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2012高中化学 第3章第2节 分子晶体与原子晶体同步导学课件 新人教版选修3


? 第二节

分子晶体与原子晶体

?

金刚石是一种矿物,早在公元前1000年,人们就发现金刚

石很硬,“金刚石”的英文名diamond,就源于阿拉伯语 “almas”(最坚硬的)。金刚石具有许多优良的性质:熔点高(3 350 ℃)、不导电、硬度极高。这些性质显然是由金刚石的结 构决定的。那么

,金刚石具有怎样的结构呢?水晶是一种古 老的宝石,晶体完好时呈六棱柱钻头形。在水晶中,原子是 怎样排列的呢?我们知道,冰容易融化,干冰容易气化,碘 晶体容易升华。

? 那么,这些晶体为什么具有上述特殊性质呢?它们的结构
又是怎样的呢?

? 1.掌握分子晶体、原子晶体的概念及结构特点。
? 2.掌握晶体类型与性质之间的关系。 ? 3.了解氢键对物质物理性质的影响。

? 1.结构特点 ? (1)构成微粒及微粒间的作用力

? (2)微粒堆积方式 ? ①若分子间只有范德华力,则分子晶体有分子密堆积 特 12 征,即每个分子周围有 个紧邻分子。 ? ②若分子间含有其他作用力,如氢键。由于氢键具有 方向性 ,使分子不能采取密堆积的方式,则每个分子周 围 紧 邻 的 分 子 要 少 于 12 个 。 如 冰 中 每 个 水 分 子 周 围 只 有 4 个紧邻的水分子。

? 2.属于分子晶体的物质 ? (1)所有 非金属氢化物 ,如H2O、NH3、CH4等。 ? (2)部分 非金属单质 ,如卤素(X2)、O2 、N2 、白磷(P4) 、硫(S8)、稀有气体等。

? (3)部分非金属氧化物 ,如CO2、P4O6、P4O10、SO2等。
? (4)几乎所有的 酸,如HNO3 、H2SO4 、H3PO4 、H2SiO3 等


? (5)绝大多数 有机物的晶体 ,如苯、乙醇。

? 分子晶体的特征及影响分子晶体熔沸点的因素
? (1)分子晶体的特征 ? 大多数分子晶体具有如下结构特征: ? ①如果分子间作用力只是范德 华力,若以一个分子为中心,其周

围通常可以有12个紧邻的分子。
如干冰晶体(如图a)

? ②晶体中含有其他作用力(如氢键)时,分子晶体的分子堆 积要少于12个。如冰中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构成水的晶体。(如图b)

? (2)分子间作用力与分子晶体熔、沸点的关系
? ①分子晶体的熔、沸点取决于分子间作用力的大小。对于 组成和结构相似的分子晶体,随相对分子质量的增大,分子 间作用力也增大,熔、沸点升高,如I2>Br2>Cl2>F2 ,O2>N2 。组成相似的分子,有极性的比无极性的分子间作用力大,

熔、沸点高,如SO2>CO2 。有氢键的分子晶体,还要考虑氢
键的强弱。 ? ②结构相似的分子晶体,相对分子质量大的其熔、沸点不 一定大。例如:H2O与H2S,H2O的沸点比H2S高,因为水分 子间有氢键,H2S分子中只有范德华力,而氢键比范德华力强 。

? 1.SiCl4 的分子结构与CCl4 相似,对其进行的下列推测不

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:

由于SiCl4分子结构与CCl4相似,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,在这两种分子之间都只有范德华力,SiCl4的相对分子质 量大于CCl4 的相对分子质量,所以SiCl4 的分子间作用力比

CCl4大,熔、沸点应该比CCl4高一些。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。

? 答案:

B

? 1.结构特点 ? (1)构成微粒及微粒间的作用力

? (2)微粒堆积方式

共价键网状
共价晶体结构,不存在单个小 。

? 整块晶体是一个三维的

分子,是一个“巨分子”,又称

? 2.属于原子晶体的物质 ? (1)某些 非金属单质 刚石等。 ? (2)某些 非金属化合物 , 如 碳 化 硅 (SiC) 、 氮 化 硅 ,如晶体硼、晶体硅、晶体锗、金

(Si3N4)、氮化硼(BN)等。
? (3)某些 氧化物 ,如二氧化硅(SiO2)等。

?

分子晶体与原子晶体的比较
晶体类 型 分子晶体 原子晶体 相邻原子间以共价键 结合而形成的具有空间 立体网状结构的晶体 原子 金刚石、晶体硅、碳 物质类 别 多数的非金属单质 和共价化合物 化硅、二氧化硅等少数 非金属单质及共价化合 物

定义

分子间通过分子间 作用力结合形成的晶体

组成微 粒

分子

晶体类型 微粒间的 作用力 熔化时需克 服的作用力 熔、 沸点 物 理 性 质 性 溶解 性 决定熔、沸 点高低的因素 硬度 导电

分子晶体 分子间作用力(氢键、范 德华力) 较弱的分子间作用力

原子晶体 共价键(极性键、非 极性键) 很强的共价键

较低
较小

很高
很大 固态和熔化时都不导 电

固态和熔化时都不导电 ,但某些分子晶体溶于水能 导电,如HCl 相似相溶
分子间作用 力的强弱

难溶于一般溶剂
共价键的强弱

晶体 类型

分子晶体

原子晶体

(1)干冰

(1)金刚石

典型 例子

①每个晶胞中有4个CO2分
子,12个原子。 ②每个CO2分子周围等距离 紧邻的CO2分子有12个。 (2)冰

①在晶体中每个碳原子以4个共价
键对称地与相邻的4个碳原子相结合 ,形成正四面体结构。 ②晶体中C—C—C夹角为

109°28′,碳原子采取了sp3杂化。

晶 体 类 分子晶体 原子晶体


③最小环上有6个碳原子。 1 比为

④晶体中C原子个数与C—C键数之 2

1∶(4× )=1∶2。

典 型 例 子

(2)二氧化硅

①水分子之间的作用力有范德
华力,但主要作用力是氢键。

②由于氢键的
典 存在迫使在四面 体中心的每个水 分子与四面体顶 点的4个相邻的

①在晶体中每个硅原子和 4个氧原子形成4个共价键;


例 子

每个氧原子与2个硅原子相结
合。故SiO2晶体中硅原子与 氧原子按1∶2的比例组成。 ②最小环上有12个原子。

水分子相互吸引


? 2.

美国《科学》杂志曾报道:在40 GPa的高压下,用激 )

光加热到1 800 K,人们成功制得了原子晶体CO2,下列对该 物质的推断一定不正确的是( ? A.该原子晶体中含有极性键 ? B.该原子晶体易汽化,可用作制冷材料 ? C.该原子晶体有很高的熔点、沸点 ? D.该原子晶体硬度大,可用作耐磨材料

? 解析:

CO2 由固态时形成的分子晶体变为原子晶体,其 由于晶体类型

成键情况也发生了变化,由原来的C===O双键变为C—O单键 ,但化学键依然为极性共价键,故A项正确。 及分子结构发生变化,物质的熔、沸点等性质也发生了变化

。CO2原子晶体具有高硬度、高熔、沸点等特点,故C、D选
项正确,B项错误。 ? 答案: B

?

(2011· 南京高二质检)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
和金刚石 ? A.①②③ ? C.③④⑥ ? 思路指引:

②晶体硼和HCl

③CO2 和SO2
B.④⑤⑥

④晶体硅

⑤晶体氖和晶体氮

⑥硫磺和碘

D.①③⑤ 本题考查了化学键的类型与晶体类型的判断

。解题时应注意化学键类型的判断。

? 属于分子晶体的有SO3 、HCl、SO2 、CO2、晶体氖、晶体 氮、硫磺、碘等。属于原子晶体的有SiO2 、晶体硼、晶体硅 、金刚石等。但晶体氖是由稀有气体分子构成,稀有气体分

子间不存在化学键。
? 答案: C

? 判断非金属元素组成的晶体是分子晶体还是原子晶体的方


? (1)依据构成晶体的粒子和粒子间的作用判断:原子晶体的 构成粒子是原子,质点间的作用是共价键;分子晶体的构成 粒子是分子,质点间的作用是范德华力。 ? (2)记忆常见的、典型的原子晶体。 常见的原子晶体有:

某些非金属单质如硼、硅、锗等;某些非金属化合物如碳化
硅、氮化硼等;某些氧化物如二氧化硅。

? (3)依据晶体的熔沸点判断:原子晶体熔、沸点高,常在1 000 ℃以上;分子晶体熔、沸点低,常在几百度以下至很低 的温度。 ? (4)依据导电性判断:分子晶体为非导体,但部分分子晶体

溶于水后能导电;原子晶体多数为非导体,但晶体硅、晶体
锗是半导体。 ? (5)依据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.下列性质适合于分子晶体的是(

) ②熔点10.31 ℃

? ①熔点1 070 ℃,易溶于水,水溶液导电

,液态不导电,水溶液导电
沸点444.6 ℃ g· -3 cm ? A.①② ? C.②③

③能溶于CS2,熔点112.8 ℃,

④熔点97.81 ℃,质软,导电,密度为0.97

B.①③ D.②④

? 解析: ? 答案:

分子晶体的熔点较低,①中熔点高,不是分子

晶体,④是金属钠的性质。 C

?

下列晶体性质的比较中正确的是(双选)(

)

? 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

? 思路指引:

本题考查了晶体物理性质的影响因素。

? A项中三种物质都是原子晶体,因原子半径r(C)<r(Si),所 以键长:C—C<C—Si<Si—Si,故键能: ? C—C>C—Si>Si—Si,键能越大,原子晶体的熔点越高 ,A项正确;氟化氢、水、氨都是分子晶体,其沸点高低与分

子间作用力大小有关,因为这三种物质之间都存在氢键,且
H2O之间氢键最强,NH3之间氢键最弱,故水的沸点最高,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。 ? 答案: AD

? 分子晶体、原子晶体熔沸点比较 ? (1)不同类型的晶体:原子晶体>分子晶体。 ? (2)同一类型的晶体

? ①分子晶体
? a.分子间作用力越大,物质的熔沸点越高;具有氢键的分 子晶体,熔沸点反常的高。如H2O>H2Te>H2Se>H2S。

? b.组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,熔
沸点越高。如SnH4>GeH4>SiH4>CH4。 ? c.组成和结构不相似的物质(相对分子质量接近),分子 的极性越大,其熔沸点越高。如CO>N2 ,CH3OH>CH3CH3 。

? ②原子晶体 ? 晶体的熔沸点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,物质的熔沸点越高。如熔点:

金刚石>碳化硅>晶体硅。

? 2.

据报道科研人员应用计算机模拟出结构类似C60的物质

N60 。已知:①N60 分子中每个氮原子均以N—N键结合三个N 原子而形成8电子稳定结构;②N—N键的键能为167 kJ· -1 mol 。请回答下列问题: ? (1)N60 分 子 组 成 的 晶 体 为 ________ 晶 体 , 其 熔 、 沸 点 比

N2________(填“高”或“低”),原因是________________
________________________________________________。

? (2)1 mol N60分解成N2时吸收或放出的热量是________kJ( 已知NN键的键能为942 kJ· -1),表明稳定性N60______(填 mol

“>”、“<”或“=”)N2。
? (3) 由 (2) 列 举 N60 的 用 途 ( 举 一 种 )_____________________ ___________________________________________________。 ? 解析: (1)N60 、 N2 形 成 的 晶 体 均 为 分 子 晶 体 , 因

Mr(N60)>Mr(N2),故N60 晶体中分子的范德华力比N2 晶体大, N60晶体的熔、沸点比N2晶体高。

? (2)因每个氮原子形成三个N—N键,每个N—N键被2个N原 子共用,故1 mol N60 中存在N—N键:1 mol×60×3×=90 mol 。 发 生 的 反 应 为 N60===30N2 ΔH , 故 ΔH = 90×167 kJ· -1-30×942 kJ· -1=-13 230 kJ· -1<0,为放热 mol mol mol

反应,表明稳定性N2>N60。
? (3)由于反应放出大量的热同时生成大量气体,因此N60 可 用作高能炸药。

? 答案: ? (2)13 230

(1)分子



N60、N2均形成分子晶体,且N60的

相对分子质量大,分子间作用力大,故熔、沸点高 <

? (3)N60可作高能炸药(其他答案合理也可)

? 1.下列关于分子晶体所具有的性质的叙述,其中正确的是 ( ) ? A.构成晶体的基本微粒是分子 ? B.熔融时不导电 ? C.晶体内微粒间以分子间作用力相结合,这种作用力很 弱 ? D.熔点一般比原子晶体低

? 解析:

分子晶体相对于其他晶体来说,熔、沸点较低,

硬度较小,导致分子晶体具有上述性质的本质原因是其基本 构成微粒间的相互作用——范德华力及氢键,这种分子间作

用力相对于化学键来说是极其微弱的。
? 答案: C

? 2.下列晶体中,前者属于原子晶体,后者属于分子晶体的
是( ) ? A.硅晶体、二氧化硅晶体 ? B.足球烯(C60)、天然气水合物 ? C.金刚石、冰

? D.干冰、碳化硅
? 解析: 本题考查物质组成与晶体类型的关系。硅、二氧

化硅、碳化硅和金刚石都是原子晶体,冰、干冰、天然气水 合物、C60都是分子晶体。 ? 答案: C

? 3.下列物质熔点的比较正确的是
? A.F2>Cl2>Br2 ? C.S>HBr>金刚石 ? 解析:

(

)

B.金刚石>P4>O2 D.I2>CH4>冰

A项中F2、Cl2、Br2均是分子晶体,由相对分子质

量可知熔点:F2<Cl2<Br2 ;不同类型晶体的熔点,一般是原

子晶体的熔点大于分子晶体的熔点,在常温时P4 为固体,O2
为气体,所以B项正确;同理因为标准状况下HBr、CH4是气 态,冰、I2、S是固态,所以C、D两项错误。 ? 答案: B

? 4.下列说法正确的是

(

)

? A.原子晶体中只存在非极性共价键 ? B.稀有气体形成的晶体属于分子晶体

? C.干冰升华时,分子内共价键会发生断裂
? D.金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合



? 解析:

本题主要考查常见晶体的相关知识。单质类型为

原子晶体(晶体硅、金刚石)的物质,只有非极性共价键,而化 合物型的晶体(SiO2)中则含有极性共价键,A项不正确;稀有 气体为单原子分子,故B项正确;干冰升华时破坏的是CO2分

子之间的作用力,分子内的C===O共价键没有变化,C项不
正确;只有活泼金属与活泼非金属才能形成离子化合物,而 AlCl3等物质则为共价化合物,D项不正确。

? 答案:

B

? 5.有下列物质:①水晶
⑤晶体氩 碳化钙 ? ?碳化硅 ?干冰 ⑥氢氧化钠

②冰醋酸

③氧化钙

④白磷


⑦铝

⑧金刚石

⑨过氧化钠

?过氧化氢,根据要求填空。

? (1)属于原子晶体的化合物是________。

? (2)直接由原子构成的分子晶体是________。
? (3)由极性分子构成的晶体是________,属于分子晶体的单 质是______________。 ? (4)在一定条件下,能导电且不发生化学变化的是_____ ___ ,受热熔化需克服共价键的是________。

? 解析:

本题考查对原子晶体、分子晶体的辨别及晶体内

作用力类型的分析。属于原子晶体的有金刚石、碳化硅和水 晶;属于分子晶体的有氩(无化学键)、白磷(非极性分子)、干 冰(由极性键构成的非极性分子)、过氧化氢和冰醋酸(由极性 键和非极性键构成的极性分子);金属导电过程中不发生化学 变化;晶体熔化时,分子晶体只需克服分子间作用力,不破 坏化学键,但原子晶体熔化时需破坏化学键。 ? 答案: (1)①? (2)⑤ (3)②? ④⑤ (4)⑦ ①⑧?

? 6.(2011· 武汉调研)(1)如图所示表示的是CO2分子晶体结构
的一部分。观察此图,试说明每个CO2 分子周围有________ 个与之紧邻等距的CO2分子。

? (2)试判断:①CO2 、②CS2 、③SiO2 晶体的沸点由高到低 排列的顺序是______>______>________(填写相应物质的编号

)。

? 解析:

以立方体的一个顶点为研究对象,补齐平均分摊

它的其他7个同样的立方体(即8个立方体并置),找出通过所选 研究对象的3个相互垂直的截面,每个截面上有4个,总共12 个分子与其距离最近且相等;CO2、CS2、SiO2形成的晶体分 别是分子晶体、分子晶体、原子晶体,并且CS2比CO2的相对 分子质量大,所以CS2的沸点比CO2的高。 ? 答案: (1)12 (2)③ ② ①


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