分子晶体和原子晶体

分子晶体和原子晶体 【本讲教育信息】 一. 教学: 分子晶体和原子晶体 二、教学目标 使学生了解分子晶体的组成粒子、结构模型和结构特点及其性质的一般特点;了解晶体类型与性质的关系;理解分子间作用力和氢键对物质物理性质的影响;知道一些常见的属于分子晶体的物质类别。 掌握原子晶体的概念，能够区分原子晶体和分子晶体;了解金刚石等典型原子晶体的结构特征;能描述原子晶体的结构与性质的关系。 三、教学重点、难点 分子晶体的组成粒子、结构模型和结构特点及其性质的一般特点，分子间作用力和氢键对物质物理性质的影响。 原子晶体的结构与性质的关系，原子晶体与分子晶体的判断。 四、教学过程: (一)分子晶体: 构成晶体的微粒间通过分子间作用力相互作用所形成的晶体，称为分子晶体。分子晶体中存在的微粒是分子，不存在离子。较典型的分子晶体有非金属氢化物，部分非金属单质，部分非金属氧化物，几乎所有的酸，绝大多数有机物的晶体等。 分子晶体中存在的相互作用力主要是分子间作用力，它是分子间存在着一种把分子聚集在一起的作用力，叫做分子间作用力，也叫范徳华力。分子间作用力只影响物质的熔沸点、硬度、密度等物理性质，分子晶体一般都是绝缘体，熔融状态不导电。 对于某些含有电负性很大的元素的原子和氢原子的分子，分子间还可以通过氢键相互作用。氢键的形成条件:它是由已经与电负性很强的原子形成共价键的氢原子与另一分子中电负性很强的原子之间的作用力形成，(它不属于化学键)一般表示为 X—H„Y。这种静电吸引作用就是氢键。氢键同样只影响物质的熔沸点和密度，对物质的化学性质没有影响 分子晶体的结构特征: 没有氢键的分子密堆积排列，如CO等分子晶体，分子间的作用力主要是分子间作用力，2 以一个分子为中心，每个分子周围有12个紧邻的分子存在。 如:干冰的晶体结构 还有一类分子晶体，其结构中不仅存在分子间作用力，同时还存在氢键，如:冰。此时，水分子间的主要作用力是氢键，每个水分子周围只有4个水分子与之相邻。称为非密堆积结构。 如图，冰的晶体结构: 说明: 1、分子晶体的构成微粒是分子，分子中各原子一般以共价键相结合。因此，大多数共价化合物所形成的晶体为分子晶体。如:部分非金属单质、非金属氢化物、部分非金属氧化物、几乎所有的酸以及绝大多数的有机物等都属于分子晶体。但并不是所有的分子晶体中都存在共价键，如:由单原子构成的稀有气体分子中就不存在化学键。也不是共价化合物都是分子晶体，如二氧化硅等物质属于原子晶体。 2、由于构成晶体的微粒是分子，因此分子晶体的化学式可以表示其分子式，即只有分子晶体才存在分子式。 3、分子晶体的微粒间以分子间作用力或氢键相结合，因此，分子晶体具有熔沸点低、硬度密度小，较易熔化和挥发等物理性质。 4、影响分子间作用力的大小的因素有分子的极性和相对分子质量的大小。一般而言，分子的极性越大、相对分子质量越大，分子间作用力越强。 5、分子晶体的熔沸点的高低与分子的结构有关:在同样不存在氢键时，组成与结构相似的分子晶体，随着相对分子质量的增大，分子间作用力增大，分子晶体的熔沸点增大;对于分子中存在氢键的分子晶体，其熔沸点一般比没有氢键的分子晶体的熔沸点高，存在分子间氢键的分子晶体的熔沸点比存在分子内氢键的分子晶体的熔沸点高。 6、分子晶体的溶解性与溶剂和溶质的极性有关:一般情况下，极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂——这就是相似相溶原理。如:HCl、等分子晶体易溶于水，而溴和碘等分子则易溶于汽油和四氯化碳等非极性溶剂。 7、分子间作用力不具有方向性和饱和性，而氢键具有方向性和饱和性。所以，不存在氢键的分子晶体可以以紧密堆砌的方式排列，而存在氢键的分子晶体则必须在一定的方向上堆砌排列。由于水中存在氢键，所以水在凝结成冰时，体积增大，密度减小。 8、氢键与分子间作用力的比较: 分 类 分子间作用力 氢 键 分子中与氢原子形成共价键的非金属原子，如 果吸引电子的能力很强，原子半径又很小，则物质分子之间存在的使氢原子几乎成为“裸露”的质子，带部分正概 念 微弱的相互作用(实质电荷，这样的分子之间，氢核与带部分负电荷上也是静电作用) 的非金属 原子相互吸引，这种静电作用就是氢键 某些含氢化合物分子间(如:HF、HO、NH、 23存在范围 分子间 乙醇等) 强度比较 比化学键弱很多 比化学键弱得多，比分子间作用力强 随着分子的极性与相 影响强度 对分子质量的增大而形成氢键的非金属原子，其吸引电子的能力越 的因素 增大。组成和结构相似强、半径越小，则氢键越强 的物质，相对分子质量 越大，分子间作用力越 大 9、干冰的熔沸点比冰低，但密度却比冰大的原因是: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。同时，由于分子间作用力特别是氢键的方向性，导致晶体冰中有相当大的空隙，所以相同状况下体积较大。由于CO分子的相对分子质2 量>HO，所以干冰的密度大。 2 (二)原子晶体: 相邻原子间以共价键相结合而形成的空间网状结构的晶体称为原子晶体。构成原子晶体的微粒是原子，微粒间的相互作用力是共价键，由于共价键的键能比分子间作用力要大得多，因此原子晶体具有很高的熔沸点和硬度，一般不导电(硅属于半导体材料)，一般不溶于溶剂等性质。 常见的原子晶体有:金刚石、晶体硅、二氧化硅和碳化硅等。 如金刚石的晶体结构和晶胞、二氧化硅的晶体结构: 金刚石的晶体结构中，每个碳原子与四个碳原子相互结合形成四个共价键，形成正四面体型结构，晶体中每个最小的环为六元环;另外二氧化硅晶体结构与金刚石相似，每个最小的环由六个氧原子和六个硅原子构成，为十二元环，每个硅原子结合四个氧原子、每个氧原子结合二个硅原子，因此晶体中硅、氧原子的个数比为1:2，则二氧化硅的化学式为SiO，2晶体中每个硅原子被12个环所共有。 说明: 1、原子晶体的构成微粒是原子，原子间通过共价键相互结合，因此原子晶体的物理性质与分子晶体有明显的不同，有熔沸点高，硬度、密度大等特点。原子晶体中不存在分子，其化学式表示晶体中各组成微粒的原子个数比，这一点也与分子晶体不同。 2、原子晶体中原子间以共价键相互连接，但并不是存在共价键的晶体就是原子晶体。如:水、干冰等晶体都存在共价键，但它们属于分子晶体。 3、判断晶体类型的依据: (1)看构成晶体的微粒种类及微粒间的相互作用。 对分子晶体,构成晶体的微粒是分子，微粒间的相互作用是分子间作用力;对于原子晶体，构成晶体的微粒是原子，微粒间的相互作用是共价键。 (2)看物质的物理性质(如:熔、沸点或硬度)。一般情况下，不同类晶体熔点高低顺序是原子晶体比分子晶体的熔、沸点高得多，硬度、密度也要大得多。 (3)依据导电性判断: 分子晶体为非导体，但部分分子晶体溶于水后能导电; 原子晶体多数为非导体，但晶体硅、晶体锗是半导体。 (4)依据硬度和机械性能判断: 原子晶体硬度大，分子晶体硬度小且较脆。 4、比较晶体的熔沸点的高低，首先要比较晶体的类型。分子晶体的熔沸点比较其分子的 极性、相对分子质量以及能不能形成氢键。而原子晶体熔沸点的高低与其内部结构有着密切关系:对结构相似的原子晶体而言，原子半径越小、键长越短、键能越大，晶体的熔沸点越高。 5、CO、SiO都属于第?A族的氧化物，但两者的熔沸点、硬度等物理性质存在较大的22 差异，但CO却比SiO稳定得多:主要是因为CO是分子晶体，SiO是原子晶体，所以熔化2222 时CO是破坏范德华力而SiO是破坏化学键。所以SiO熔沸点高。而破坏CO分子与SiO22222时，都是破坏共价键，而C-O键能>Si-O键能，所以CO分子更稳定。 2 (三)过渡型晶体(混合型晶体) 石墨是一种结晶形碳，有天然出产的矿物。铁黑色至深钢灰色。质软具滑腻感，可沾污手指成灰黑色。有金属光泽。六方晶系，成叶片状、鳞片状和致密块状。密度2.25g/，化学性质不活泼。具有耐腐蚀性，在空气或氧气中可以强热燃烧生成二氧化碳。石墨可用作润滑剂，并用于制造坩锅、电极、铅笔芯等。它既具有金属晶体的性质(导电性)，又具有分子晶体的性质(质地很软)，同时还具备原子晶体的特性(熔沸点高)等。因此化学上把石墨称为过渡型晶体(又称混合型晶体)。 石墨晶体是一种层状结构:层与层之间以分子间作用力相互连接，而同一层内各原子间以共价键相互结合。如图所示: 所以石墨晶体的质地较软、熔沸点很高。 说明: 1、石墨为层状结构，各层之间以范德华力结合，容易滑动，所以石墨很软。 2、石墨各层均为平面网状结构，碳原子之间存在很强的共价键(大π键)，故熔沸点很高。石墨层状结构中六个碳原子构成平面六元环，平均每个环占有2个碳原子、三个碳碳键。 3、在金刚石中每个碳原子与相邻的四个碳原子经共价键结合形成正四面体结构，碳原子所有外层电子均参与成键，无自由电子，所以不导电。而石墨晶体中，每个碳原子以三个共价键与另外三个碳原子相连，在同一平面内形成正六边形的环。这样每个碳原子上仍有一个电子未参与成键，电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导电。 【典型例题】 例1. 共价键、离子键和范德华力是构成物质粒子间的不同作用方式，下列物质中，只含有上述一种作用的是 A. 干冰 B. 氯化钠 C. 氢氧化钠 D. 碘 解析:干冰是分子晶体，分子内存在共价键，分子间存在范德华力。NaCl是离子晶体只存在离子键。 NaOH是离子晶体，不仅存在离子键，还存在H—O间共价键。 碘也是分子晶体，分子内存在共价键，分子间存在分子间作用力。故只有B符合题意。 答案:B 例2. 在解释下列物质性质的变化规律与物质结构间的因果关系时，与键能无关的变化规律是 A. HF、HCI、HBr、HI的热稳定性依次减弱 B. NaF、NaCl、NaBr、NaI的熔点依次降低 C. F、C1、Br、I的熔沸点逐渐升高 2222 D. HS的熔沸点小于HO的熔沸点 22 解析:HF、HCl、HBr、HI热稳定性依次减弱是它们的共价键键能逐渐减小的原因，与键能有关。NaF、 NaCl、NaBr、NaI的熔点依次降低是它们的离子键能随离子半径增大逐渐减小的原因。F、C1、Br、I为分子晶体，结构相似，熔、沸点高低由相对分子质量决2222 定，它们的相对分子质量逐渐增大，因此分子间的作用力也逐渐增大，熔沸点逐渐升高。HS与HO的熔沸点高低由分子间作用力及分子的极性是否存在氢键决定，同时，水分子22 间还可以形成氢键，而HS分子间不能形成氢键。故选C、D。 2 答案:C、D 例3. 2003年美国《科学》杂志报道:在超高压下，科学家用激光器将CO加热到1800K，2成功制得了类似石英的CO原子晶体。下列关于CO晶体的叙述中不正确的是 22 A. 晶体中C、O原子个数比为1?2 B. 该晶体的熔点、沸点高、硬度大 C. 晶体中C—O—C键角为180? 电子结构 D. 晶体中C、O原子最外层都满足8 解析:CO原子晶体的结构与SiO相似，每个碳原子周围连接4个氧原子，每个氧原子22 连接2个碳原子，所以晶体中碳氧原子的个数比为1:2，碳原子位于正四面体的中心，O,C,O的键角为109?28′，晶体中每个C、O原子最外层均达到8电子稳定结构。同时原子晶体具有熔沸点高、硬度大等性质特点。故本题选C 答案:C 例4. 在干冰晶体中每个CO分子周围紧邻的 CO分子有___________个，在晶体中截取一22 个最小的正方形;使正方形的四个顶点都落到CO分子的中心，则在这个正方形的平面上有2 ___________个CO分子。 2 解析:此题对干冰的晶体模型十分熟悉。以右下角CO分子研究对象:与其紧邻的2 为面心上的3个CO分子，而CO分子被8个这样的立方体所共有，故有3×8=24。又考虑到22 面心上的 CO被2个这样的立方体共有，故24/2=12个。由CO晶体模型分析得出，符合题意22 的最小正方形即模型的对角面的一半，不难看出有4个CO分子。 2 答案:12，4 例5. 氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1300?反应获得。 (1)氮化硅晶体属于_________晶体。 (2)已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且N原子与N原子，Si原子与Si原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式_______. (3)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得到较高纯度的氮化硅。反应的化学方程式为_______________________. 解析:原子晶体具有熔沸点高、硬度大等特点，因此氮化硅晶体属于原子晶体，所以氮化硅的晶体结构中每个氮原子周围连接3个硅原子，而每个硅原子周围连接4个氮原子，相互之间通过共价键相连形成立体网状结构，在原子的最外层形成8电子的稳定结构，故氮化硅的化学式为:SiN。四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下生成氮化硅，反应方程式为: 34 3SiCl+2N+6H=SiN+12HCl 42234 答案:原子、SiN、3SiCl+2N+6H=SiN+12HCl 3442234 【模拟试题】(答题时间:45分钟) 1. 下列属于分子晶体的一组物质是 A. CaO、NO、CO B. CCl、HO、He 422 C. CO、SO、NaCl D. CH、O、NaO 224222. 下列性质符合分子晶体的是 A. 熔点1070?，易溶于水，水溶液能导电 B. 熔点是10.31?，液体不导电，水溶液能导电 3，质软，能导电，密度是0.97g/cm C. 熔点97.81? D. 熔点，熔化时能导电，水溶液也能导电 3. 下列说法正确的是 A. 离子化合物中可能含有共价键 B. 分子晶体中的分子内不含有共价键 C. 分子晶体中一定有非极性共价键 D. 分子晶体中分子一定紧密堆积 4. 干冰汽化时，下列所述内容发生变化的是 A. 分子内共价键 B. 分子间作用力 C. 分子间距离 D. 分子间的氢键 5. 在金刚石的网状结构中，含有共价键形成的碳原子环，其中最小的环上，碳原子数是 A. 2个 B. 3个 C. 4个 D. 6个 6. 在x mol石英晶体中，含有的Si-O键数是 A. x mol B. 2x mol C. 3 x mol D. 4x mol 7. 石墨晶体是层状结构，在每一层内;每一个碳原子都跟其他3个碳原子相结合，如图是其晶体结构的俯视图，则图中7个六元环完全占有的碳原子数是 A. 10个 B. 18个 C. 24个 D. 14个 8. 石英玻璃是将纯石英在1600?高温下熔化，冷却后形成的玻璃体。关于石英玻璃的结构和性质的叙述中正确的是 A. 石英玻璃属于原子晶体 B. 石英玻璃耐高温且能抵抗一切酸的腐蚀 C. 石英玻璃的结构类似于液体 D. 石英玻璃能经受高温剧变且能抗碱的腐蚀 9. 已知CN晶体具有比金刚石还大的硬度，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列34 关于CN晶体的说法错误的是 34 A. 该晶体属于原子晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固 B. 该晶体中每个碳原子连接4个氮原子、每个氮原子连接3个碳原子 C. 该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构 D. 该晶体与金刚石相似，都是原子间以非极性键形成空间网状结构 10. 碳化硅(SiC)具有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。在下列三种晶体?金刚石?晶体硅?碳化硅中，它们的熔点从高到低的顺序是 A. ??? B. ??? C. ??? D. ??? 11. “可燃冰”是深藏在海底的白色晶体，存储量巨大，是人类未来极具潜在优势的洁净能源。在高压低温条件下,由水分子形成空间笼状结构，笼中“关”甲烷而形成，如某种可 O。 燃冰的存在形式为CH?5.75H24 (1)“可燃冰” CH?5.75HO的分子中，m(CH):m(HO)= 4242 (2)若要从“可燃冰”中分离出甲烷，可用下列两种:?在一定温度下， 使气体从水合物中分离出来，在一定压力下， 使气体从水合物中分离出来。 12. 短周期元素X、Y、Z在周期表中位置关系如图: X Y Z (1)X元素的单质分子式是_______，若X核内中子数和质子数相等，X单质的摩尔质量为_______，单质是_______晶体。 (2)Z单质的晶体类型属于_______，Z的氢化物和最高价氧化物的浓溶液反应的化学方程式为____________________________。 13. 单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据: ?晶体硼的晶体类型属于____________晶体，理由是________________________。 已知晶体硼结构单元是由硼原子组成的正二十面体，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点上各有1个B原子。通过观察图形及推算，此晶体结构单元由______个硼原子构成。其中B—B键的键角为________。共含有_______个B—B键。 14. (1)下图为固态CO的晶体结构示意图。通过观察分析，可得出每个CO分子周围22与之紧邻等距的CO有 个。 2 (2)试判断:?SiO，?CO，?CS晶体的熔点由高到低排列的顺序是 .(填相应222 物质的编号)。 (3)在一定温度下，用x射线衍射法测干冰晶胞(晶体中最小的重复单位)边长: a,5.72×，该温度下干冰的密度为多少, 【试题答案】 1. B 2. B 3. A 4. BC 5. D 6. D 7. D 8. C 9. D 10. A 11. 约为2:13;降低压强、升高温度 12. He 4g/mol 分子;分子晶体 3PH，HPO,(PH)PO 334434 13. 原子;熔点高、硬度大;12;60?;30 14. 12;? > ? >?;利用ρ,m/V解得ρ,1.56g/mL。