第二節(jié)　分子晶體與共價晶體基礎(chǔ)課時11　分子晶體學(xué) 習(xí) 任 務(wù)1．結(jié)合常見的共價分子的實例，認(rèn)識物質(zhì)的構(gòu)成微粒、微粒間相互作用與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系，培養(yǎng)宏觀辨識與微觀探析的化學(xué)核心素養(yǎng)。2．借助分子晶體模型認(rèn)識分子晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。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。一、分子晶體及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1．概念只含分子的晶體。2．粒子間的作用分子晶體中相鄰的分子間以分子間作用力相互吸引。3．常見分子晶體及物質(zhì)類別物質(zhì)種類實例所有非金屬氫化物H2O、NH3、CH4等部分非金屬單質(zhì)鹵素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)等部分非金屬氧化物CO2、P4O10、SO2、SO3等幾乎所有的酸HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等絕大多數(shù)有機(jī)物苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等4．分子晶體的常見堆積方式分子間作用力堆積方式實例范德華力分子采用密堆積，每個分子周圍有12個緊鄰的分子如C60、干冰、I2、O2范德華力、氫鍵分子不采用密堆積，每個分子周圍緊鄰的分子少于12個如HF、NH3、冰　(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)分子晶體中只存在分子間作用力。 (×)(2)分子晶體熔化時共價鍵斷裂。 (×)(3)分子晶體中氫鍵越強(qiáng)，分子越穩(wěn)定。 (×)(4)分子晶體中一定含有分子間作用力，不一定含有化學(xué)鍵。 (√)　下列各組物質(zhì)各自形成晶體，均屬于分子晶體的化合物是(　　)A．NH3、P4、C10H8  B．PCl3、CO2、H2SO4C．SO2、SiO2、P2O5  D．CCl4、H2O、Na2O2B　[A選項中，P4(白磷)為單質(zhì)，不是化合物；C選項中，SiO2為共價晶體；D選項中，Na2O2是離子化合物屬于離子晶體。]二、兩種典型的分子晶體的組成和結(jié)構(gòu)1．冰(1)水分子之間的主要作用力是氫鍵，當(dāng)然也存在范德華力。(2)氫鍵有方向性，它的存在迫使在四面體中心的每個水分子與四面體頂角方向的4個相鄰水分子互相吸引。2．干冰(1)干冰中的CO2分子間只存在范德華力，不存在氫鍵。(2)①每個晶胞中有4個CO2分子，12個原子。②每個CO2分子周圍等距離緊鄰的CO2分子數(shù)為12個。　(1)CO能與金屬Fe形成Fe(CO)5，該化合物熔點(diǎn)為253 K，沸點(diǎn)為376 K，其固體屬于________晶體。(2)F2與其他鹵素單質(zhì)反應(yīng)可以形成鹵素互化物，如ClF3、BrF3，常溫下它們都是易揮發(fā)的液體。ClF3的熔、沸點(diǎn)比BrF3的________(填“高”或“低”)。(3)下圖為CO2分子晶體結(jié)構(gòu)的一部分，觀察圖形。試說明每個CO2分子周圍有________個與之緊鄰的CO2分子；該結(jié)構(gòu)單元平均占有________個CO2分子。[解析]　(1)該化合物熔點(diǎn)為253 K，沸點(diǎn)為376 K，熔、沸點(diǎn)較低，所以為分子晶體。(2)組成和結(jié)構(gòu)相似的分子晶體，相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大，熔、沸點(diǎn)越高，所以ClF3的熔、沸點(diǎn)比BrF3的低。[答案]　　(1) 分子　(2)低　(3)12　4三、分子晶體的物理性質(zhì)1．物理特性(1)分子晶體的熔、沸點(diǎn)較低，密度較小，硬度較小，較易熔化和揮發(fā)。(2)一般是絕緣體，熔融狀態(tài)不導(dǎo)電。(3)溶解性符合“相似相溶規(guī)律”。2．分子晶體熔、沸點(diǎn)高低的比較規(guī)律(1)分子晶體中分子間作用力越大，物質(zhì)熔、沸點(diǎn)越高，反之越低。(2)具有氫鍵的分子晶體，熔、沸點(diǎn)反常高。　SiCl4的分子結(jié)構(gòu)與CCl4類似，對其作出如下推斷，其中正確的是(　　)①SiCl4晶體是分子晶體　②常溫、常壓下SiCl4是液體　③SiCl4的分子是由極性鍵形成的非極性分子　④SiCl4的熔點(diǎn)高于CCl4A．只有① B．只有①②C．只有②③ D．全部D　[我們熟悉的CCl4在常溫下是液體，形成的晶體是分子晶體，而SiCl4的結(jié)構(gòu)與CCl4相似，都是由極性鍵形成的非極性分子，故SiCl4形成的晶體也是分子晶體，由于相對分子質(zhì)量SiCl4>CCl4，故SiCl4的熔點(diǎn)高于CCl4。]探究分子晶體結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)的關(guān)系材料1　冰山是極為寶貴的淡水資源，可惜目前人類還沒有辦法利用它們。冰山產(chǎn)生的速率在北冰洋為每年約2 800億立方米，在南極為每年約18 000億立方米。大多數(shù)冰山的比重為0.9，因此其質(zhì)量的6/7在海面以下。冰山露出水面的一角僅僅是整座冰山的1/10。北冰洋的冰山高可達(dá)數(shù)十米，長可達(dá)一二百米，形狀多樣。南極冰山一般呈平板狀，同北冰洋冰山相比，不僅數(shù)量多，而且體積巨大。材料2　冰的結(jié)構(gòu)和干冰的晶胞如圖[問題1]　已知?dú)滏I也有方向性，試分析為什么冬季河水總是從水面上開始結(jié)冰？提示：由于氫鍵的方向性，使冰晶體中每個水分子與四面體頂角方向的4個分子相互吸引，形成空隙較大的網(wǎng)狀晶體，密度比水小，所以結(jié)的冰會浮在水面上。[問題2]　為什么冰融化為水時，密度增大？提示：在冰晶體中，每個分子周圍只有4個緊鄰的水分子，由于水分子之間的主要作用力是氫鍵，氫鍵跟共價鍵一樣具有方向性，即氫鍵的存在迫使在四面體中心的每個水分子與四面體頂角方向的4個相鄰水分子相互吸引，這一排列使冰晶體中的水分子的空間利用率不高，留有相當(dāng)大的空隙。當(dāng)冰剛剛?cè)诨癁橐簯B(tài)水時，熱運(yùn)動使冰的結(jié)構(gòu)部分解體，水分子間的空隙減小，密度反而增大。[問題3]　為什么干冰的熔沸點(diǎn)比冰低而密度卻比冰大？提示：由于冰中除了范德華力外還有氫鍵作用，破壞分子間作用力較難，所以熔沸點(diǎn)比干冰高。由于水分子間氫鍵的方向性，導(dǎo)致冰晶體不具有分子密堆積特征，冰晶體中有相當(dāng)大的空隙，所以相同狀況下冰體積較大。由于CO2分子的相對分子質(zhì)量＞H2O分子的相對分子質(zhì)量，所以干冰的密度大。[問題4]　干冰升華過程中破壞共價鍵嗎？提示：干冰升華的過程中破壞分子間作用力，不破壞共價鍵。1．分子晶體的物理性質(zhì)(1)分子晶體具有較低的熔、沸點(diǎn)和較小的硬度。分子晶體熔化時要破壞分子間作用力，由于分子間作用力很弱，所以分子晶體的熔、沸點(diǎn)一般較低，部分分子晶體易升華(如干冰、碘、紅磷、萘等)，且硬度較小。(2)分子晶體不導(dǎo)電。分子晶體在固態(tài)和熔融狀態(tài)下均不存在自由移動的離子或自由電子，因而分子晶體在固態(tài)和熔融狀態(tài)下都不能導(dǎo)電。有些分子晶體的水溶液能導(dǎo)電，如HI、乙酸等。(3)分子晶體的溶解性一般符合“相似相溶”規(guī)律，即極性分子易溶于極性溶劑，非極性分子易溶于非極性溶劑。如：H2O是極性溶劑，SO2、H2S、HBr等都是極性分子，它們在水中的溶解度比N2、O2、CH4等非極性分子在水中的溶解度大。苯、CCl4是非極性溶劑，則Br2、I2等非極性分子易溶于其中，而水則不溶于苯和CCl4中。2．分子晶體熔、沸點(diǎn)比較規(guī)律 (1)少數(shù)主要以氫鍵作用形成的分子晶體，比一般的分子晶體的熔、沸點(diǎn)高，如含有H—F、H—O、H—N等共價鍵的分子間可以形成氫鍵，所以HF、H2O、NH3、醇、羧酸等物質(zhì)的熔、沸點(diǎn)相對較高。(2)組成與結(jié)構(gòu)相似，分子之間不含氫鍵而只利用范德華力形成的分子晶體，隨著相對分子質(zhì)量的增大，物質(zhì)的熔、沸點(diǎn)逐漸升高。例如，常溫下Cl2呈氣態(tài)，Br2呈液態(tài)，而I2呈固態(tài)；CO2呈氣態(tài)，CS2呈液態(tài)。(3)相對分子質(zhì)量相等或相近的極性分子構(gòu)成的分子晶體，其熔、沸點(diǎn)一般比非極性分子構(gòu)成的分子晶體的熔、沸點(diǎn)高，如CO的熔、沸點(diǎn)比N2的熔、沸點(diǎn)高。(4)有機(jī)物中組成和結(jié)構(gòu)相似且不存在氫鍵的同分異構(gòu)體，相對分子質(zhì)量相同，一般支鏈越多，分子間的相互作用力越弱，熔、沸點(diǎn)越低，如熔、沸點(diǎn)：正戊烷＞異戊烷＞新戊烷。1．下列有關(guān)分子晶體的說法中，正確的是(　　)A．分子晶體中分子間作用力越大，分子越穩(wěn)定B．分子晶體中，共價鍵越強(qiáng)，鍵能越大，熔點(diǎn)越高C．冰融化時水分子間的共價鍵發(fā)生斷裂D．在冰的晶體結(jié)構(gòu)中由于氫鍵的存在，其熔點(diǎn)較高D　[分子間作用力的大小決定分子的物理性質(zhì)，而分子的穩(wěn)定性則取決于化學(xué)鍵的強(qiáng)弱，故A、B項錯誤；冰融化時克服范德華力和氫鍵，水分子內(nèi)的共價鍵沒有斷裂，故C項錯誤；在冰的晶體結(jié)構(gòu)中存在分子間氫鍵，使其熔點(diǎn)較高，故D項正確。]2．(1)比較下列物質(zhì)熔、沸點(diǎn)的高低(填“>”或“<”)。①CO2__________SO2②NH3__________PH3③O3__________O2④Ne__________Ar⑤CH3CH2OH__________CH3OH⑥CO__________N2(2)已知AlCl3的熔點(diǎn)為190 ℃(2.202×105 Pa)，但它在180 ℃即開始升華。請回答：①AlCl3固體是__________晶體。②設(shè)計一個可靠的實驗，判斷氯化鋁是離子化合物還是共價化合物。你設(shè)計的實驗是______________________________________。[解析]　(1)各組物質(zhì)均為分子晶體，根據(jù)分子晶體熔、沸點(diǎn)的判斷規(guī)律，分子間作用力越大，相對分子質(zhì)量越大，分子極性越大，存在分子間氫鍵，則晶體的熔、沸點(diǎn)越高，據(jù)此比較六組物質(zhì)熔、沸點(diǎn)的高低。(2)由AlCl3的熔點(diǎn)低以及在180 ℃時開始升華判斷AlCl3晶體為分子晶體。若驗證一種化合物是共價化合物還是離子化合物，可測其熔融狀態(tài)下是否導(dǎo)電，若不導(dǎo)電是共價化合物，導(dǎo)電則是離子化合物。[答案]　(1)①<　②>　③>　④<　⑤>　⑥>(2)①分子　②在熔融狀態(tài)下，檢測其是否導(dǎo)電，若不導(dǎo)電，則是共價化合物比較分子晶體熔、沸點(diǎn)高低時，首先要判斷分子間是否存在氫鍵。若不存在氫鍵，再看分子的組成和結(jié)構(gòu)是否相似，若分子的組成和結(jié)構(gòu)相似，則相對分子質(zhì)量越大，分子晶體的熔、沸點(diǎn)越高。 1．下列物質(zhì)呈固態(tài)時，一定屬于分子晶體的是(　　)A．非金屬單質(zhì) B．非金屬氧化物C．含氧酸 D．金屬氧化物C　[非金屬單質(zhì)中金剛石、晶體硅等均為共價晶體，非金屬氧化物中的二氧化硅為共價晶體，大多數(shù)金屬氧化物不是分子晶體，含氧酸一定為分子晶體。]2．下列說法正確的是(　　)A．冰融化時，分子中H—O發(fā)生斷裂    B．共價晶體中，共價鍵越強(qiáng)，熔點(diǎn)越高C．分子晶體中，共價鍵的鍵能越大，該分子晶體的熔、沸點(diǎn)越高D．分子晶體中，分子間作用力越大，該物質(zhì)越穩(wěn)定B　[冰為分子晶體，融化時破壞的是范德華力和氫鍵，A項錯誤；共價晶體熔點(diǎn)的高低取決于共價鍵的強(qiáng)弱，共價鍵越強(qiáng)，熔點(diǎn)越高，B項正確；分子間作用力的大小決定分子晶體熔、沸點(diǎn)的高低，而共價鍵的鍵能決定分子晶體的穩(wěn)定性，C、D項錯誤。]3． 干冰和冰是兩種常見的分子晶體，下列關(guān)于兩種晶體的比較正確的是(　　)A．晶體的熔點(diǎn)：干冰>冰B．晶體中的空間利用率：干冰>冰C．晶體中分子間相互作用力相同D．晶體中鍵的極性和分子的極性相同B　[冰在0 ℃時是固體，而干冰則變?yōu)闅怏w，A項錯誤；冰的結(jié)構(gòu)中，由于H2O分子間存在氫鍵及氫鍵具有方向性，故晶胞中存在空隙，利用率降低，B項正確；冰中的分子間既有氫鍵又有范德華力，而干冰中的分子間只有范德華力，C項錯誤；CO2和H2O中均存在極性鍵，由于分子空間結(jié)構(gòu)不同，CO2是非極性分子，H2O是極性分子，D項錯誤。]4．水分子間可通過一種叫“氫鍵”的作用(作用力介于化學(xué)鍵與范德華力大小之間)彼此結(jié)合而形成(H2O)n，在冰中n值為5。即每個水分子被其他4個水分子包圍形成變形四面體，如圖所示為(H2O)5單元，由無限個這樣的四面體通過氫鍵構(gòu)成一個龐大的分子晶體，即冰。下列有關(guān)敘述正確的是(　　)A．1 mol冰中含有4 mol氫鍵B．1 mol冰中含有4×5 mol氫鍵C．平均每個水分子只含有2個氫鍵D．平均每個水分子只含有個氫鍵 C　[由圖可知，每個水分子(處于四面體的中心)與4個水分子(處于四面體的四個頂點(diǎn))形成四個氫鍵，因為每個氫鍵都是由2個水分子共同形成的，所以每個水分子形成的氫鍵數(shù)為4×＝2。]5．水在不同的溫度和壓強(qiáng)下可以形成多種不同結(jié)構(gòu)的晶體，故冰晶體結(jié)構(gòu)有多種。其中冰-Ⅶ的晶體結(jié)構(gòu)如圖所示。(1)水分子的空間結(jié)構(gòu)是__________形，在酸性溶液中，水分子容易得到一個H＋，形成水合氫離子(H3O＋)，應(yīng)用價層電子對互斥模型推測H3O＋的空間結(jié)構(gòu)為__________。(2)如圖冰-Ⅶ晶體中每個水分子與周圍__________個水分子以氫鍵結(jié)合，該晶體中1 mol水形成__________mol氫鍵。(3)實驗測得冰中氫鍵的鍵能為18.5 kJ·mol－1，而冰的熔化熱為5.0 kJ·mol－1，這說明_______________________________。[解析]　(1)水分子中O原子的價層電子對數(shù)為＝4，孤電子對數(shù)為2，所以水分子的空間結(jié)構(gòu)為V形。H3O＋中O原子的價層電子對數(shù)為＝4，含有1個孤電子對，故H3O＋的空間結(jié)構(gòu)為三角錐形。(2)觀察題圖中晶體結(jié)構(gòu)可知，每個水分子與周圍4個水分子以氫鍵結(jié)合，每2個水分子共用1個氫鍵，故1 mol水可形成4 mol×＝2 mol氫鍵。   (3)冰中氫鍵的鍵能為18.5 kJ·mol－1，而冰的熔化熱為5.0 kJ·mol－1，說明冰融化為液態(tài)水時只是破壞了一部分氫鍵，液態(tài)水中水分子間仍存在氫鍵。[答案]　(1)V　三角錐形(2)4　2(3)冰融化為液態(tài)水時只破壞了一部分氫鍵，液態(tài)水中水分子間仍存在氫鍵  

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第二節(jié) 分子晶體與共價晶體

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