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第2节　分子晶体与共价晶体
素养 目标定位
目标素养
1.借助分子晶体、共价晶体模型认识分子晶体、共价晶体的结构特点。培养证据推理与模型认知的化学学科核心素养
2.能够从范德华力、氢键的特征,分析理解分子晶体的物理特性。培养宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养
3.能够从化学键的特征,分析理解共价晶体的物理特性。培养宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养
知识概览
课前 基础认知
一、分子晶体
1.定义。
只含分子的晶体称为分子晶体。分子晶体中相邻的分子间靠　分子间作用力　相互吸引。
2.物理特性。
(1)分子晶体的熔点　低　,硬度　小　。
(2)一般是绝缘体,熔融状态也不导电。
(3)溶解性通常符合“相似相溶”规律。
3.常见分子晶体及物质类别。
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、P4O6、P4O10、SO2、SO3等
稀有气体 He、Ne等
几乎所有的酸 HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等
绝大多数有机物 苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等
4.分子晶体的常见堆积方式。
分子间作用力 堆积方式 实例
只有范德华力 采用分子密堆积,每个分子周围最多可以有12个紧邻的分子 如C60、干冰、I2、O2
范德华力、氢键 由于氢键具有方向性,使每个分子周围的分子数减少 如HF、NH3、冰
5.冰.
冰的结构模型
(1)水分子之间的主要作用力是　氢键　,也存在　范德华力　。
(2)　氢键　有方向性,它的存在迫使在　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。
微解读 配位数:即一个分子周围最邻近的分子的数目。如冰中,水分子的配位数为4;干冰中,二氧化碳分子的配位数为12。
微思考1从晶体结构的角度解释为什么冰的密度比液态水小
提示:冰晶体中水分子的空间利用率不高,留有相当大的空隙,故其密度比液态水的密度小。
6.干冰。
干冰的晶胞
(1)干冰中的CO2分子间只存在 范德华力 。
(2)①每个晶胞中有　4　个CO2分子。
②每个CO2分子周围紧邻的CO2分子数为　12　个。
微思考2 为什么干冰的熔点比冰的熔点低而密度却比冰的密度大
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,所以冰的熔点比干冰的熔点高。水分子间的氢键具有方向性,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。由于CO2分子的相对分子质量大于H2O分子的相对分子质量,所以干冰的密度大。
二、共价晶体
1.金刚石。
(1)金刚石晶体中,每个碳原子采取　sp3　杂化,C—C—C夹角为　109°28'　。
(2)每个碳原子以四个共价单键对称地与相邻的4个碳原子结合形成共价键三维骨架结构。
(3)最小碳环由　6　个碳原子构成。
微思考3 以金刚石为例,说明共价晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同
提示:①构成粒子不同,共价晶体的构成粒子是原子,不是分子。②构成粒子间的相互作用不同,共价晶体中存在的是共价键,而不是分子间作用力。
2.二氧化硅晶体。
(1)二氧化硅的结构。
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,在最常见的低温石英的结构中,顶角相连的　硅氧四面体　形成螺旋上升的长链,这一结构决定了它具有手性。
石英晶体中的硅氧四面体相连构成的螺旋链
①Si原子采取　sp3　杂化,正四面体内O—Si—O键角为　109°28'　。
②每个Si原子与相邻的　4　个O原子形成　4　个共价键,　Si　原子位于正四面体的中心,　O　原子位于正四面体的顶角。
(2)二氧化硅的用途。
二氧化硅是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。
3.共价晶体的结构特点。
(1)构成粒子及作用力:
(2)空间结构:整块晶体有共价键　三维骨架　结构,不存在单个小分子。
4.共价晶体的性质特点。
(1)共价晶体中原子间以较强的共价键结合成三维骨架结构,所以共价晶体的硬度 很大 、熔点 很高 。
(2)一般来说,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 ,硬度越 大 。
5.共价晶体与物质的类别。
微判断(1)具有共价键的晶体都是共价晶体。(　　)
(2)一般来说,共价晶体中,共价键越强,熔点越高。(　　)
(3)共价晶体的化学式表示其分子组成。(　　)
×
√
×
微训练 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.金刚石中碳原子数目与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进行浇水冷却
答案:C
课堂 重难突破
问题探究
常温下,液态水中水分子在不停地做无规则运动。0 ℃以下,水凝结成冰,其中水分子的排列由杂乱无序变得十分有序。
(1)冰晶体中存在哪几种粒子间的相互作用
提示:冰晶体中存在共价键、氢键、范德华力。
(2)冰晶体中粒子间的相互作用对冰晶体的结构与性质产生了怎样的影响
提示:在冰晶体中水分子之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,这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不高,留有相当大的空隙。当冰刚刚融化为液态水时,热运动使冰的结构部分解体,水分子间的空隙减小,密度增大。冰中除了范德华力外还有氢键作用,破坏分子间氢键较难,所以水的熔、沸点较高。
归纳总结
1.分子晶体的物理性质。
(1)分子晶体具有较低的熔点和较小的硬度。分子晶体熔化时要破坏分子间作用力,因为分子间作用力很弱,所以分子晶体的熔点一般较低,部分分子晶体易升华(如干冰、碘、萘等),且硬度较小。
(2)分子晶体不导电。分子晶体在固态和熔融状态下均不存在自由移动的离子或自由电子,因而分子晶体在固态和熔融状态下都不能导电。有些分子晶体的水溶液能导电,如HI、乙酸等。
(3)分子晶体的溶解性一般符合“相似相溶”规律,即极性分子易溶于极性溶剂,非极性分子易溶于非极性溶剂。如H2O是极性溶剂,SO2、H2S、HBr等都是极性分子,它们在水中的溶解度比N2、O2、CH4等非极性分子在水中的溶解度大。苯、CCl4是非极性溶剂,则Br2、I2等非极性分子易溶于其中,而水则难溶于苯和CCl4中。
2.分子晶体熔、沸点的比较规律。
(1)少数主要以氢键作用形成的分子晶体,比一般的分子晶体的熔、沸点高,如含有H—F、H—O、H—N等共价键的分子间可以形成氢键,所以HF、H2O、NH3、醇、羧酸等物质的熔、沸点相对较高。
(2)组成与结构相似,分子之间不含氢键而只利用范德华力形成的分子晶体,随着相对分子质量的增大,物质的熔、沸点逐渐升高。例如,常温下Cl2呈气态,Br2呈液态,而I2呈固态;CO2呈气态,CS2呈液态。
(3)相对分子质量相等或相近的极性分子构成的分子晶体,其熔、沸点一般比非极性分子构成的分子晶体的熔、沸点高,如CO的熔、沸点比N2的熔、沸点高。
(4)有机化合物中组成和结构相似且不存在氢键的同分异构体,相对分子质量相同,一般支链越多,分子间的相互作用力越弱,熔、沸点越低,如熔、沸点:正戊烷>异戊烷>新戊烷。
典型例题
【例1】 水是生命之源,下图为冰晶体的结构模型,大球代表O原子,小球代表H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
答案: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结构,A项正确。水分子间通过氢键和范德华力形成冰晶体,而CO2分子是通过范德华力形成干冰晶体,B、C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。
【例2】 (1)比较下列化合物的熔、沸点的高低(填“>”或“<”)。
①CO2　　　SO2;②NH3　　　　PH3;
③O3　　　　O2;④Ne　　　　Ar;
⑤CH3CH2OH　　　CH3OH;⑥CO　　　N2。
(2)已知AlCl3的熔点为190 ℃,但它在180 ℃即开始升华。
①请判断AlCl3固体是　　　　晶体。
②设计实验验证你的判断,写出你的方案。
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分子
将AlCl3熔融,测试其是否导电,若不导电,则是共价化合物
方法技巧
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、绝大多数有机物的晶体都是分子晶体。 (2)依据组成晶体的粒子及粒子间的作用力判断。 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、沸点低,在熔融状态或固体时均不导电。
问题探究
砷化镓是第二代半导体,熔点为1 238 ℃,具有共价键三维骨架结构,性能比硅更优良。砷化镓半导体材料的一个重要特性就是光电特性。由于它具有直接带隙以及宽禁带等结构,它的光发射效率比硅、锗等半导体材料高,广泛用于雷达、电子计算机、人造卫星、宇宙飞船等尖端技术领
域。砷化镓晶体的晶胞结构如图所示。
(1)砷化镓属于哪一种类型的晶体
提示:共价晶体。
(2)氮化硼与砷化镓属于同种晶体类型。两种晶体中熔点较高的是哪一种 你作出判断的依据是什么
提示:BN。两者均为共价晶体,B—N的键长比Ga—As的键长短,B—N的键能大。
归纳总结
1.认识金刚石的晶胞。
金刚石晶胞的每个顶角和面心均有1个C原子,晶胞内部有4个C原子,每个金刚石晶胞中含有8个C原子。
(1)每个碳原子都采取sp3杂化,与相邻的4个碳原子以共价键相结合,形成正四面体形结构,键角为109°28'。
(2)晶体中最小的碳环由6个碳原子组成,且不在同一平面内,最多有4个碳原子在同一平面。
(3)每个碳形成4个C—C键,每个碳原子占有2个C—C键,即碳原子数与C—C键数之比为1∶2。
(4)每个碳原子被12个六元环共用,1个碳环占有的碳原子数为 。
(5)每个C—C被6个六元环共用。
2.共价晶体熔点高低的比较。
(1)晶体的熔点的高低取决于共价键的键长和键能。键长越短,键能越大,共价键越稳定,物质的熔点越高。
(2)若没有键长或键能数据,可比较原子半径的大小。一般原子半径越小,键长越短,键能越大,晶体的熔点就越高。如比较金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点高低。原子半径: CC—Si>Si—Si,熔点:金刚石>碳化硅>晶体硅。
3.分子晶体和共价晶体的比较。
晶体类型 分子晶体 共价晶体
定义 分子间通过分子间作用力结合形成的晶体 相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间网状结构的晶体
构成微粒 分子 原子
物质类别 多数非金属单质和共价化合物 金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等
微粒间的作用力 分子间作用力 共价键
熔化时需克
服的作用力 较弱的分子间作用力 很强的共价键
晶体类型 分子晶体 共价晶体
物理性质 熔、沸点 较低 很高
硬度 较小 很大
导电性 固态和熔融态时一般都不导电,但某些分子晶体溶于水能导电,如HCl 固态和熔融态时多数不导电,但晶体Si、晶体Ge等半导体,能导电
溶解性 相似相溶 难溶于一般溶剂
决定熔、沸点高低的因素 分子间作用力的强弱 共价键的强弱
典型例子 干冰、冰 金刚石、二氧化硅
典型例题
【例3】 下表是某些共价晶体的熔点和硬度:
共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗
熔点/℃ >3 500 3 000 2 700 1 710 1 410 1 211
硬度 10 9.5 9.5 7 6.5 6.0
下列叙述正确的是(　　)。
A.构成共价晶体的原子种类越多,晶体的熔点越高
B.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
C.构成共价晶体的原子半径越大,晶体的硬度越大
D.构成共价晶体原子的相对原子质量越小,晶体的硬度越大
答案:B
解析:共价晶体的熔点和硬度等物理性质取决于晶体内的共价键和晶体结构,同类型共价晶体,构成共价晶体的原子半径越小,键长越小,键能越大,对应共价晶体的熔点越高,硬度越大。原子种类和相对原子质量不能作为判断共价键强弱的依据。
方法指导
比较共价晶体和分子晶体熔点高低的基本思路:

【例4】 根据下列性质判断,属于共价晶体的物质是(　　)。
A.熔点为2 700 ℃,导电性好,延展性强
B.无色晶体,熔点为3 500 ℃,不导电,质硬,难溶于水和有机溶剂
C.无色晶体,能溶于水,质硬而脆,熔点为800 ℃,熔化时能导电
D.熔点为-56.6 ℃,微溶于水,硬度小,固态或液态时不导电
答案:B
解析:通常共价晶体熔点高,不导电,质硬,难溶于水和有机溶剂,只有B项描述符合共价晶体的特征。
成果验收站
1.某化学兴趣小组,在学习分子晶体后,查阅了几种氯化物的熔、沸点,记录如下:
根据这些数据分析,属于分子晶体的是(　　)。
A.NaCl、MgCl2、CaCl2 B.AlCl3、SiCl4
C.NaCl、CaCl2
答案:B
D.只有SiCl4
2.下列有关分子晶体的说法中正确的是(　　)。
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
答案:B
3.下列有关冰和干冰的叙述不正确的是(　　)。
A.干冰和冰都是由分子密堆积形成的晶体
B.冰晶体中每个水分子周围只有4个紧邻的水分子
C.干冰的熔点比冰的熔点低得多,常压下易升华
D.干冰中只存在范德华力,不存在氢键,每个分子周围有12个紧邻的分子
答案:A
4.C60晶体的晶胞结构如图所示,下列说法不正确的是(　　)。

A.该晶体熔化时需克服共价键
B.1个晶胞中含有4个C60分子
C.晶体中1个C60分子有12个紧邻的C60分子
D.晶体中C60分子间以范德华力结合,故C60分子熔点不会很高
答案:A
5.下列晶体性质的比较中不正确的是(　　)。
A.熔点:金刚石>碳化硅>晶体硅
B.沸点:NH3>PH3
C.硬度:白磷>冰>二氧化硅
D.熔点:SiI4>SiBr4>SiCl4
答案:C
6.下列有关晶体的说法一定正确的是(　　)。
①共价晶体中只存在非极性共价键
②稀有气体形成的晶体属于分子晶体
③干冰晶体升华时,分子内共价键会发生断裂
④金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合物
⑤具有离子键的化合物是离子化合物
A.①③ B.①④
C.②⑤ D.④⑤
答案:C
7.高压下,可将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体,下列说法正确的是(　　)。
A.CO2共价晶体的熔点高于SiO2晶体的熔点
B.在一定条件下,CO2分子晶体转化为CO2共价晶体是物理变化
C.1 mol CO2共价晶体中,含有2 mol C—O
D.等物质的量的CO2气体与CO2共价晶体分别与足量NaOH溶液反应,放出热量相等
答案:A
8.金刚石是典型的共价晶体。下列关于金刚石的说法中,正确的是(　　)。
A.晶体中不存在独立的单个分子
B.碳原子采用sp2杂化,相互之间以共价键相结合
C.碳原子通过共价键结合形成平面网状结构
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:A
9.已知C3N4晶体很可能具有比金刚石更大的硬度,且原子间以单键结合。下列有关C3N4晶体的说法中错误的是(　　)。

A.C3N4晶体与金刚石同属于共价晶体
B.C3N4晶体中C—N的键长比金刚石中C—C的键长大
C.C3N4晶体中每个碳原子连接4个氮原子,每个氮原子连接3个碳原子
D.C3N4晶体中含有极性共价键,不含非极性共价键
答案:B
10.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。下列说法错误的是(　　)。

A.金刚砂的化学式为SiC
B.SiC晶体中碳原子和硅原子均采用sp3杂化
C.距离Si原子最近的Si原子数为12
D.金刚石的熔点低于2 700 ℃
答案:D
11.(1)CO能与金属Fe形成Fe(CO)5,该化合物的熔点为253 K,沸点为376 K,其固体属于　　　　晶体。
(2)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、沸点比BrF3的　　　　(填“高”或“低”)。
分子
低
12.现有两组物质的熔点数据如下表所示:
A组 B组
金刚石:>3 500 ℃ HF:-83.57 ℃
晶体硅:1 410 ℃ HCl:-114.18 ℃
晶体硼:2 300 ℃ HBr:-86.81 ℃
二氧化硅:1 710 ℃ HI:-50.79 ℃
根据表中数据回答下列问题。
(1)A组属于　　　　晶体,其熔化时克服的粒子间的作用力是　　　　　　。
共价
共价键
A组 B组
金刚石:>3 500 ℃ HF:-83.57 ℃
晶体硅:1 410 ℃ HCl:-114.18 ℃
晶体硼:2 300 ℃ HBr:-86.81 ℃
二氧化硅:1 710 ℃ HI:-50.79 ℃
(2)B组中HF熔点反常是由于 　　　 　　　。
(3)B组晶体不可能具有的性质是　　　　　(填序号)。
①硬度小　②水溶液能导电　③固体能导电　④液体状态能导电
HF分子间存在氢键
③④

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