高中化學(xué)選擇性必修二 3.2 分子晶體和共價(jià)晶體 學(xué)案

1、 第二節(jié) 分子晶體和共價(jià)晶體一、分子晶體1概念：只含分子的晶體。2粒子間的作用分子晶體中相鄰的分子間以分子間作用力相互吸引。3常見分子晶體及物質(zhì)類別物質(zhì)種類實(shí)例所有非金屬氫化物H2O、NH3、CH4等部分非金屬單質(zhì)鹵素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)等部分非金屬氧化物CO2、P4O10、SO2、SO3等幾乎所有的酸HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等絕大多數(shù)有機(jī)物苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等【注】稀有氣體為的分子為單原子分子，因此，有稀有氣體單質(zhì)形成的晶體也是分子晶體。4物理特性(1)分子晶體的熔、沸點(diǎn)較低，密度較小，硬度較小，較易熔化和揮發(fā)，部分分子晶體易升華，（如干

2、冰、碘、紅磷等）。(2)一般是絕緣體。分子晶體在固態(tài)和熔融狀態(tài)下均不存在自由移動(dòng)的離子或自由電子，因而分子晶體在固態(tài)和熔融狀態(tài)下都不能導(dǎo)電。有些分子晶體的水溶液能導(dǎo)電，如HI、乙酸等。(3)溶解性符合“相似相溶規(guī)律”。【注】分子晶體熔、沸點(diǎn)高低的比較規(guī)律分子晶體中分子間作用力越大，物質(zhì)熔、沸點(diǎn)越高，反之越低。具有氫鍵的分子晶體，熔、沸點(diǎn)反常高。5.分子晶體的常見堆積方式分子間作用力堆積方式實(shí)例范德華力分子采用密堆積，每個(gè)分子周圍有12個(gè)緊鄰的分子如C60、干冰、I2、O2范德華力、氫鍵分子不采用密堆積，每個(gè)分子周圍緊鄰的分子少于12個(gè)如HF、NH3、冰6.常見分子晶體的結(jié)構(gòu)分析(1)冰水分子之

3、間的主要作用力是氫鍵，當(dāng)然也存在范德華力。氫鍵有方向性，它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)相鄰水分子互相吸引。(2)干冰干冰中的CO2分子間只存在范德華力，不存在氫鍵。每個(gè)晶胞中有4個(gè)CO2分子，12個(gè)原子。每個(gè)CO2分子周圍等距離緊鄰的CO2分子數(shù)為12個(gè)?！咀ⅰ勘w中，每個(gè)水分子與其他4個(gè)水分子形成氫鍵，每個(gè)水分子平均形成2個(gè)氫鍵（每個(gè)氫鍵由2個(gè)水分子均攤，故4=2）二、共價(jià)晶體1.定義：所有原子都以共價(jià)鍵相互結(jié)合形成共價(jià)鍵三維骨架結(jié)構(gòu)的晶體叫共價(jià)晶體。2.構(gòu)成微粒及微粒間的作用力共價(jià)晶體eq blcrc (avs4alco1(構(gòu)成粒子：原子,粒子間作用力：共價(jià)鍵

4、)【注】共價(jià)晶體中不存在單個(gè)分子，因此，共價(jià)晶體的化學(xué)式不代表其實(shí)際組成，只表示其組成的原子個(gè)數(shù)比。 共價(jià)晶體融化時(shí)被破壞的作用力是共價(jià)鍵。 共價(jià)晶體中只有共價(jià)鍵，但含有共價(jià)鍵的晶體不一定是共價(jià)晶體。如CO2、H2O等分子晶體中也含有共價(jià)鍵。3.常見的共價(jià)晶體物質(zhì)種類實(shí)例某些非金屬單質(zhì)晶體硼、晶體硅、晶體鍺、金剛石等某些非金屬化合物碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等某些氧化物二氧化硅(SiO2)等4.共價(jià)晶體的物理性質(zhì)(1)熔點(diǎn)很高。共價(jià)晶體中，原子間以較強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，融化時(shí)破壞共價(jià)鍵，需要很高的能量。 (2)硬度很大。共價(jià)鍵三維骨架結(jié)構(gòu)決定了共價(jià)晶體的硬度，如金剛石是

5、天然存在的最硬的物質(zhì)。 (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?！咀ⅰ拷Y(jié)構(gòu)相似的共價(jià)晶體，其原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，鍵越穩(wěn)定，共價(jià)晶體的熔點(diǎn)越高，硬度越大。5.典型的共價(jià)晶體(1)金剛石碳原子采取 sp3 雜化，CCC夾角為 10928。每個(gè)碳原子與周圍緊鄰的 4 個(gè)碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合成正四面體結(jié)構(gòu)，向空間伸展形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。最小碳環(huán)由 6 個(gè)碳原子組成，且最小環(huán)上有 4 個(gè)碳原子在同一平面內(nèi)；每個(gè)碳原子被12個(gè)六元環(huán)共用。晶體中每個(gè)碳原子都參與了4條CC的形成，在每條鍵中的貢獻(xiàn)只有一半，故晶體中碳原子數(shù)目之比為 1：2 。(2)二氧化硅晶體二氧化硅的結(jié)構(gòu)

6、二氧化硅是自然界含量最高的固態(tài)二元氧化物，有多種結(jié)構(gòu)，最常見的是低溫石英(SiO2)。低溫石英的結(jié)構(gòu)中有頂角相連的 硅氧四面體 形成螺旋上升的長鏈，沒有封閉的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)決定了它具有手性。石英晶體中的硅氧四面體 石英的左、右型晶體 相連構(gòu)成的螺旋鏈Si原子采取 sp3 雜化，正四面體內(nèi)OSiO鍵角為 10928。每個(gè)Si原子與 4 個(gè)O原子形成 4 個(gè)共價(jià)鍵， Si 原子位于正四面體的中心， O 原子位于正四面體的頂點(diǎn)，同時(shí)每個(gè)O原子被 2 個(gè)硅氧正四面體共用；每個(gè)O原子和 2個(gè)Si原子形成 2個(gè)共價(jià)鍵，晶體中Si原子與O原子個(gè)數(shù)比為 12 。最小環(huán)上有 12 個(gè)原子，包括 6 個(gè)O原子

7、和 6 個(gè)Si原子。(2)二氧化硅的用途二氧化硅是制造水泥、玻璃、人造紅寶石、單晶硅、硅電電池、芯片和光導(dǎo)纖維的原料?！咀ⅰ慷趸铻楣矁r(jià)晶體，晶體中不存在單個(gè)分子，其化學(xué)式為SiO2，不存在分子式。【拓展】共價(jià)晶體與分子晶體熔、沸點(diǎn)高低的比較(1)晶體類型不同：共價(jià)晶體分子晶體理由：共價(jià)晶體的熔、沸點(diǎn)與共價(jià)鍵有關(guān)，分子晶體的熔、沸點(diǎn)與分子間作用力有關(guān)。共價(jià)鍵的作用力遠(yuǎn)大于分子間作用力。(2)晶體類型相同共價(jià)晶體一般來說，對(duì)結(jié)構(gòu)相似的共價(jià)晶體來說，鍵長越短，鍵能越大，晶體的熔、沸點(diǎn)越高。例如：金剛石二氧化硅碳化硅晶體硅。分子晶體a若分子間有氫鍵，則分子間作用力比結(jié)構(gòu)相似的同類晶體大，故熔、沸點(diǎn)

8、較高。如HFHI；NH3PH3；H2OH2Te。b組成和結(jié)構(gòu)相似的分子晶體，一般相對(duì)分子質(zhì)量越大，范德華力越大，熔、沸點(diǎn)越高。如I2Br2Cl2F2；SnH4GeH4SiH4CH4。c組成和結(jié)構(gòu)不相似的物質(zhì)(相對(duì)分子質(zhì)量接近)，分子的極性越大，范德華力越大，熔、沸點(diǎn)越高。如CON2。d同類別的同分異構(gòu)體，支鏈越多，熔、沸點(diǎn)越低。如正戊烷異戊烷新戊烷。例1. 我們可以將SiO2的晶體結(jié)構(gòu)想象為：在晶體硅的SiSi鍵之間插入O原子。根據(jù)SiO2晶體結(jié)構(gòu)圖，下列說法不正確的是()A石英晶體中每個(gè)Si原子通過SiO極性鍵與4個(gè)O原子作用B每個(gè)O原子也通過SiO極性鍵與2個(gè)Si原子作用C石英晶體中Si原

9、子與O原子的原子個(gè)數(shù)比為12，可用“SiO2”來表示石英的組成D在晶體中存在石英分子，故能叫分子式答案 D晶體硅的結(jié)構(gòu)是五個(gè)硅原子形成正四面體結(jié)構(gòu)，其中有一個(gè)位于正四面體的中心，另外四個(gè)位于四面體的頂點(diǎn)，故SiO2的結(jié)構(gòu)為每個(gè)硅原子周圍有四個(gè)氧原子，而每個(gè)氧原子周圍有兩個(gè)硅原子，在晶體中Si原子與O原子的原子個(gè)數(shù)比為12，“SiO2”僅表示石英的組成，故沒有單個(gè)的SiO2分子。例2.最近科學(xué)家成功研制成了一種新型的碳氧化物，該化合物晶體與SiO2的晶體的結(jié)構(gòu)相似，晶體中每個(gè)碳原子均以4個(gè)共價(jià)單鍵與氧原子結(jié)合，形成一種無限伸展的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。下列對(duì)該晶體的敘述錯(cuò)誤的是()A該晶體是共價(jià)晶體B該晶

10、體中碳原子和氧原子的個(gè)數(shù)比為12C該晶體中碳原子數(shù)與CO鍵數(shù)之比為12D該晶體中最小的環(huán)由12個(gè)原子構(gòu)成答案C該化合物晶體中每個(gè)碳原子均以4個(gè)共價(jià)單鍵與氧原子結(jié)合，形成一種無限伸展的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，則該化合物晶體中不存在分子，屬于共價(jià)晶體，A項(xiàng)正確；晶體中每個(gè)碳原子均以4個(gè)共價(jià)單鍵與氧原子結(jié)合，每個(gè)氧原子和2個(gè)碳原子以共價(jià)單鍵相結(jié)合，所以碳、氧原子個(gè)數(shù)比為12，B項(xiàng)正確；該晶體中每個(gè)碳原子形成4個(gè)CO共價(jià)鍵，所以C原子與CO數(shù)目之比為14，C項(xiàng)錯(cuò)誤；該晶體中最小的環(huán)由6個(gè)碳原子和6個(gè)氧原子構(gòu)成，D項(xiàng)正確。例3.下列晶體性質(zhì)的比較中不正確的是()A熔點(diǎn)：金剛石碳化硅晶體硅B沸點(diǎn)：NH3PH3C硬度

11、：白磷冰二氧化硅D熔點(diǎn)：SiI4SiBr4SiCl4答案 CA項(xiàng)中三種物質(zhì)都是共價(jià)晶體，因原子半徑r(C)r(Si)，所以鍵長：CCCSiCSiSiSi。鍵能越大，共價(jià)晶體的熔點(diǎn)越高，A項(xiàng)正確；因?yàn)镹H3分子間存在氫鍵，所以NH3的沸點(diǎn)大于PH3的沸點(diǎn)，B項(xiàng)正確；二氧化硅是共價(jià)晶體，硬度很大，白磷和冰都是分子晶體，硬度較小，C項(xiàng)錯(cuò)誤；四鹵化硅為分子晶體，它們的組成和結(jié)構(gòu)相似，分子間不存在氫鍵，故相對(duì)分子質(zhì)量越大，熔點(diǎn)越高，D項(xiàng)正確。例4.碳化硅和立方氮化硼的結(jié)構(gòu)與金剛石類似，碳化硅硬度僅次于金剛石，立方氮化硼硬度與金剛石相當(dāng)，其晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。請(qǐng)回答下列問題：(1)碳化硅晶體中，硅原子雜化類

12、型為_，每個(gè)硅原子周圍與其距離最近的碳原子有_個(gè)；設(shè)晶胞邊長為a cm，密度為b gcm3，則阿伏加德羅常數(shù)可表示為_(用含a、b的式子表示)。(2)立方氮化硼晶胞中有_個(gè)硼原子，_個(gè)氮原子，硼原子的雜化類型為_，若晶胞的邊長為a cm，則立方氮化硼的密度表達(dá)式為_gcm3(設(shè)NA為阿伏加德羅常數(shù)的值)。解析(1)SiC晶體中，每個(gè)Si原子與4個(gè)C原子形成4個(gè)鍵，故Si采取sp3雜化，每個(gè)Si原子距最近的C原子有4個(gè)。SiC晶胞中，碳原子數(shù)為6eq f(1,2)8eq f(1,8)4個(gè)，硅原子位于晶胞內(nèi)，SiC晶胞中硅原子數(shù)為4個(gè)，1個(gè)晶胞的質(zhì)量為eq f(160gmol1,NA) g，體積為a3 cm3，因此晶體密度：b gcm3eq f(160 gmol1,NAa3cm3)，故NAeq f(160,a3b) mol1。(2)立方氮化硼晶胞中，含