(经典)2019-2020版高中化学 第3章 物质的聚集状态与物质性质 第3节 原子晶体与分子晶体 第2课时学案 鲁科

第2课时分子晶体[学习目标定位] 1.了解分子晶体的概念、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.会比较判断晶体类型。

一、分子晶体及其结构特点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．分子晶体的结构特点(1)碘晶体的晶胞是一个长方体，在它的每个顶点上有1个碘分子，每个面上有1个碘分子，每个晶胞从碘晶体中分享到4个碘分子。

氯单质、溴单质的晶体结构与碘晶体的结构非常相似，只是晶胞的大小不同而已。

(2)干冰晶体是一种面心立方结构，在它的每个顶点和面心上各有1个CO2分子，每个晶胞中有4个CO2分子。

干冰晶体每个CO2分子周围，离该分子最近且距离相等的CO2分子有12个。

(3) 在冰晶体中，由于水分子之间存在具有方向性的氢键，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，这样的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，比较松散。

在冰晶体中，每个水分子中的每个氧原子周围都有4个氢原子，氧原子与其中的两个氢原子通过共价键结合，而与属于其他水分子的另外两个氢原子靠氢键结合在一起。

(1)分子晶体的结构特点若分子间不存在氢键，则分子晶体的微粒排列时尽可能采用紧密堆积方式；若分子间存在氢键，由于氢键具有方向性和饱和性，则晶体不能采用紧密堆积方式。

(2)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。

(3)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不同的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、HD、C10H8B．PCl3、CO2、H2SO4C．SO2、SiO2、P2O5D．CCl4、Na2S、H2O2答案 B解析A中HD是单质，不是化合物；C中SiO2为原子晶体，不是分子晶体；D中Na2S是离子晶体，不是分子晶体。

例2下表列举了几种物质的性质，据此判断属于分子晶体的物质是________。

答案 X 、Y 、Z 、W解析 分子晶体熔、沸点一般比较低，硬度较小，固态不导电。

M 的熔点高，肯定不是分子晶体；N 是金属钠的性质；X 、Y 、Z 、W 均为分子晶体。

规律总结分子晶体具有熔、沸点较低，硬度较小，固态、熔融态不导电等物理特性。

所有在常温下呈气态的物质、常温下呈液态的物质(除汞外)、易升华的固体物质都属于分子晶体。

例3 下图为冰晶体的结构模型，大球代表O ，小球代表H 。

下列有关说法正确的是( )A ．冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体B ．冰晶体具有空间网状结构，是原子晶体C ．水分子间通过H —O 键形成冰晶体D ．冰融化时，水分子之间空隙增大 答案 A解析 冰中的水分子是靠氢键结合在一起，氢键不是化学键，而是一种分子间作用力，故B 、C 两项均错误；H 2O 分子形成氢键时沿O 的四个sp 3杂化轨道形成氢键，可以与4个水分子形成氢键，这4个水分子形成空间四面体构型，A 项正确；水分子靠氢键连接后，分子间空隙变大，因此融化时，水的体积缩小，D 项错误。

易错警示(1)冰和水中存在氢键，水蒸气中不存在氢键。

(2)冰中每个水分子能与4个H 2O 分子形成氢键，平均每个水分子有(4×12)个氢键。

(3)水结成冰体积膨胀与氢键有关。

(4)冰融化时破坏氢键和范德华力，不破坏共价键。

水分子的稳定性与氢键无关，水的熔、沸点与共价键无关。

二、石墨晶体的结构与性质石墨的晶体结构如下图所示：1．在石墨晶体中，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以3个共价键与另外三个原子相连。

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。

石墨晶体中碳原子间形成共价键，层与层间的结合力为范德华力，同时还有金属键特性。

因此，石墨晶体既不是原子晶体，也不是金属晶体、分子晶体，而是一种混合键型晶体。

例4碳元素的单质有多种形式，下图依次是C60、石墨和金刚石的结构图：回答下列问题：(1)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化方式分别为________、________。

(2)C60属于________晶体，石墨属于________晶体。

(3)在金刚石晶体中，碳原子数与化学键数之比为________________________________；在石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的化学键数为________，该晶体中碳原子数与共价键数之比为________。

(4)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)sp3杂化sp2杂化(2)分子混合键型(3)1∶2 3 2∶3(4) <解析(1)金刚石中碳原子与四个碳原子形成4个共价单键(即C原子采取sp3杂化方式)，构成正四面体，石墨中的碳原子采取sp 2杂化方式，形成平面六元环结构。

(2)C 60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，所以石墨属于混合键型晶体。

(3)金刚石晶体中每个碳原子平均拥有的化学键数为4×12＝2，则碳原子数与化学键数之比为1∶2。

石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的碳原子数和化学键数分别为6×13＝2和6×12＝3，其比值为2∶3。

(4)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。

规律总结——金刚石与石墨比较四种晶体类型的比较1．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答案 B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，故A项错误；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，所以B项正确，C 项错误；只存在范德华力的分子晶体才采取分子密堆积的方式，D项错误。

2．下列物质呈固态时，一定属于分子晶体的是( )A．非金属单质B．非金属氧化物C．含氧酸D．金属氧化物答案 C解析非金属单质中的金刚石、非金属氧化物中的SiO2均为原子晶体；金属氧化物通常为离子化合物，属离子晶体。

3．SiCl4的分子结构与CCl4相似，对其进行下列推测，不正确的是( )A ．SiCl 4的熔点高于CCl 4B ．SiCl 4晶体是分子晶体C ．常温、常压下，SiCl 4是气体D ．SiCl 4的分子是由极性键形成的非极性分子 答案 C解析 由于SiCl 4具有分子结构，所以属于分子晶体。

影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间的作用力，在这两种分子中都只有范德华力，SiCl 4的相对分子质量大于CCl 4的相对分子质量，所以SiCl 4的分子间作用力强，熔、沸点比CCl 4高。

CCl 4的分子是正四面体结构，SiCl 4与它结构相似，因此也是正四面体结构，是含极性键的非极性分子。

4．甲烷晶体的晶胞结构如图所示，下列说法正确的是( )A ．甲烷晶胞中的球只代表1个C 原子B ．晶体中1个CH 4分子中有12个紧邻的CH 4分子C ．甲烷晶体熔化时需克服共价键D ．1个CH 4晶胞中含有8个CH 4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；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。

5．根据下列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，故A 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，故B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，故C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，故D错误。

6．晶胞是晶体结构中可重复出现的最小的结构单元，C60晶胞结构如下图所示，下列说法正确的是( )A．C60摩尔质量是720B．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 D7．请回答下列问题：(1)下列有关石墨晶体的说法正确的是________(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键型晶体(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，试推测下列有关N60的说法正确的是________。

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N2d．N60的稳定性比N2强(3)已知碘晶胞结构如图所示，请回答下列问题：①碘晶体属于________晶体。