学年高中化学第3章物质的聚集状态与物质性质第3节第2课时分子晶体学案鲁科版选修3.docx

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学年高中化学第3章物质的聚集状态与物质性质第3节第2课时分子晶体学案鲁科版选修3

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。