高中化學(xué)新教材同步選擇性必修第二冊 第3章 微專題5 分子晶體、共價(jià)晶體的比較與應(yīng)用

微專題5分子晶體、共價(jià)晶體的比較與應(yīng)用1．共價(jià)晶體和分子晶體的比較類型比較分子晶體共價(jià)晶體概念分子間以分子間作用力相結(jié)合而形成的晶體相鄰原子間以共價(jià)鍵相結(jié)合而形成共價(jià)鍵三維骨架結(jié)構(gòu)的晶體構(gòu)成晶體微粒分子原子微粒之間的作用力分子間作用力共價(jià)鍵物理性質(zhì)熔、沸點(diǎn)較低很高硬度較小很大導(dǎo)電性本身不導(dǎo)電，溶于水時(shí)發(fā)生電離后可導(dǎo)電絕緣體(或半導(dǎo)體)延展性無無溶解性極性分子易溶于極性溶劑；非極性分子易溶于非極性溶劑不溶于任何常見溶劑典型實(shí)例部分非金屬單質(zhì)(如P4、硫等)、部分非金屬氧化物(如CO2、SO2等)、酸(如H2SO4等)、所有非金屬氫化物(如甲烷、硫化氫等)、絕大多數(shù)有機(jī)物(有機(jī)鹽除外)金剛石、晶體硅、二氧化硅等2.判斷分子晶體和共價(jià)晶體的方法(1)依據(jù)構(gòu)成晶體的微粒和微粒間的作用力判斷構(gòu)成共價(jià)晶體的微粒是原子，微粒間的作用力是共價(jià)鍵；構(gòu)成分子晶體的微粒是分子，微粒間的作用力是分子間作用力。(2)依據(jù)晶體的熔點(diǎn)判斷共價(jià)晶體的熔點(diǎn)高，常在1000℃以上，而分子晶體的熔點(diǎn)低，常在數(shù)百度以下甚至溫度更低。(3)依據(jù)晶體的硬度與機(jī)械性能判斷共價(jià)晶體的硬度大，分子晶體的硬度小且較脆。(4)依據(jù)導(dǎo)電性判斷分子晶體為非導(dǎo)體，但部分溶于水后能導(dǎo)電；共價(jià)晶體多數(shù)為非導(dǎo)體，但晶體硅、鍺是半導(dǎo)體。(5)記憶常見的共價(jià)晶體、分子晶體常見的共價(jià)晶體有：①單質(zhì)：金剛石、晶體硅、晶體硼、晶體鍺等；②化合物：SiO2、SiC、BN、AlN、Si3N4等。除共價(jià)晶體外的絕大多數(shù)非金屬單質(zhì)、氣態(tài)氫化物、非金屬氧化物、酸、絕大多數(shù)有機(jī)物(有機(jī)鹽除外)都屬于分子晶體。1．下列各組晶體物質(zhì)中，化學(xué)鍵類型相同，晶體類型也相同的是()①SiO2和SO3②晶體硼和HCl③CO2和SO2④晶體硅和金剛石⑤晶體氖和晶體氮⑥硫黃和碘A．①②③ B．④⑤⑥C．③④⑥ D．①③⑤答案C解析屬于分子晶體的有SO3、HCl、CO2、SO2、晶體氖、晶體氮、硫黃和碘。屬于共價(jià)晶體的有SiO2、晶體硼、晶體硅和金剛石。但晶體氖是由稀有氣體分子組成，稀有氣體為單原子分子，分子間不存在化學(xué)鍵。2．下列晶體熔、沸點(diǎn)由高到低的順序正確的是()①SiC②Si③HCl④HBr⑤HI⑥CO⑦N2⑧H2A．①②③④⑤⑥⑦⑧ B．①②⑤④③⑥⑦⑧C．①②⑤④③⑦⑥⑧ D．⑥⑤④③②①⑦⑧答案B解析SiC和Si為共價(jià)晶體，熔、沸點(diǎn)高，因?yàn)镾iC晶體中Si—C比Si晶體中Si—Si更牢固，則SiC的熔、沸點(diǎn)大于Si的熔、沸點(diǎn)，剩余晶體均為分子晶體，熔、沸點(diǎn)低于共價(jià)晶體，結(jié)構(gòu)相似的分子晶體，相對分子質(zhì)量越大，范德華力就越大，熔、沸點(diǎn)越高，相對分子質(zhì)量相同的分子晶體，極性分子的熔、沸點(diǎn)大于非極性分子的熔、沸點(diǎn)，所以熔、沸點(diǎn)由高到低的順序正確的是①②⑤④③⑥⑦⑧，故B項(xiàng)正確。3．現(xiàn)有以下8種晶體：A．干冰B．CS2C．金剛石D．SiCE．晶體硅F．水晶G．冰H．晶體氬(1)屬于分子晶體，且分子的空間結(jié)構(gòu)為直線形的是________________(填字母，下同)。(2)通過非極性鍵形成的共價(jià)晶體是________；晶體內(nèi)不含化學(xué)鍵的是________。(3)直接由原子構(gòu)成的晶體是________。(4)受熱熔化時(shí)，化學(xué)鍵發(fā)生變化的是________，干冰的熔點(diǎn)比冰的熔點(diǎn)低得多，原因是________________________________________________________________________。(5)金剛石、SiC、晶體硅都是同主族元素組成的晶體，它們的熔點(diǎn)高低順序?yàn)開_____>_______>_______(用名稱填空)，其原因是___________________________________________________。答案(1)AB(2)CEH(3)CDEFH(4)CDEF干冰中CO2分子之間只存在范德華力，冰中H2O分子之間存在范德華力和氫鍵，且氫鍵的強(qiáng)度比范德華力大(5)金剛石碳化硅晶體硅金剛石、碳化硅、晶體硅都是共價(jià)晶體，鍵長：C—C<C—Si<Si—Si，則共價(jià)鍵強(qiáng)度：C—C>C—Si>Si—Si解析(1)A、B、G、H屬于分子晶體，其中CO2、CS2為直線形分子，H2O為V形分子，Ar屬于單原子分子。(2)非極性鍵形成的共價(jià)晶體應(yīng)為單質(zhì)，有金剛石和晶體硅，題述物質(zhì)中只有晶體氬不含化學(xué)鍵。(3)直接由原子構(gòu)成的晶體為共價(jià)晶體和由稀有氣體組成的分子晶體。(4)受熱熔化時(shí)，分子晶體只是破壞分子間的作用力，而不會(huì)破壞分子內(nèi)的化學(xué)鍵；共價(jià)晶體會(huì)破壞其中的共價(jià)鍵，干冰和冰均為分子晶體，但是冰中水分子間存在氫鍵，使熔點(diǎn)升高。(5)金剛石、SiC和晶體硅都是共價(jià)晶體，共價(jià)晶體的熔點(diǎn)取決于共價(jià)鍵的鍵能。由于原子半徑Si>C，故鍵長：Si—Si>Si—C>C—C，所以鍵能的大小順序?yàn)镃—C>Si—C>Si—Si，所以三種晶體的熔點(diǎn)高低順序：金剛石>碳化硅>晶體硅。4．現(xiàn)有兩組物質(zhì)的熔點(diǎn)數(shù)據(jù)如表所示：A組B組金剛石：＞3500℃HF：－83℃晶體硅：1410℃HCl：－115℃晶體硼：2300℃HBr：－89℃二氧化硅：1710℃HI：－51℃根據(jù)表中數(shù)據(jù)回答下列問題。(1)A組屬于________晶體，其熔化時(shí)克服的微粒間的作用力是_____________________________________________________________________。(2)B組中HF熔點(diǎn)反常是由于________。(3)B組晶體不可能具有的性質(zhì)是________(填序號)。①硬度?、谒芤耗軐?dǎo)電③固體能導(dǎo)電④液體狀態(tài)能導(dǎo)電答案(1)共價(jià)共價(jià)鍵(2)HF分子間能形成氫鍵，熔化時(shí)需要消耗更多的能量(3)③④解析A組熔點(diǎn)很高，應(yīng)是共價(jià)晶體，共價(jià)晶體熔化時(shí)破壞的是共價(jià)鍵；B組是分子晶體，且結(jié)構(gòu)相似，一般是相對分子質(zhì)量越大，熔點(diǎn)越高；HF的相對分子質(zhì)量最小，但熔點(diǎn)比HCl高，出現(xiàn)反常的原因是HF分子間存在氫鍵，HF熔化時(shí)除了破壞分子間作用力，還要破壞氫鍵，所需能量更高，因而熔點(diǎn)更高。分子晶體在固態(tài)和熔化狀態(tài)時(shí)都不導(dǎo)電。5．通常人們把斷開(或形成)1mol某化學(xué)鍵所吸收(或放出)的能量看成該化學(xué)鍵的鍵能。鍵能的大小可以衡量化學(xué)鍵的強(qiáng)弱，也可以估算化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱(ΔH)?；瘜W(xué)反應(yīng)的ΔH等于反應(yīng)中斷裂舊化學(xué)鍵的鍵能之和與反應(yīng)中形成新化學(xué)鍵的鍵能之和的差。Si—OSi—ClH—HH—ClSi—SiSi—C鍵能/(kJ·mol－1)460360436431176347請回答下列問題：(1)比較下列兩組物質(zhì)的熔點(diǎn)高低(填“>”或“<”)SiCl4________SiO2;Si________SiC。(2)如圖每個(gè)“”表示硅晶體中的一個(gè)硅原子，每個(gè)硅原子與Si—Si數(shù)目之比為________，屬于________晶體。答案(1)<<(2)1∶2共價(jià)解析(1)鍵長短，鍵能大，熔點(diǎn)高。(2)每個(gè)硅原子形成四個(gè)共價(jià)鍵，而一個(gè)共價(jià)鍵由兩個(gè)硅原子形成，所以每個(gè)硅原子與Si—Si數(shù)目之比為1∶(eq\f(1,2)×4)＝1∶2。6．硼(B)及其化合物在化學(xué)中有重要的地位。請回答下列問題：(1)Ga與B同主族，Ga的基態(tài)原子核外電子排布式為___________________________。B與同周期相鄰兩元素第一電離能由大到小的順序是________________。(2)硼酸(H3BO3)是白色片狀晶體(層狀結(jié)構(gòu)如圖)，有滑膩感，在冷水中溶解度很小，加熱時(shí)溶解度增大。①硼酸中B原子的雜化軌道類型為________。②硼酸晶體中存在的作用力有范德華力和__________________________________________。③加熱時(shí)，硼酸的溶解度增大，主要原因是____________________________。④硼酸是一元弱酸，在水中電離時(shí)硼酸結(jié)合水電離出的H＋而呈酸性。寫出硼酸的電離方程式：_______________________________________________________________________________。(3)立方氮化硼是一種新型陶瓷材料，結(jié)構(gòu)和形體都類似金剛石，是現(xiàn)在所知的幾乎最硬的物質(zhì)，化學(xué)式為BN，則立方氮化硼中B原子的雜化軌道類型為________；1mol立方氮化硼中B—N的物質(zhì)的量為________。答案(1)1s22s22p63s23p63d104s24p1(或[Ar]3d104s24p1)C＞Be＞B(2)①sp2②氫鍵、共價(jià)鍵③加熱破壞了硼酸分子之間的氫鍵④H3BO3＋H2O[B(OH)4]－＋H＋(3)sp34mol解析(1)Ga的基態(tài)原子核外電子排布式：1s22s22p63p63d104s24p1或[Ar]3d104s24p1；同周期元素第一電離能從左到右有增大的趨勢，但第ⅡA、第ⅤA出現(xiàn)反常，故第一電離能：C＞Be＞B。(2)①B原子的雜化軌道類型為sp2雜化；②硼酸晶體中除了范德華力還有共價(jià)鍵和氫鍵；③加熱時(shí)，硼酸的溶解度增大，是由于加熱破壞了硼酸分子之間的氫鍵；④硼酸的電離方程式為H3BO3＋H2O[B(OH)4]－＋H＋。(3)B原子的雜化軌道類型為sp3雜化；立方氮化硼結(jié)構(gòu)和形體都類似金剛石，故晶胞中含有4個(gè)B原子和4個(gè)N原子，故1mol立方氮化硼中含有4molB—N。7．回答下列問題：(1)氮化碳和氮化硅晶體結(jié)構(gòu)相似，是新型的非金屬高溫陶瓷材料，它們的硬度大、熔點(diǎn)高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。氮化硅的硬度________(填“大于”或“小于”)氮化碳的硬度，原因是__________________________________________________________________________________________________。(2)第ⅢA、ⅤA族元素組成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的新型半導(dǎo)體材料，其晶體結(jié)構(gòu)與單晶硅相似。①在GaN晶體中，每個(gè)Ga原子與________個(gè)N原子相連，與同一個(gè)Ga原子相連的N原子構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)為________________，GaN屬于________晶體。②三種新型半導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)由高到低的順序?yàn)開___________________________________。答案(1)小于氮化硅和氮化碳均為共價(jià)晶體，氮化硅中N—Si鍵的鍵長比氮化碳中C—N鍵的鍵長長，鍵能小(2)①4正四面體共價(jià)②GaN＞GaP＞GaAs解析(1)氮化硅和氮化碳均為共價(jià)晶體。氮化硅中N—Si鍵的鍵長比氮化碳中C—N鍵的鍵長長，鍵能小，所以氮化硅硬度比氮化碳小。(2)①GaN與單晶硅結(jié)構(gòu)相似，所以每個(gè)Ga原子與4個(gè)N原子形成共價(jià)鍵，每個(gè)N原子與4個(gè)Ga原子形成共價(jià)鍵。與同一個(gè)Ga原子相連的N原子構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)為正四面體結(jié)構(gòu)，GaN與晶體硅都是共價(jià)晶體。②原子半徑越小，共價(jià)鍵越強(qiáng)，晶體的熔點(diǎn)越高。8．納米技術(shù)制成的金屬燃料、非金屬固體燃料、氫氣等已應(yīng)用到社會(huì)生活和高科技領(lǐng)域。(1)A和B的單質(zhì)單位質(zhì)量的燃燒熱大，可用作燃料。已知A和B為短周期元素，其原子的第一至第四電離能如下表所示：電離能/(kJ·mol－1)I1I2I3I4A93218211539021771B7381451773310540①某同學(xué)根據(jù)上述信息，推斷B的核外電子排布如右圖所示，該同學(xué)所畫的電子排布圖違背了________。②根據(jù)價(jià)層電子對互斥理論，預(yù)測A和氯元素形成的簡單分子空間結(jié)構(gòu)為________。(2)氫氣作為一種清潔能源，必須解決它的儲(chǔ)存問題，C60可用作儲(chǔ)氫材料。①已知金剛石中C—C的鍵長為154.45pm，C60中C—C的鍵長為145～140pm，有同學(xué)據(jù)此認(rèn)為C60的熔點(diǎn)高于金剛石，你認(rèn)為是否正確并闡述理由：___________________________________________________________________________________________________________。②科學(xué)家把C60和K摻雜在一起制造了一種富勒烯化合物，其晶胞如圖所示，該物質(zhì)在低溫時(shí)是一種超導(dǎo)體。該物質(zhì)的K原子和C60分子的個(gè)數(shù)之比為________。③繼C60后，科學(xué)家又合成了Si60、N60，C、Si、N原子的電負(fù)性由大到小的順序是________。Si60分子中每個(gè)硅原子只跟相鄰的3個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，且每個(gè)硅原子最外層都滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，則Si60分子中π鍵的數(shù)目為______________。答案(1)①能量最低原理②直線形(2)①不正確。C60為分子晶體，熔化時(shí)破壞的是分子間作用力，無需破壞共價(jià)鍵，而分子間作用力較弱，所需能量較低，故C60的熔點(diǎn)低于金剛石的熔點(diǎn)②3∶1③N>C>Si30解析(1)