专项3第四单元第2课时

专项3第四单元第2课时

[学习目标定位] 1.熟知分子晶体的概念、结构特点及常见的分子晶体。2.能够从范德华力、氢键的特征，分析理解分子晶体的物理特性。3.了解石墨晶体的结构，会比较不同类型的晶体熔、沸点。

【一】分子晶体

1．概念及微粒间的作用

(1)概念：分子间通过分子间作用力相结合形成的晶体叫分子晶体。

(2)微粒间的作用：分子晶体中相邻分子之间以分子间作用力相互吸引。

2．典型分子晶体的结构特征

(1)构成干冰晶体的结构微粒是CO2分子，微粒间的相互作用力是范德华力。

(2)从结构模型可以看出：干冰晶体是一种面心立方结构——每8个C O2分子构成立方体，在六个面的中心又各占据1个CO2分子。每个CO2分子周围，离该分子最近且距离相等的CO2分子有12个。每个晶胞中有4个CO2分子。

3．分子晶体的物理特性

分子晶体中的微粒间是以范德华力或范德华力和氢键而形成的晶体，因此，分子晶体的熔、沸点较低，密度较小，硬度较小，较易熔化和挥发。

(1)常见的分子晶体

①所有非金属氢化物：H2O、NH3、CH4、H2S等；

②多数非金属单质：卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、红磷、硫、稀有气体(固态)等；

③多数非金属氧化物：CO2、SO2、SO3、P2O5等；

④几乎所有的酸：H2SO4、CH3COOH、H3PO4等；

⑤绝大多数有机物：乙醇、蔗糖等。

(2)分子晶体的性质

①分子晶体一般具有较低的熔点和沸点，较小的硬度、较强的挥发性。

②分子晶体在固态、熔融时均不导电。

③不同分子晶体在溶解度上存在较大差别，并且同一分子晶体在不同的溶剂中溶解度也有较大差别。

提醒(1)稀有气体固态时形成分子晶体，微粒之间只存在分子间作用力，分子内不存在化学键。

(2)分子晶体汽化或熔融时，克服分子间作用力，不破坏化学键。

例1

根据以下性质判断所描述的物质可

能属于分子晶体的是()

A、熔点1 070 ℃，易溶于水，水溶液能导电

B、熔点1 128 ℃，沸点4 446 ℃，硬度很大

C、熔点10.31 ℃，液态不导电，水溶液能导电

D、熔点97.81 ℃，质软，导电，密度0.97 g·cm－3

答案C

解析A项，熔点1 070 ℃，熔点高，不符合分子晶体的特点，错误；B项，熔点1 128 ℃，沸点4 446 ℃，硬度很大，属于离子晶体或原子晶体或金属晶体的特点，分子晶体分子间只存在分子间作用力，熔、沸点低，错误；C项，熔点10.31 ℃，熔点低，符合分子晶体的熔点特点，液态不导电，只存在分子，水溶液能导电，溶于水后，分子被水分子离解成自由移动的离子，如CH3COOH CH3COO－＋H＋，有自由移动的离子，就能导电，正确；D项，熔点97.81 ℃，质软、导电、密度0.97 g·cm－3，是金属钠的物理性质，金属钠属于金属晶体，错误。

例2

甲烷晶体的晶胞结构如下图，以下说法正确的选项是()

A、甲烷晶胞中的球只代表1个C原子

B、晶体中1个CH4分子有12个紧邻的CH4分子

C、甲烷晶体熔化时需克服共价键

D、1个CH4晶胞中含有8个CH4分子

答案B

解析 题图所示的甲烷晶胞中的球代表的是1个甲烷分子，并不是1个C 原子，A 错误；由甲烷晶胞分析，位于晶胞的顶点的某一个甲烷分子与其距离最近的甲烷分子有3个，而这3个甲烷分子在晶胞的面上，因此每个都被2个晶胞共用，故与1个甲烷分子紧邻的甲烷分子数目为3×8×12＝12，B 正确；甲烷晶体是分子晶体，熔化时克服范德华力，C 错误；甲烷晶胞属于面心立方晶胞，该晶胞中甲烷分子的个数为8×18＋6×12＝4，D 错误。

例3

以下物质，按沸点降低顺序排列的一

组是( )

A 、HF 、HCl 、HBr 、HI

B 、F2、Cl2、Br2、I2

C 、H2O 、H2S 、H2Se 、H2Te

D 、CI4、CBr4、CCl4、CF4

答案 D

解析 A 、C 中HF 和H2O 分子间含有氢键，沸点反常；对结构相似的物质，B 中沸点随相对分子质量的增加而增大；D 中沸点依次降低。

【二】混合晶体——石墨

以下图分别是石墨的二维平面结构、层状结构、层内的π键结构示意图。

回答以下问题：

1．在石墨晶体中，同层的碳原子以3个共价键与另外三个碳原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了正六边形的环，伸展成平面网状结构。

2．在同一平面的碳原子还各剩下一个2p 轨道，并含有一个未成对电子形成π键。电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导热和导电，这正是金属晶体的特征。

3．石墨晶体中网络状的平面结构以范德华力结合形成层状的结构，距离较大，结合力较弱，层与层间可以相对滑动，使之具有润滑性。

石墨晶体中既存在共价键，还存在范德华力，不能简单地归属于任何一种晶体，所以石墨是一种混合晶体。

例4

碳元素的单质有多种形式，以下图依

次是C60、石墨和金刚石的结构图：

回答以下问题：

(1)C60属于________晶体，石墨属于________晶体。

(2)在金刚石晶体中，碳原子数与化学键数之比为________________。

(3)石墨晶体中，层内C —C 键的键长为142 pm ，而金刚石中C —C 键的键长为154 pm 。推测金刚石的熔点________(填〝>〞〝<〞或〝＝〞)石墨的熔点。

答案 (1)分子 混合 (2)1∶2 (3)<

解析 (1)C60中构成微粒是分子，所以属于分子晶体；石墨晶体有共价键、金属键和范德华力，所以石墨属于混合晶体。

(2)金刚石晶体中每个碳原子平均拥有的化学键数为4×12＝2，那么碳

原子数与化学键数之比为1∶2。

(3)石墨中的C —C 键比金刚石中的C —C 键键长短，键能大，故石墨的熔点高于金刚石。

方法规律——金刚石与石墨比较

1．分子晶体具有某些特征的本质原因是( )

A 、组成晶体的基本微粒是分子

B 、熔融时不导电

C 、基本构成微粒间以分子间作用力相结合

D、熔点一般比较低

答案C

解析分子晶体相对于其他晶体来说，熔、沸点较低，硬度较小，本质原因是其基本构成微粒间的相互作用——范德华力及氢键相对于化学键来说比较弱。

2．根据以下各物质的物理性质，判断其固态肯定不属于分子晶体的是()

①溴化铝(无色晶体，熔点98 ℃，熔融态不导电)

②碳化铝(黄色晶体，熔点2 200 ℃，熔融态不导电)

③氟化铝(无色晶体，熔融时或溶于水时破坏了相同的作用力)

④五氟化钒(无色晶体，熔点19.5 ℃，易溶于乙醇)

A、①②

B、③④

C、②③

D、①④

答案C

解析溴化铝，无色晶体，熔点98 ℃，熔融态不导电，具有分子晶体的性质，属于分子晶体，故①不选；碳化铝，黄色晶体，熔点2 200 ℃，熔融态不导电，应为原子晶体，故②选；氟化铝，无色晶体，熔融时或溶于水时破坏了相同的作用力，说明破坏的是离子键，应为离子晶体，故③选；五氟化钒，无色晶体，熔点19.5 ℃，易溶于乙醇中，具有分子晶体的性质，属于分子晶体，故④不选。

3．SiCl4的分子结构与CCl4相似，对其进行的以下推测不正确的选项是()

A、SiCl4晶体是分子晶体

B、常温、常压下SiCl4是气体

C、SiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子

D、SiCl4的熔点高于CCl4

答案B

解析由于SiCl4具有分子结构，所以一定属于分子晶体；影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间作用力的大小，在这两种分子中都只有范德华力，SiCl4的相对分子质量大于CCl4，所以SiCl4的分子间作用力更大一些，

熔、沸点更高一些；CCl4的分子是正四面体结构，SiCl4与它结构相似，因此也应该是正四面体结构，是含极性键的非极性分子。

4．石墨晶体是层状结构，在每一层内，每个碳原子都跟其他3个碳原子相结合，如图是其晶体结构的俯视图，那么图中7个六元环完全占有的碳原子数是()

A、10

B、18

C、24

D、14

答案D

解析每个六元环平均占有的碳原子数为6×1

3＝2，7个六元环完全占

有的碳原子数为2×7＝14。

5．请回答以下问题：

(1)以下有关石墨晶体的说法正确的选项是________(填字母，下同)。

A、由于石墨晶体导电，所以它是金属晶体

B、由于石墨的熔点很高，所以它是原子晶体

C、由于石墨质软，所以它是分子晶体

D、石墨晶体是一种混合晶体

(2)据报道，科研人员应用电子计算机模拟出来类似C60的物质N60，试推测以下有关N60的说法正确的选项是________。

A、N60易溶于水

B、N60是一种分子晶体，有较高的熔点和硬度

C、N60的熔点高于N2

D、N60的稳定性比N2强

(3)碘晶胞结构如下图，请回答以下问题：

①碘晶体属于________晶体。

②碘晶体熔化过程中克服的作用力为______________。

③假设碘晶胞中立方体的长为a cm，阿伏加德罗常数的值为NA，那

么碘单质的密度为__________________。

答案(1)d(2)c(3)①分子②分子间作用力③1 016

a3NA g·cm－3

解析(1)石墨晶体中存在共价键、范德华力、大π键，故为混合晶体。

(2)C60是一种单质，属于分子晶体，而N60类似于C60，所以N60也是单

质，属于分子晶体，即具有分子晶体的一些性质，如硬度较小和熔、沸点较低。分子晶体的相对分子质量越大，熔、沸点越高。单质一般是非极性分子，难溶于水这种极性溶剂，因此a 、b 项错误，c 项正确；N2分子以N ≡N 键结合，N60分子中只存在N —N 键，而N ≡N 键比N —N 键牢固得多，所以d 项错误。(3)I2分子之间以分子间作用力结合，所以I2晶体属于分子晶体。观察碘的晶胞结构发现，一个晶胞中含有I2分子的数目为8×18＋6×12＝4，碘原子为8个。一个晶胞的体积为a3 cm3，质量为4×254NA g ，那么碘单质的密度为1 016a3NA g ·cm －3。

[对点训练]

题组一 分子晶体的判断

1．以下各组物质均属于分子晶体的是( )

A 、SO2，SiO2，P2O5

B 、PCl3，CO2，H2SO4

C 、SiC ，H2O ，NH3

D 、HF ，CO2，Si 答案 B

解析 SiO2、SiC 、Si 均为原子晶体。

2．以下晶体由原子直接构成，且属于分子晶体的是( )

A 、固态氢

B 、固态氖

C 、磷

D 、三氧化硫

答案 B

解析 稀有气体分子都属于单原子分子，因此稀有气体形成的晶体属于分子晶体且由原子直接构成。其他分子晶体一般由分子构成，如干冰、冰等。

3．某化学兴趣小组，在学习分子晶体后，查阅了几种氯化物的熔、沸点，记录如下：

根据这些数据分析，属于分子晶体的是( )

A 、NaCl 、MgCl2、CaCl2

B 、AlCl3、SiCl4

C、NaCl、CaCl2

D、全部

答案B

解析由于由分子构成的晶体，分子与分子之间以分子间作用力相互作用，而分子间作用力较小，克服分子间作用力所需能量较低，故分子晶体的熔、沸点较低，表中的MgCl2、NaCl、CaCl2熔、沸点很高，很明显不属于分子晶体，AlCl3、SiCl4熔、沸点较低，应为分子晶体，B项正确，A、C、D三项错误。

4．(2019·合肥六中月考)AB型化合物形成的晶体结构多种多样。以下图所示的几种结构所表示的物质最有可能是分子晶体的是()

A、①③

B、②⑤

C、⑤⑥

D、③④⑤⑥

答案B

解析从各图中可以看出②⑤都不能再以化学键与其他原子结合，所以最有可能是分子晶体。

题组二分子晶体的结构与性质

5．BeCl2熔点较低，易升华，溶于醇和醚，其化学性质与AlCl3相似。由此可推测BeCl2()

A、熔融态不导电

B、水溶液呈中性

C、熔点比BeBr2高

D、不与NaOH溶液反应

答案A

解析由题知BeCl2熔点较低，易升华，溶于醇和醚，应属于分子晶体，所以熔融态不导电；对于组成相似的分子晶体，相对分子质量越大，范德华力越大，其熔、沸点越高，因此BeCl2的熔点比BeBr2的低；BeCl 2的化学性质与AlCl3相似，根据AlCl3能和NaOH溶液反应，那么BeCl 2也可与NaOH溶液反应；AlCl3水溶液中由于铝离子水解而呈酸性，推知BeCl2也具有此性质。

6．以下图是冰的一种骨架形式，依此为单位向空间延伸，那么该冰中的每个水分子有几个氢键()

A、2

B、4

C 、8

D 、12

答案 A

解析 每个水分子与四个方向的其他4个水分子形成氢键，每个氢键为2个水分子所共有，因此每个水分子具有的氢键个数为4×12＝2。

7．中学教材上介绍的干冰晶体是一种立方面心结构，如下图，即每8个CO2构成立方体，且在6个面的中心又各占据1个CO2分子，在每个C O2周围距离22a(其中a 为立方体棱长)的CO2有( )

A 、4个

B 、8个

C 、12个

D 、6个

答案 C

解析 在每个CO2周围距离22a 的CO2即为每个面心上的CO2分子，

在X 、Y 、Z 三个方向上各有4个，所以应为12个。

8．晶胞是晶体结构中可重复出现的最小的结构单元，C60晶胞结构如以下图所示，以下说法正确的选项是( )

A 、C60摩尔质量是720

B 、C60与苯互为同素异形体

C 、在C60晶胞中有14个C60分子

D 、每个C60分子周围与它距离最近且等距离的C60分子有12个 答案 D

题组三 常见晶体结构与性质的综合

9．以下有关晶体的表达中，错误的选项是( )

A 、分子晶体熔化时化学键一般不被破坏

B 、白磷晶体中，结构粒子之间通过共价键结合

C 、构成分子晶体的结构粒子中可能存在共价键

D 、石英晶体是直接由硅原子和氧原子通过共价键所形成的空间网状结构的晶体

答案 B

解析 分子晶体是通过分子间作用力将分子结合在一起的，所以熔化时，分子内部的化学键未发生变化，破坏的只是分子间作用力，A 正确；白磷晶体是分子晶体，在P4内部存在共价键，而结构粒子(P4)之间是通过

分子间作用力结合的，B错误；稀有气体在固态时也属于分子晶体，而稀有气体是单原子分子，在分子内部不存在共价键，在干冰晶体中，CO2分子内存在共价键，C正确；石英晶体是原子晶体，D正确。

10．金刚石和石墨是碳的两种常见单质，以下关于两种晶体的比较正确的选项是()

A、两种晶体中碳原子成键数目相同

B、晶体的熔点：金刚石>石墨

C、晶体中共价键的键角：金刚石>石墨

D、金刚石晶体中只含有共价键，石墨晶体中那么存在共价键、金属键和范德华力

答案D

11．对于钠的卤化物(NaX)和硅的卤化物分子(SiX4)，以下表达正确的选项是()

A、SiX4呈空间网状结构，硬度大

B、NaX的熔点一般高于SiX4

C、NaX易水解

D、SiX4由原子构成，熔化时破坏共价键

答案B

解析硅的卤化物(SiX4)属于分子晶体，不是空间网状结构，其硬度较小，A错误；钠的卤化物(NaX)为离子化合物，属于离子晶体，硅的卤化物(SiX4)为共价化合物，属于分子晶体，离子晶体的熔点大于分子晶体的熔点，即NaX的熔点一般高于SiX4，故B正确；钠的强酸盐不水解，NaX(N aF除外)不易水解，C错误；硅的卤化物(SiX4)是由分子构成的，属于分子晶体，熔化时破坏分子间作用力，故D错误。

12．氮化硼(BN)晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相，与石墨相似，具有层状结构，可作高温润滑剂；立方相氮化硼是超硬材料，有优异的耐磨性。它们的晶体结构如下图，以下关于这两种晶体的说法正确的选项是()

A、六方相氮化硼与石墨一样可以导电

B 、立方相氮化硼含有σ键和π键，所以硬度大

C 、两种晶体均为分子晶体

D 、六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间构型为平面三角形

答案 D

解析 A 项，六方相氮化硼晶体中没有可以自由移动的电子或离子，所以不导电，错误；B 项，立方相氮化硼中只含有σ键，错误；C 项，立方相氮化硼是原子晶体，错误；D 项，由六方相氮化硼的晶体结构可知，每个硼原子与相邻3个氮原子构成平面三角形，正确。

[综合强化]

13．石墨的片层结构如下图，请回答以下问题：

(1)平均________个碳原子构成一个正六边形。

(2)石墨晶体每一层内碳原子数与碳碳化学键之比是________。

(3)n g 碳原子可构成________个正六边形。 答案 (1)2 (2)2∶3 (3)NA ·n 24

解析 (1)利用点与面之间的关系，平均每个正六边形含碳原子：6×1/3＝2个。 (2)分析每一个正六边形：①所占的碳原子数为6×13＝2；

②所占的碳碳键数为6×12＝3，故答案为2∶3。 (3)n g 碳原子数为n 12NA ，故答案为n/12NA 2

＝NA ·n 24。 14．据报道科研人员应用计算机模拟出结构类似C60的物质N60。：①N60分子中每个氮原子均以N —N 键结合三个N 原子而形成8电子稳定结构；②N —N 键的键能为167 kJ ·mol －1。请回答以下问题：

(1)N60分子组成的晶体为________晶体，其熔、沸点比N2________(填〝高〞或〝低〞)，原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)1 mol N60分解成N2时吸收或放出的热量是_____________________________kJ(N ≡N 键的键能为942 kJ ·mol －1)，说明稳定性N60________(填〝>〞〝<〞或〝＝〞)N2。

(3)由(2)列举N60的用途(举一种)：___________________________________________。

答案 (1)分子 高 N60、N2均形成分子晶体，且N60的相对分子质量大，分子间作用力大，故熔、沸点高

(2)13 230 <

(3)N60可作高能炸药(其他合理答案也可)

解析 (1)N60、N2形成的晶体均为分子晶体，因Mr(N60)>Mr(N2)，故N60晶体中分子的范德华力比N2晶体大，N60晶体的熔、沸点比N2晶体高。

(2)因每个氮原子形成三个N —N 键，每个N —N 键被2个N 原子共用，故1 mol N60中存在N —N 键：1 mol ×60×3×12＝90 mol 。发生的反应为N60===30N2，故ΔH ＝90×167 kJ ·mol －1－30×942 kJ ·mol －1＝－13 230 kJ ·mol －1<0，为放热反应，说明稳定性N2>N60。

(3)由于反应放出大量的热同时生成大量气体，因此N60可用作高能炸药。

15．德国和美国科学家首次制出了由20个碳原子组成的空心笼分子C 20，该笼状结构是由许多正五边形构成的(如右图所示)。请回答以下问题：

(1)C20分子中共有________个正五边形，共有______条棱边。C20晶体属于______(填晶体类型)。

(2)科学界拟合成一种〝二重构造〞的球形分子(C60Si60)，即把〝足球型〞的C60置于〝足球型〞的Si60内，并把硅原子与碳原子以共价键结合。合成〝二重构造〞球形分子C60Si60的化学反应类似于________(填字母)。

A 、由乙烯制聚乙烯

B 、乙酸与乙醇制乙酸乙酯

C 、乙醇制乙醛

D 、乙烯与丙烯合成乙丙树脂

答案(1)1230分子晶体

(2)AD

解析(1)正五边形＝20×3

5＝12，棱边＝

20×3

2＝30。

(2)由于C60和Si60相似，所以该反应类似于加聚反应。