2018-2019版高中化學 專題3 微粒間作用力與物質性質 第四單元 分子間作用力 分子晶體 第2課時學案 蘇教版選修3.docx

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第四單元　分子間作用力　分子晶體 第2課時　分子晶體　混合晶體 [學習目標定位]　1.熟知分子晶體的概念、結構特點及常見的分子晶體。2.能夠從范德華力、氫鍵的特征，分析理解分子晶體的物理特性。3.了解石墨晶體的結構，會比較不同類型的晶體熔、沸點。 一、分子晶體 1．概念及微粒間的作用 (1)概念：分子間通過分子間作用力相結合形成的晶體叫分子晶體。 (2)微粒間的作用：分子晶體中相鄰分子之間以分子間作用力相互吸引。 2．典型分子晶體的結構特征 (1)構成干冰晶體的結構微粒是CO2分子，微粒間的相互作用力是范德華力。 (2)從結構模型可以看出：干冰晶體是一種面心立方結構——每8個CO2分子構成立方體，在六個面的中心又各占據(jù)1個CO2分子。每個CO2分子周圍，離該分子最近且距離相等的CO2分子有12個。每個晶胞中有4個CO2分子。 3．分子晶體的物理特性 分子晶體中的微粒間是以范德華力或范德華力和氫鍵而形成的晶體，因此，分子晶體的熔、沸點較低，密度較小，硬度較小，較易熔化和揮發(fā)。 (1)常見的分子晶體 ①所有非金屬氫化物：H2O、NH3、CH4、H2S等； ②多數(shù)非金屬單質：鹵素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、紅磷、硫、稀有氣體(固態(tài))等； ③多數(shù)非金屬氧化物：CO2、SO2、SO3、P2O5等； ④幾乎所有的酸：H2SO4、CH3COOH、H3PO4等； ⑤絕大多數(shù)有機物：乙醇、蔗糖等。 (2)分子晶體的性質 ①分子晶體一般具有較低的熔點和沸點，較小的硬度、較強的揮發(fā)性。 ②分子晶體在固態(tài)、熔融時均不導電。 ③不同分子晶體在溶解度上存在較大差別，并且同一分子晶體在不同的溶劑中溶解度也有較大差別。 提醒　(1)稀有氣體固態(tài)時形成分子晶體，微粒之間只存在分子間作用力，分子內不存在化學鍵。 (2)分子晶體汽化或熔融時，克服分子間作用力，不破壞化學鍵。 例1　根據(jù)下列性質判斷所描述的物質可能屬于分子晶體的是(　　) A．熔點1070℃，易溶于水，水溶液能導電 B．熔點1128℃，沸點4446℃，硬度很大 C．熔點10.31℃，液態(tài)不導電，水溶液能導電 D．熔點97.81℃，質軟，導電，密度0.97gcm－3 答案　C 解析　A項，熔點1 070 ℃，熔點高，不符合分子晶體的特點，錯誤；B項，熔點1 128 ℃，沸點4 446 ℃，硬度很大，屬于離子晶體或原子晶體或金屬晶體的特點，分子晶體分子間只存在分子間作用力，熔、沸點低，錯誤；C項，熔點10.31 ℃，熔點低，符合分子晶體的熔點特點，液態(tài)不導電，只存在分子，水溶液能導電，溶于水后，分子被水分子離解成自由移動的離子，如CH3COOHCH3COO－＋H＋，有自由移動的離子，就能導電，正確；D項，熔點97.81 ℃，質軟、導電、密度0.97 gcm－3，是金屬鈉的物理性質，金屬鈉屬于金屬晶體，錯誤。 例2　甲烷晶體的晶胞結構如圖所示，下列說法正確的是(　　) A．甲烷晶胞中的球只代表1個C原子 B．晶體中1個CH4分子有12個緊鄰的CH4分子 C．甲烷晶體熔化時需克服共價鍵 D．1個CH4晶胞中含有8個CH4分子 答案　B 解析　題圖所示的甲烷晶胞中的球代表的是1個甲烷分子，并不是1個C原子，A錯誤；由甲烷晶胞分析，位于晶胞的頂點的某一個甲烷分子與其距離最近的甲烷分子有3個，而這3個甲烷分子在晶胞的面上，因此每個都被2個晶胞共用，故與1個甲烷分子緊鄰的甲烷分子數(shù)目為38＝12，B正確；甲烷晶體是分子晶體，熔化時克服范德華力，C錯誤；甲烷晶胞屬于面心立方晶胞，該晶胞中甲烷分子的個數(shù)為8＋6＝4，D錯誤。 例3　下列物質，按沸點降低順序排列的一組是(　　) 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分子間含有氫鍵，沸點反常；對結構相似的物質，B中沸點隨相對分子質量的增加而增大；D中沸點依次降低。 二、混合晶體——石墨 下圖分別是石墨的二維平面結構、層狀結構、層內的π鍵結構示意圖。 回答下列問題： 1．在石墨晶體中，同層的碳原子以3個共價鍵與另外三個碳原子相連。六個碳原子在同一個平面上形成了正六邊形的環(huán)，伸展成平面網(wǎng)狀結構。 2．在同一平面的碳原子還各剩下一個2p軌道，并含有一個未成對電子形成π鍵。電子比較自由，相當于金屬中的自由電子，所以石墨能導熱和導電，這正是金屬晶體的特征。 3．石墨晶體中網(wǎng)絡狀的平面結構以范德華力結合形成層狀的結構，距離較大，結合力較弱，層與層間可以相對滑動，使之具有潤滑性。 石墨晶體中既存在共價鍵，還存在范德華力，不能簡單地歸屬于任何一種晶體，所以石墨是一種混合晶體。 例4　碳元素的單質有多種形式，下圖依次是C60、石墨和金剛石的結構圖： 回答下列問題： (1)C60屬于________晶體，石墨屬于________晶體。 (2)在金剛石晶體中，碳原子數(shù)與化學鍵數(shù)之比為________________。 (3)石墨晶體中，層內C—C鍵的鍵長為142pm，而金剛石中C—C鍵的鍵長為154pm。推測金剛石的熔點________(填“>”“<”或“＝”)石墨的熔點。 答案　(1)分子　混合　(2)1∶2　(3)< 解析　(1)C60中構成微粒是分子，所以屬于分子晶體；石墨晶體有共價鍵、金屬鍵和范德華力，所以石墨屬于混合晶體。 (2)金剛石晶體中每個碳原子平均擁有的化學鍵數(shù)為4＝2，則碳原子數(shù)與化學鍵數(shù)之比為1∶2。 (3)石墨中的C—C鍵比金剛石中的C—C鍵鍵長短，鍵能大，故石墨的熔點高于金剛石。 方法規(guī)律——金剛石與石墨比較 晶體 金剛石 石墨 碳原子成鍵數(shù) 4 3 有無未成對價電子 無 有 最小環(huán)碳原子個數(shù) 6 6 含有1molC的晶體中所含化學鍵數(shù)目 2mol 1.5mol 1．分子晶體具有某些特征的本質原因是(　　) A．組成晶體的基本微粒是分子 B．熔融時不導電 C．基本構成微粒間以分子間作用力相結合 D．熔點一般比較低 答案　C 解析　分子晶體相對于其他晶體來說，熔、沸點較低，硬度較小，本質原因是其基本構成微粒間的相互作用——范德華力及氫鍵相對于化學鍵來說比較弱。 2．根據(jù)下列各物質的物理性質，判斷其固態(tài)肯定不屬于分子晶體的是(　　) ①溴化鋁(無色晶體，熔點98℃，熔融態(tài)不導電) ②碳化鋁(黃色晶體，熔點2200℃，熔融態(tài)不導電) ③氟化鋁(無色晶體，熔融時或溶于水時破壞了相同的作用力) ④五氟化釩(無色晶體，熔點19.5℃，易溶于乙醇) A．①②B．③④C．②③D．①④ 答案　C 解析　溴化鋁，無色晶體，熔點98℃，熔融態(tài)不導電，具有分子晶體的性質，屬于分子晶體，故①不選；碳化鋁，黃色晶體，熔點2200℃，熔融態(tài)不導電，應為原子晶體，故②選；氟化鋁，無色晶體，熔融時或溶于水時破壞了相同的作用力，說明破壞的是離子鍵，應為離子晶體，故③選；五氟化釩，無色晶體，熔點19.5℃，易溶于乙醇中，具有分子晶體的性質，屬于分子晶體，故④不選。 3．SiCl4的分子結構與CCl4相似，對其進行的下列推測不正確的是(　　) A．SiCl4晶體是分子晶體 B．常溫、常壓下SiCl4是氣體 C．SiCl4的分子是由極性鍵形成的非極性分子 D．SiCl4的熔點高于CCl4 答案　B 解析　由于SiCl4具有分子結構，所以一定屬于分子晶體；影響分子晶體熔、沸點的因素是分子間作用力的大小，在這兩種分子中都只有范德華力，SiCl4的相對分子質量大于CCl4，所以SiCl4的分子間作用力更大一些，熔、沸點更高一些；CCl4的分子是正四面體結構，SiCl4與它結構相似，因此也應該是正四面體結構，是含極性鍵的非極性分子。 4．石墨晶體是層狀結構，在每一層內，每個碳原子都跟其他3個碳原子相結合，如圖是其晶體結構的俯視圖，則圖中7個六元環(huán)完全占有的碳原子數(shù)是(　　) A．10B．18C．24D．14 答案　D 解析　每個六元環(huán)平均占有的碳原子數(shù)為6＝2，7個六元環(huán)完全占有的碳原子數(shù)為27＝14。 5．請回答下列問題： (1)下列有關石墨晶體的說法正確的是________(填字母，下同)。 a．由于石墨晶體導電，所以它是金屬晶體 b．由于石墨的熔點很高，所以它是原子晶體 c．由于石墨質軟，所以它是分子晶體 d．石墨晶體是一種混合晶體 (2)據(jù)報道，科研人員應用電子計算機模擬出來類似C60的物質N60，試推測下列有關N60的說法正確的是________。 a．N60易溶于水 b．N60是一種分子晶體，有較高的熔點和硬度 c．N60的熔點高于N2 d．N60的穩(wěn)定性比N2強 (3)已知碘晶胞結構如圖所示，請回答下列問題： ①碘晶體屬于________晶體。 ②碘晶體熔化過程中克服的作用力為______________。 ③假設碘晶胞中立方體的長為acm，阿伏加德羅常數(shù)的值為NA，則碘單質的密度為__________________。 答案　(1)d　(2)c　(3)①分子?、诜肿娱g作用力③gcm－3 解析　(1)石墨晶體中存在共價鍵、范德華力、大π鍵，故為混合晶體。(2)C60是一種單質，屬于分子晶體，而N60類似于C60，所以N60也是單質，屬于分子晶體，即具有分子晶體的一些性質，如硬度較小和熔、沸點較低。分子晶體的相對分子質量越大，熔、沸點越高。單質一般是非極性分子，難溶于水這種極性溶劑，因此a、b項錯誤，c項正確；N2分子以N≡N鍵結合，N60分子中只存在N—N鍵，而N≡N鍵比N—N鍵牢固得多，所以d項錯誤。(3)I2分子之間以分子間作用力結合，所以I2晶體屬于分子晶體。觀察碘的晶胞結構發(fā)現(xiàn)，一個晶胞中含有I2分子的數(shù)目為8＋6＝4，碘原子為8個。一個晶胞的體積為a3 cm3，質量為 g，則碘單質的密度為gcm－3。 [對點訓練] 題組一　分子晶體的判斷 1．下列各組物質均屬于分子晶體的是(　　) A．SO2，SiO2，P2O5 B．PCl3，CO2，H2SO4 C．SiC，H2O，NH3 D．HF，CO2，Si 答案　B 解析　SiO2、SiC、Si均為原子晶體。 2．下列晶體由原子直接構成，且屬于分子晶體的是(　　) A．固態(tài)氫 B．固態(tài)氖 C．磷 D．三氧化硫 答案　B 解析　稀有氣體分子都屬于單原子分子，因此稀有氣體形成的晶體屬于分子晶體且由原子直接構成。其他分子晶體一般由分子構成，如干冰、冰等。 3．某化學興趣小組，在學習分子晶體后，查閱了幾種氯化物的熔、沸點，記錄如下： NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 CaCl2 熔點/℃ 801 712 190 －68 782 沸點/℃ 1465 1418 230 57 1600 根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析，屬于分子晶體的是(　　) A．NaCl、MgCl2、CaCl2 B．AlCl3、SiCl4 C．NaCl、CaCl2 D．全部 答案　B 解析　由于由分子構成的晶體，分子與分子之間以分子間作用力相互作用，而分子間作用力較小，克服分子間作用力所需能量較低，故分子晶體的熔、沸點較低，表中的MgCl2、NaCl、CaCl2熔、沸點很高，很明顯不屬于分子晶體，AlCl3、SiCl4熔、沸點較低，應為分子晶體，B項正確，A、C、D三項錯誤。 4．(2017合肥六中月考)AB型化合物形成的晶體結構多種多樣。下圖所示的幾種結構所表示的物質最有可能是分子晶體的是(　　) A．①③ B．②⑤ C．⑤⑥ D．③④⑤⑥ 答案　B 解析　從各圖中可以看出②⑤都不能再以化學鍵與其他原子結合，所以最有可能是分子晶體。 題組二　分子晶體的結構與性質 5．BeCl2熔點較低，易升華，溶于醇和醚，其化學性質與AlCl3相似。由此可推測BeCl2(　　) A．熔融態(tài)不導電 B．水溶液呈中性 C．熔點比BeBr2高 D．不與NaOH溶液反應 答案　A 解析　由題知BeCl2熔點較低，易升華，溶于醇和醚，應屬于分子晶體，所以熔融態(tài)不導電；對于組成相似的分子晶體，相對分子質量越大，范德華力越大，其熔、沸點越高，因此BeCl2的熔點比BeBr2的低；BeCl2的化學性質與AlCl3相似，根據(jù)AlCl3能和NaOH溶液反應，則BeCl2也可與NaOH溶液反應；AlCl3水溶液中由于鋁離子水解而呈酸性，推知BeCl2也具有此性質。 6．下圖是冰的一種骨架形式，依此為單位向空間延伸，則該冰中的每個水分子有幾個氫鍵(　　) A．2 B．4 C．8 D．12 答案　A 解析　每個水分子與四個方向的其他4個水分子形成氫鍵，每個氫鍵為2個水分子所共有，因此每個水分子具有的氫鍵個數(shù)為4＝2。 7．中學教材上介紹的干冰晶體是一種立方面心結構，如圖所示，即每8個CO2構成立方體，且在6個面的中心又各占據(jù)1個CO2分子，在每個CO2周圍距離a(其中a為立方體棱長)的CO2有(　　) A．4個B．8個C．12個D．6個 答案　C 解析　在每個CO2周圍距離a的CO2即為每個面心上的CO2分子，在X、Y、Z三個方向上各有4個，所以應為12個。 8．晶胞是晶體結構中可重復出現(xiàn)的最小的結構單元，C60晶胞結構如下圖所示，下列說法正確的是(　　) A．C60摩爾質量是720 B．C60與苯互為同素異形體 C．在C60晶胞中有14個C60分子 D．每個C60分子周圍與它距離最近且等距離的C60分子有12個 答案　D 題組三　常見晶體結構與性質的綜合 9．下列有關晶體的敘述中，錯誤的是(　　) A．分子晶體熔化時化學鍵一般不被破壞 B．白磷晶體中，結構粒子之間通過共價鍵結合 C．構成分子晶體的結構粒子中可能存在共價鍵 D．石英晶體是直接由硅原子和氧原子通過共價鍵所形成的空間網(wǎng)狀結構的晶體 答案　B 解析　分子晶體是通過分子間作用力將分子結合在一起的，所以熔化時，分子內部的化學鍵未發(fā)生變化，破壞的只是分子間作用力，A正確；白磷晶體是分子晶體，在P4內部存在共價鍵，而結構粒子(P4)之間是通過分子間作用力結合的，B錯誤；稀有氣體在固態(tài)時也屬于分子晶體，而稀有氣體是單原子分子，在分子內部不存在共價鍵，在干冰晶體中，CO2分子內存在共價鍵，C正確；石英晶體是原子晶體，D正確。 10．金剛石和石墨是碳的兩種常見單質，下列關于兩種晶體的比較正確的是(　　) A．兩種晶體中碳原子成鍵數(shù)目相同 B．晶體的熔點：金剛石>石墨 C．晶體中共價鍵的鍵角：金剛石>石墨 D．金剛石晶體中只含有共價鍵，石墨晶體中則存在共價鍵、金屬鍵和范德華力 答案　D 11．對于鈉的鹵化物(NaX)和硅的鹵化物分子(SiX4)，下列敘述正確的是(　　) A．SiX4呈空間網(wǎng)狀結構，硬度大 B．NaX的熔點一般高于SiX4 C．NaX易水解 D．SiX4由原子構成，熔化時破壞共價鍵 答案　B 解析　硅的鹵化物(SiX4)屬于分子晶體，不是空間網(wǎng)狀結構，其硬度較小，A錯誤；鈉的鹵化物(NaX)為離子化合物，屬于離子晶體，硅的鹵化物(SiX4)為共價化合物，屬于分子晶體，離子晶體的熔點大于分子晶體的熔點，即NaX的熔點一般高于SiX4，故B正確；鈉的強酸鹽不水解，NaX(NaF除外)不易水解，C錯誤；硅的鹵化物(SiX4)是由分子構成的，屬于分子晶體，熔化時破壞分子間作用力，故D錯誤。 12．氮化硼(BN)晶體有多種相結構。六方相氮化硼是通常存在的穩(wěn)定相，與石墨相似，具有層狀結構，可作高溫潤滑劑；立方相氮化硼是超硬材料，有優(yōu)異的耐磨性。它們的晶體結構如圖所示，下列關于這兩種晶體的說法正確的是(　　) A．六方相氮化硼與石墨一樣可以導電 B．立方相氮化硼含有σ鍵和π鍵，所以硬度大 C．兩種晶體均為分子晶體 D．六方相氮化硼晶體層內一個硼原子與相鄰氮原子構成的空間構型為平面三角形 答案　D 解析　A項，六方相氮化硼晶體中沒有可以自由移動的電子或離子，所以不導電，錯誤；B項，立方相氮化硼中只含有σ鍵，錯誤；C項，立方相氮化硼是原子晶體，錯誤；D項，由六方相氮化硼的晶體結構可知，每個硼原子與相鄰3個氮原子構成平面三角形，正確。 [綜合強化] 13．石墨的片層結構如圖所示，請回答下列問題： (1)平均________個碳原子構成一個正六邊形。 (2)石墨晶體每一層內碳原子數(shù)與碳碳化學鍵之比是________。 (3)ng碳原子可構成________個正六邊形。 答案　(1)2　(2)2∶3　(3) 解析　(1)利用點與面之間的關系，平均每個正六邊形含碳原子：61/3＝2個。 (2)分析每一個正六邊形：①所占的碳原子數(shù)為6＝2； ②所占的碳碳鍵數(shù)為6＝3，故答案為2∶3。 (3)ng碳原子數(shù)為NA，故答案為＝。 14．據(jù)報道科研人員應用計算機模擬出結構類似C60的物質N60。已知：①N60分子中每個氮原子均以N—N鍵結合三個N原子而形成8電子穩(wěn)定結構；②N—N鍵的鍵能為167 kJmol－1。請回答下列問題： (1)N60分子組成的晶體為________晶體，其熔、沸點比N2________(填“高”或“低”)，原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)1molN60分解成N2時吸收或放出的熱量是_____________________________kJ(已知N≡N鍵的鍵能為942kJmol－1)，表明穩(wěn)定性N60________(填“>”“<”或“＝”)N2。 (3)由(2)列舉N60的用途(舉一種)：___________________________________________。 答案　(1)分子　高　N60、N2均形成分子晶體，且N60的相對分子質量大，分子間作用力大，故熔、沸點高 (2)13230　< (3)N60可作高能炸藥(其他合理答案也可) 解析　(1)N60、N2形成的晶體均為分子晶體，因Mr(N60)>Mr(N2)，故N60晶體中分子的范德華力比N2晶體大，N60晶體的熔、沸點比N2晶體高。 (2)因每個氮原子形成三個N—N鍵，每個N—N鍵被2個N原子共用，故1 mol N60中存在N—N鍵：1 mol603＝90 mol。發(fā)生的反應為N60===30N2，故ΔH＝90167 kJmol－1－30942 kJmol－1＝－13 230 kJmol－1<0，為放熱反應，表明穩(wěn)定性N2>N60。 (3)由于反應放出大量的熱同時生成大量氣體，因此N60可用作高能炸藥。 15．德國和美國科學家首次制出了由20個碳原子組成的空心籠分子C20，該籠狀結構是由許多正五邊形構成的(如右圖所示)。請回答下列問題： (1)C20分子中共有________個正五邊形，共有______條棱邊。C20晶體屬于______(填晶體類型)。 (2)科學界擬合成一種“二重構造”的球形分子(C60Si60)，即把“足球型”的C60置于“足球型”的Si60內，并把硅原子與碳原子以共價鍵結合。合成“二重構造”球形分子C60Si60的化學反應類似于________(填字母)。 A．由乙烯制聚乙烯 B．乙酸與乙醇制乙酸乙酯 C．乙醇制乙醛 D．乙烯與丙烯合成乙丙樹脂 答案　(1)12　30　分子晶體 (2)AD 解析　(1)正五邊形＝＝12，棱邊＝＝30。 (2)由于C60和Si60相似，所以該反應類似于加聚反應。