新课标高中化学选修3第二节分子晶体与原子晶体分子晶体

第二节分子晶体与共价晶体第1课时分子晶体学业要求素养对接1.借助分子晶体模型认识分子晶体的结构特点。

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。

微观探析：分子晶体的结构特点。

模型认知：建立分子晶体模型，并利用分子晶体模型进行相关计算。

[知识梳理]一、分子晶体的结构与物质类别1.分子晶体的结构特点(1)构成微粒及作用力分子晶体⎩⎨⎧构成微粒：分子微粒间的作用力：分子间作用力(2)堆积方式分子间作用力堆积方式实例范德华力分子采用密堆积，每个分子周围有12个紧邻的分子如C60、干冰、I2、O2范德华力、氢键分子不采用密堆积，每个分子周围紧邻的分子少于12个如HF、NH3、冰2.分子晶体与物质的类别物质种类实例所有非金属氢化物H2O、NH3、CH4等部分非金属单质卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)等部分非金属氧化物CO2、P4O10、SO2、SO3等几乎所有的酸HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等绝大多数有机物的晶体苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等二、两种典型的分子晶体的组成和结构1.冰(1)水分子之间的主要作用力是氢键，当然也存在范德华力。

(2)氢键有方向性，它的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子互相吸引。

2.干冰(1)干冰中的CO2分子间只存在范德华力，不存在氢键。

(2)①每个晶胞中有4个CO2分子，12个原子。

②每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为12个。

[自我检测]1.判断正误，正确的打“√”；错误的打“×”。

(1)分子晶体内只有分子间作用力。

()(2)分子晶体的相对分子质量越大，熔、沸点越高。

()(3)分子晶体中分子间氢键越强，分子越稳定。

()(4)冰晶体融化时水分子中共价键发生断裂。

()(5)水是一种非常稳定的化合物，这是由于水中存在氢键。

()(6)由极性键形成的分子可能是非极性分子。

()(7)水和冰中都含有氢键。

()(8)分子晶体中一定存在范德华力，可能有共价键。

()答案(1)×(2)×(3)×(4)×(5)×(6)√(7)√(8)√2.下列各组物质各自形成晶体，均属于分子晶体的化合物是()A.NH3、P4、C10H8B.PCl3、CO2、H2SO4C.SO2、SiO2、P2O5l4、H2O、Na2O2解析A中，P4(白磷)为单质，不是化合物；C中，SiO2为共价晶体；D中，Na2O2是离子化合物、离子晶体。

答案 B学习任务一分子晶体及其判断【合作交流】我们知道水是由H2O组成的，水在液态、固态时H2O排列不规则，只有当水降温成固体H2O的排列才变的有规则。

此时，固态的冰我们把它称为分子晶体。

请列举判断物质是否为分子晶体的方法？提示(1)可以根据物质的类别判断晶体是否为分子晶体；(2)可以根据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断是否为分子晶体，构成分子晶体的微粒是分子，微粒间的作用力是分子间作用力；(3)可以根据晶体的特征性质判断晶体是否为分子晶体：①熔、沸点和硬度：分子晶体的熔、沸点较低，硬度小；②导电性：分子晶体不导电，部分溶于水导电。

【点拨提升】1.分子晶体的定义分子间通过分子间作用力相结合形成的晶体叫分子晶体。

如：干冰、碘晶体、冰等。

构成分子晶体的粒子只有分子。

特别提醒稀有气体单质是由原子直接构成的分子晶体，无化学键，晶体中只有分子间作用力。

2.常见的典型的分子晶体(1)所有非金属氢化物，如水、氨、甲烷等；(2)部分非金属单质，如卤素(X2)、O2、S8、P4、C60等；(3)部分非金属氧化物，如CO2、SO3、P4O10等；(4)几乎所有的酸，如HNO3、H2SO4、H3PO4等；(5)绝大多数有机物的晶体，如苯、乙醇、乙酸等。

3.两种典型的分子晶胞(1)干冰型堆积特征：分子密堆积。

(2)冰型堆积特征：四面体型。

4.晶体冰中有关氢键的易错点(1)晶体冰中每个水分子可以与紧邻的4个水分子形成氢键(不是2个)；每个水分子平均形成2个氢键(不是4个)。

(2)冰晶胞的结构和金刚石的晶胞结构相似，每个晶胞平均拥有8个水分子。

晶体中C、O均采用sp3杂化，均与4个其他原子形成四面体结构单元，因此，冰晶胞的结构与金刚石的晶胞结构有一定的相似性。

(3)冰、氢氟酸中均有氢键，且O—H…O比F—H…F弱，但水的沸点更高，其原因是平均每个水分子形成的氢键数比HF多。

(4)晶体冰的密度比液态水的小。

这是因为晶体冰中水分子形成的氢键具有方向性和饱和性，使得冰晶体中水分子的空间利用率变小。

【例1】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，他们认为属于分子晶体的是()A.NaCl、MgCl2、CaCl2B.AlCl3、SiCl4C.NaCl、CaCl2D.全部解析由分子构成的晶体，分子与分子之间靠分子间作用力聚集在一起，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正确，A、C、D错误。

答案 B明确表格中的数据及一般离子晶体的熔、沸点大于分子晶体的熔、沸点是解题的关键。

【变式训练】1.SiCl4的分子结构与CCl4相似，对其进行的下列推测中不正确的是()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解析由于SiCl4具有分子结构，所以属于分子晶体。

在常温、常压下SiCl4是液体。

CCl4的分子是正四面体结构，SiCl4与CCl4的结构相似，也是正四面体结构，是含极性键的非极性分子。

影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间作用力的大小，在SiCl4分子间、CCl4分子间只有范德华力，SiCl4的相对分子质量大于CCl4的相对分子质量，所以SiCl4的分子间作用力比CCl4的大，熔、沸点比CCl4的高。

答案 B2.下列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。

答案 B3.下列有关分子晶体的说法中一定正确的是()A.分子内均存在共价键B.分子间一定存在范德华力C.分子间一定存在氢键D.其结构一定为分子密堆积解析稀有气体元素组成的分子晶体中，不存在由多个原子组成的分子，而是原子间通过范德华力结合成晶体，所以不存在任何化学键，A错误；分子间作用力包括范德华力和氢键，范德华力存在于所有的分子晶体中，而氢键只存在于含有与电负性较强的N、O、F原子结合的氢原子的分子之间或者分子之内，B正确，C错误；只存在范德华力的分子晶体才采取分子密堆积的方式，D错误。

答案 B学习任务二分子晶体的物理性质及应用【合作交流】观察下图冰和干冰的结构，回答下列问题。

1.已知氢键也有方向性，试分析为什么冬季河水总是从水面上开始结冰？提示由于氢键的方向性，使冰晶体中每个水分子与四面体顶角方向的4个分子相互吸引，形成空隙较大的网状晶体，密度比水小，所以结的冰会浮在水面上。

2.为什么冰融化为水时，密度增大？提示在冰晶体中，每个分子周围只有4个紧邻的水分子，由于水分子之间的主要作用力是氢键，氢键跟共价键一样具有方向性，即氢键的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引，这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙。

当冰刚刚融化为液态水时，热运动使冰的结构部分解体，水分子间的空隙减小，密度反而增大。

3.为什么干冰的熔、沸点比冰低而密度却比冰大？提示由于冰中除了范德华力外还有氢键作用，破坏分子间作用力较难，所以熔、沸点比干冰高。

由于水分子间氢键的方向性，导致冰晶体不具有分子密堆积特征，晶体中有相当大的空隙，所以相同状况下冰体积较大。

由于CO2分子的相对分子质量＞H2O分子的相对分子质量，所以干冰的密度大。

4.干冰升华过程中破坏共价键吗？提示干冰升华的过程中破坏分子间作用力，不破坏共价键。

【点拨提升】1.分子晶体的物理性质(1)分子晶体具有较低的熔、沸点和较小的硬度。

分子晶体熔化时要破坏分子间作用力，由于分子间作用力很弱，所以分子晶体的熔、沸点一般较低，部分分子晶体易升华(如干冰、碘、红磷、萘等)，且硬度较小。

(2)分子晶体不导电。

分子晶体在固态和熔融状态下均不存在自由移动的离子或自由电子，因而分子晶体在固态和熔融状态下都不能导电。

有些分子晶体的水溶液能导电，如HI、乙酸等。

(3)分子晶体的溶解性一般符合“相似相溶”规律，即极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂。

如：H2O是极性溶剂，SO2、H2S、HBr等都是极性分子，它们在水中的溶解度比N2、O2、CH4等非极性分子在水中的溶解度大。

苯、CCl4是非极性溶剂，则Br2、I2等非极性分子易溶于其中，而水则不溶于苯和CCl4中。

2.分子晶体熔、沸点比较规律(1)少数主要以氢键作用形成的分子晶体，比一般的分子晶体的熔、沸点高，如含有H—F、H—O、H—N等共价键的分子间可以形成氢键，所以HF、H2O、NH3、醇、羧酸等物质的熔、沸点相对较高。

(2)组成与结构相似，分子之间不含氢键而只利用范德华力形成的分子晶体，随着相对分子质量的增大，物质的熔、沸点逐渐升高。

例如，常温下Cl2呈气态，Br2呈液态，而I2呈固态；CO2呈气态，CS2呈液态。

(3)相对分子质量相等或相近的极性分子构成的分子晶体，其熔、沸点一般比非极性分子构成的分子晶体的熔、沸点高，如CO的熔、沸点比N2的熔、沸点高。

(4)有机物中组成和结构相似且不存在氢键的同分异构体，相对分子质量相同，一般支链越多，分子间的相互作用力越弱，熔、沸点越低，如熔、沸点：正戊烷＞异戊烷＞新戊烷。

【例2】下列物质按熔、沸点由高到低顺序排列，正确的一组是()A.HF、HCl、HBr、HIB.F2、Cl2、Br2、I2C.H2O、H2S、H2Se、H2TeD.CI4、CBr4、CCl4、CF4解析对结构和组成相似的分子晶体，其熔、沸点随着相对分子质量的增大而升高，但HF、H2O分子之间都存在氢键，熔、沸点反常。

所以A中应为HF>HI>HBr>HCl；B中应为I2>Br2>Cl2>F2；C中应为H2O>H2Te>H2Se>H2S；只有D正确。

答案 D(1)影响分子晶体物理性质的主要因素是晶体中的分子间作用力(包括范德华力和氢键)。

由于分子间作用力比化学键键能小得多，因此分子晶体的熔、沸点较低，硬度也很小。