高考第一轮复习——分子晶体和原子晶体学案含答案.pdf

高考第一轮复习分子晶体和原子晶体（学案含答案）第 2 页 年 级 高三 学 科 化学 版 本 苏教版 内 容标题 分子晶体和原子晶体【本讲教育信息】一.教学内容：分子晶体和原子晶体 二、教学目标 使学生了解分子晶体的组成粒子、结构模型和结构特点及其性质的一般特点；了解晶体类型与性质的关系；理解分子间作用力和氢键对物质物理性质的影响；知道一些常见的属于分子晶体的物质类别。掌握原子晶体的概念，能够区分原子晶体和分子晶体；了解金刚石等典型原子晶体的结构特征；能描述原子晶体的结构与性质的关系。三、教学重点、难点 分子晶体的组成粒子、结构模型和结构特点及其性质的一般特点，分子间作用力和氢键对物质物理性质的影响。原子晶体的结构与性质的关系，原子晶体与分子晶体的判断。四、教学过程：（一）分子晶体：构成晶体的微粒间通过分子间作用力相互作用所形成的晶体，称为分子晶体。分子晶体中存在的微粒是分子，不存在离子。较典型的分子晶 第 3 页 体有非金属氢化物，部分非金属单质，部分非金属氧化物，几乎所有的酸，绝大多数有机物的晶体等。分子晶体中存在的相互作用力主要是分子间作用力，它是分子间存在着一种把分子聚集在一起的作用力，叫做分子间作用力，也叫范徳华力。分子间作用力只影响物质的熔沸点、硬度、密度等物理性质，分子晶体一般都是绝缘体，熔融状态不导电。对于某些含有电负性很大的元素的原子和氢原子的分子，分子间还可以通过氢键相互作用。氢键的形成条件：它是由已经与电负性很强的原子形成共价键的氢原子与另一分子中电负性很强的原子之间的作用力形成，（它不属于化学键）一般表示为 XHY。这种静电吸引作用就是氢键。氢键同样只影响物质的熔沸点和密度，对物质的化学性质没有影响 分子晶体的结构特征：没有氢键的分子密堆积排列，如 CO2等分子晶体，分子间的作用力主要是分子间作用力，以一个分子为中心，每个分子周围有 12 个紧邻的分子存在。如：干冰的晶体结构 第 4 页 还有一类分子晶体，其结构中不仅存在分子间作用力，同时还存在氢键，如：冰。此时，水分子间的主要作用力是氢键，每个水分子周围只有4 个水分子与之相邻。称为非密堆积结构。如图，冰的晶体结构：说明：1、分子晶体的构成微粒是分子，分子中各原子一般以共价键相结合。因此，大多数共价化合物所形成的晶体为分子晶体。如：部分非金属单质、非金属氢化物、部分非金属氧化物、几乎所有的酸以及绝大多数的有机物等都属于分子晶体。但并不是所有的分子晶体中都存在共价键，如：由单原子构成的稀有气体分子中就不存在化学键。也不是共价化合物都是分子晶体，如二氧化硅等物质属于原子晶体。2、由于构成晶体的微粒是分子，因此分子晶体的化学式可以表示其分子式，即只有分子晶体才存在分子式。3、分子晶体的微粒间以分子间作用力或氢键相结合，因此，分子晶体具有熔沸点低、硬度密度小，较易熔化和挥发等物理性质。4、影响分子间作用力的大小的因素有分子的 第 5 页 极性和相对分子质量的大小。一般而言，分子的极性越大、相对分子质量越大，分子间作用力越强。5、分子晶体的熔沸点的高低与分子的结构有关：在同样不存在氢键时，组成与结构相似的分子晶体，随着相对分子质量的增大，分子间作用力增大，分子晶体的熔沸点增大；对于分子中存在氢键的分子晶体，其熔沸点一般比没有氢键的分子晶体的熔沸点高，存在分子间氢键的分子晶体的熔沸点比存在分子内氢键的分子晶体的熔沸点高。6、分子晶体的溶解性与溶剂和溶质的极性有关：一般情况下，极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂这就是相似相溶原理。如：HCl、3NH等分子晶体易溶于水，而溴和碘等分子则易溶于汽油和四氯化碳等非极性溶剂。7、分子间作用力不具有方向性和饱和性，而氢键具有方向性和饱和性。所以，不存在氢键的分子晶体可以以紧密堆砌的方式排列，而存在氢键的分子晶体则必须在一定的方向上堆砌排列。由于水中存在氢键，所以水在凝结成冰时，体积增大，密度减小。8、氢键与分子间作用力的比较：分 类 分子间作用力 氢 键 第 6 页 概 念 物质分子之间存在的微弱的相互作用（实质上也是静电作用）分子中与氢原子形成共价键的非金属原子，如果吸引电子的能力很强，原子半径又很小，则使氢原子几乎成为“裸露”的质子，带部分正电荷，这样的分子之间，氢核与带部分负电荷的非金属 原子相互吸引，这种静电作用就是氢键 存在范围 分子间 某些含氢化合物分子间（如：HF、H2O、NH3、乙醇等）强度比较 比化学键弱很多 比化学键弱得多，比分子间作用力强 影响强度 的因素 随着分子的极性与相对分子质量的增大而增大。组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，分子间作用力越大 形成氢键的非金属原子，其吸引电子的能力越 强、半径越小，则氢键越强 9、干冰的熔沸点比冰低，但密度却比冰大的 第 7 页 原因是：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，所以熔沸点比干冰高。同时，由于分子间作用力特别是氢键的方向性，导致晶体冰中有相当大的空隙，所以相同状况下体积较大。由于 CO2分子的相对分子质量H2O，所以干冰的密度大。（二）原子晶体：相邻原子间以共价键相结合而形成的空间网状结构的晶体称为原子晶体。构成原子晶体的微粒是原子，微粒间的相互作用力是共价键，由于共价键的键能比分子间作用力要大得多，因此原子晶体具有很高的熔沸点和硬度，一般不导电（硅属于半导体材料），一般不溶于溶剂等性质。常见的原子晶体有：金刚石、晶体硅、二氧化硅和碳化硅等。如金刚石的晶体结构和晶胞、二氧化硅的晶体结构：金刚石的晶体结构中，每个碳原子与四个碳原子相互结合形成四个共价键，形成正四面体型结构，晶体中每个最小的环为六元环；另外二氧化 第 8 页 硅晶体结构与金刚石相似，每个最小的环由六个氧原子和六个硅原子构成，为十二元环，每个硅原子结合四个氧原子、每个氧原子结合二个硅原子，因此晶体中硅、氧原子的个数比为 1：2，则二氧化硅的化学式为 SiO2，晶体中每个硅原子被 12 个环所共有。说明：1、原子晶体的构成微粒是原子，原子间通过共价键相互结合，因此原子晶体的物理性质与分子晶体有明显的不同，有熔沸点高，硬度、密度大等特点。原子晶体中不存在分子，其化学式表示晶体中各组成微粒的原子个数比，这一点也与分子晶体不同。2、原子晶体中原子间以共价键相互连接，但并不是存在共价键的晶体就是原子晶体。如：水、干冰等晶体都存在共价键，但它们属于分子晶体。3、判断晶体类型的依据：（1）看构成晶体的微粒种类及微粒间的相互作用。对分子晶体,构成晶体的微粒是分子，微粒间的相互作用是分子间作用力；对于原子晶体，构成晶体的微粒是原子，微粒间的相互作用是共价键。（2）看物质的物理性质（如：熔、沸点或硬度）。一般情况下，不同类晶体熔点高低顺序 第 9 页 是原子晶体比分子晶体的熔、沸点高得多，硬度、密度也要大得多。（3）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。（4）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。4、比较晶体的熔沸点的高低，首先要比较晶体的类型。分子晶体的熔沸点比较其分子的极性、相对分子质量以及能不能形成氢键。而原子晶体熔沸点的高低与其内部结构有着密切关系：对结构相似的原子晶体而言，原子半径越小、键长越短、键能越大，晶体的熔沸点越高。5、CO2、SiO2都属于第A 族的氧化物，但两者的熔沸点、硬度等物理性质存在较大的差异，但 CO2却比 SiO2稳定得多：主要是因为 CO2是分子晶体，SiO2是原子晶体，所以熔化时 CO2是破坏范德华力而 SiO2是破坏化学键。所以SiO2熔沸点高。而破坏 CO2分子与 SiO2时，都是破坏共价键，而 C-O 键能Si-O 键能，所以CO2分子更稳定。（三）过渡型晶体（混合型晶体）石墨是一种结晶形碳，有天然出产的矿物。铁黑色至深钢灰色。质软具滑腻感，可沾污手指成灰黑色。有金属光泽。六方晶系，成叶片状、鳞片状和致密块状。密度/3cm，化学性质不活泼。第 10 页 具有耐腐蚀性，在空气或氧气中可以强热燃烧生成二氧化碳。石墨可用作润滑剂，并用于制造坩锅、电极、铅笔芯等。它既具有金属晶体的性质（导电性），又具有分子晶体的性质（质地很软），同时还具备原子晶体的特性（熔沸点高）等。因此化学上把石墨称为过渡型晶体（又称混合型晶体）。石墨晶体是一种层状结构：层与层之间以分子间作用力相互连接，而同一层内各原子间以共价键相互结合。如图所示：所以石墨晶体的质地较软、熔沸点很高。说明：1、石墨为层状结构，各层之间以范德华力结合，容易滑动，所以石墨很软。2、石墨各层均为平面网状结构，碳原子之间存在很强的共价键（大键），故熔沸点很高。石墨层状结构中六个碳原子构成平面六元环，平均每个环占有 2 个碳原子、三个碳碳键。3、在金刚石中每个碳原子与相邻的四个碳原子经共价键结合形成正四面体结构，碳原子所有外层电子均参与成键，无自由电子，所以不导电。而石墨晶体中，每个碳原子以三个共价键与另外三个碳原子相连，在同一平面内形成正六边形的环。这样每个碳原子上仍有一个电子未参与成键，电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导电。【典型例题】第 11 页 例 1.共价键、离子键和范德华力是构成物质粒子间的不同作用方式，下列物质中，只含有上述一种作用的是 A.干冰 B.氯化钠 C.氢氧化钠 D.碘 解析：干冰是分子晶体，分子内存在共价键，分子间存在范德华力。NaCl 是离子晶体只存在离子键。NaOH 是离子晶体，不仅存在离子键，还存在 HO 间共价键。碘也是分子晶体，分子内存在共价键，分子间存在分子间作用力。故只有 B 符合题意。答案：B 例 2.在解释下列物质性质的变化规律与物质结构间的因果关系时，与键能无关的变化规律是 A.HF、HCI、HBr、HI 的热稳定性依次减弱 B.NaF、NaCl、NaBr、NaI 的熔点依次降低 C.F2、C12、Br2、I2的熔沸点逐渐升高 D.H2S 的熔沸点小于 H2O 的熔沸点 解析：HF、HCl、HBr、HI 热稳定性依次减弱是它们的共价键键能逐渐减小的原因，与键能有关。NaF、NaCl、NaBr、NaI 的熔点依次降低是它们的离子键能随离子半径增大逐渐减小的原因。F2、C12、Br2、I2为分子晶体，结构相似，熔、沸点高低由相对分子质量决定，它们 第 12 页 的相对分子质量逐渐增大，因此分子间的作用力也逐渐增大，熔沸点逐渐升高。H2S 与 H2O 的熔沸点高低由分子间作用力及分子的极性是否存在氢键决定，同时，水分子间还可以形成氢键，而 H2S 分子间不能形成氢键。故选 C、D。答案：C、D 例 3.2019 年美国科学杂志报道：在超高压下，科学家用激光器将 CO2加热到 1800K，成功制得了类似石英的 CO2原子晶体。下列关于 CO2晶体的叙述中不正确的是 A.晶体中 C、O 原子个数比为 12 B.该晶体的熔点、沸点高、硬度大 C.晶体中 COC 键角为 180 D.晶体中 C、O 原子最外层都满足 8 电子结构 解析：CO2原子晶体的结构与 SiO2相似，每个碳原子周围连接 4 个氧原子，每个氧原子连接 2 个碳原子，所以晶体中碳氧原子的个数比为1：2，碳原子位于正四面体的中心，OCO的键角为 10928，晶体中每个 C、O 原子最外层均达到 8 电子稳定结构。同时原子晶体具有熔沸点高、硬度大等性质特点。故本题选 C 答案：C 例 4.在干冰晶体中每个 CO2分子周围紧邻的 CO2分子有_个，在晶体中截取一个最小的正方形；使正方形的四个顶点都落到 CO2 第 13 页 分子的中心，则在这个正方形的平面上有_个 CO2分子。解析：此题要求对干冰的晶体模型十分熟悉。以右下角 CO2分子研究对象：与其紧邻的为面心上的 3 个 CO2分子，而 CO2分子被 8 个这样的立方体所共有，故有 38=24。又考虑到面心上的 CO2被 2 个这样的立方体共有，故24/2=12 个。由 CO2晶体模型分析得出，符合题意的最小正方形即模型的对角面的一半，不难看出有 4 个 CO2分子。答案：12，4 例 5.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在 1300反应获得。（1）氮化硅晶体属于_晶体。（2）已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且 N 原子与 N 原子，Si 原子与 Si原子不直接相连，同时每个原子都满足 8 电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式_.（3）现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得到较高纯度的氮化硅。反应的化学方程式为_.解析：原子晶体具有熔沸点高、硬度大等特点，因此氮化硅晶体属于原子晶体，所以氮化硅的晶体结构中每个氮原子周围连接 3 个硅原子，而每个硅原子周围连接 4 个氮原子，相互之间通 第 14 页 过共价键相连形成立体网状结构，在原子的最外层形成 8 电子的稳定结构，故氮化硅的化学式为：Si3N4。四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下生成氮化硅，反应方程式为：3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl 答案：原子、Si3N4、3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl