分子晶體和原子晶體

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 高中化學(xué) 來源: 高中學(xué)習(xí)網(wǎng)

一、教學(xué)內(nèi)容:分子晶體和原子晶體

二、教學(xué)目標(biāo)

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)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)過程:

(一)分子晶體:

構(gòu)成晶體的微粒間通過分子間作用力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?曰?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,(它不屬于鍵)一般表示為 X?DH…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)的性質(zhì)沒有影響

分子晶體的結(jié)構(gòu)特征:

沒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)

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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)。

說明:

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。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、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?D?D這就是相似相溶原理。如:HCl、

分 類

分子間作用力

氫 鍵

概 念

物質(zhì)分子之間存在的微弱的相互作用(實(shí)質(zhì)上也是靜電作用)

分子中與氫原子形成共價(jià)鍵的非金屬原子,如果吸引電子的很強(qiáng),原子半徑又很小,則使氫原子幾乎成為“裸露”的質(zhì)子,帶部分正電荷,這樣的分子之間,氫核與帶部分負(fù)電荷的非金屬

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:HF、H2O、NH3、

乙醇等)

強(qiáng)度比較

比化學(xué)鍵弱很多

比化學(xué)鍵弱得多,比分子間作用力強(qiáng)

影響強(qiáng)度

的因素

隨著分子的極性與相對(duì)分子質(zhì)量的增大而增大。組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì),相對(duì)分子質(zhì)量越大,分子間作用力越大

形成氫鍵的非金屬原子,其吸引電子的能力越

強(qiáng)、半徑越小,則氫鍵越強(qiáng)

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)體材料),一般不溶于溶劑等性質(zhì)。

常見的原子晶體有: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):

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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。

說明:

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 高考,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。

(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。

5、CO2、SiO2都屬于第ⅣA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)過渡型晶體(混合型晶體)

,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(熔沸點(diǎn)高)等。因此化學(xué)上把石墨稱為過渡型晶體(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π鍵),故熔沸點(diǎn)很高。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)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

答案:B

例2. 在解釋下列物質(zhì)性質(zhì)的變化規(guī)律與物質(zhì)結(jié)構(gòu)間的因果關(guān)系時(shí),與鍵能無關(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)

答案:C、D

例3. 2003年美國《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1800K,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

A. 晶體中C、O原子個(gè)數(shù)比為1∶2

B. 該晶體的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高、硬度大

C. 晶體中C?DO?DC鍵角為180°

D. 晶體中C、O原子最外層都滿足8電子結(jié)構(gòu)

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。

答案:12,4

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。

(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)寫出氮化硅的化學(xué)式_______.

解析:原子晶體具有熔沸點(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

1. 下列屬于分子晶體的一組物質(zhì)是

A. CaO、NO、CO B. CCl4、H2O2、He

C. CO2、SO2、NaCl D. CH4、O2、Na2O

2. 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/cm3

D. 熔點(diǎn),熔化時(shí)能導(dǎo)電,水溶液也能導(dǎo)電

3. 下列說法正確的是

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

5. 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 mol B. 2x mol C. 3 x mol D. 4x mol

7. 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

12. 短周期元素X、Y、Z在周期表中位置關(guān)系如圖:

X

Y

Z

(1)X元素的單質(zhì)分子式是_______,若X核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)相等,X單質(zhì)的摩爾質(zhì)量為_______,單質(zhì)是_______晶體。

(2)Z單質(zhì)的晶體類型屬于_______,Z的氫化物和最高價(jià)氧化物的濃溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式為____________________________。

已知晶體硼結(jié)構(gòu)單元是由硼原子組成的正二十面體,其中有20個(gè)等邊三角形的面和一定數(shù)目的頂點(diǎn),每個(gè)頂點(diǎn)上各有1個(gè)B原子。通過觀察圖形及推算,此晶體結(jié)構(gòu)單元由______個(gè)硼原子構(gòu)成。其中B?DB鍵的鍵角為________。共含有_______個(gè)B?DB鍵。

(3)在一定溫度下,用x射線衍射法測(cè)干冰晶胞(晶體中最小的重復(fù)單位)邊長(zhǎng): a=5.72×1. B 2. B 3. A 4. BC 5. D 6. D 7. D 8. C 9. D 10. A

12. He 4g/mol 分子;分子晶體 3PH3+H3PO4=(PH4)3PO4

14. 12;① > ③ >②;利用ρ=m/V解得ρ=1.56g/mL。



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