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第二节　分子晶体与共价晶体
第1课时　分子晶体
1.通过认识分子晶体,能描述分子晶体的概念,列举常见的分子晶体。2.通过借助冰、干冰等模型认识分子晶体的结构特点及物理性质,能从微观角度分析分子晶体中各构成粒子之间的作用和对分子晶体物理性质的影响,能辨析分子晶体中粒子的堆积模型并能用均摊法对晶胞进行分析。3.通过分子晶体的学习,能利用分子晶体的通性推断常见的分子晶体。
探究分子晶体及其结构
学习任务1
1.分子晶体
(1)概念: 只含 的晶体称为分子晶体。在分子晶体中,相邻分子靠
相互吸引。
(2)分子晶体中的粒子及粒子间的相互作用。
分子
分子间作用力
物质类别 举例
所有 　 H2O、H2S、NH3、CH4、HX等
部分 X2、O2、H2、S8、N2、P4、C60等
部分 CO2、SO2、NO2、P4O6、P4O10等
稀有气体 氦气(He)、氖气(Ne)等
几乎所有的 H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3等
绝大多数有机物 苯、四氯化碳、乙醇、冰醋酸、蔗糖等
2.常见的典型分子晶体
非金属氢化物
非金属单质
非金属氧化物
酸
代表物质 干冰 冰
晶　胞
晶胞占有分子数
紧邻分子数 每个二氧化碳分子周围有 个紧邻的分子 每个水分子周围有 个紧邻的分子
密度(相对大小)
3.分子晶体的常见堆积方式
(1)常见分子晶体的结构分析。
4
8
12
4
大
小
分子间作用力 堆积方式 实例
范德华力 分子采用 ,每个分子周围最多有 个紧邻的分子 如C60、干冰、I2、O2
范德华力、 分子不采用 ,每个分子周围紧邻的分子少于12个 如HF、NH3、冰
(2)分子晶体的常见堆积方式。
密堆积
12
氢键
密堆积
碘晶体的晶胞是一个长方体,在它的每个顶点上有一个碘分子,每个面上有一个碘分子,如图所示。
探究　分子晶体的结构特点
问题1:碘分子中碘原子之间的作用力是什么 碘晶体中碘分子之间的作用力是什么
提示:碘分子(I2)中两个碘原子以共价键相结合。碘晶体中碘分子(I2)之间以范德华力相结合。
问题2:碘的晶体类型是什么 你判断的依据是什么
提示:碘属于分子晶体。判断的依据是碘分子之间仅以分子间作用力相结合。
问题3:硫化氢和水分子结构相似,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
提示:硫化氢分子间只存在范德华力,属于分子密堆积,而冰中水分子间的主要作用力是氢键,氢键具有方向性,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。
分子晶体的结构特点
1.分子晶体的基本构成粒子是分子,分子之间普遍存在的作用力是范德华力,个别晶体中分子间还含氢键,如冰中。
2.只存在范德华力的晶体,晶体中分子采取密堆积,晶胞中每个分子周围一般有12个分子紧邻。含有氢键的晶体,由于氢键的方向性,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,但是熔点、沸点往往会升高,如HF、NH3、冰等。
归纳拓展
1.下列关于分子晶体的说法正确的是(　　)
A.晶体中分子间作用力越大,分子越稳定
B.在分子晶体中一定存在共价键
C.冰和Br2都是分子晶体
D.稀有气体不能形成分子晶体
C
【解析】 分子的稳定性与化学键有关,共价键越强,稳定性越强,而分子间作用力只影响物质的熔、沸点,A错误;稀有气体形成的分子晶体,不含有共价键,B错误;冰和Br2都是由分子构成的分子晶体,C正确;稀有气体的构成粒子是分子,能形成分子晶体,D错误。
2.水是生命之源,如图为冰晶体的结构模型,大球代表氧原子,小球代表氢原子,下列有关说法正确的是(　　)
A.冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体
B.冰晶体和干冰晶体之间的作用力一样
C.水分子间通过H—O形成冰晶体
D.冰晶体融化时,水分子之间的空隙增大
A
【解析】 由图可知,冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体,A项正确;水分子间通过氢键和范德华力形成冰晶体,而CO2是通过范德华力形成干冰晶体,B、C两项错误;冰融化后,氢键数目减少,水分子间的空隙减小,体积变小,D项错误。
3.如图为干冰的晶胞结构示意图。
(1)通过观察分析,有　　　　种取向不同的CO2。将CO2视作质点,设晶胞
边长为a pm,则紧邻的两个CO2的距离为　　 　　pm。
4
(2)其密度ρ为　　　　　　　　　　(1 pm=10-10cm,设NA为阿伏加德罗常数的值)。
探究分子晶体的物理性质
学习任务2
1.物理性质
(1)分子晶体的熔点、沸点 ,密度 ,硬度较小,较易熔化和挥发。
(2)一般是绝缘体,熔融状态也不导电。
(3)溶解性符合“相似相溶”规律。
2.分子晶体熔点、沸点高低的比较规律
(1)分子晶体中分子间作用力 ,物质熔点、沸点 ,反之 。
(2)具有氢键的分子晶体,熔点、沸点 。
较低
较小
越大
越高
越低
反常高
表一　几种分子晶体的熔点、沸点
分子晶体 熔点/℃ 沸点/℃
CF4 -183.6 -128
CCl4 -22.9 76.7
CBr4 90 190.5
表二　几种氯化物的熔点、沸点
氯化物 NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 CaCl2
熔点/℃ 802 714 193 -69 775
沸点/℃ 1 465 1 412 178
(升华) 58 1 936
探究　分子晶体熔点、沸点高低的比较与应用
问题1:结合表一中的已知数据,思考影响三种分子晶体熔点、沸点高低的因素是什么
提示: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,晶体熔点、沸点越高。
问题2:分析固态的HF与HCl、丙烷与丁烷的熔点、沸点高低情况。
提示:因为HF分子晶体中存在氢键,所以HF的熔点、沸点高于HCl的;因为丁烷的相对分子质量大于丙烷的,所以丙烷的熔点、沸点低于丁烷的。
问题3:根据表二中的数据信息,你认为属于分子晶体的是哪些物质 说明判断的理由。
提示:属于分子晶体的是AlCl3、SiCl4;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,故分子晶体的熔点、沸点较低,表中的NaCl、MgCl2、CaCl2的熔点、沸点较高,很明显不属于分子晶体,AlCl3、SiCl4的熔点、沸点较低,应为分子晶体。
问题4:含有金属元素的化合物一定不是分子晶体吗
提示:不一定,如氯化铝属于分子晶体。
1.分子晶体熔点、沸点低的原因
分子晶体中分子间的作用力是范德华力或范德华力和氢键,因此,分子晶体的熔点、沸点较低,硬度较小,较易熔化和挥发。
2.分子晶体熔点、沸点的比较
(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,熔点、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,熔点、沸点越高,如CH3OH>CH3CH3。
归纳拓展
(3)含有分子间氢键的分子晶体的熔点、沸点反常高,如H2O>H2Te>H2Se>
H2S。
归纳拓展
(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,熔点、沸点升高,如C2H6>CH4,C2H5Cl>CH3Cl,CH3COOH>HCOOH。
1.下列关于分子晶体熔、沸点的比较不正确的是(　　)
A.Cl2B.H2OC.CH4D.CH3CH2CH2CH2CH3>C(CH3)4
B
【解析】 相对分子质量Cl2H2Se,故B错误;相对分子质量CH4C(CH3)4,故D正确。
2.下列性质属于分子晶体的是(　　)
A.熔点为1 070 ℃,易溶于水,水溶液导电
B.熔点为3 500 ℃,不导电,质硬,难溶于水和有机溶剂
C.能溶于CS2,熔点为113 ℃,沸点为445 ℃
D.熔点为97.81 ℃,质软,导电,密度为0.97 g·cm-3
C
【解析】 分子晶体由分子构成,分子间作用力很弱,具有较低的熔点、沸点,硬度小,易挥发等性质。熔点高、质硬,不是分子晶体的性质,故A、B错误;单质硫能溶于CS2,熔点为113 ℃,沸点为445 ℃,单质硫是分子晶体,故C正确;熔点为97.81 ℃,质软,导电,密度为0.97 g·cm-3,是金属钠的物理性质,金属钠不属于分子晶体,故D错误。
3.(1)比较下列化合物熔点、沸点的高低(填“>”或“<”)。
①CO2　　　　SO2。
②NH3　　　　PH3。
③O3　　　　O2。
④Ne　　　　Ar。
⑤CH3CH2OH　　　　CH3OH。
⑥CO　　　　N2。
<
>
>
<
>
>
【解析】 (1)各组物质均为分子晶体,根据分子晶体熔点、沸点的判断规律,其相对分子质量越大,分子间作用力越大,分子极性越大,则晶体的熔点、沸点越高,较容易比较六组物质熔点、沸点的高低。
(2)已知AlCl3的熔点为190 ℃(2.02×105 Pa),但它在178 ℃即开始升华。请回答下列问题。
①AlCl3固体是　　　　晶体。
分子
【解析】 (2)①由AlCl3的熔点低以及在178 ℃时开始升华判断AlCl3晶体为分子晶体。
②设计一个可靠的实验,判断AlCl3是离子化合物还是共价化合物。设计的实验是
　。
在熔融状态下,测其是否导电,若不导电是共价化合物,若导电是离子化合物
【解析】 ②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。
思维建模
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、稀有气体、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力判断。
组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。
(3)依据物质的性质判断。
分子晶体的硬度小,熔点、沸点低,在熔融状态和固态时均不导电。
知识整合
观察以下几种物质的晶胞结构示意图,回答下列问题。
Ⅰ.如图甲、乙是碳的两种氧化物。
(1)CO能与金属Fe形成化合物Fe(CO)5,该化合物熔点为253 K,沸点为376 K,其固体属于　　　　　晶体。
分子
【解析】 (1)由化合物Fe(CO)5熔点为253 K、沸点为376 K可知,其熔点、沸点较低,所以为分子晶体。
(2)二氧化碳晶胞中显示出的二氧化碳分子数为14,实际上一个二氧化碳晶胞中含有　　个二氧化碳分子,二氧化碳分子中σ键与π键的个数比为　　　。
4
1∶1
Ⅱ.卤素单质及其化合物有广泛的应用。
(3)F2与其他卤素单质反应可以形成卤素互化物,如ClF3、BrF3,常温下它们都是易挥发的液体。ClF3的熔点、沸点比BrF3的　　　(填“高”或“低”)。
低
【解析】 (3)组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,范德华力越大,熔点、沸点越高,所以ClF3的熔点、沸点比BrF3的低。
(4)碘晶体晶胞如图丙所示。
①碘晶体属于　　　　晶体。
②碘晶体熔化过程中克服的作用力为　 。
③假设碘晶胞中长方体的长、宽、高分别为a cm、b cm、c cm,碘的摩尔质量为127 g·mol-1,阿伏加德罗常数的值为NA,则碘晶体的密度为
　　　　g·cm-3。
分子
范德华力
命题解密与解题指导
情境解读:以三种分子晶体的晶胞结构为素材,考查分子晶体的结构、性质。
素养立意:借助三种分子晶体的晶胞结构及分子结构,发展宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知素养。
思考点拨:分子晶体结构与性质分析思路如下

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