化学鲁科选修三讲义第3章 第3节 第2课 时分子晶体 Word版含答案.docx
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化学鲁科选修三讲义第3章第3节第2课时分子晶体Word版含答案
第2课时 分子晶体
[学习目标定位] 1.熟知分子晶体的概念、结构特点及常见的分子晶体。
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。
3.会比较判断晶体类型。
一 常见的分子晶体结构
1.碘晶体晶胞的结构如图所示。
回答下列问题:
(1)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外,每个面上还有一个碘分子,每个晶胞从碘晶体中分享到4个碘分子。
(2)氯单质、溴单质的晶体结构与碘晶体的结构非常相似,只是晶胞的大小不同而已。
2.干冰晶胞结构如图所示,观察分析其结构模型,回答下列问题:
(1)构成干冰晶体的结构微粒是CO2分子,微粒间的相互作用力是范德华力。
(2)从结构模型可以看出:
干冰晶体是一种面心立方结构——每8个CO2分子构成立方体,在六个面的中心又各占据1个CO2分子。
(3)干冰晶体每个CO2分子周围,离该分子最近且距离相等的CO2分子有12个。
(4)每个晶胞中有4个CO2分子。
3.冰晶体的结构如下图所示。
根据冰晶体的结构,回答下列问题:
(1)构成冰晶体的结构微粒是H2O分子,微粒间的相互作用力是范德华力、氢键。
(2)在冰晶体中,由于水分子之间存在具有方向性的氢键,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,这样的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,比较松散。
(3)在冰晶体中,每个水分子中的每个氧原子周围都有4个氢原子,氧原子与其中的两个氢原子通过共价键结合,而与属于其他水分子的另外两个氢原子靠氢键结合在一起。
[归纳总结]
注意:
①稀有气体固态时形成分子晶体,微粒之间只存在分子间作用力,分子内不存在化学键。
②分子晶体熔化、汽化时克服分子间作用力。
③分子晶体固态、熔融时均不导电。
④分子间作用力的大小决定分子晶体的物理性质。
分子间作用力越大,分子晶体的熔、沸点越高,硬度越大。
[活学活用]
1.下列各组物质各自形成晶体,均属于分子晶体的化合物是( )
A.NH3、HD、C10H8B.PCl3、CO2、H2SO4
C.SO2、SiO2、P2O5D.CCl4、Na2S、H2O2
答案 B
解析 A中HD是单质,不是化合物;C中SiO2为原子晶体,不是分子晶体;D中Na2S是离子晶体,不是分子晶体。
2.下表列举了几种物质的性质,据此判断属于分子晶体的物质是________。
物质
性质
X
熔点为10.31℃,液态不导电,水溶液导电
Y
易溶于CCl4,熔点为11.2℃,沸点为44.8℃
Z
常温下为气态,极易溶于水,溶液pH>7
W
常温下为固体,加热变为紫红色蒸汽,遇冷变为紫黑色固体
M
熔点为1170℃,易溶于水,水溶液导电
N
熔点为97.81℃,质软,导电,密度为0.97g·cm-3
答案 X、Y、Z、W
解析 分子晶体熔、沸点一般比较低,硬度较小,固态不导电。
M的熔点高,肯定不是分子晶体;N是金属钠的性质;其余X、Y、Z、W均为分子晶体。
理解感悟 分子晶体具有熔、沸点较低,硬度较小,固态、熔融态不导电等物理特性。
所有在常温下呈气态的物质、常温下呈液态的物质(除汞外)、易升华的固体物质都属于分子晶体。
二 石墨晶体的结构与性质
石墨的晶体结构如下图所示:
1.在石墨晶体中,同层的碳原子以sp2杂化形成共价键,每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连。
六个碳原子在同一个平面上形成了正六边形的环,伸展成平面网状结构。
2.在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道,并含有一个未成对电子,它们相互重叠。
电子比较自由,相当于金属中的自由电子,所以石墨能导热和导电,这正是金属晶体的特征。
3.石墨晶体中网络状的平面结构以范德华力结合形成层状的结构,距离较大,结合力较弱,层与层间可以相对滑动,使之具有润滑性。
[归纳总结]
石墨晶体中碳原子间形成共价键,层与层间的结合力为范德华力。
因此,石墨晶体不是原子晶体,也不是金属晶体、分子晶体,而是一种混合晶体。
[活学活用]
3.在金刚石晶体中,碳原子数与化学键数之比为__________________________。
在石墨晶体中,平均每个最小的碳原子环所拥有的化学键数为__________,该晶体中碳原子数与化学键数之比为____________。
已知,金刚石晶体与石墨晶体中的碳碳键长(d)相比较,d石墨<d金刚石,则金刚石的熔点________石墨的熔点(填“>”、“<”或“=”)。
答案 1∶2 3 2∶3 <
解析 金刚石晶体中每个碳原子平均拥有的化学键数为4×
=2,则碳原子数与化学键数之比为1∶2。
石墨晶体中,平均每个最小的碳原子环所拥有的碳原子数和化学键数分别为6×
=2和6×
=3,其比值为2∶3。
四种晶体类型的比较
离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体的组成、结构及性质对比分析如下表:
离子晶体
原子晶体
分子晶体
金属晶体
构成晶体的粒子
阴、阳离子
原子
分子
金属阳离子和自由电子
粒子间的作用
离子键
共价键
分子间作用力(有的有氢键)
金属键
作用力强弱(一般地)
较强
很强
弱
较强
确定作用力强弱的一般判断方法
离子所带电荷总数、离子半径
键长(原子半径)
组成和结构相似时比较相对分子质量
离子半径、离子所带电荷数
熔、沸点
较高
高
低
差别较大(如汞常温下为液态,钨熔点为3410℃)
硬度
硬而脆
大
较小
差别较大
导热和导电性
不良导体(熔化后或溶于水导电)
不良导体
不良导体(部分溶于水发生电离后导电)
良导体
溶解性
多数易溶
一般不溶
相似相溶
一般不溶于水,少数与水反应
机械加工性
不良
不良
不良
优良
延展性
差
差
差
优良
当堂检测
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
答案 B
解析 稀有气体元素组成的分子晶体中,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,故A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之间或者分子之内,所以B项正确,C项错误;只存在范德华力的分子晶体才采取分子密堆积的方式,所以D选项也是错误的。
2.下列有关冰和干冰叙述不正确的是( )
A.干冰和冰都是由分子密堆积形成的晶体
B.冰是由范德华力和氢键形成的晶体,每个水分子周围有4个紧邻的水分子
C.干冰比冰的熔点低得多,常压下易升华
D.干冰中只存在范德华力不存在氢键,一个分子周围有12个紧邻的分子
答案 A
解析 干冰晶体中CO2分子间作用力只有范德华力,分子采取密堆积形式,一个分子周围有12个紧邻的分子;冰晶体中水分子间除了范德华力还存在氢键,由于氢键具有方向性,每个水分子周围有4个紧邻的水分子,采取非紧密堆积的方式,空间利用率小,因而密度小。
干冰融化需克服范德华力,冰融化还需要克服氢键,由于氢键比范德华力大,所以干冰比冰的熔点低得多。
3.下列晶体中只存在一种作用力的是( )
A.CO2B.NaOHC.NH4ClD.He
答案 D
解析 CO2晶体中存在共价键和范德华力;NaOH晶体中存在离子键、共价键;NH4Cl晶体中存在离子键、共价键、配位键;只有He属单原子分子,晶体内部存在的作用力只有范德华力。
4.水分子间可通过一种叫“氢键”的作用(介于化学键和范德华力大小之间),彼此结合而形成(H2O)n。
在冰中的n值为5,即每个水分子都被其他4个水分子包围形成变形四面体,如图所示为(H2O)5单元,由无限个这样的四面体通过氢键相互连接成一个庞大的分子晶体,即冰。
下列有关叙述中正确的是( )
A.1mol冰中有4mol氢键
B.1mol冰中有4×5mol氢键
C.平均每个水分子只有2个氢键
D.平均每个水分子只有5/4个氢键
答案 C
解析 由题图我们可以看出每个水分子可以形成4个氢键,而一个氢键被两个H2O分子共用,故平均每个水分子含有氢键数4×
=2个。
即1mol冰中含有2mol氢键。
5.最近发现一种由M、N两种原子构成的气态团簇分子,如下图所示。
实心球●表示N原子,空心球○表示M原子,则它的化学式为( )
A.M4N4B.MNC.M14N13D.M4N5
答案 C
解析 此题是确定晶体的化学式。
关键点是该物质为气态团簇分子,故属于分子晶体。
与离子晶体、原子晶体不同,它不存在共用与均摊问题,因此该物质的化学式就是其分子式,由14个M原子和13个N原子组成,故应选C。
40分钟课时作业
[基础过关]
一、分子晶体的晶胞
1.下图是冰的一种骨架形式,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.4C.8D.12
答案 A
解析 每个水分子与四个方向的其他4个水分子形成氢键,每个氢键为2个水分子所共有,因此每个水分子具有的氢键个数为4×1/2=2。
2.中学教材上介绍的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个面的中心又各占据1个CO2分子,在每个CO2周围距离
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
答案 C
解析 在每个CO2周围距离
a的CO2即为每个面心上的CO2分子,在X、Y、Z三个方向上各有4个,所以应为12个。
3.在20世纪90年代末期,科学家发现并证明碳有新的单质形态C60存在。
后来人们又相继得到了C70、C76、C90、C94等另外一些球碳分子。
21世纪初,科学家又发现了管状碳分子和洋葱状碳分子,大大丰富了碳元素单质的家族。
下列有关说法错误的是( )
A.熔点比较:
C60<C70<C90<金刚石
B.已知C(石墨)===C(金刚石) ΔH>0,则石墨比金刚石稳定
C.C60晶体结构如图所示,每个C60分子周围与它最近且等距离的C60分子有12个
D.金刚石、C60、C70、管状碳和洋葱状碳都不能与H2发生加成反应
答案 D
解析 本题考查碳单质的几种晶体的结构及性质。
C60、C70、C90均是分子晶体,相对分子质量越大,熔点越高,金刚石是原子晶体,熔点比分子晶体高得多,A项正确;石墨转化成金刚石是吸热过程,说明石墨能量低,故石墨比金刚石稳定,B项正确;由C60的晶体结构,可知每个C60分子周围与它最近且等距离的C60分子有12个,C项正确;C60的结构中存在碳碳双键,可与H2发生加成反应,D项错误。
二、分子晶体的结构特征与判断
4.下列物质属于分子晶体的化合物是( )
A.石英B.硫酸C.干冰D.食盐
答案 C
解析 石英为原子晶体;硫酸常温呈液态且为混合物;干冰为分子晶体;食盐为离子晶体。
5.固体乙醇晶体中不存在的作用力是( )
A.极性键B.非极性键
C.离子键D.氢键
答案 C
解析 固体乙醇晶体是乙醇分子通过分子间作用力结合的,在乙醇分子里有C—C之间的非极性键,C—H、C—O、O—H之间的极性键,在分子之间还有O和H原子产生的氢键,没有离子键。
6.下列物质呈固态时,一定属于分子晶体的是( )
A.非金属单质B.非金属氧化物
C.含氧酸D.金属氧化物
答案 C
解析 非金属单质中的金刚石、非金属氧化物中的SiO2均为原子晶体;而金属氧化物通常为离子化合物,属离子晶体。
故C正确。
7.下列关于晶体的说法正确的是( )
A.分子晶体内一定存在共价键
B.分子晶体中分子间作用力越大,分子越稳定
C.冰熔化时水分子中共价键没有断裂
D.由非金属元素形成的化合物一定是分子晶体
答案 C
解析 稀有气体元素形成的单质晶体中,分子内不存在共价键,A项错误;分子的稳定性强弱只与分子内所含化学键的强弱有关,而与分子间作用力无关,B项错误;冰熔化时,其分子间作用力被破坏,而共价键没有发生变化,C项正确;由非金属元素形成的化合物NH4Cl、SiO2等不是分子晶体,D项不正确。
8.科学家最近又发现了一种新能源——“可燃冰”。
它的主要成分是甲烷分子的结晶水合物(CH4·nH2O)。
其形成过程是:
埋于海底地层深处的大量有机质在缺氧环境中,厌氧性细菌把有机质分解,最后形成石油和天然气(石油气),其中许多天然气被包进水分子中,在海底的低温与高压下形成了类似冰的透明晶体,这就是“可燃冰”。
这种“可燃冰”的晶体类型是( )
A.离子晶体B.分子晶体
C.原子晶体D.金属晶体
答案 B
解析 根据题中信息可知,构成该晶体的微粒是分子,又由于该晶体在低温高压条件下才可以以固态形式存在,可推知该晶体的熔、沸点较低,属于分子晶体。
9.HgCl2的稀溶液可用作手术刀的消毒剂,已知HgCl2的熔点是277℃,熔融状态的HgCl2不能导电,HgCl2的稀溶液有弱的导电能力,则下列关于HgCl2的叙述中正确的是( )
①HgCl2属于共价化合物 ②HgCl2属于离子化合物 ③HgCl2属于非电解质 ④HgCl2属于弱电解质
A.①③B.①④C.②③D.②④
答案 B
解析 HgCl2的熔点低,熔融状态不导电,说明它属于共价化合物,而不是离子化合物;水溶液有弱的导电能力,说明在水溶液中微弱电离,属弱电解质。
10.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:
NaCl
MgCl2
AlCl3
SiCl4
CaCl2
熔点/℃
801
712
190
-68
782
沸点/℃
1465
1418
230
57
1600
根据这些数据分析,他们认为属于分子晶体的是( )
A.NaCl、MgCl2、CaCl2
B.AlCl3、SiCl4
C.NaCl、CaCl2
D.全部
答案 B
解析 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、沸点较低,表中的MgCl2、NaCl、CaCl2熔、沸点很高,很明显不属于分子晶体,AlCl3、SiCl4熔、沸点较低,应为分子晶体,所以B项正确,A、C、D三项错误。
[能力提升]
11.下列有关石墨晶体的说法正确的是( )
A.由于石墨晶体导电,所以它是金属晶体
B.由于石墨的熔点很高,所以它是原子晶体
C.由于石墨质软,所以它是分子晶体
D.石墨晶体是一种混合晶体
答案 D
12.石墨的片层结构如图所示,试回答:
(1)平均________个碳原子构成一个正六边形。
(2)石墨晶体每一层内碳原子数与碳碳化学键之比是________。
(3)ng碳原子可构成________个正六边形。
答案
(1)2
(2)2∶3 (3)
解析
(1)利用点与面之间的关系,平均每个正六边形需碳原子:
6×1/3=2(个)。
(2)分析每一个正六边形:
①所占的碳原子数为6×1/3=2。
②所占的碳碳键数为6×1/2=3,故答案为2∶3。
(3)ng碳原子数为
NA,故答案为
。
13.白磷分子中P—P键易断开,若一个白磷分子中每个P—P键均断开插入一个氧原子,则一共可结合_______________________________________________________________
个氧原子,这样得到磷的一种氧化物,其分子式为________。
由C、H、N三种元素组成的某化合物,其分子内含4个氮原子,且4个氮原子排成内空的正四面体(同白磷,如下图),每两个氮原子间都有一个碳原子,且分子内无C—C和C===C,则化合物的分子式为________。
答案 6 P4O6 C6H12N4
解析 在白磷分子空间结构图中,分子内共有6个P—P键,由题意,可嵌入6个O原子,分子式为P4O6;同理4个N原子也可构成正四面体,在N—N之间嵌入6个C原子,因无C—C和C===C,为满足碳4价,化合物分子应由4个N原子和6个CH2组成,故分子式为C6H12N4。
14.
(1)水分子的立体结构是________,水分子能与H+形成配位键,其原因是在氧原子上有________。
(2)冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞(其晶胞结构如图,其中空心球所示原子位于立方体的顶点或面心,实心球所示原子位于立方体内)类似。
每个冰晶胞平均占有________个水分子。
(3)实验测得冰中氢键的作用能为18.5kJ·mol-1,而冰的熔化热为5.0kJ·mol-1,这说明________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)V形 孤电子对
(2)8
(3)冰熔化为液态水时只是破坏了一部分氢键,也说明液态水中仍存在氢键
解析
(2)4+6×
+8×
=8。
[拓展探究]
15.德国和美国科学家首次制出了由20个碳原子组成的空心笼分子C20,该笼状结构是由许多正五边形构成的(如下图所示)。
请回答:
(1)C20分子中共有________个正五边形,共有________条棱边。
C20晶体属于________。
(填晶体类型)
(2)科学界拟合成一种“二重构造”的球形分子(C60Si60),即把“足球型”的C60置于“足球型”的Si60内,并把硅原子与碳原子以共价键结合。
合成“二重构造”球形分子C60Si60的化学反应类似于________(填字母)。
A.由乙烯制聚乙烯
B.乙酸与乙醇制乙酸乙酯
C.乙醇制乙醛
D.乙烯与丙烯合成乙丙树脂
答案
(1)12 30 分子晶体
(2)AD
解析
(1)正五边形=
=12,棱边=
=30。
(2)由于C60和Si60相似,所以该反应类似于加聚反应。
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