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第二節(jié)分子晶體與共價(jià)晶體第三章晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)1.了解分子晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。2.能借助分子晶體模型說(shuō)明分子晶體中的粒子及粒子間的相互作用,以及范德華力與氫鍵對(duì)分子晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響。學(xué)習(xí)目標(biāo):3.了解共價(jià)晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。4.能借助共價(jià)晶體模型說(shuō)明共價(jià)晶體中的粒子及粒子間的相互作用,以及對(duì)共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響。素養(yǎng)目標(biāo):通過(guò)分子晶體、共價(jià)晶體的分析研究,發(fā)展“宏觀辨識(shí)與微觀探析”、“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)習(xí)任務(wù)1:一、分子晶體1.什么是分子晶體只含分子的晶體稱為分子晶體。2.分子晶體中,相鄰分子間靠什么力相互吸引如碘晶體只含I2分子,屬于分子晶體(圖3-11)。碘晶體在分子晶體中,相鄰分子靠分子間作用力(范德華力)相互吸引。3.分子晶體有什么性質(zhì)分子晶體熔點(diǎn)低、硬度小。原因:只需破壞分間作用力,而分子間作用力比化學(xué)鍵弱得多。分子晶體氧氣氮?dú)獍琢姿埸c(diǎn)/℃-218.3-210.144.20分子晶體硫化氫甲烷乙酸尿素熔點(diǎn)/℃-85.6-18216.6132.7表3-2某些分子晶體的熔點(diǎn)3.哪些晶體屬于分子晶體①所有非金屬氫化物,如水、硫化氫、氨、氯化氫、甲烷等;典型的分子晶體:②部分非金屬單質(zhì),如鹵素(X2)、硫(S8)、氧氣(O2)、氮?dú)?N2)、白磷
(P4)、碳60
(C60
)、稀有氣體等;③部分非金屬氧化物,如CO2、SO2、P4O6、
P4O10等;④幾乎所有的酸,如H2SO4、HNO3、H3PO4⑤絕大多數(shù)有機(jī)物,如乙醇,冰醋酸,蔗糖等。注意:SiO2不是分子晶體4.分子晶體結(jié)構(gòu)有什么特點(diǎn)(多數(shù))對(duì)于分子間只有范德華力的晶體,若以一個(gè)分子為中心,其周圍最多有12個(gè)分子,稱為分子密堆積(面心立方體)。①二氧化碳晶體干冰中CO2之間只存在范德華力,一個(gè)分周圍有12個(gè)緊鄰分子(如圖3-19)。干冰外觀很像冰,密度比冰高,硬度與冰相似,但熔點(diǎn)比冰低得多,常壓下易升華。(面心立方體)圖3-19干冰及其晶胞微觀探析宏觀辨識(shí)微觀探析——冰晶體結(jié)構(gòu)探析冰晶體結(jié)構(gòu)可視化冰中一個(gè)水分子周圍有4個(gè)水分子冰的結(jié)構(gòu)冰融化,分子間的空隙減小圖3-8冰和液態(tài)水的結(jié)構(gòu)對(duì)表(虛線表示氫鍵)②冰水分子間的主要作用力是氫鍵(也存在范德華力),從圖可知,由于氫鍵有方向性和飽和性,每個(gè)水分子周圍只有4個(gè)緊鄰的水分子,氫鍵的存在迫使在四面體中心的每個(gè)水分子與四面體頂角方向的4個(gè)相鄰水分子相互吸引。這一排列使冰晶體中的水分子的空間利用率不高,留有相當(dāng)大的空隙,其密度比液態(tài)水小。當(dāng)冰剛剛?cè)诨癁橐簯B(tài)水時(shí),熱運(yùn)動(dòng)使冰的結(jié)構(gòu)部分解體,水分子間的空隙減小,密度反而增大,超過(guò)4℃時(shí),由于熱運(yùn)動(dòng)加劇,分子間的距離加大,密度逐漸減小。
硫化氫和水分子結(jié)構(gòu)相似,但硫化氫晶體中,一個(gè)硫化氫分子周圍有12個(gè)緊鄰分子,而冰中一個(gè)水分子周圍只有4個(gè)緊鄰分子,這是為什么?思考與交流
H2S晶體分子之間只存在范德華力,形成以一個(gè)分子為中心,其周圍最多有12個(gè)分子分子密堆積的面心立方體結(jié)構(gòu)。而冰晶體中水分子間主要是氫鍵,而氫鍵具有方向性和飽和性,所以冰中一個(gè)水分子周圍只有4個(gè)緊鄰分子。冰的一種常見(jiàn)的晶胞(六方晶胞)取兩塊大小相同的干冰,在一塊干冰中央挖一個(gè)小穴,撒入一些鎂粉,用紅熱的鐵棒把鎂點(diǎn)燃,將另一塊干冰蓋上,你會(huì)看到鎂粉在干冰內(nèi)_________,像冰燈中裝進(jìn)一個(gè)______一樣,發(fā)出___________。(切勿用手接觸干冰,以免凍傷!)這個(gè)實(shí)驗(yàn)不但證明了金屬鎂可以跟二氧化碳____,而且也說(shuō)明了干冰易_____的特性。
(2Mg+CO2
2MgO+C)資料卡片繼續(xù)燃燒電燈泡耀眼的白光反應(yīng)升華
許多氣體可以與水形成水合物晶體。最早發(fā)現(xiàn)這類水合物晶體的是19世紀(jì)初的英國(guó)化學(xué)家戴維,他發(fā)現(xiàn)氯可形成化學(xué)式為Cl2·8H20的水合物晶體。20世紀(jì)末,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)海底存在大量天然氣水合物晶體。這種晶體的主要?dú)怏w成分是甲烷,因而又稱甲烷水合物。它的外形像冰,而且在常溫常壓下會(huì)迅速分解釋放出可燃的甲烷,因而又稱“可燃冰”。天然氣水合物—一種潛在的能源科學(xué)?技術(shù)?社會(huì)在天然氣水合物晶體中,有甲烷、乙烷、氮?dú)?、氧氣、二氧化碳、硫化氫、稀有氣體等,它們?cè)谒衔锞w里是裝在以氫鍵相連的幾個(gè)水分子構(gòu)成的籠內(nèi),因而又稱籠狀化合物(如圖3-20上)。天然氣水合物晶體中的水分子籠是多種多樣的(如圖3-20下)。假設(shè)天然氣水合物的水籠穴里裝的都是甲烷,甲烷水合物的化學(xué)式可表示為8CH4.46H2O,相當(dāng)于
CH4
和
H2O的物質(zhì)的量比為1:5.75。把甲烷水合物從海底提升到海平面,1
m3
固體可釋放164m3(標(biāo)準(zhǔn)狀況)甲烷氣體。海底天然氣水合物的密度與冰的十分接近,為0.92~0.93
g/cm3
,用這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論推算可知,甲烷分子并沒(méi)有完全占據(jù)可被占據(jù)的籠穴,只占據(jù)了70%~90%的籠穴。估計(jì)全球的海底和冰川底部藏在天然氣水合物中的天然氣,總量超過(guò)煤、石油和天態(tài)氣等化石燃料的總和的兩倍,是巨大的潛在能源。
據(jù)報(bào)道,在2017年5月18日,我國(guó)南海神狐海域天然氣水合物試采實(shí)現(xiàn)連續(xù)超過(guò)7天的穩(wěn)定產(chǎn)氣。觀察下表,為什么同為二元氧化物的CO2和SiO2熔沸點(diǎn)差別這么大?觀察與思考物質(zhì)熔點(diǎn)/℃沸點(diǎn)/℃晶體類型CO2-56.2(在527kPa下測(cè)得)-78.5SiO217232230分子晶體?二氧化碳晶體(干冰)屬于分子間通過(guò)范德華力形成的分子晶體,溶、沸點(diǎn)低。二氧化硅晶體熔、沸點(diǎn)高得很多,它的晶體一定不是分子晶體,那么它屬于什么晶體呢?干冰SiO2學(xué)習(xí)任務(wù)2:二、共價(jià)晶體1.什么是共價(jià)晶體所有原子都以共價(jià)鍵相互結(jié)合形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體共價(jià)晶體構(gòu)成粒子:原子共價(jià)晶體構(gòu)粒子間作用力:共價(jià)鍵(破壞困難)2.共價(jià)晶體有什么性質(zhì)①高熔點(diǎn)②高硬度③一般不導(dǎo)電,但晶體硅、鍺是半導(dǎo)體④難溶于一般的溶劑共價(jià)晶體中,原子間以較強(qiáng)的共價(jià)鍵相結(jié)合,要使物質(zhì)熔化就要克服共價(jià)鍵,需要很高的能量。以共價(jià)鍵結(jié)合的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)很難被破壞。3.兩種典型共價(jià)晶體例析(1)金剛石天然金剛石呈現(xiàn)多面體外形微觀探析宏觀辨識(shí)
金剛石的結(jié)構(gòu)
金剛石的晶胞在金剛石中,每個(gè)碳原子以四個(gè)共價(jià)單鍵對(duì)稱地與相鄰4個(gè)碳原子結(jié)合,鍵角為109。28′,即金剛石中的碳采用sp3雜化軌道形成共價(jià)鍵三維骨架結(jié)構(gòu)。在金剛石中,C-C共價(jià)鍵鍵長(zhǎng)154pm很短,鍵能347.7KJ/mol很大,這一結(jié)構(gòu)使金剛石在所有已知晶體中硬度最大,且熔點(diǎn)(>3500℃)也很高。碳原子數(shù):8×+6×+4=81812碳原子含共價(jià)鍵數(shù):4×=212(2)
SiO2晶體
SiO2是自然界含量最高的二元氧化物,熔點(diǎn)1713
℃,有多種結(jié)構(gòu),最常見(jiàn)的是低溫石英。遍布河岸的黃沙、帶狀的石英礦脈、花崗石里的白色晶體以及透明的水晶都低溫石英。黃沙花崗巖石英礦水晶①SiO2在自然界分布是怎樣的②低溫石英的結(jié)構(gòu)是怎樣的在低溫石英的結(jié)構(gòu)中,一個(gè)硅原子與四個(gè)氧原子通過(guò)共價(jià)鍵形成硅氧四面體,頂角相連的硅氧四面體形成螺旋上升的長(zhǎng)鏈。這一結(jié)構(gòu)決定了它具有手性,被廣泛用作壓電材料,如制作石英手表。③
SiO2有什么用途是制造水泥、玻璃、單晶硅、硅光電池、芯片和光導(dǎo)纖維的原料。圖3-24以這原料制造的高科技產(chǎn)品4.哪些晶體屬于共價(jià)晶體如硼(B)、硅(Si)、鍺(Ge)和錫(Sn)等如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)及氮化硅(Si3N4)等①某些單質(zhì)②某些非金屬氧化物近年來(lái)Si3N4以為基礎(chǔ),用Al取代部分Si,用O取代部分N而獲得結(jié)構(gòu)多樣化的陶瓷,用于制作LED發(fā)材料。
(1)怎樣從原子結(jié)構(gòu)的角度理解金剛石,硅和鍺的熔點(diǎn)和硬度依次下降?
(2)“具有共價(jià)鍵的晶體叫做共價(jià)晶體”,這種說(shuō)法對(duì)嗎?為什么?思考與討論不對(duì),分子晶體中通常也含有共價(jià)鍵。如CO2晶體
干冰,只有分子內(nèi)部才通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合,而分子間通過(guò)范德華力結(jié)合成分子晶體;此外,某些離子晶體中也含共價(jià)鍵,如NaOH、NH4Cl結(jié)構(gòu)相似的共價(jià)晶體,原子半徑越小,鍵長(zhǎng)越短,鍵能越大,晶體熔點(diǎn)越高。原子半徑C
<Si<Ge,鍵長(zhǎng)C-C
<Si-Si
<Ge-Ge,鍵能C-C
>Si-Si
>Ge-Ge,所以它們的熔點(diǎn)和硬度依次下降。
表3-3某些共價(jià)晶體的熔點(diǎn)和硬度
硬度是衡量固體軟硬程度的指標(biāo)。硬度有不同的標(biāo)度,最普通的硬度標(biāo)度是畫痕硬度,即摩氏硬度,以固體互相刻畫時(shí)出現(xiàn)刻痕的固體的硬度較低。金剛石不能被任何天然礦物畫出刻痕,因而是最硬的。以金剛石的硬度為10,以另9種天然礦物為代表,可將摩氏硬度分為十度,即:代表物金剛石剛玉黃玉石英正長(zhǎng)石磷灰石瑩石方解石石膏滑石硬度10987654321應(yīng)當(dāng)指出,硬度大的物質(zhì)不一定經(jīng)得錘擊,如金剛石硬度大,卻很容易經(jīng)鍾擊而破碎。物質(zhì)經(jīng)受錘擊的性質(zhì)屬于延展性。由于共價(jià)晶體中的共價(jià)鍵具有方向性,當(dāng)受到大的外力作用時(shí)會(huì)發(fā)生原了錯(cuò)位而斷裂。你要是有粒鉆石,切不可用錘子砸喲!
資料卡片共價(jià)晶體金剛石氮化硼碳化硅石英硅鍺熔點(diǎn)/℃>350030002700171014101211摩氏硬度109.59.576.56.0金剛石
人類把天然金剛石當(dāng)作寶石珍藏已有三千余年的歷史。經(jīng)過(guò)琢磨的金剛石稱為鉆石,透光度高。純凈的金剛石無(wú)色透明,含雜質(zhì)則呈藍(lán)、黃、棕、綠、黑等色。用同位素?cái)啻鷮?shí)驗(yàn)證實(shí),所有的天然金剛石至少已有9.9億歲了,其中許多甚至已達(dá)32億歲!天然金剛石是在離地表100~200km深的地幔中形成的。在那里,溫度為900~1300℃,壓力為4.5×109~6.0×109Pa。天然金剛石是火山爆發(fā)帶到地表來(lái)的?;鹕奖l(fā)時(shí)形成的巖漿是傳輸金剛石的介質(zhì),它冷卻形成的巖石即富含金剛石的金伯利巖。在地球表面,石墨比金剛石更穩(wěn)定,但迅速上升到地表的火山巖漿急速冷卻,使金剛石不能轉(zhuǎn)化為石墨。圖3-25是幾幅軟件模擬金伯利巖漿攜帶金剛石上升到地表的動(dòng)畫截圖。圖3-25中金剛石的大小被大大夸張了,其實(shí),金伯利巖中金剛石的量是極其稀少的。據(jù)統(tǒng)計(jì),平均1000kg金伯利巖中只有5g金剛石,而且其中80%只能用于工業(yè)(如制作鉆頭等),不能用于磨制鉆石,而品質(zhì)上乘的鉆石就更少了??茖W(xué)?技術(shù)?社會(huì)圖3-25火山巖漿把金剛石從地幔深處輸送到地表并冷卻成金伯利巖
人工合成金剛石
(1)高壓合成人工合成金剛石的探索始于19世紀(jì)末,直到20世紀(jì)50年代,在理論上論證了合成金剛石需要的高壓高溫條件,才逐漸從實(shí)驗(yàn)探索發(fā)展成大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。高壓合成金剛石的原料是廉價(jià)的石墨。用高壓釜施加高溫高壓并加入金屬鎳等金屬催化劑,石墨可轉(zhuǎn)化為金剛石(如圖3-26)。此外,也可借爆炸產(chǎn)生的高溫高壓合成,但后者得到的金剛石顆粒細(xì)小,只能用作磨料。然而,廉價(jià)而大量地合成寶石級(jí)的金剛石仍是一個(gè)人類尚未攻克的難題。(2)低壓合成20世紀(jì)80年代,人們發(fā)現(xiàn),甲烷等簡(jiǎn)單的碳?xì)浠衔锔罅繗錃饣旌?,在微波爐里形成低溫低壓的等離子體在硅等基質(zhì)上沉積,能得到顆粒微小的金剛石的薄膜。近年,已用這種方法獲得了寶石級(jí)大鉆石。此法的出現(xiàn)震驚世人,對(duì)人類科學(xué)思維取向有深刻的啟示。小結(jié):晶體類型共價(jià)晶體分子晶體構(gòu)成微粒
作用力熔沸點(diǎn)硬度溶解性導(dǎo)電性典型舉例原子分子共價(jià)鍵分子間作用力(或氫鍵)很大較小很大較小不溶于任何溶劑部分溶于水不導(dǎo)電,個(gè)別為半導(dǎo)體固體和熔化狀態(tài)都不導(dǎo)電,部分溶于水導(dǎo)電金剛石、低溫SiO2晶體冰、干冰
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