并有催化剂存在时,石墨转化得到的物质B为金刚石。键长为金刚石>石墨,则键能为金刚石<石墨,键能越大,键越牢固,物质越稳定,因此石墨更稳定,A项正确;石墨和金刚石互为同素异形体,石墨转化为金刚石的过程涉及旧化学键的断裂和新化学键的形成,是化学变化,B项正确;金刚石属于共价晶体,其硬度比石墨的大,C项正确;金刚石不能导电,D项错误。
晶体的共性与个性
学习任务三
1.晶体概述
、 、 和 是最常见的晶体类型。但不论上述晶体颗粒的大小如何,晶体内部结构均是由原子、离子或分子按周期性规律重复排列构成的。因此,在研究这些晶体类型时,我们均可通过研究能够反映晶体结构特征的基本重复单位—— 来进行。
金属晶体
离子晶体
共价晶体
分子晶体
晶胞
2.晶体的共性
(1)晶体物质各个部分的宏观性质总是 ,例如具有相同的密度、相同的化学组成等。
(2)晶体总能自发地形成 外形。
(3)晶体都具有确定的 。
相同的
多面体
熔点
3.晶体的个性
不同类型的晶体因构成微粒及其相互作用力的不同,常常表现出各自的特性。例如:
(1)绝大多数金属晶体是 的良导体, 性好。
(2)食盐为 晶体,质脆,熔融状态下 导电。
(3)金刚石为 晶体,无色透明、坚硬、质脆,常温下不导电。
(4)干冰属于 晶体,只能在低温下存在。
电和热
延展
离子
能
共价
分子
已知四种物质的部分性质如下:
①溴化铝:无色晶体,熔点98 ℃,熔融状态下不导电。
②碳化铝:黄色晶体,熔点2 200 ℃,熔融状态下不导电。
③氟化铝:无色晶体,熔融时或溶于水时破坏了相同的作用力。
④五氟化钒:无色晶体,熔点19.5 ℃,易溶于乙醇。
探究　典型晶体的结构与性质关系
问题1:判断溴化铝的晶体类型,并说明理由。
提示:溴化铝为分子晶体;因为其熔点低,熔融状态下不导电,具有分子晶体的性质。
问题2:判断碳化铝的晶体类型,并说明理由。
提示:碳化铝为共价晶体;因为其熔点较高,且熔融状态下不导电。
问题3:熔融态导电的晶体一定是离子晶体吗
提示:不一定。离子晶体、金属晶体在熔融状态下均可导电。
问题4:能否只根据熔、沸点高低判断晶体类型
提示:总体来说,分子晶体熔、沸点相对较低,共价晶体熔、沸点整体普遍较高,金属晶体熔、沸点差异较大,离子晶体与金属晶体、共价晶体相比较,不存在熔、沸点一定大或小的情况,所以应该结合晶体的组成、结构、性质等综合判断晶体类型,不应该只根据熔、沸点高低判断。
几种类型的晶体的结构与性质
归纳拓展
晶体
类型 金属晶体 离子晶体 共价
晶体 分子
晶体
结
构 构成
微粒 金属离子
和自由电子 阴离子、
阳离子 原子 分子
微粒
间作
用力 金属键 离子键 共价键 分子间作用力
归纳拓展
性
质 熔、沸点 有的很高,有的很低 较高 很高 较低
硬度 大小不一 较大 很大 较小
导电性 导电 固态不导电,熔融状态或在水溶液中导电 不导电 熔融状态(液态)不导电,溶于水有的导电
举例 Cu、Hg、Na NaCl、NH4Cl 金刚石、
SiO2　 干冰、碘
1.下列各组物质的晶体中,化学键类型相同、晶体类型也相同的是(　　)
A.NaCl和CaC2
B.CO2和SiO2
C.NH3和H2O
D.CCl4和NH4Cl
C
【解析】 NaCl和CaC2均为离子晶体,NaCl中只有离子键,CaC2中存在离子键和共价键,A不符合题意;CO2和SiO2晶体中均只含有共价键,CO2为分子晶体,SiO2为共价晶体,B不符合题意;NH3和H2O均为分子晶体,且晶体内只存在共价键,C符合题意;CCl4为分子晶体,分子中只存在共价键,
NH4Cl为离子晶体,晶体中存在离子键和共价键,D不符合题意。
2.下列关于晶体结构和性质的叙述正确的是(　　)
A.同一元素形成的单质可能具有不同的晶体结构
B.共价晶体中只存在非极性共价键
C.天然气水合物晶体是分子晶体,其中仅存在范德华力
D.冰和干冰都是分子晶体,因此二者晶体中每个分子周围的紧邻分子均为12个
A
【解析】 金刚石是共价晶体,石墨是混合型晶体,C60是分子晶体,它们都是由碳元素形成的不同单质,A正确;共价晶体中不一定只存在非极性共价键,如碳化硅和二氧化硅为共价晶体,晶体中存在极性共价键,B错误;天然气水合物晶体是分子晶体,其中存在范德华力、氢键、共价键,C错误;干冰是由分子密堆积形成的晶体,每个分子周围有12个紧邻的分子,冰晶体中每个水分子周围只有4个紧邻的水分子形成四面体结构,D错误。
3.下列关于晶体的说法,不正确的是(　　)
①晶体中微粒呈周期性有序排列,有自范性,而非晶体中微粒排列相对无序,无自范性
②含有金属阳离子的晶体一定是离子晶体
③共价键可决定分子晶体的熔、沸点
④MgO和NaCl两种晶体中,MgO的离子键弱,所以其熔点比较低
⑤晶胞是晶体结构的基本重复单位,晶体内部的微粒按周期性规律重复排列
⑥晶体尽可能采取紧密堆积方式,以使其变得比较稳定
⑦干冰晶体中,1个CO2分子周围有12个CO2分子紧邻
A.①②③ B.②③⑦ C.④⑤⑥ D.②③④
D
【解析】 晶体的自范性是微粒微观上呈周期性排列的宏观表现,因此非晶体排列无序,无自范性,①正确;金属晶体中含有金属阳离子,不属于离子晶体,②错误;分子晶体熔、沸点取决于分子间作用力,而非共价键,③错误;MgO中离子所带电荷数多,半径小,离子键强,因此熔点比NaCl的高,④错误;晶体内部微粒按周期性规律重复排列,晶胞是晶体结构的基本重复单位,⑤正确;晶体微粒间的作用力使其尽可能紧密堆积,⑥正确;干冰采用分子密堆积的排列方式,1个CO2分子周围紧邻12个CO2分子,⑦正确。
知识整合
在我国南海海底深处沉积物中存在着大量的可燃冰,其主要成分为甲烷水合物,外观结构看起来像冰,且遇火即可燃烧,因而得名,在常温、常压下它会分解成水和甲烷。请回答下列问题。
(1)甲烷晶体的晶胞结构如图所示。下列说法正确的是　　　　(填字母)。
A.甲烷晶胞中的球只代表1个碳原子
B.晶体中1个甲烷分子周围有12个紧邻的甲烷分子
C.甲烷晶体熔化时需克服共价键
D.1个甲烷晶胞中含有8个甲烷分子
B
(2)水在不同的温度和压强条件下可以形成多种不同结构的晶体。冰晶体结构有多种,其中冰-Ⅶ的晶体结构如图所示。

实验测得冰中氢键的键能为18.5 kJ·mol-1,而冰的熔化热为5.0 kJ·mol-1,这说明: 　　　　　　　　　　　　　　。
冰融化为液态水时只破坏了一部分氢键,液态水中仍存在氢键
【解析】 (2)冰中氢键的键能为18.5 kJ·mol-1,而冰的熔化热为5.0 kJ·mol-1,说明冰融化为液态水时只是破坏了一部分氢键,液态水中仍存在氢键。
(3)用x、y、z分别表示H2O、H2S、H2Se的沸点(℃),则x、y、z的大小关系是
　　　 ,其判断依据是
　 　。
x>z>y　
H2O、H2S、H2Se均为分子晶体水分子间存在氢键,
硫化氢与硒化氢分子间均不存在氢键,但H2Se的相对分子质量大于H2S的相对分子质量,硒化氢分子间范德华力强于硫化氢分子间范德华力
【解析】 (3)H2O、H2S、H2Se均为分子晶体,水分子间存在氢键,硫化氢与硒化氢分子间均不存在氢键,但H2Se的相对分子质量大于H2S的相对分子质量,硒化氢分子间范德华力强于硫化氢分子间范德华力,故有沸点 H2O>H2Se>H2S,即 x>z>y。
命题解密与解题指导
情境解读:以可燃冰的成分甲烷与水为载体,考查晶体的结构、性质。
素养立意:借助甲烷、冰晶胞模型分析,晶体结构性质分析比较,分子结构分析,发展证据推理与模型认知素养。
思路点拨:分子晶体结构与性质分析思路。
(1)晶胞结构分析:没有氢键的,符合分子密堆积,每一个分子周围紧邻12个分子;含有氢键的,因为氢键的方向性与饱和性,不符合分子密堆积,分子配位数减少。
(2)晶体性质分析:结构相似的分子晶体符合相对分子质量越大,分子间作用力越大,熔、沸点越高规律;含有氢键的物质会出现反常情况。

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