分子晶體和原子晶體

1、【本講教育信息 】. 教學(xué)內(nèi)容：分子晶體和原子晶體二、教學(xué)目標(biāo)使學(xué)生了解分子晶體的組成粒子、結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其性質(zhì)的一般特點(diǎn)；了解晶體類型與性質(zhì)的關(guān)系； 理解分子間作用力和氫鍵對(duì)物質(zhì)物理性質(zhì)的影響； 知道一些常見(jiàn)的屬于分子晶體的物質(zhì)類別。掌握原子晶體的概念， 能夠區(qū)分原子晶體和分子晶體； 了解金剛石等典型原子晶體的結(jié)構(gòu)特征；能描述原子晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系。三、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)分子晶體的組成粒子、 結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其性質(zhì)的一般特點(diǎn)， 分子間作用力和氫鍵對(duì)物質(zhì)物理性質(zhì)的影響。原子晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，原子晶體與分子晶體的判斷。四、教學(xué)過(guò)程：（一）分子晶體：構(gòu)成晶體的微粒間通過(guò)分子間作用力

2、相互作用所形成的晶體，稱為分子晶體。 分子晶體中存在的微粒是分子，不存在離子。較典型的分子晶體有非金屬氫化物，部分非金屬單質(zhì)，部分非金屬氧化物，幾乎所有的酸，絕大多數(shù)有機(jī)物的晶體等。分子晶體中存在的相互作用力主要是分子間作用力，它是分子間存在著一種把分子聚集在一起的作用力，叫做分子間作用力，也叫范徳華力。分子間作用力只影響物質(zhì)的熔沸點(diǎn)、硬度、密度等物理性質(zhì)，分子晶體一般都是絕緣體，熔融狀態(tài)不導(dǎo)電。對(duì)于某些含有電負(fù)性很大的元素的原子和氫原子的分子， 分子間還可以通過(guò)氫鍵相互作用。氫鍵的形成條件： 它是由已經(jīng)與電負(fù)性很強(qiáng)的原子形成共價(jià)鍵的氫原子與另一分子中電負(fù)性很強(qiáng)的原子之間的作用力形成， （它不

3、屬于化學(xué)鍵）一般表示為 X H , Y。這種靜電吸引作用就是氫鍵。氫鍵同樣只影響物質(zhì)的熔沸點(diǎn)和密度，對(duì)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)沒(méi)有影響分子晶體的結(jié)構(gòu)特征：沒(méi)有氫鍵的分子密堆積排列，如 CO2等分子晶體， 分子間的作用力主要是分子間作用力，以一個(gè)分子為中心，每個(gè)分子周圍有12 個(gè)緊鄰的分子存在。如：干冰的晶體結(jié)構(gòu)還有一類分子晶體，其結(jié)構(gòu)中不僅存在分子間作用力，同時(shí)還存在氫鍵，如：冰。此時(shí)，水分子間的主要作用力是氫鍵，每個(gè)水分子周圍只有 4 個(gè)水分子與之相鄰。稱為非密堆積結(jié)構(gòu)。如圖，冰的晶體結(jié)構(gòu)：說(shuō)明：1、分子晶體的構(gòu)成微粒是分子，分子中各原子一般以共價(jià)鍵相結(jié)合。因此，大多數(shù)共價(jià)化合物所形成的晶體為分子晶體

4、。 如：部分非金屬單質(zhì)、 非金屬氫化物、 部分非金屬氧化物、幾乎所有的酸以及絕大多數(shù)的有機(jī)物等都屬于分子晶體。 但并不是所有的分子晶體中都存在共價(jià)鍵，如：由單原子構(gòu)成的稀有氣體分子中就不存在化學(xué)鍵。 也不是共價(jià)化合物都是分子晶體，如二氧化硅等物質(zhì)屬于原子晶體。2、由于構(gòu)成晶體的微粒是分子，因此分子晶體的化學(xué)式可以表示其分子式，即只有分子晶體才存在分子式。3、分子晶體的微粒間以分子間作用力或氫鍵相結(jié)合，因此，分子晶體具有熔沸點(diǎn)低、硬度密度小，較易熔化和揮發(fā)等物理性質(zhì)。4、影響分子間作用力的大小的因素有分子的極性和相對(duì)分子質(zhì)量的大小。一般而言，分子的極性越大、相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越強(qiáng)。5

5、、分子晶體的熔沸點(diǎn)的高低與分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)：在同樣不存在氫鍵時(shí)，組成與結(jié)構(gòu)相似的分子晶體，隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增大，分子間作用力增大，分子晶體的熔沸點(diǎn)增大；對(duì)于分子中存在氫鍵的分子晶體， 其熔沸點(diǎn)一般比沒(méi)有氫鍵的分子晶體的熔沸點(diǎn)高， 存在分子間氫鍵的分子晶體的熔沸點(diǎn)比存在分子內(nèi)氫鍵的分子晶體的熔沸點(diǎn)高。6、分子晶體的溶解性與溶劑和溶質(zhì)的極性有關(guān)：一般情況下， 極性分子易溶于極性溶劑，非極性分子易溶于非極性溶劑這就是相似相溶原理。如： HCl 、等分子晶體易溶于水，而溴和碘等分子則易溶于汽油和四氯化碳等非極性溶劑。7、分子間作用力不具有方向性和飽和性，而氫鍵具有方向性和飽和性。所以，不存在氫鍵的分子

6、晶體可以以緊密堆砌的方式排列，而存在氫鍵的分子晶體則必須在一定的方向上堆砌排列。由于水中存在氫鍵，所以水在凝結(jié)成冰時(shí)，體積增大，密度減小。8、氫鍵與分子間作用力的比較：分類分子間作用力分子中與氫原子形成共價(jià)鍵的非金屬原子，如物質(zhì)分子之間存在的果吸引電子的能力很強(qiáng)，原子半徑又很小，則使氫原子幾乎成為“裸露”的質(zhì)子，帶部分正概念微弱的相互作用（實(shí)質(zhì)電荷，這樣的分子之間，氫核與帶部分負(fù)電荷上也是靜電作用）原子相互吸引，這種靜電作用就是氫鍵存在范圍分子間某些含氫化合物分子間（如：乙醇等）強(qiáng)度比較比化學(xué)鍵弱很多隨著分子的極性與相影響強(qiáng)度對(duì)分子質(zhì)量的增大而形成氫鍵的非金屬原子，其吸引電子的能力越的因素增大

7、。組成和結(jié)構(gòu)相似強(qiáng)、半徑越小，則氫鍵越強(qiáng)的物質(zhì)，相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大9、干冰的熔沸點(diǎn)比冰低， 但密度卻比冰大的原因是： 冰中除了范德華力外還有氫鍵作用，破壞分子間作用力較難， 所以熔沸點(diǎn)比干冰高。 同時(shí)，由于分子間作用力特別是氫鍵的方向性，導(dǎo)致晶體冰中有相當(dāng)大的空隙， 所以相同狀況下體積較大。 由于 CO2分子的相對(duì)分子質(zhì)量H2O，所以干冰的密度大。（二）原子晶體：相鄰原子間以共價(jià)鍵相結(jié)合而形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體稱為原子晶體。構(gòu)成原子晶體的微粒是原子， 微粒間的相互作用力是共價(jià)鍵，由于共價(jià)鍵的鍵能比分子間作用力要大得多，因此原子晶體具有很高的熔沸點(diǎn)和硬度，一般不導(dǎo)電（硅屬于半導(dǎo)

8、體材料），一般不溶于溶劑等性質(zhì)。常見(jiàn)的原子晶體有：金剛石、晶體硅、二氧化硅和碳化硅等。如金剛石的晶體結(jié)構(gòu)和晶胞、二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu)：金剛石的晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)碳原子與四個(gè)碳原子相互結(jié)合形成四個(gè)共價(jià)鍵，形成正四面體型結(jié)構(gòu)， 晶體中每個(gè)最小的環(huán)為六元環(huán)；另外二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，每個(gè)最小的環(huán)由六個(gè)氧原子和六個(gè)硅原子構(gòu)成，為十二元環(huán)， 每個(gè)硅原子結(jié)合四個(gè)氧原子、每個(gè)氧原子結(jié)合二個(gè)硅原子，因此晶體中硅、氧原子的個(gè)數(shù)比為1：2，則二氧化硅的化學(xué)式為SiO2，晶體中每個(gè)硅原子被12 個(gè)環(huán)所共有。說(shuō)明：1、原子晶體的構(gòu)成微粒是原子，原子間通過(guò)共價(jià)鍵相互結(jié)合，因此原子晶體的物理性質(zhì)與分子晶體有明顯的不同

9、，有熔沸點(diǎn)高，硬度、密度大等特點(diǎn)。原子晶體中不存在分子，其化學(xué)式表示晶體中各組成微粒的原子個(gè)數(shù)比，這一點(diǎn)也與分子晶體不同。2、原子晶體中原子間以共價(jià)鍵相互連接，但并不是存在共價(jià)鍵的晶體就是原子晶體。如：水、干冰等晶體都存在共價(jià)鍵，但它們屬于分子晶體。3、判斷晶體類型的依據(jù)：（ 1）看構(gòu)成晶體的微粒種類及微粒間的相互作用。對(duì)分子晶體 ,構(gòu)成晶體的微粒是分子，微粒間的相互作用是分子間作用力；對(duì)于原子晶體，構(gòu)成晶體的微粒是原子，微粒間的相互作用是共價(jià)鍵。（ 2）看物質(zhì)的物理性質(zhì)（如：熔、沸點(diǎn)或硬度） 。一般情況下，不同類晶體熔點(diǎn)高低順序是原子晶體比分子晶體的熔、沸點(diǎn)高得多，硬度、密度也要大得多。（

10、3）依據(jù)導(dǎo)電性判斷： 分子晶體為非導(dǎo)體，但部分分子晶體溶于水后能導(dǎo)電；原子晶體多數(shù)為非導(dǎo)體，但晶體硅、晶體鍺是半導(dǎo)體。（ 4）依據(jù)硬度和機(jī)械性能判斷：原子晶體硬度大，分子晶體硬度小且較脆。4、比較晶體的熔沸點(diǎn)的高低，首先要比較晶體的類型。分子晶體的熔沸點(diǎn)比較其分子的極性、相對(duì)分子質(zhì)量以及能不能形成氫鍵。 而原子晶體熔沸點(diǎn)的高低與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系：對(duì)結(jié)構(gòu)相似的原子晶體而言，原子半徑越小、鍵長(zhǎng)越短、鍵能越大，晶體的熔沸點(diǎn)越高。5、 CO2、 SiO2都屬于第 A 族的氧化物，但兩者的熔沸點(diǎn)、硬度等物理性質(zhì)存在較大的差異，但 CO2卻比 SiO2穩(wěn)定得多：主要是因?yàn)镃O2是分子晶體， SiO2

11、是原子晶體，所以熔化時(shí) CO2是破壞范德華力而SiO2是破壞化學(xué)鍵。所以SiO2熔沸點(diǎn)高。而破壞CO2分子與 SiO2時(shí)，都是破壞共價(jià)鍵，而C-O 鍵能 Si-O 鍵能，所以CO2分子更穩(wěn)定。（三）過(guò)渡型晶體（混合型晶體）石墨是一種結(jié)晶形碳，有天然出產(chǎn)的礦物。鐵黑色至深鋼灰色。質(zhì)軟具滑膩感，可沾污手指成灰黑色。有金屬光澤。六方晶系，成葉片狀、鱗片狀和致密塊狀。密度2.25g/，化學(xué)性質(zhì)不活潑。 具有耐腐蝕性， 在空氣或氧氣中可以強(qiáng)熱燃燒生成二氧化碳。石墨可用作潤(rùn)滑劑，并用于制造坩鍋、電極、鉛筆芯等。它既具有金屬晶體的性質(zhì)（導(dǎo)電性），又具有分子晶體的性質(zhì)（質(zhì)地很軟），同時(shí)還具備原子晶體的特性（熔

12、沸點(diǎn)高）等。因此化學(xué)上把石墨稱為過(guò)渡型晶體（又稱混合型晶體）。石墨晶體是一種層狀結(jié)構(gòu)：層與層之間以分子間作用力相互連接，而同一層內(nèi)各原子間以共價(jià)鍵相互結(jié)合。如圖所示：所以石墨晶體的質(zhì)地較軟、熔沸點(diǎn)很高。說(shuō)明：1、石墨為層狀結(jié)構(gòu)，各層之間以范德華力結(jié)合，容易滑動(dòng)，所以石墨很軟。2、石墨各層均為平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，碳原子之間存在很強(qiáng)的共價(jià)鍵（大高。石墨層狀結(jié)構(gòu)中六個(gè)碳原子構(gòu)成平面六元環(huán)，平均每個(gè)環(huán)占有 鍵），故熔沸點(diǎn)很2 個(gè)碳原子、 三個(gè)碳碳鍵。3、在金剛石中每個(gè)碳原子與相鄰的四個(gè)碳原子經(jīng)共價(jià)鍵結(jié)合形成正四面體結(jié)構(gòu)，碳原子所有外層電子均參與成鍵，無(wú)自由電子， 所以不導(dǎo)電。而石墨晶體中， 每個(gè)碳原子以三個(gè)

13、共價(jià)鍵與另外三個(gè)碳原子相連， 在同一平面內(nèi)形成正六邊形的環(huán)。 這樣每個(gè)碳原子上仍有一個(gè)電子未參與成鍵，電子比較自由，相當(dāng)于金屬中的自由電子，所以石墨能導(dǎo)電。【典型例題】例 1. 共價(jià)鍵、離子鍵和范德華力是構(gòu)成物質(zhì)粒子間的不同作用方式，下列物質(zhì)中，只含有上述一種作用的是A. 干冰B. 氯化鈉C. 氫氧化鈉D. 碘解析： 干冰是分子晶體，分子內(nèi)存在共價(jià)鍵，分子間存在范德華力。NaCl 是離子晶體只存在離子鍵。NaOH 是離子晶體，不僅存在離子鍵，還存在H O 間共價(jià)鍵。碘也是分子晶體，分子內(nèi)存在共價(jià)鍵，分子間存在分子間作用力。故只有B 符合題意。答案： B例 2. 在解釋下列物質(zhì)性質(zhì)的變化規(guī)律與物

14、質(zhì)結(jié)構(gòu)間的因果關(guān)系時(shí)，與鍵能無(wú)關(guān)的變化規(guī)律是A. HF 、 HCI 、 HBr 、 HI 的熱穩(wěn)定性依次減弱B. NaF、 NaCl 、NaBr 、NaI 的熔點(diǎn)依次降低C. F2、 C12、 Br2、I2的熔沸點(diǎn)逐漸升高D. H2S 的熔沸點(diǎn)小于 H2O 的熔沸點(diǎn)解析： HF、HCl 、HBr 、HI 熱穩(wěn)定性依次減弱是它們的共價(jià)鍵鍵能逐漸減小的原因，與鍵能有關(guān)。 NaF、 NaCl 、NaBr 、NaI 的熔點(diǎn)依次降低是它們的離子鍵能隨離子半徑增大逐漸減小的原因。 F2、 C12、 Br2、 I2為分子晶體，結(jié)構(gòu)相似，熔、沸點(diǎn)高低由相對(duì)分子質(zhì)量決定，它們的相對(duì)分子質(zhì)量逐漸增大，因此分子間的

15、作用力也逐漸增大，熔沸點(diǎn)逐漸升高。H2S 與 H2O 的熔沸點(diǎn)高低由分子間作用力及分子的極性是否存在氫鍵決定，同時(shí)，水分子間還可以形成氫鍵，而 H2S 分子間不能形成氫鍵。故選 C、 D。答案： C、 D例 3. 2003 年美國(guó)科學(xué)雜志報(bào)道：在超高壓下，科學(xué)家用激光器將CO2加熱到成功制得了類似石英的CO2原子晶體。下列關(guān)于CO2晶體的敘述中不正確的是1800K ，D. 晶體中 C、 O 原子個(gè)數(shù)比為 1 2E. 該晶體的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高、硬度大F. 晶體中 C O C 鍵角為 180G. 晶體中 C、 O 原子最外層都滿足 8 電子結(jié)構(gòu)解析： CO2原子晶體的結(jié)構(gòu)與SiO2相似，每個(gè)碳原子周圍

16、連接4 個(gè)氧原子，每個(gè)氧原子連接 2 個(gè)碳原子，所以晶體中碳氧原子的個(gè)數(shù)比為1：2，碳原子位于正四面體的中心，OCO 的鍵角為 109 28，晶體中每個(gè) C、O 原子最外層均達(dá)到 8 電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。同時(shí)原子晶體具有熔沸點(diǎn)高、硬度大等性質(zhì)特點(diǎn)。故本題選C答案： C例 4. 在干冰晶體中每個(gè)CO2分子周圍緊鄰的CO2分子有_個(gè)，在晶體中截取一個(gè)最小的正方形； 使正方形的四個(gè)頂點(diǎn)都落到CO2分子的中心， 則在這個(gè)正方形的平面上有_個(gè) CO2分子。解析：此題要求對(duì)干冰的晶體模型十分熟悉。以右下角CO2分子研究對(duì)象： 與其緊鄰的為面心上的 3 個(gè) CO2分子，而 CO2分子被 8 個(gè)這樣的立方體所共有，

17、故有 38=24。又考慮到面心上的 CO2被 2 個(gè)這樣的立方體共有， 故 24/2=12 個(gè)。由 CO2晶體模型分析得出， 符合題意答案： 12，44CO2例 5. 氮化硅是一種高溫陶瓷材料，它的硬度大、熔點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，工業(yè)上曾普遍采用高純硅與純氮在 1300反應(yīng)獲得。（ 1）氮化硅晶體屬于_晶體。（ 2）已知氮化硅的晶體結(jié)構(gòu)中，原子間都以單鍵相連，且 N 原子與N 原子， Si 原子與Si 原子不直接相連，同時(shí)每個(gè)原子都滿足8 電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，請(qǐng)寫(xiě)出氮化硅的化學(xué)式_.%2.3）現(xiàn)用四氯化硅和氮?dú)庠跉錃鈿夥毡Ｗo(hù)下，加強(qiáng)熱發(fā)生反應(yīng)，可得到較高純度的氮化硅。反應(yīng)的化學(xué)方程式為 _.解析： 原

18、子晶體具有熔沸點(diǎn)高、硬度大等特點(diǎn)，因此 氮化硅晶體屬于原子晶體，所以氮化硅的晶體結(jié)構(gòu)中每個(gè)氮原子周圍連接3 個(gè)硅原子， 而每個(gè)硅原子周圍連接4 個(gè)氮原子， 相互之間通過(guò)共價(jià)鍵相連形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在原子的最外層形成8 電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，故氮化硅的化學(xué)式為： Si3N4。四氯化硅和氮?dú)庠跉錃鈿夥毡Ｗo(hù)下生成氮化硅，反應(yīng)方程式為：3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl答案： 原子、 Si3N4、 3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl【模擬試題】（答題時(shí)間： 45 分鐘）12.下列屬于分子晶體的一組物質(zhì)是A. CaO 、NO 、COB. CCl4、H2O2、HeC. CO2

19、、SO2、NaClD. CH4、 O2、Na2O2.下列性質(zhì)符合分子晶體的是A. 熔點(diǎn) 1070，易溶于水，水溶液能導(dǎo)電B. 熔點(diǎn)是 10.31，液體不導(dǎo)電，水溶液能導(dǎo)電C. 熔點(diǎn) 97.81，質(zhì)軟，能導(dǎo)電，密度是0.97g/cm3D. 熔點(diǎn)，熔化時(shí)能導(dǎo)電，水溶液也能導(dǎo)電3.下列說(shuō)法正確的是A. 離子化合物中可能含有共價(jià)鍵B. 分子晶體中的分子內(nèi)不含有共價(jià)鍵C. 分子晶體中一定有非極性共價(jià)鍵D. 分子晶體中分子一定緊密堆積4.干冰汽化時(shí)，下列所述內(nèi)容發(fā)生變化的是A. 分子內(nèi)共價(jià)鍵B. 分子間作用力C. 分子間距離D. 分子間的氫鍵12.在金剛石的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，含有共價(jià)鍵形成的碳原子環(huán)，其中最小的

20、環(huán)上，碳原子數(shù)是A. 2 個(gè)B. 3 個(gè)C. 4 個(gè)D. 6 個(gè)6. 在 x mol 石英晶體中，含有的Si-O 鍵數(shù)是A. x molB. 2x molC. 3 x molD. 4x mol7. 石墨晶體是層狀結(jié)構(gòu)，在每一層內(nèi)；每一個(gè)碳原子都跟其他3 個(gè)碳原子相結(jié)合，如圖是其晶體結(jié)構(gòu)的俯視圖，則圖中7 個(gè)六元環(huán)完全占有的碳原子數(shù)是A. 10 個(gè)B. 18 個(gè)C. 24 個(gè)14 個(gè)%. 石英玻璃是將純石英在 1600 高溫下熔化，冷卻后形成的玻璃體。關(guān)于石英玻璃的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的敘述中正確的是%. 石英玻璃屬于原子晶體%. 石英玻璃耐高溫且能抵抗一切酸的腐蝕%. 石英玻璃的結(jié)構(gòu)類似于液體%. 石英

21、玻璃能經(jīng)受高溫劇變且能抗堿的腐蝕%. 已知 C3N4晶體具有比金剛石還大的硬度，且構(gòu)成該晶體的微粒間只以單鍵結(jié)合。下列關(guān)于 C3N4晶體的說(shuō)法錯(cuò)誤的是%. 該晶體屬于原子晶體，其化學(xué)鍵比金剛石中的碳碳鍵更牢固%. 該晶體中每個(gè)碳原子連接4 個(gè)氮原子、每個(gè)氮原子連接3 個(gè)碳原子%. 該晶體中碳原子和氮原子的最外層都滿足8 電子結(jié)構(gòu)%. 該晶體與金剛石相似，都是原子間以非極性鍵形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)%.碳化硅（ SiC）具有類似金剛石的結(jié)構(gòu)，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。在下列三種晶體金剛石晶體硅碳化硅中，它們的熔點(diǎn)從高到低的順序是A. B.C. “可燃冰”是深藏在海底的白色晶體，存儲(chǔ)量巨大，是人類未來(lái)極具潛在優(yōu)勢(shì)的潔凈能源。在高壓低溫條件下 ,由水分子形成空間籠狀結(jié)構(gòu)，籠中“關(guān)”甲烷而形成，如某種可燃冰的存在形式為 CH4 5.75H2