1、第二节分子晶体与原子晶体激趣入题情境呈现你已经知道，冰容易融化，干冰容易气化，碘晶体容易升华。那么，你知道这些晶体为什么具有上述的特殊性质吗？它们的结构是怎样的呢？科学研究揭示，30亿年前，在地壳下200 km左右的地幔中处在高温、高压岩浆中的碳元素，逐渐形成了具有正四面体结构的金刚石。火山爆发时，金刚石夹在岩浆中上升到接近地表时冷却，形成含有少量金刚石的原生矿床。金刚石具有诸多不同凡响的优良性质：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？新知预习自主
2、探究一、分子晶体1特点：(1)构成微粒及微粒间的作用力。(2)微粒堆积方式。若分子间作用力只有_范德华力_，则分子晶体有_分子密堆积_特征，即每个分子周围有_12_个紧邻的分子。分子间还含有其他作用力，如_氢键_，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分子晶体与物质的类别：物质种类实例所有非金属_氢化物_H2O、NH3、CH4等部分_非金属单质_卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)等部分_非金属氧化物_CO2、P4O10、SO2、SO3等几乎所有的_酸_HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等绝大多数_有机物_苯、乙醇、乙酸
3、、乙酸乙酯等3.两种典型的分子晶体的组成和结构：(1)干冰。每个晶胞中有_4_个CO2分子，_12_个原子。每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为_12_个。(2)冰。水分子之间的作用力有_范德华力_，但主要是_氢键_。由于_氢键_的方向性，使四面体中心的每个水分子与四面体顶点的_4_个相邻的水分子相互吸引。二、原子晶体1结构特点：(1)构成微粒及作用力。(2)空间构型：整块晶体是一个三维的共价键_网状_结构，不存在_单个_的小分子，是一个“巨分子”，又称_共价_晶体。(3)常见的原子晶体：常见的非金属单质，如金刚石(C)，硼(B)、_晶体硅_(Si)等；某些非金属化合物，如_碳化硅_(
4、SiC)、氮化硼(BN)、二氧化硅(SiO2)等。2典型原子晶体的结构：(1)金刚石晶体的结构特点：在晶体中每个碳原子以4个_共价单键_对称地与相邻的4个碳原子相结合，形成_正四面体_结构。晶体中碳碳键之间的夹角为_10928_，碳原子采取了_sp3_杂化。最小环上有_6_个碳原子。(2)SiO2的结构特点：把金刚石晶体中的_碳_原子换为_硅_原子，每两个硅原子之间增加一个_氧_原子，即形成SiO2的晶体结构。预习自测初试牛刀1思考辨析：(1)分子晶体中一定存在共价键。()(2)干冰升华的过程中破坏了共价键。()(3)二氧化硅和干冰虽然是同一主族的氧化物，但属于不同的晶体类型。()(4)分子晶
5、体的熔、沸点比较低，原子晶体的熔、沸点比较高。()(5)含有共价键的晶体都是原子晶体。()(6)SiO2是二氧化硅的分子式。()2下列晶体由原子直接构成，且属于分子晶体的是(B)A二氧化硅B固态氖C白磷D三氧化硫解析：二氧化硅是由硅、氧原子构成的原子晶体，A错；固态氖由原子构成的分子晶体，B正确；白磷是由P4分子构成的分子晶体，C错；三氧化硫是由SO3分子构成的分子晶体，D错。3当SO3晶体熔化时，下列各项中发生变化的是(D)A化学键B硫与氧的原子个数之比C分子构型D分子间作用力解析：当SO3晶体熔化时，分子间作用力被破坏，故选D项。4分子晶体具有某些特征的本质原因是(C)A组成晶体的基本微粒
6、是分子B熔融时不导电C基本构成微粒间以分子间作用力相结合D熔点一般比较低解析：分子晶体相对于其他晶体来说，熔、沸点较低，硬度较小，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相对于化学键来说比较弱。5氮化铝(AlN)是一种熔点很高、硬度大、不导电、难溶于水和其他溶剂的晶体，将下列各组物质加热熔化或气化，所克服微粒间作用力与AlN相同的是(A)A水晶、金刚石B食盐、硫酸钾C碘、硫D硅、干冰解析：根据AlN熔点高、硬度大、不导电、难溶于水和其他溶剂可知AlN晶体是原子晶体，熔化时共价键被破坏，A、B、C、D四个选项中属于原子晶体的有水晶(SiO2)、金刚石、晶体硅，故A项正确。6金刚石和金刚
7、砂(SiC)具有相似的晶体结构，在金刚砂的空间网状结构中，碳原子、硅原子交替以单键相结合。试回答下列问题。(1)金刚砂属于_原子_晶体。金刚砂熔点比金刚石熔点_低_。(2)在金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合_4_个碳原子，键角是_10928_。(3)金刚砂的结构中含有由共价键形成的原子环，其中最小的环上有_3_个硅原子。解析：根据题意可知金刚砂属于原子晶体，由于SiC键的键长大于CC键的键长，故SiC键的键能小，金刚砂的熔点比金刚石的熔点低。硅原子与碳原子交替以共价单键相结合，且Si、C原子都形成四个单键，故一个碳原子周围结合4个硅原子，同时一个硅原子周围结合4个碳原子。由于硅原子周围的四个
8、碳原子在空间呈正四面体形排列，故键角为10928。类比金刚石中最小的原子环中有6个碳，则在金刚砂中，最小的环上应有3个硅原子和3个碳原子。课堂探究疑难解惑知识点一原子晶体与分子晶体比较与判断问题探究_1分子晶体的构成粒子是什么？该粒子间的作用力是什么？各分子内的各原子间(稀有气体除外)的作用力是什么？2分子晶体有哪些物理性质？3原子晶体的构成微粒是什么？粒子间的作用力是什么？其堆积方式是什么结构？又被称作什么？4常见的原子晶体有哪些？5金刚石最小环上有几个碳原子？SiO2的最小环是由几个硅原子和几个氧原子构成的十二元环？探究提示_1提示分子晶体的构成粒子是分子，相邻分子间存在分子间作用力；分子
9、内的各原子间以共价键结合。2提示一般熔点较低，硬度较小。3提示原子晶体的构成微粒是原子，所有原子都以共价键相互结合，其堆积方式是三维的共价键网状结构，又称共价晶体。4提示(1)某些单质，如硼、硅等；(2)某些非金属化合物，如SiC、BN等。5提示金刚石最小环上有6个碳原子，SiO2的最小环是由6个硅原子和6个氧原子构成的十二元环。知识总结_1原子晶体和分子晶体的比较晶体类型原子晶体分子晶体概念相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体分子间以分子间作用力相结合的晶体组成粒子原子分子粒子间作用力共价键分子间作用力熔、沸点很高较低硬度很大较小溶解性不溶于任何溶剂部分溶于水导电性不导电，个别为
10、半导体不导电，部分溶于水导电熔化时破坏的作用力共价键分子间作用力实例金刚石干冰2.判断分子晶体和原子晶体的方法(1)依据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断。构成原子晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键；构成分子晶体的微粒是分子，微粒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1 000 以上，而分子晶体熔点低，常在数百度以下甚至温度更低。(3)还可以依据晶体的硬度与机械性能判断。原子晶体硬度大，分子晶体硬度小且较脆。(4)依据导电性判断。分子晶体为非导体，但部分溶于水后能导电；原子晶体多数为非导体，但晶体硅、锗是半导体。(5)记忆常见的、典型的原子晶体。常见的
11、原子晶体有：单质：金刚石、晶体硅、晶体硼、晶体锗等；化合物：SiO2、SiC、BN、AlN、Si3N4等。除原子晶体外的绝大多数非金属单质、气态氢化物、非金属氧化物、酸、绝大多数有机物(有机盐除外)都属于分子晶体。典例剖析_典例1 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_1s22s22p63s23p2_。(2)晶体硅的微观结构与金刚石相似，晶体硅中SiSi键之间的夹角大小约为_10928_。(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
12、)的熔点：物质SiO2SiCl4SiF4熔点/1 71070.490.2简要解释熔点产生差异的原因：SiO2和SiCl4：_SiO2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的_。SiCl4和SiF4：_SiCl4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的_。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SiSi键之间的夹角大小约为10928。(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SiSi键
13、中“插入”一个氧原子，所以只要在上述每两个硅原子之间“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。规律方法指导：原子晶体是一个三维的共价键网状结构，是一个“巨分子”；原子晶体的化学式不表示实际组成，只表示组成原子的个数比；由原子构成的晶体不一定是原子晶体，如由稀有气体组成的晶体属于分子晶体；原子晶体中不存在范德华力。变式训练_1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_B、C、E、F_，直接由原子构成的分子晶体是_E_。(2)属于原子晶体的化合物是_
14、A_。(3)直接由原子构成的晶体是_A、D、E_。(4)受热熔化时，需克服共价键的是_A、D_。解析：根据构成晶体的微粒不同，分子晶体仅由分子构成，原子晶体中无分子。分子晶体有B、C、E、F，注意晶体氩是单原子分子晶体；原子晶体和单原子分子晶体都是由原子直接构成的，原子晶体有A、D，但属于化合物的只有A；分子晶体熔化时，一般不破坏化学键；原子晶体熔化时，破坏共价键。知识点二分子晶体和原子晶体熔沸点高低的比较问题探究_1观察下列结构，回答下列问题。(1)CO2晶体与SiO2晶体的构成微粒是什么？熔融SiO2晶体需破坏的作用力是什么？(2)CO2晶体中有哪些作用力？干冰升华时破坏的是什么作用力？2
15、从金刚石、晶体硅性质数据表分析原子晶体熔点、硬度与什么有关？金刚石、晶体硅性质数据表熔点/硬度金刚石3 55010晶体硅1 4106.5探究提示_1(1)提示CO2晶体是由CO2分子构成的，SiO2晶体是由Si原子与O原子构成的；熔融SiO2晶体需破坏共价键。(2)提示CO2晶体中有共价键和范德华力。干冰升华时破坏范德华力。2提示在原子晶体里，所有原子都以共价键相结合。金刚石中CC键键长比晶体硅中SiSi键键长短，CC键键能大，故金刚石熔点比晶体硅的高，硬度比晶体硅的大。知识总结_1对于不同类型的晶体来说，熔沸点的高低顺序为原子晶体分子晶体。2对于同属于分子晶体的不同晶体：(1)分子间作用力越
16、大，物质的熔沸点越高；非金属氢化物分子间含有氢键的分子晶体，熔沸点比同族元素的氢化物反常得高。如H2OH2TeH2SeH2S。(2)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SnH4GeH4SiH4CH4。(3)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CON2，CH3OHCH3CH3。(4)同分异构体的支链越多，熔沸点越低。如CH3CH2CH2CH2CH3(5)烃、卤代烃、醇、醛、羧酸等有机物一般随分子里碳原子的增加，熔沸点升高。如C2H6CH4，C2H5ClCH3Cl，CH3COOHHCOOH。3对于同属于原子晶体的不同晶体：(1)晶体的熔
17、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。(2)若没有告知键长或键能数据时，可比较原子半径的大小。一般原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。原子半径越小，则化学键的键长越短，化学键就越强，键就越牢固，破坏化学键需要的能量就越大，故晶体的熔点就越高。如比较金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点高低。原子半径：CSi，则键长：CCCSiCSiSiSi，熔点：金刚石碳化硅晶体硅。典例剖析_典例2 碳化硅(SiC)是一种晶体，具有类似于金刚石的结构，其中C原子和Si原子的位置是交替的。在下列三种晶体：金刚石、晶体硅、碳化硅中，它们的熔点从高到低的顺序是(
18、A)ABCD解析：C与Si同为第A族元素，它们的相似性表现在金刚石是原子晶体，晶体硅、碳化硅也是原子晶体。从碳到硅原子半径逐渐增大，形成共价键的键能逐渐减弱。可推断碳化硅的熔点应在Si与C之间。三种原子晶体空间结构相似，熔点取决于它们的键长与键能，故熔点从高到低分别是金刚石、碳化硅、晶体硅，故正确答案为A。规律方法指导：比较晶体的熔点高低，首先弄清晶体属于哪种类型，然后根据不同晶体的规律进行判断。分子晶体的熔点由分子间作用力决定，同时注意含氢键物质的反常；原子晶体则比较共价键的强弱。变式训练_2下列说法中，正确的是(B)A冰融化时，分子中HO键发生断裂B原子晶体中，共价键越强，熔点越高C分子晶
19、体中，共价键键能越大，该分子晶体的熔点一定越高D分子晶体中，分子间作用力越大，该物质越稳定解析：冰为分子晶体，融化时破坏的是分子间作用力，故A项错误；原子晶体熔点的高低取决于共价键的强弱，共价键越强，熔点越高，故B项正确；分子晶体熔点的高低取决于分子间作用力的大小，而共价键的强弱决定了分子的稳定性大小，所以C项和D项错误。核心素养专家博客混合键型晶体石墨实验测定，石墨的熔点高达3 850 ，高于金刚石的熔点，这说明石墨晶体具有原子晶体的特点；但是，石墨很软并且能导电，它是非常好的润滑剂，这又不同于原子晶体。那么，石墨究竟属于哪种类型的晶体呢？研究发现，石墨的晶体具有层状结构，每个碳原子用sp2
20、杂化轨道与邻近的三个碳原子以共价键相结合，形成无限的六边形平面网状结构；共价键的键长为0.142 nm，键角为120。每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道，并含有一个未成对电子，因此能够形成遍及整个平面的大键。正是由于电子可以在整个六边形网状平面上运动，因此石墨的大键具有金属键的性质，这就是石墨沿层的平行方向导电性强的原因。这些网络状的平面结构再以范德华力结合形成层状结构，层与层之间的距离为0335 nm。这样，石墨晶体中既有共价键，又有范德华力，同时还有金属键的特性。我们将这种晶体称为混合键型晶体。这种特殊的结构决定了石墨具有某些独特的性质，并用于制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等。即时训练_石墨晶体为层状结构，每一层均为碳原子与周围其他3个碳原子相结合而成的平面片层，同层相邻碳原子间距为142 pm、相邻片层间距为335 pm。如图是其晶体结构片层俯视图。下列说法不正确的是(D)A碳原子采用sp2杂化 B每个碳原子形成3个键C碳原子数与键键数之比为23 D片层之间的碳形成共价键解析：每个碳原子形成3个键，采取sp2杂化，故A、B正确；每个碳原子平均含有3个键，所以碳原子数与键键数之比为23，故C正确；石墨片层之间的碳以范德华力结合而不是共价键，故D错误。