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分子晶體和原子晶體 【本講教育信息】 一. 教學(xué)內(nèi)容： 分子晶體和原子晶體 二、教學(xué)目標(biāo) 使學(xué)生了解分子晶體的組成粒子、結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其性質(zhì)的一般特點(diǎn)；了解晶體類型與性質(zhì)的關(guān)系；理解分子間作用力和氫鍵對(duì)物質(zhì)物理性質(zhì)的影響；知道一些常見的屬于分子晶體的物質(zhì)類別。 掌握原子晶體的概念，能夠區(qū)分原子晶體和分子晶體；了解金剛石等典型原子晶體的結(jié)構(gòu)特征；能描述原子晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系。 三、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 分子晶體的組成粒子、結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其性質(zhì)的一般特點(diǎn)，分子間作用力和氫鍵對(duì)物質(zhì)物理性質(zhì)的影響。 原子晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，原子晶體與分子晶體的判斷。 四、教學(xué)過(guò)程： （一）分子晶體： 構(gòu)成晶體的微粒間通過(guò)分子間作用力相互作用所形成的晶體，稱為分子晶體。分子晶體中存在的微粒是分子，不存在離子。較典型的分子晶體有非金屬氫化物，部分非金屬單質(zhì)，部分非金屬氧化物，幾乎所有的酸，絕大多數(shù)有機(jī)物的晶體等。 分子晶體中存在的相互作用力主要是分子間作用力，它是分子間存在著一種把分子聚集在一起的作用力，叫做分子間作用力，也叫范徳華力。分子間作用力只影響物質(zhì)的熔沸點(diǎn)、硬度、密度等物理性質(zhì)，分子晶體一般都是絕緣體，熔融狀態(tài)不導(dǎo)電。 對(duì)于某些含有電負(fù)性很大的元素的原子和氫原子的分子，分子間還可以通過(guò)氫鍵相互作用。氫鍵的形成條件：它是由已經(jīng)與電負(fù)性很強(qiáng)的原子形成共價(jià)鍵的氫原子與另一分子中電負(fù)性很強(qiáng)的原子之間的作用力形成，（它不屬于化學(xué)鍵）一般表示為 X—H…Y。這種靜電吸引作用就是氫鍵。氫鍵同樣只影響物質(zhì)的熔沸點(diǎn)和密度，對(duì)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)沒(méi)有影響 分子晶體的結(jié)構(gòu)特征： 沒(méi)有氫鍵的分子密堆積排列，如CO2等分子晶體，分子間的作用力主要是分子間作用力，以一個(gè)分子為中心，每個(gè)分子周圍有12個(gè)緊鄰的分子存在。 如：干冰的晶體結(jié)構(gòu) 還有一類分子晶體，其結(jié)構(gòu)中不僅存在分子間作用力，同時(shí)還存在氫鍵，如：冰。此時(shí)，水分子間的主要作用力是氫鍵，每個(gè)水分子周圍只有4個(gè)水分子與之相鄰。稱為非密堆積結(jié)構(gòu)。 如圖，冰的晶體結(jié)構(gòu)： 說(shuō)明： 1、分子晶體的構(gòu)成微粒是分子，分子中各原子一般以共價(jià)鍵相結(jié)合。因此，大多數(shù)共價(jià)化合物所形成的晶體為分子晶體。如：部分非金屬單質(zhì)、非金屬氫化物、部分非金屬氧化物、幾乎所有的酸以及絕大多數(shù)的有機(jī)物等都屬于分子晶體。但并不是所有的分子晶體中都存在共價(jià)鍵，如：由單原子構(gòu)成的稀有氣體分子中就不存在化學(xué)鍵。也不是共價(jià)化合物都是分子晶體，如二氧化硅等物質(zhì)屬于原子晶體。 2、由于構(gòu)成晶體的微粒是分子，因此分子晶體的化學(xué)式可以表示其分子式，即只有分子晶體才存在分子式。 3、分子晶體的微粒間以分子間作用力或氫鍵相結(jié)合，因此，分子晶體具有熔沸點(diǎn)低、硬度密度小，較易熔化和揮發(fā)等物理性質(zhì)。 4、影響分子間作用力的大小的因素有分子的極性和相對(duì)分子質(zhì)量的大小。一般而言，分子的極性越大、相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越強(qiáng)。 5、分子晶體的熔沸點(diǎn)的高低與分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)：在同樣不存在氫鍵時(shí)，組成與結(jié)構(gòu)相似的分子晶體，隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增大，分子間作用力增大，分子晶體的熔沸點(diǎn)增大；對(duì)于分子中存在氫鍵的分子晶體，其熔沸點(diǎn)一般比沒(méi)有氫鍵的分子晶體的熔沸點(diǎn)高，存在分子間氫鍵的分子晶體的熔沸點(diǎn)比存在分子內(nèi)氫鍵的分子晶體的熔沸點(diǎn)高。 6、分子晶體的溶解性與溶劑和溶質(zhì)的極性有關(guān)：一般情況下，極性分子易溶于極性溶劑，非極性分子易溶于非極性溶劑——這就是相似相溶原理。如：HCl、等分子晶體易溶于水，而溴和碘等分子則易溶于汽油和四氯化碳等非極性溶劑。 7、分子間作用力不具有方向性和飽和性，而氫鍵具有方向性和飽和性。所以，不存在氫鍵的分子晶體可以以緊密堆砌的方式排列，而存在氫鍵的分子晶體則必須在一定的方向上堆砌排列。由于水中存在氫鍵，所以水在凝結(jié)成冰時(shí)，體積增大，密度減小。 8、氫鍵與分子間作用力的比較： 分 類 分子間作用力 氫 鍵 概 念 物質(zhì)分子之間存在的微弱的相互作用（實(shí)質(zhì)上也是靜電作用） 分子中與氫原子形成共價(jià)鍵的非金屬原子，如果吸引電子的能力很強(qiáng)，原子半徑又很小，則使氫原子幾乎成為“裸露”的質(zhì)子，帶部分正電荷，這樣的分子之間，氫核與帶部分負(fù)電荷的非金屬 原子相互吸引，這種靜電作用就是氫鍵 存在范圍 分子間 某些含氫化合物分子間（如：HF、H2O、NH3、 乙醇等） 強(qiáng)度比較 比化學(xué)鍵弱很多 比化學(xué)鍵弱得多，比分子間作用力強(qiáng) 影響強(qiáng)度 的因素 隨著分子的極性與相對(duì)分子質(zhì)量的增大而增大。組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大 形成氫鍵的非金屬原子，其吸引電子的能力越 強(qiáng)、半徑越小，則氫鍵越強(qiáng) 9、干冰的熔沸點(diǎn)比冰低，但密度卻比冰大的原因是：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。同時(shí)，由于分子間作用力特別是氫鍵的方向性，導(dǎo)致晶體冰中有相當(dāng)大的空隙，所以相同狀況下體積較大。由于CO2分子的相對(duì)分子質(zhì)量>H2O，所以干冰的密度大。 （二）原子晶體： 相鄰原子間以共價(jià)鍵相結(jié)合而形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體稱為原子晶體。構(gòu)成原子晶體的微粒是原子，微粒間的相互作用力是共價(jià)鍵，由于共價(jià)鍵的鍵能比分子間作用力要大得多，因此原子晶體具有很高的熔沸點(diǎn)和硬度，一般不導(dǎo)電（硅屬于半導(dǎo)體材料），一般不溶于溶劑等性質(zhì)。 常見的原子晶體有：金剛石、晶體硅、二氧化硅和碳化硅等。 如金剛石的晶體結(jié)構(gòu)和晶胞、二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu)： 金剛石的晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)碳原子與四個(gè)碳原子相互結(jié)合形成四個(gè)共價(jià)鍵，形成正四面體型結(jié)構(gòu)，晶體中每個(gè)最小的環(huán)為六元環(huán)；另外二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，每個(gè)最小的環(huán)由六個(gè)氧原子和六個(gè)硅原子構(gòu)成，為十二元環(huán)，每個(gè)硅原子結(jié)合四個(gè)氧原子、每個(gè)氧原子結(jié)合二個(gè)硅原子，因此晶體中硅、氧原子的個(gè)數(shù)比為1：2，則二氧化硅的化學(xué)式為SiO2，晶體中每個(gè)硅原子被12個(gè)環(huán)所共有。 說(shuō)明： 1、原子晶體的構(gòu)成微粒是原子，原子間通過(guò)共價(jià)鍵相互結(jié)合，因此原子晶體的物理性質(zhì)與分子晶體有明顯的不同，有熔沸點(diǎn)高，硬度、密度大等特點(diǎn)。原子晶體中不存在分子，其化學(xué)式表示晶體中各組成微粒的原子個(gè)數(shù)比，這一點(diǎn)也與分子晶體不同。 2、原子晶體中原子間以共價(jià)鍵相互連接，但并不是存在共價(jià)鍵的晶體就是原子晶體。如：水、干冰等晶體都存在共價(jià)鍵，但它們屬于分子晶體。 3、判斷晶體類型的依據(jù)： （1）看構(gòu)成晶體的微粒種類及微粒間的相互作用。 對(duì)分子晶體,構(gòu)成晶體的微粒是分子，微粒間的相互作用是分子間作用力；對(duì)于原子晶體，構(gòu)成晶體的微粒是原子，微粒間的相互作用是共價(jià)鍵。 （2）看物質(zhì)的物理性質(zhì)（如：熔、沸點(diǎn)或硬度）。一般情況下，不同類晶體熔點(diǎn)高低順序是原子晶體比分子晶體的熔、沸點(diǎn)高得多，硬度、密度也要大得多。 （3）依據(jù)導(dǎo)電性判斷： 分子晶體為非導(dǎo)體，但部分分子晶體溶于水后能導(dǎo)電； 原子晶體多數(shù)為非導(dǎo)體，但晶體硅、晶體鍺是半導(dǎo)體。 （4）依據(jù)硬度和機(jī)械性能判斷： 原子晶體硬度大，分子晶體硬度小且較脆。 4、比較晶體的熔沸點(diǎn)的高低，首先要比較晶體的類型。分子晶體的熔沸點(diǎn)比較其分子的極性、相對(duì)分子質(zhì)量以及能不能形成氫鍵。而原子晶體熔沸點(diǎn)的高低與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系：對(duì)結(jié)構(gòu)相似的原子晶體而言，原子半徑越小、鍵長(zhǎng)越短、鍵能越大，晶體的熔沸點(diǎn)越高。 5、CO2、SiO2都屬于第ⅣA族的氧化物，但兩者的熔沸點(diǎn)、硬度等物理性質(zhì)存在較大的差異，但CO2卻比SiO2穩(wěn)定得多：主要是因?yàn)镃O2是分子晶體，SiO2是原子晶體，所以熔化時(shí)CO2是破壞范德華力而SiO2是破壞化學(xué)鍵。所以SiO2熔沸點(diǎn)高。而破壞CO2分子與SiO2時(shí)，都是破壞共價(jià)鍵，而C-O鍵能>Si-O鍵能，所以CO2分子更穩(wěn)定。 （三）過(guò)渡型晶體（混合型晶體） 石墨是一種結(jié)晶形碳，有天然出產(chǎn)的礦物。鐵黑色至深鋼灰色。質(zhì)軟具滑膩感，可沾污手指成灰黑色。有金屬光澤。六方晶系，成葉片狀、鱗片狀和致密塊狀。密度2.25g/，化學(xué)性質(zhì)不活潑。具有耐腐蝕性，在空氣或氧氣中可以強(qiáng)熱燃燒生成二氧化碳。石墨可用作潤(rùn)滑劑，并用于制造坩鍋、電極、鉛筆芯等。它既具有金屬晶體的性質(zhì)（導(dǎo)電性），又具有分子晶體的性質(zhì)（質(zhì)地很軟），同時(shí)還具備原子晶體的特性（熔沸點(diǎn)高）等。因此化學(xué)上把石墨稱為過(guò)渡型晶體（又稱混合型晶體）。 石墨晶體是一種層狀結(jié)構(gòu)：層與層之間以分子間作用力相互連接，而同一層內(nèi)各原子間以共價(jià)鍵相互結(jié)合。如圖所示： 所以石墨晶體的質(zhì)地較軟、熔沸點(diǎn)很高。 說(shuō)明： 1、石墨為層狀結(jié)構(gòu)，各層之間以范德華力結(jié)合，容易滑動(dòng)，所以石墨很軟。 2、石墨各層均為平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，碳原子之間存在很強(qiáng)的共價(jià)鍵（大π鍵），故熔沸點(diǎn)很高。石墨層狀結(jié)構(gòu)中六個(gè)碳原子構(gòu)成平面六元環(huán)，平均每個(gè)環(huán)占有2個(gè)碳原子、三個(gè)碳碳鍵。 3、在金剛石中每個(gè)碳原子與相鄰的四個(gè)碳原子經(jīng)共價(jià)鍵結(jié)合形成正四面體結(jié)構(gòu)，碳原子所有外層電子均參與成鍵，無(wú)自由電子，所以不導(dǎo)電。而石墨晶體中，每個(gè)碳原子以三個(gè)共價(jià)鍵與另外三個(gè)碳原子相連，在同一平面內(nèi)形成正六邊形的環(huán)。這樣每個(gè)碳原子上仍有一個(gè)電子未參與成鍵，電子比較自由，相當(dāng)于金屬中的自由電子，所以石墨能導(dǎo)電。 【典型例題】 例1. 共價(jià)鍵、離子鍵和范德華力是構(gòu)成物質(zhì)粒子間的不同作用方式，下列物質(zhì)中，只含有上述一種作用的是 A. 干冰 B. 氯化鈉 C. 氫氧化鈉 D. 碘 解析：干冰是分子晶體，分子內(nèi)存在共價(jià)鍵，分子間存在范德華力。NaCl是離子晶體只存在離子鍵。 NaOH是離子晶體，不僅存在離子鍵，還存在H—O間共價(jià)鍵。 碘也是分子晶體，分子內(nèi)存在共價(jià)鍵，分子間存在分子間作用力。故只有B符合題意。 答案：B 例2. 在解釋下列物質(zhì)性質(zhì)的變化規(guī)律與物質(zhì)結(jié)構(gòu)間的因果關(guān)系時(shí)，與鍵能無(wú)關(guān)的變化規(guī)律是 A. HF、HCI、HBr、HI的熱穩(wěn)定性依次減弱 B. NaF、NaCl、NaBr、NaI的熔點(diǎn)依次降低 C. F2、C12、Br2、I2的熔沸點(diǎn)逐漸升高 D. H2S的熔沸點(diǎn)小于H2O的熔沸點(diǎn) 解析：HF、HCl、HBr、HI熱穩(wěn)定性依次減弱是它們的共價(jià)鍵鍵能逐漸減小的原因，與鍵能有關(guān)。NaF、 NaCl、NaBr、NaI的熔點(diǎn)依次降低是它們的離子鍵能隨離子半徑增大逐漸減小的原因。F2、C12、Br2、I2為分子晶體，結(jié)構(gòu)相似，熔、沸點(diǎn)高低由相對(duì)分子質(zhì)量決定，它們的相對(duì)分子質(zhì)量逐漸增大，因此分子間的作用力也逐漸增大，熔沸點(diǎn)逐漸升高。H2S與H2O的熔沸點(diǎn)高低由分子間作用力及分子的極性是否存在氫鍵決定，同時(shí)，水分子間還可以形成氫鍵，而H2S分子間不能形成氫鍵。故選C、D。 答案：C、D 例3. 2003年美國(guó)《科學(xué)》雜志報(bào)道：在超高壓下，科學(xué)家用激光器將CO2加熱到1800K，成功制得了類似石英的CO2原子晶體。下列關(guān)于CO2晶體的敘述中不正確的是 A. 晶體中C、O原子個(gè)數(shù)比為1∶2 B. 該晶體的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高、硬度大 C. 晶體中C—O—C鍵角為180 D. 晶體中C、O原子最外層都滿足8電子結(jié)構(gòu) 解析：CO2原子晶體的結(jié)構(gòu)與SiO2相似，每個(gè)碳原子周圍連接4個(gè)氧原子，每個(gè)氧原子連接2個(gè)碳原子，所以晶體中碳氧原子的個(gè)數(shù)比為1：2，碳原子位于正四面體的中心，O－C－O的鍵角為10928′，晶體中每個(gè)C、O原子最外層均達(dá)到8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。同時(shí)原子晶體具有熔沸點(diǎn)高、硬度大等性質(zhì)特點(diǎn)。故本題選C 答案：C 例4. 在干冰晶體中每個(gè)CO2分子周圍緊鄰的 CO2分子有___________個(gè)，在晶體中截取一個(gè)最小的正方形；使正方形的四個(gè)頂點(diǎn)都落到CO2分子的中心，則在這個(gè)正方形的平面上有___________個(gè)CO2分子。 解析：此題要求對(duì)干冰的晶體模型十分熟悉。以右下角CO2分子研究對(duì)象：與其緊鄰的為面心上的3個(gè)CO2分子，而CO2分子被8個(gè)這樣的立方體所共有，故有38=24。又考慮到面心上的 CO2被2個(gè)這樣的立方體共有，故24/2=12個(gè)。由CO2晶體模型分析得出，符合題意的最小正方形即模型的對(duì)角面的一半，不難看出有4個(gè)CO2分子。 答案：12，4 例5. 氮化硅是一種高溫陶瓷材料，它的硬度大、熔點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，工業(yè)上曾普遍采用高純硅與純氮在1300℃反應(yīng)獲得。 （1）氮化硅晶體屬于_________晶體。 （2）已知氮化硅的晶體結(jié)構(gòu)中，原子間都以單鍵相連，且N原子與N原子，Si原子與Si原子不直接相連，同時(shí)每個(gè)原子都滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，請(qǐng)寫出氮化硅的化學(xué)式_______. （3）現(xiàn)用四氯化硅和氮?dú)庠跉錃鈿夥毡Ｗo(hù)下，加強(qiáng)熱發(fā)生反應(yīng)，可得到較高純度的氮化硅。反應(yīng)的化學(xué)方程式為_______________________. 解析：原子晶體具有熔沸點(diǎn)高、硬度大等特點(diǎn)，因此氮化硅晶體屬于原子晶體，所以氮化硅的晶體結(jié)構(gòu)中每個(gè)氮原子周圍連接3個(gè)硅原子，而每個(gè)硅原子周圍連接4個(gè)氮原子，相互之間通過(guò)共價(jià)鍵相連形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在原子的最外層形成8電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，故氮化硅的化學(xué)式為：Si3N4。四氯化硅和氮?dú)庠跉錃鈿夥毡Ｗo(hù)下生成氮化硅，反應(yīng)方程式為： 3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl 答案：原子、Si3N4、3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl