人教版选修3第三章 第二节分子晶体与原子晶体.docx
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人教版选修3第三章第二节分子晶体与原子晶体
第二节分子晶体与原子晶体
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[课标要求]
1.了解原子晶体的特征,能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的关系。
2.知道分子晶体与原子晶体的结构微粒、微粒间作用力以及与其他晶体的区别。
1.在分子晶体中,分子内的原子间以共价键相结合,分子间以分子间作用力相吸引,因此分子晶体熔点较低。
2.在原子晶体里,所有原子都以共价键相结合,形成三维的网状结构,因此原子晶体熔点高、硬度大。
3.干冰、冰、金刚石的晶体结构图示。
1.分子晶体的概念及粒子间的相互作用力
(1)概念:
只含分子的晶体称为分子晶体。
(2)粒子间的相互作用力:
分子晶体内相邻分子间以分子间作用力相互吸引,分子内原子之间以共价键结合。
[特别提醒]
分子晶体熔化时,只破坏分子间作用力不破坏化学键。
2.常见的分子晶体及其物理性质
(1)常见的分子晶体
①所有非金属氢化物,如水、硫化氢、氨、氯化氢、甲烷等。
②部分非金属单质,如卤素(X2)、氧(O2)、硫(S8)、氮(N2)、白磷(P4)、C60、稀有气体等。
③部分非金属氧化物,如CO2、SO2、SO3、P4O6、P4O10等。
④几乎所有的酸,如H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3等。
⑤绝大多数有机物的晶体,如苯、乙醇、乙酸、葡萄糖等。
(2)物理性质:
分子晶体熔、沸点较低,硬度较小。
3.分子晶体的结构特征
(1)分子间作用力只有范德华力
晶体中分子堆积方式为分子密堆积,即以一个分子为中心,其周围通常可以有12个紧邻的分子。
如干冰的晶胞结构如图:
①每个晶胞中有4个分子。
②每个晶胞中有12个原子。
③每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子有12个。
(2)分子间有其他作用力
水分子之间的主要作用力是氢键,在冰的每个水分子周围只有4个紧邻的水分子。
如冰的晶体结构如右图。
4.分子晶体熔沸点的比较
(1)结构相似,分子之间不含氢键而利用范德华力形成的分子晶体,随着相对分子质量的增大,物质的熔点逐渐升高。
例如,常温下Cl2为气态,Br2为液态,而I2为固态;CO2为气态,CS2为液态。
(2)相对分子质量相等或相近的极性分子构成的分子晶体,其熔点一般比非极性分子构成的分子晶体的熔点高,如CO的熔点比N2的熔点高。
(3)组成和结构相似且不存在氢键的同分异构体所形成的分子晶体,相对分子质量相同,一般支链越多,分子间相互作用越弱,熔、沸点越低,如熔、沸点:
正戊烷>异戊烷>新戊烷。
[特别提醒]
少数以氢键作用形成的分子晶体,比一般的分子晶体的熔点高,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、糖等物质的熔点较高。
1.下列各组晶体都属于化合物组成的分子晶体是( )
A.H2O、O3、CCl4 B.CCl4、(NH4)2S、H2O2
C.SO2、SiO2、CS2D.P2O5、CO2、H3PO4
解析:
选D A项,O3为单质;B项,(NH4)2S为离子晶体;C项,SiO2为原子晶体。
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.其结构一定不能由原子直接构成
解析:
选B 稀有气体元素组成的晶体中,不存在由多个原子组成的分子,而是原子间通过范德华力结合成晶体,所以不存在任何化学键,且分子为单原子分子,故A、D项错误。
分子间作用力包括范德华力和氢键,范德华力存在于所有的分子晶体中,而氢键只存在于含有与电负性较强的N、O、F原子结合的氢原子的分子间或者分子内,所以B项正确,C项错误。
1.原子晶体的结构特点及物理性质
(1)构成微粒及其相互作用
(2)物理性质
①原子晶体中,由于各原子均以强的共价键相结合,因此一般熔点高,硬度大。
②结构相似的原子晶体,原子半径越小,键长越短,键能越大,晶体的熔点越高。
[特别提醒]
一般来说,原子晶体的熔点要比分子晶体的熔点高。
2.常见的原子晶体
(1)物质类别
(2)金刚石的结构特点:
①在晶体中每个碳原子以4个共价键与相邻的4个碳原子相结合,成为正四面体。
②晶体中C—C—C夹角为109°28′,碳原子采取了sp3杂化。
③最小环上有6个碳原子。
④晶体中碳原子个数与C—C键数之比为
1∶
=1∶2。
1.CO能与金属Fe形成Fe(CO)5,该化合物熔点为253K,沸点为376K,其固体属于什么晶体?
提示:
分子晶体。
2.某碳氮化合物具有立体网状结构,硬度比金刚石还硬,不溶于水,也不导电,你认为其属于什么晶体?
提示:
原子晶体。
判断原子晶体和分子晶体类型的方法
(1)依据构成晶体的粒子和粒子间的作用力判断
构成原子晶体的粒子是原子,粒子间的作用力是共价键;构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。
(2)依据晶体的熔点判断
原子晶体的熔点高,常在1000℃以上;而分子晶体熔点低,常在数XX以下甚至温度更低。
(3)依据晶体的导电性判断
分子晶体为非导体,但部分分子晶体溶于水后能导电,如HCl。
原子晶体多数为非导体,但晶体Si、晶体Ge为半导体。
(4)依据晶体的硬度和机械性能判断
原子晶体硬度大;分子晶体硬度小且较脆。
1.下列晶体中属于原子晶体的是( )
A.晶体碘 B.食盐
C.胆矾D.晶体硅
解析:
选D 常见的原子晶体中属于非金属单质的有金刚石、晶体硅、晶体硼等,属于非金属化合物的有二氧化硅、碳化硅、氮化硅等。
2.下列有关分子晶体熔点的高低叙述中正确的是( )
A.Cl2>I2
B.SiCl4>CCl4
C.N2>O2
D.C(CH3)4>CH3CH2CH2CH2CH3
解析:
选B A、B、C、D选项中均无氢键,且都为分子晶体,物质结构相似则相对分子质量大的熔点高,故A、C错误,B正确;D中相对分子质量相同的同分异构体,支链越多,熔点越低,故D错误。
[三级训练·节节过关]
1.下列关于原子晶体和分子晶体的说法不正确的是( )
A.原子晶体硬度通常比分子晶体大
B.原子晶体的熔、沸点较高
C.分子晶体都不溶于水
D.金刚石、水晶属于原子晶体
解析:
选C 分子晶体有的能溶于水,如H2SO4等。
2.金刚石是典型的原子晶体。
下列关于金刚石的说法中,错误的是( )
A.晶体中不存在独立的“分子”
B.碳原子间以共价键相结合
C.是硬度最大的物质之一
D.化学性质稳定,即使在高温下也不会与氧气发生反应
解析:
选D 金刚石是典型原子晶体,原子之间以共价键结合,构成空间网状结构,不存在独立的分子,金刚石的硬度大,性质稳定,但在高温下可与氧气反应,生成CO2气体。
3.下列性质适合于某种原子晶体的是( )
A.熔点1070℃,易溶于水,水溶液导电
B.熔点10.32℃,液态不导电,水溶液导电
C.能溶于CS2,熔点112℃,沸点444.6℃
D.熔点3550℃,很硬,不溶于水,不导电
解析:
选D 由原子晶体所具有的一般特点,熔、沸点高,硬度大,不溶于水等性质,可以推断D应该是原子晶体。
4.有下列几种晶体:
A.水晶,B.冰醋酸,C.白磷,D.金刚石,E.晶体氩,F.干冰。
(1)属于分子晶体的是________(填字母,下同),直接由原子构成的分子晶体是________。
(2)属于原子晶体的化合物是________。
(3)直接由原子构成的晶体是________。
(4)受热熔化时,化学键不发生变化的是________,需克服共价键的是________。
解析:
根据构成晶体的粒子不同,分子晶体仅由分子组成,原子晶体中无分子。
分子晶体有B、C、E、F,其中晶体氩是单原子分子构成的晶体;原子晶体和单原子分子晶体都由原子直接构成,原子晶体有A、D,但化合物只有A;分子晶体熔化时,一般不破坏化学键;原子晶体熔化时,破坏化学键。
答案:
(1)BCEF E
(2)A (3)ADE (4)BCF AD
1.下列物质固态时一定是分子晶体的是( )
A.酸性氧化物 B.碱性氧化物
C.含氧酸D.非金属单质
解析:
选C 利用举特例法解题。
A项,SiO2为酸性氧化物,属于原子晶体;B项,Na2O、CaO等碱性氧化物属于离子晶体;D项,金刚石、晶体硅等非金属单质属于原子晶体。
2.下列说法中错误的是( )
A.干冰与二氧化硅晶体熔化时,所克服的微粒间相互作用不相同
B.C2H5OH与C2H5Br相比,前者的相对分子质量远小于后者,而沸点却远高于后者,其原因是前者的分子间存在氢键
C.非金属单质只能形成分子晶体
D.金刚石熔化时断裂共价键
解析:
选C 干冰熔化时破坏范德华力,二氧化硅、金刚石等原子晶体熔化时破坏共价键,A、D项正确;乙醇的分子间易形成氢键,故其沸点高于C2H5Br,B项正确;C、Si、O是非金属元素,但金刚石、晶体硅、二氧化硅都是原子晶体,C项不正确。
3.据报道,用激光可将置于铁室中的石墨靶上的碳原子“炸松”,再用一个射频电火花喷射出氮气,可使碳、氮原子结合成碳氮化合物的薄膜,该碳氮化合物的硬度比金刚石更坚硬,则下列分析正确的是( )
A.该碳氮化合物呈片层状结构
B.该碳氮化合物呈立体网状结构
C.该碳氮化合物中C—N键长比金刚石的C—C键长长
D.相邻主族非金属元素形成的化合物的硬度比单质小
解析:
选B 由题意知,碳氮化合物的硬度比金刚石还大,说明该碳氮化合物为原子晶体,因此是立体网状结构,与金刚石相比,C原子半径大于N原子半径,所以C—N键长小于C—C键长。
4.如图为冰的一种骨架形式,依此为单位向空间延伸,请问该冰中的每个水分子有几个氢键( )
A.2B.4
C.8D.12
解析:
选A 每个水分子与四个方向的其他4个水分子形成氢键,因此每个水分子具有的氢键个数为4×
=2。
5.下列说法正确的是( )
A.冰熔化时,分子中H—O键发生断裂
B.原子晶体中,共价键越强,熔点越高
C.分子晶体中,共价键键能越大,分子晶体的熔、沸点越高
D.分子晶体中,分子间作用力越大,该物质越稳定
解析:
选B A项,冰熔化时,破坏分子间作用力(主要是氢键),分子内的H—O键不发生断裂;C项,分子晶体中,分子间作用力越强,分子晶体的熔、沸点越高,与分子内共价键的键能大小无关;D项,分子晶体中,分子内共价键的键能越大,该分子越稳定。
6.下列性质符合分子晶体的是( )
A.熔点1070℃,易溶于水,水溶液能导电
B.熔点10.31℃,液体不导电,水溶液能导电
C.熔点97.81℃,质软,能导电,密度是0.97g·cm-3
D.熔点63.65℃,熔化时能导电,水溶液也能导电
解析:
选B A项中的熔点太高,C项中能导电的说法不符合题意,D项中熔化时能导电的说法也不符合题意。
7.在下列三种晶体:
①金刚石,②晶体硅,③碳化硅中,它们的熔点从高到低的顺序是( )
A.①③② B.②③①
C.③①②D.②①③
解析:
选A 由于碳的原子半径小于硅的原子半径,因此,共价键键长:
C—C键<C—Si键<Si—Si键,而共价的键长越短,键能越大,所以题中三种物质的熔点从高到低的顺序是金刚石>碳化硅>晶体硅。
8.二氧化硅有晶体和无定形两种形态,晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。
除石英外,SiO2还有磷石英和方英石等多种变体。
方英石结构和金刚石相似,其结构单元如图。
下列有关说法正确的是( )
A.方英石晶体中存在着SiO4结构单元
B.1molSi形成2molSi—O键
C.图示结构单元中实际占有18个硅原子
D.方英石晶体中,Si—O键之间的夹角为90°
解析:
选A 由方英石结构示意图,知方英石晶体中存在着SiO4的结构单元,A项正确;1molSi形成4molSi—O键,B项错误;题图所示的结构单元实际占有的硅原子数:
8×
+6×
+4=8个,C项错误;方英石晶体中存在着SiO4的结构单元,说明Si—O键之间的夹角为109°28′,D项错误。
9.
(1)如图为CO2分子晶体结构的一部分,观察图形。
每个CO2分子周围有________个与之紧邻且等距的CO2分子;该结构单元平均占有________个CO2分子。
(2)在40GPa高压下,用激光器加热到1800K时,人们成功制得原子晶体干冰,其结构和性质与SiO2原子晶体相似,下列说法正确的是________。
A.原子晶体干冰易升华,可用作制冷剂
B.原子晶体干冰有很高的熔点和沸点
C.原子晶体干冰的硬度小,不能用作耐磨材料
D.原子晶体干冰在一定条件下可与氢氧化钠反应
E.每摩尔原子晶体干冰中含有4molC—O键
解析:
(1)题给CO2分子晶体的一部分,取任一顶点的CO2分子,则与之距离最近且等距的是共用该顶点的三个面心上的CO2分子,共3个;而该顶点被8个同样晶胞共用,而面心上的分子被2个晶胞共用,这样符合题意的CO2分子有:
3×8/2=12个;在此结构中,8个CO2分子处于顶点,6个CO2分子处于面心。
所以,该结构单元平均占有的CO2分子数为:
8×
+6×
=4;
(2)该题应从SiO2的结构和性质来判断。
答案:
(1)12 4
(2)BDE
10.碳有多种同素异形体,其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示:
(1)在石墨烯晶体中,每个C原子连接________个六元环,每个六元环占有________个C原子。
(2)在金刚石晶体中,C原子所连接的最小环也为六元环,每个C原子连接________个六元环,六元环中最多有__________个C原子在同一平面。
解析:
(1)由石墨烯的结构可知,每个C原子连接3个六元环,每个六元环占有的C原子数为
×6=2。
(2)由金刚石的结构可知,每个C可参与形成4条C—C键,其中任意两条边(共价键)可以构成2个六元环。
根据组合知识可知四条边(共价键)任选其中两条有6组,6×2=12。
因此每个C原子连接12个六元环。
六元环中C原子采取sp3杂化,为空间六边形结构,最多有4个C原子位于同一平面。
答案:
(1)3 2
(2)12 4
1.下列各组晶体物质中,化学键类型相同,晶体类型也相同的是( )
①SiO2和SO3 ②金刚石和白磷 ③CO2和SO2
④晶体硅和金刚石 ⑤晶体氖和晶体氮 ⑥硫黄和单质碘
A.①②③B.④⑤⑥
C.③④⑥D.①③⑤
解析:
选C 属于分子晶体的有SO3、CO2、SO2、白磷、晶体氖、晶体氮、硫黄和单质碘,属于原子晶体的有SiO2、晶体硅和金刚石。
但晶体氖是由稀有气体单原子分子组成,晶体中不存在化学键。
2.下列晶体性质的比较中,正确的是( )
A.熔点:
单质硫>磷>晶体硅
B.沸点:
NH3>H2O>HF
C.硬度:
白磷>冰>二氧化硅
D.熔点:
SiI4>SiBr4>SiCl4
解析:
选D 硫与磷是分子晶体,晶体硅是原子晶体,其中晶体硅的熔点远高于硫与磷的熔点,A项错误;氟化氢、冰、氨都是分子晶体,三种物质之中都存在氢键,水在常温下是液体,氟化氢、氨常温下是气体,则水的沸点最高,氨的最低,B项错误;二氧化硅是原子晶体,硬度大,白磷和冰都是分子晶体,硬度较小,C项错误;卤化硅为分子晶体,它们的组成和结构相似,分子间不存在氢键,故相对分子质量越大,熔点越高,D项正确。
3.干冰和二氧化硅晶体同属第ⅣA族元素的最高价氧化物,它们的熔、沸点差别很大的原因是( )
A.二氧化硅的相对分子质量大于二氧化碳的相对分子质量
B.C===O键键能比Si—O键键能小
C.干冰为分子晶体,二氧化硅为原子晶体
D.干冰易升华,二氧化硅不能
解析:
选C 干冰和二氧化硅晶体尽管同属第ⅣA族元素的最高价氧化物,但干冰是分子晶体,二氧化硅为原子晶体。
原子晶体微粒间以较强的共价键结合,其熔、沸点较高,而分子晶体以较弱的分子间作用力结合,熔、沸点较低。
4.SiCl4的分子结构与CCl4相似,对其进行下列推测,不正确的是( )
A.SiCl4晶体是分子晶体
B.常温、常压下SiCl4是气体
C.SiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子
D.SiCl4的熔点高于CCl4
解析:
选B 由于SiCl4具有分子结构,所以一定属于分子晶体。
影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间作用力的大小,在这两种分子中都只有范德华力,SiCl4的相对分子质量大于CCl4的相对分子质量,所以SiCl4的分子间作用力较大,熔、沸点应该比CCl4高。
CCl4的分子是正四面体结构,SiCl4与它结构相似,因此也应该是正四面体结构,是含极性键的非极性分子。
5.下列叙述中,结论(事实)和对应的解释(事实)均不正确的是( )
A.金刚石的熔、沸点高于晶体硅,因为C—C键的键能大于Si—Si键的键能
B.二氧化硅晶体中不存在SiO2分子,因为它含有硅氧四面体的空间网状结构
C.稀有气体的晶体属于原子晶体,因为其组成微粒是原子,不存在分子间作用力
D.立体构型为正四面体结构的分子中,化学键的键角不一定是109°28′,有可能为60°
解析:
选C 稀有气体的晶体属于分子晶体,存在分子间作用力,不存在共价键,C项符合题意。
6.下面关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是( )
A.存在四面体结构单元,O处于中心,Si处于4个顶点
B.最小的环上,有3个Si原子和3个O原子
C.最小的环上,Si和O原子数之比为1∶2
D.最小的环上,有6个Si原子和6个O原子
解析:
选D 二氧化硅是原子晶体,为空间网状结构,存在硅氧四面体结构,硅处于中心,氧处于4个顶点,A项错误;在SiO2晶体中,每6个Si原子和6个O原子形成一个12元环(最小环),D正确,B、C错误。
7.下列说法中正确的是( )
①金刚石晶体中的最小碳原子环由6个碳原子构成
②金刚石晶体中的碳原子是sp3杂化的
③1molSiO2晶体中含2molSi—O键
④金刚石化学性质稳定,即使在高温下也不会和O2反应
A.①②B.②③
C.③④D.①④
解析:
选A 在金刚石晶体中的最小环为六元环,为空间六边形,由六个碳原子构成,①正确;金刚石晶体中每个碳原子形成4个共价键,是sp3杂化,②正确;在SiO2晶体中1个硅原子与四个氧原子形成4个共价键,所以1molSiO2晶体中含4molSi—O键,③错误;金刚石的化学性质很稳定,但在高温下可以和氧气反应生成CO2,④错误。
8.干冰晶体是一种面心立方结构,如图所示,即每8个CO2构成立方体,且在6个面的中心又各有1个CO2分子,在每个CO2周围距离为
a(其中a为立方体棱长)的CO2有( )
A.4个B.8个
C.12个D.6个
解析:
选C 在每个CO2周围距离为
a的CO2即为每个面心上的CO2分子,共有8×
=12个。
9.硅是一种重要的非金属单质,硅及其化合物的用途非常广泛。
根据所学知识回答硅及其化合物的相关问题。
(1)基态硅原子的核外电子排布式为________________。
(2)晶体硅的微观结构与金刚石相似,晶体硅中Si—Si键之间的夹角大小约为____________。
(3)请在框图中补充完成SiO2晶体的结构示意图(部分原子已画出),并进行必要的标注。
(4)下表列有三种物质(晶体)的熔点:
物质
SiO2
SiCl4
SiF4
熔点/℃
1710
-70.5
-90.2
简要解释熔点产生差异的原因:
①SiO2和SiCl4:
________________________________________________________;
②SiCl4和SiF4:
_______________________________________________________。
解析:
(2)晶体硅以一个硅原子为中心,与另外4个硅原子形成正四面体结构,所以Si—Si键之间的夹角大小约为109°28′。
(3)图中给出的是硅晶体的结构,SiO2晶体相当于在硅晶体结构中的每个Si—Si键中插入一个氧原子,所以只要在每两个硅原子之间画一个半径比硅原子小的原子,再用实线连起来即可。
(4)晶体类型不同,其熔点具有很大的差别,一般原子晶体的熔点高,而分子晶体的熔点低。
答案:
(1)1s22s22p63s23p2
(2)109°28′
(3)如图所示:
(4)①SiO2是原子晶体,微粒间作用力为共价键。
SiCl4是分子晶体,微粒间作用力为范德华力,故SiO2熔点高于SiCl4 ②SiCl4和SiF4均为分子晶体,微粒间作用力为范德华力,结构相似时相对分子质量越大,范德华力越大,故SiCl4熔点高于SiF4
10.
(1)BN是一种新型的无机材料,由于碳单质与BN属于等电子体,其结构和性质具有极大的相似性,故可推知,在BN的晶体中,一种是类似于__________的空间网状结构的晶体,可用作耐磨材料。
(2)单质硼有无定形体和晶体两种,参考下表数据:
金刚石
晶体硅
晶体硼
熔点/K
>3550
1410
2573
沸点/K
4827
2628
2823
摩氏硬度
10
6.5
9.5
①晶体硼的晶体类型属于________晶体,理由是_____________________。
②已知晶体硼的基本结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如右图所示),其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点,每个顶点上各有一个硼原子。
通过观察图形及推算,此基本结构单元由________个硼原子构成,其中B—B键的键角为__________。
(3)假设将晶体硼的结构单元中每个顶点均削去,余下部分的结构与C60相同,则C60由____________个正五边形__________个正六边形构成。
解析:
(1)根据等电子体物质的结构与性质相似的原理,可推知BN的结构,一种类似于金刚石,硬度大、耐磨。
(2)因为晶体硼有很高的熔沸点和很大的硬度,可推知其为原子晶体。
晶体硼的基本结构单元为正二十面体,每个面均为正三角形,键角为60°,一个三角形有三个顶点,每个顶点为五个三角形共用,每个三角形拥有硼原子数为3×1/5,20个三角形拥有硼原子数为20×3×1/5=12,即此结构单元由12个B原子构成。
(3)若将晶体硼的结构单元中每个顶点均削去,则削去的顶点变为五边形,原来的正三角形变为正六边形,故余下的结构共有12个正五边形(即原来的12个顶点,)20个正六边形(即原来的20个面)。
答案:
(1)金刚石
(2)①原子 晶体硼有很高的熔沸点和很大的硬度 ②12 60° (3)12 20
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