1、第二节 分子晶体与原子晶体 一、分子晶体 1.分子晶体的结构与物质类别(1)概念及微粒间的作用力:概念:只含_的晶体称为分子晶体。粒子间的相互作用力:分子晶体内相邻分子间以_相互吸引,分 子内原子之间以_结合。必备知识自主学习 分子 分子间作用力 共价键 (2)堆积方式:分子密堆积 分子非密堆积 作用力 只有_,无_ 有分子间氢键,它具有_性 空间特点 每个分子周围一般有_个紧 邻的分子 空间利用率不高,留有相当大 的空隙 举例 C60、干冰、I2、O2 HF、NH3、冰 分子间作用力 氢键 方向 12(3)常见分子晶体及物质类别:物质种类实 例所有_H2O、NH3、CH4等部分_卤素(X2)
2、、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)等部分_CO2、P4O10、SO2、SO3等几乎所有的_HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等绝大多数_苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等非金属氢化物 非金属单质 非金属氧化物 酸 有机物 2.物理性质:一般熔、沸点_,硬度_。3.两种典型的分子晶体的组成和结构:较低 较小(1)干冰。每个晶胞中有_个CO2分子,_个原子。每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为_个。(2)冰。水分子之间的作用力有_,但主要是_。由于_的方向性,使四面体中心的每个水分子与四面体顶角的_个相邻的 水分子相互吸引。4 12 12 范德华力 氢键 氢键 4【自主探索】(1)
3、为什么干冰的熔、沸点比冰低而密度却比冰大?提示:由于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。由于水分子间氢键的方向性,导致冰晶体不具有分子密堆积特征,晶体中有相当大的空隙,所以相同状况下冰体积较大。由于CO2分子的相对分子质量H2O分子的相对分子质量,所以干冰的密度大。(2)干冰升华过程中破坏共价键吗?提示:干冰升华的过程中破坏分子间作用力,不破坏共价键。(3)判断下列说法是否正确。冰融化时,分子中HO键发生断裂。()提示:。冰属于分子晶体,融化时要克服分子间作用力和氢键,分子内的共价键不断裂。分子晶体中,分子间作用力越大,对应的物质越稳定。()提示:。分子
4、间作用力的大小决定分子晶体的熔沸点的高低,而分子的稳定性取决于化学键的强弱。二、原子晶体 1.概念:相邻原子间以_相结合形成三维的_的晶体叫原 子晶体,又叫共价晶体。2.结构特点及物理性质:(1)构成微粒及作用力。共价键 共价键网状结构(2)空间构型:整块晶体是一个三维的共价键_结构,不存在_的小分子,是一个“巨分子”,又称_晶体。(3)物理性质。原子晶体中,由于各原子均以强的共价键相结合,因此一般熔点_,硬度_。结构相似的原子晶体,原子半径越小,键长_,键能越大,晶体的熔点越高。网状 单个 共价 高 大 越短 3.常见的原子晶体:(1)物质类别:(2)金刚石的结构特点:在晶体中每个碳原子以_
5、个共价键与相邻的_ 个碳原子相结合,成为正四面体。晶体中CCC夹角为_,碳原子采 取了_杂化。最小环上有_个碳原子。晶体中碳原子个数与CC键数之比为1(4 )=12。10928 4 sp3 6 124【自主探索】(1)含有共价键的晶体一定是原子晶体吗?提示:不一定。原子晶体中一定含有共价键,含共价键的晶体不一定是原子晶体,如干冰中碳原子与氧原子之间存在共价键,但干冰是分子晶体。(2)碳有多种同素异形体,其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示:在石墨烯晶体中,每个碳原子连接_个六元环,每个六元环占有_个碳原子。在金刚石晶体中,碳原子所连接的最小环也为六元环,每个碳原子连接_个六 元环,六元环中最多
6、有_个碳原子在同一平面。2 12 4 3 关键能力合作学习 知识点一 原子晶体与分子晶体的比较与判断 1.原子晶体与分子晶体的组成、结构和性质的比较 类型 比较 原子晶体 分子晶体 构成晶体的粒子 原子 分子 微粒间的作用力 共价键(极性键和非极性键)分子间作用力(氢键、范德华力)物质的性质 熔、沸点 很高 较低 硬度 很大 较小 导电性 一般固态或融熔状态下均不导电,有的是半导体 固态和熔融状态下都不导电,但某些分子晶体溶于水能导电 类型 比较 原子晶体 分子晶体 物质的 性质 导热性 不良 不良 溶解性 不溶于任何溶剂 一般服从“相似相溶”决定熔、沸点高低因素 共价键的强弱 分子间作用力(
7、包括氢键)的强弱 实例 金刚石 干冰 结构特点 其最小的碳原子环中有6个碳原子,碳碳键夹角为10928 CO2晶体中存在CO2分子 2.判断原子晶体和分子晶体的方法:(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更低温度。(3)依据晶体的导电性判断。分子晶体为非导体,但部分分子晶体溶于水后能导电,如HCl。原子晶体多数为非导体,但晶体Si、晶体Ge为半导体。(4)依据晶体的硬度和机械性能判
8、断。原子晶体硬度大;分子晶体硬度小且较脆。(5)依据物质的分类判断。大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅等)、非金属氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、几乎所有的酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。常见的单质类原子晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等;常见的化合物类原子晶体有碳化硅、二氧化硅等。【易错提醒】对分子晶体和原子晶体的认识误区(1)原子晶体是一个三维的共价键网状结构,是一个“巨分子”,没有小分子存在;而分子晶体中存在真实的分子。(2)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,如SiO2只是表示晶体中Si与O的原子个数比为12。而分子晶体的化学式表示真实的组成。(
9、3)由原子构成的晶体不一定是原子晶体,如稀有气体组成的晶体属于分子晶体。【合作探究】(1)(思维升华)SiO2是二氧化硅晶体的分子式吗?(宏观辨识与微观探析)提示:二氧化硅为原子晶体,晶体中不存在单个分子,Si、O两种原子的个数比为12,而不是分子式。(2)(情境应用)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(大于3 550),不导电,硬度极高。而干冰和碘晶体容易升华。分子晶体和原子晶体受热熔
10、化时克服的微粒间作用力相同吗?提示:不同,前者为分子间作用力,后者为共价键。【典例示范】【典例】有下列物质:水晶,冰醋酸,氧化钙,白磷,晶体氩,氢氧化铝,铝,金刚石,过氧化钠,碳化钙,碳化硅,干冰,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_,受热熔化后化学键不发生变化的是_,受热熔化需克服共价键的是_。【解题指南】解答本题时要注意以下两点:(1)原子晶体和分子晶体的判断。(2)原子晶体和分子晶体的组成和结构特点。【解析】本题考查的是原子晶体、
11、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,而原子晶体熔化需破坏共价键。答案:(1)(2)(3)(4)【母题追问】(1)分析干冰晶体中每个CO2分子紧邻几个CO2分子?一个干冰晶胞中含几个CO2分子?提示:每个CO2分子紧邻12个CO2分子,一个干冰晶胞中含4个CO2分子。(2)分析金刚石晶体中键角均为多少?每个碳原子周围有几个碳原子,这几
12、个碳原子构成什么样的几何形状?在此晶体中,构成最小碳环需要几个碳原子?提示:键角为10928,每个碳原子周围有4个碳原子,这5个碳原子构成正四面体形。在晶体中构成最小的碳环需要6个碳原子。【素养训练】1.(2020贵阳高二检测)根据下表中给出的有关数据,判断下列说法中错误的是()AlCl3 SiCl4 晶体硼 金刚石 晶体硅 熔点/190-70 2 300 3 550 1 410 沸点/183 57 2 550 4 827 2 355 A.SiCl4是分子晶体 B.晶体硼是原子晶体 C.AlCl3是分子晶体,加热能升华 D.金刚石中的CC键比晶体硅中的SiSi键弱【解析】选D。SiCl4、Al
13、Cl3的熔、沸点低,都是分子晶体,AlCl3的沸点低于其熔点,故AlCl3加热能升华,A、C项正确;晶体硼的熔、沸点高,所以晶体硼是原子晶体,B项正确;碳原子的半径比硅原子的半径小,金刚石中的CC键键长比晶体硅中的SiSi键键长短,金刚石中的CC键键能比晶体硅中的SiSi键键能大,金刚石中的CC键比晶体硅中的SiSi键强,D项错误。2.(2020厦门高二检测)正硼酸(H3BO3)是一种片层状结构白色晶体,有与石墨 相似的层状结构。层内的H3BO3分子通过氢键相连(如图)。下列有关说法正确的 是()A.正硼酸晶体属于原子晶体 B.H3BO3分子的稳定性与氢键有关 C.分子中硼原子杂化轨道的类型为
14、sp3 D.1 mol H3BO3晶体中含有3 mol氢键【解析】选D。正硼酸晶体中存在H3BO3分子,且该晶体中存在氢键,说明硼酸由分子构成,是分子晶体,原子晶体内只有共价键,A错误;分子的稳定性与分子内的BO、HO共价键有关,熔沸点与氢键有关,B错误;B只形成了3个单键,没有孤电子对,所以采取sp2杂化,C错误;根据图示,1个硼酸分子形成了6个氢键,但每个氢键是2个硼酸分子共用的,所以平均一个硼酸分子含3个氢键,则1 mol H3BO3的晶体中含有3 mol氢键,D正确。【补偿训练】1.(2020泉州高二检测)下列关于原子晶体和分子晶体的说法不正确的是 ()A.原子晶体硬度通常比分子晶体大
15、 B.原子晶体的熔、沸点较高 C.分子晶体中有的水溶液能导电 D.金刚石、水晶和干冰都属于原子晶体 【解析】选D。由于原子晶体中粒子间以共价键结合,而分子晶体中分子间以分子间作用力结合,故原子晶体比分子晶体的熔、沸点高,硬度大。有些分子晶体溶于水后能电离出自由移动的离子而导电,如H2SO4、HCl。D选项中的干冰(CO2)是分子晶体,D错。2.(2020广州高二检测)下列说法中正确的是()A.二氧化硅与二氧化碳都是共价化合物,且晶体类型相同 B.氧气生成臭氧的过程中有化学键的断裂和生成 C.因为氮气的键能比氧气的键能大,所以氮气的沸点比氧气的高 D.硫与氖晶体均是由单原子构成的分子晶体【解析】
16、选B。SiO2中Si与O形成共价键,CO2中C与O形成共价键,所以二者都是共价化合物,但是SiO2形成的是原子晶体,CO2形成分子晶体,故A错误;所有化学反应过程都是反应物中化学键断裂后,重新组合生成产物,故B正确;N2与O2的晶体都是分子晶体,二者沸点的高低取决于分子间作用力的相对大小,与分子中共价键的键能无关,故C错误;硫原子最外层没有达到稳定结构,所以晶体中必然是通过某种形式构成稳定的分子,再通过分子间作用力形成晶体,故D错误。3.(2020玉溪高二检测)下列有关晶体的叙述中,错误的是()A.分子晶体熔化时化学键不被破坏 B.白磷晶体中,结构粒子之间通过共价键结合 C.石英晶体是直接由硅
17、原子和氧原子通过共价键所形成的空间网状结构的晶体 D.构成分子晶体的结构粒子中可能存在共价键【解析】选B。分子晶体是通过分子间作用力将分子结合在一起的,所以熔化时,分子内部的化学键未发生变化,破坏的只是分子间作用力,A正确;白磷晶体是分子晶体,在P4内部存在共价键,而结构粒子(P4)之间是通过分子间作用力结合的,B错误;石英晶体是原子晶体,C正确;稀有气体在固态时也属于分子晶体,而稀有气体是单原子分子,在分子内部不存在共价键,在干冰晶体中,CO2分子内存在共价键,D正确。知识点二 分子晶体和原子晶体的熔沸点比较 1.晶体类型不同:原子晶体分子晶体 理由:原子晶体的熔、沸点与共价键有关,分子晶体
18、的熔、沸点与分子间作用力有关。共价键的作用力远大于分子间作用力。2.晶体类型相同(1)原子晶体 一般来说,对结构相似的原子晶体来说,键长越短,键能越大,晶体的熔、沸点越高。例如熔点:金刚石碳化硅晶体硅。(2)分子晶体 若分子间有氢键,则分子间作用力比结构相似的同类晶体大,故熔、沸点较高。如HFHI;NH3PH3;H2OH2Te。组成和结构相似的分子晶体,一般相对分子质量越大,范德华力越大,熔、沸点越高。如I2Br2Cl2F2;SnH4GeH4SiH4CH4。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,范德华力越大,熔、沸点越高。如CON2。同类别的同分异构体,支链越多,熔、沸点
19、越低。如正戊烷异戊烷新戊烷。【典例示范】【典例】(2020潮州高二检测)下列说法正确的是()A.冰融化时,分子中HO键发生断裂 B.原子晶体中,共价键的键长越短,通常熔点就越高 C.分子晶体中,共价键的键能越大,该晶体的熔、沸点就越高 D.分子晶体中,分子间作用力越大,则分子越稳定【解题指南】解答本题需要注意理解以下两个方面:(1)分子晶体和原子晶体中微粒间的作用力。(2)决定分子晶体和原子晶体熔、沸点的因素。【解析】选B。冰的融化需要克服分子间作用力,该过程属于物理变化,HO键没有断裂,A项错误;影响原子晶体熔、沸点的因素是键能,共价键的键长越短,键能越大,熔、沸点就越高,B项正确;影响分子
20、晶体熔、沸点的因素一般是分子间作用力的大小,与共价键的键能无关,C项错误;分子的稳定性与分子间作用力无关,与共价键的键能有关,D项错误。【方法规律】比较分子晶体和原子晶体熔点高低的基本思路【素养训练】(2020洛阳高二检测)下列晶体性质的比较中不正确的是()A.沸点:NH3PH3 B.熔点:SiI4SiBr4SiCl4 C.硬度:白磷冰二氧化硅 D.硬度:金刚石碳化硅晶体硅【解析】选C。A项中注意NH3分子间存在氢键,故沸点NH3PH3,正确;B项中三种物质的组成和结构相似,且均为分子晶体,熔点随相对分子质量的增大而升高,正确;C项中白磷和冰都是分子晶体,硬度小,而二氧化硅是原子晶体,硬度大,
21、错误;D 项中的三种物质都是原子晶体,由于原子半径CSi,所以键长CCCSiCSiSiSi,而键能越大,原子晶体的硬度越大,正确。【补偿训练】1.(2020鞍山高二检测)参考以下表格的键能数据,比较下列两组物质的熔点高低。SiC_Si;SiCl4_Si。(填“”“2.(2020盐城高二检测)C和Si元素在化学中占有极其重要的地位。(1)SiC的晶体结构与晶体硅相似,其中C原子的杂化方式为_,微粒间存在的作用力是_。SiC和晶体Si的熔点高低顺序是_。(2)C、Si为同一主族的元素,CO2和SiO2的化学式相似,但结构和性质有很大的不同。CO2中C与O原子间形成 键和 键,SiO2中Si与O原子
22、间不形成 键,试从原子半径大小的角度分析,其原因是 _。SiO2属于_晶体,干冰属于_晶体,所以熔点:干冰_(填“”或“=”)SiO2。(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅、干冰四种晶体的构成微粒分别是_(填“原子”“分子”或“离子”),熔化时克服的微粒间的作用力分别是_。【解析】(1)晶体硅中1个硅原子与4个硅原子相连,呈正四面体结构,所以其杂化方式是sp3,SiC的晶体结构与晶体硅相似,故C原子的杂化方式也是sp3;因为SiC键的键长小于SiSi键,所以熔点:碳化硅晶体硅。(2)SiO2为原子晶体,干冰为分子晶体,所以熔点:SiO2干冰。(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅均为原子晶体,构成微粒均为原
23、子,熔化时破坏共价键;干冰为分子晶体,由分子构成,CO2分子以分子间作用力相结合。答案:(1)sp3 共价键 SiCSi(2)Si的原子半径较大,Si、O原子间距离较大,p-p轨道肩并肩重叠程度较小,不能形成 键 原子 分子 NCH。(2)四羰基镍Ni(CO)4熔沸点较低,属于分子晶体;与CO互为等电子体微粒 是N2、CN-等,其中阴离子为CN-。(3)由晶胞结构图,O2-位于该晶胞的棱上,O2-个数=12=3,所以晶胞中含有3 个O2-;Mg2+处在面上,Mg2+个数=4=2,所以晶胞中含有2个Mg2+;根据化学式中 元素化合价代数和为零得,晶胞中含有1个Ni2+,所以该晶胞的化学式为Mg2
24、NiO3。答案:(1)1s22s22p63s23p63d8(或Ar3d8)sp3和sp2 15NA(或156.021023)ONCH(2)分子 CN-(3)Mg2NiO3 1412【补偿训练】1.碳、氮、氟、硅、铜等元素的化合物广泛存在于自然界,回答下列问题:(1)氮气分子中 键和 键的比值为_;基态铜原子的电子排布式为_。(2)C、N、F三种元素第一电离能由大到小的顺序为 _;三种元素分别形成的最简单氢化物中属于非极性分子的是_(填化学式)。(3)NF3是微电子工业中优良的等离子刻蚀气体,NF3分子的空间构型为_;在NF3中,氮原子的杂化轨道类型为_。(4)金刚砂(SiC)的硬度为9.5,其
25、晶胞结构如图所示。金刚砂晶体类型为 _,每个碳原子周围最近的碳原 子数目为_,若晶胞的边长为 a cm,阿伏加德罗常数为NA,则金刚砂的 密度为_gcm-3(不需要化简)。【解析】(1)氮气分子中有1个键和2个键,所以比值为12;铜为29号元素,基态铜原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1。(2)非金属性越强,第一电 离能越大,因此C、N、F三种元素第一电离能由大到小的顺序为FNC;三种元素 分别形成的最简单氢化物分别为CH4、NH3、HF,甲烷呈正四面体形,属于非极性 分子,氨气呈三角锥形,属于极性分子,HF是双原子形成的极性分子,所以属于非 极性分子的是CH4。(3
26、)NF3的中心氮原子价电子对数为(5+3)/2=4,氮原子的杂化 轨道类型为sp3杂化,氮原子有一对孤电子对,NF3分子的空间构型为三角锥形。(4)金刚砂晶体中原子呈立体网状排列,晶体类型为原子晶体;每个碳原子周围 最近的碳原子数目为12;若晶胞的边长为a cm,阿伏加德罗常数为NA,每个晶胞中 含有硅原子81/8+61/2=4,每个晶胞中含有碳原子为4,则金刚砂的密度为(404)(NAa3)=gcm-3。答案:(1)12 1s22s22p63s23p63d104s1(或Ar3d104s1)(2)FNC CH4(3)三角锥形 sp3(4)原子晶体 12 3A160N a3A160N a2.(2
27、020青岛高二检测)(1)单质硅存在与金刚石结构类似的晶体,其中原子与原子之间以_相结合,其晶胞中共有8个原子,其中在面心位置贡献_个原子。(2)金刚砂(SiC)与金刚石具有相似的晶体结构(如图所示),在金刚砂的空间网状结构中,碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。试回答:金刚砂属于_晶体,金刚砂的熔点比金刚石的熔点_。在金刚砂的结构中,一个硅原子周围结合了_个碳原子,其键角是_。金刚砂的结构中含有共价键形成的原子环,其中最小的环上有_个硅原子。【解析】(1)硅晶体和金刚石晶体相似,即硅原子间以共价键相结合。晶胞每个 面心上的硅原子为2个晶胞共有,则面心位置贡献的原子为6 =3个。(2)由于金刚砂是空间网状结构,碳原子和硅原子交替以共价单键结合,所以金刚砂 是原子晶体;硅原子的半径比碳原子的半径大,所以金刚砂的熔点比金刚石的低。硅和碳是同主族元素,所以硅原子周围同样有4个碳原子,键角为10928。构成的六元环中,有3个碳原子、3个硅原子。答案:(1)共价键 3(2)原子 低 4 10928 3 12