2018-2019學(xué)年高中化學(xué) 第3章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)與物質(zhì)性質(zhì) 第3節(jié) 原子晶體與分子晶體學(xué)案 魯科版選修3.doc

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第3節(jié)　原子晶體與分子晶體 1．了解原子晶體、分子晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。 2．能描述金剛石、二氧化硅等原子晶體和石墨晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。(重點(diǎn)) 原 子 晶 體 [基礎(chǔ)初探] 教材整理1　原子晶體 1．概念 相鄰原子間以共價(jià)鍵結(jié)合而形成的具有空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體稱為原子晶體。 2．特點(diǎn) 原子晶體的熔點(diǎn)很高，硬度很大。對(duì)結(jié)構(gòu)相似的原子晶體來(lái)說(shuō)，原子半徑越小，鍵長(zhǎng)越短，鍵能越大，晶體的熔點(diǎn)就越高。 原子晶體中的原子服從緊密堆積排列嗎？說(shuō)明理由。 【提示】　不服從。由于共價(jià)鍵具有方向性和飽和性，原子晶體中每個(gè)原子周圍排列的原子的數(shù)目是有限的，故原子的排列不服從緊密堆積方式。 教材整理2　幾種原子晶體的結(jié)構(gòu) 1．金剛石的結(jié)構(gòu) 金剛石的晶體結(jié)構(gòu) 在晶體中，碳原子以sp3雜化軌道與周圍4個(gè)碳原子以共價(jià)鍵相結(jié)合，C—C鍵間的夾角為109.5。因?yàn)橹行脑又車帕械脑拥臄?shù)目是有限的，所以這種比較松散的排列與金屬晶體和離子晶體中的緊密堆積排列有很大的不同。 2．SiO2晶體的結(jié)構(gòu) 二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu) 水晶是由Si和O構(gòu)成的空間立體網(wǎng)狀的二氧化硅晶體，一個(gè)硅原子與4個(gè)氧原子形成4個(gè)共價(jià)鍵，每個(gè)氧原子與2個(gè)硅原子形成2個(gè)共價(jià)鍵，從而形成以硅氧四面體為骨架的結(jié)構(gòu)，且只存在Si—O鍵。二氧化硅晶體中硅原子和氧原子個(gè)數(shù)比為1∶2，不存在單個(gè)分子，可以把整個(gè)晶體看成巨型分子。 3．SiC晶體的結(jié)構(gòu) SiC晶體的結(jié)構(gòu)類似于金剛石晶體結(jié)構(gòu)，其中C原子和Si原子的位置是交替的，所以在整個(gè)晶體中Si原子與C原子個(gè)數(shù)比為1∶1。 (1)金剛石的晶胞構(gòu)型為正四面體。() (2)二氧化硅的分子式是SiO2。() (3)SiC熔化時(shí)斷裂非極性共價(jià)鍵。() (4)原子晶體一定不是電解質(zhì)。(√) [合作探究] 原子晶體的物理性質(zhì) [探究背景] 金剛石、碳化硅、晶體硅這三種晶體的晶胞結(jié)構(gòu)和鍵參數(shù)的差異決定了其性質(zhì)不同。 [探究問(wèn)題] 1．三種晶體都屬于原子晶體。 金剛石晶體的每個(gè)晶胞含有8個(gè)碳原子。 2. 鍵能(kJmol－1) ①347 ②301 ③226 熔點(diǎn)(℃) ④2 600 ⑤1 415 ⑥3 350 硬度 7 10 9 則：(1)鍵能：C—C①　C—Si②　Si—Si③(填序號(hào))。 (2)熔點(diǎn)：金剛石⑥，碳化硅④，晶體硅⑤(填序號(hào))。 (3)硬度：金剛石＞碳化硅＞晶體硅(填“＞”或“＜”) 3．規(guī)律：原子晶體具有很高的熔點(diǎn)，很大的硬度；對(duì)結(jié)構(gòu)相似的原子晶體來(lái)說(shuō)，原子半徑越小，鍵長(zhǎng)越短，鍵能越大，晶體的熔點(diǎn)就越高。 [核心突破] 1．金剛石和二氧化硅結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 金剛石 (1)每個(gè)碳與相鄰4個(gè)碳以共價(jià)鍵結(jié)合，形成正四面體結(jié)構(gòu) (2)鍵角均為109.5 (3)最小碳環(huán)由6個(gè)C組成且六個(gè)原子不在同一平面內(nèi) (4)每個(gè)C參與4條C—C鍵的形成，C原子數(shù)與C—C鍵個(gè)數(shù)之比為1∶2 (5)每個(gè)晶胞含8個(gè)C SiO2 (1)每個(gè)Si與4個(gè)O以共價(jià)鍵結(jié)合，形成正四面體結(jié)構(gòu) (2)每個(gè)正四面體占有1個(gè)Si，4個(gè)“O”，n(Si)∶n(O)＝1∶2 (3)最小環(huán)上有12個(gè)原子，即6個(gè)O，6個(gè)Si 2.原子晶體的特點(diǎn) (1)原子晶體的構(gòu)成微粒是原子，只存在共價(jià)鍵，不存在其他作用力。 (2)原子晶體的化學(xué)式表示其比例組成，晶體中不存在分子。 (3)原子晶體為空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可把整個(gè)原子晶體看成一個(gè)巨型分子。 (4)原子晶體一般具有熔點(diǎn)高、硬度大、不溶于溶劑，一般不導(dǎo)電等特點(diǎn)。 [題組沖關(guān)] 1．關(guān)于金剛石的下列說(shuō)法中，錯(cuò)誤的是(　　) A．晶體中不存在獨(dú)立的分子 B．碳原子間以共價(jià)鍵相結(jié)合 C．是硬度最大的物質(zhì)之一 D．化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，即使在高溫下也不會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng) 【解析】　金剛石在高溫下與O2反應(yīng)生成CO2。 【答案】　D 2．下面關(guān)于SiO2晶體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的敘述正確的是(　　) A．存在四面體結(jié)構(gòu)單元，O處于中心，Si處于4個(gè)頂點(diǎn) B．最小的環(huán)上，有3個(gè)Si原子和3個(gè)O原子 C．最小的環(huán)上，Si和O原子數(shù)之比為1∶2 D．最小的環(huán)上，有6個(gè)Si原子和6個(gè)O原子 【解析】　SiO2晶體中的正四面體單元中，Si處于中心，O處于4個(gè)頂點(diǎn)；在SiO2晶體中的最小環(huán)上有12個(gè)原子，其中有6個(gè)硅原子和6個(gè)氧原子。 【答案】　D 3．在x mol石英晶體中，含有Si—O鍵的數(shù)目是(　　) A．x mol B．2x mol　　C．3x mol　　D．4x mol 【解析】　SiO2的結(jié)構(gòu)類似于金剛石的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但每個(gè)Si鍵合4個(gè)O，每個(gè)O鍵合2個(gè)Si。x mol石英(SiO2)晶體有x mol Si，由于每個(gè)Si鍵合4個(gè)O，就形成4個(gè)Si—O鍵，所以形成的Si—O鍵的物質(zhì)的量為4x mol。 【答案】　D 4．通常人們把拆開(kāi)1 mol某化學(xué)鍵所吸收的能量看成該化學(xué)鍵的鍵能。鍵能的大小可以衡量化學(xué)鍵的強(qiáng)弱，也可用于估算化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱(ΔH)，化學(xué)反應(yīng)的ΔH等于反應(yīng)中斷裂舊化學(xué)鍵的鍵能之和與反應(yīng)中形成新化學(xué)鍵的鍵能之和的差。 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：66240029】 化學(xué)鍵 Si－O Si－Cl H－H H－Cl Si－Si Si－C 鍵能/ kJmol－1 460 360 436 431 226 301 請(qǐng)回答下列問(wèn)題： (1)比較下列兩組物質(zhì)的熔點(diǎn)高低(填“＞”或“＜”)。 SiC________Si；SiCl4________SiO2。 (2)如圖立方體中心的“●”表示硅晶體中的一個(gè)原子，請(qǐng)?jiān)诹⒎襟w的頂點(diǎn)用“●”表示出與之緊鄰的硅原子。 (3)工業(yè)上高純硅可通過(guò)下列反應(yīng)制?。? SiCl4(g)＋2H2(g)Si(s)＋4HCl(g) 該反應(yīng)的反應(yīng)熱ΔH＝________ kJmol－1。 【解析】　(1)SiC和晶體Si皆為原子晶體，由于碳化硅晶體中的Si－C鍵的鍵能大于硅晶體中Si－Si鍵的鍵能，故SiC的熔點(diǎn)比Si高；SiCl4為分子晶體，SiO2為原子晶體，故SiCl4的熔點(diǎn)比SiO2低。(2)晶體硅的結(jié)構(gòu)與金剛石相似，每個(gè)硅原子都被相鄰的4個(gè)硅原子包圍，這4個(gè)硅原子位于四面體的四個(gè)頂點(diǎn)上，被包圍的硅原子處于正四面體的中心。(3)根據(jù)題目所給反應(yīng)，需要斷裂的舊化學(xué)鍵鍵能之和為：4360 kJmol－1＋2436 kJmol－1＝2 312 kJmol－1，形成的新化學(xué)鍵鍵能之和為：4431 kJmol－1＋2226 kJmol－1＝2 176 kJmol－1，所以ΔH＝＋136 kJmol－1。 【答案】　(1)＞　＜　(2)如圖1或圖2　(3)＋136 圖1　　　　　　　　　圖2 【規(guī)律方法】　原子晶體熔、沸點(diǎn)高低的判斷方法 原子晶體熔、沸點(diǎn)高低主要看原子半徑。因?yàn)樵泳w中原子間以較強(qiáng)的共價(jià)鍵相結(jié)合，原子半徑越大，鍵長(zhǎng)越長(zhǎng)，共價(jià)鍵越不穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)物質(zhì)的熔、沸點(diǎn)越低。 分 子 晶 體 [基礎(chǔ)初探] 教材整理1　分子晶體 1．定義 分子間通過(guò)分子間作用力結(jié)合形成的晶體稱為分子晶體。非金屬單質(zhì)、非金屬的氫化物等無(wú)機(jī)物以及多數(shù)有機(jī)化合物形成的晶體大都屬于分子晶體。 2．性質(zhì) (1)分子晶體在熔化時(shí)，破壞的只是分子間作用力，所以只需要外界提供較少的能量。因此，分子晶體的熔點(diǎn)通常較低，硬度也較小，有較強(qiáng)的揮發(fā)性。 (2)對(duì)組成和結(jié)構(gòu)相似，晶體中又不含氫鍵的物質(zhì)來(lái)說(shuō)，隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增大，分子間作用力增強(qiáng)，熔、沸點(diǎn)升高。 (3)一般來(lái)說(shuō)，分子間作用力無(wú)方向性，也使得分子在堆積時(shí)，會(huì)盡可能利用空間并采取緊密堆積方式，但是，分子的形狀、分子的極性以及分子間是否存在具有方向性的氫鍵等，都會(huì)影響分子的堆積方式和結(jié)構(gòu)型式。 3．碘晶體 碘晶體的晶胞是一個(gè)長(zhǎng)方體，碘分子除了占據(jù)長(zhǎng)方體的每個(gè)頂點(diǎn)外，在每個(gè)面上還有一個(gè)碘分子。 4．干冰 干冰晶胞呈立方體型，其中二氧化碳分子因分子之間的相互作用，在晶胞中呈現(xiàn)有規(guī)律的排列。 5．冰晶體 冰晶體主要是水分子依靠氫鍵而形成的。由于氫鍵具有一定的方向性，中央的水分子與周圍四個(gè)水分子結(jié)合，邊緣的四個(gè)水分子也按照同樣的規(guī)律再與其他水分子結(jié)合，每個(gè)氧原子周圍都有四個(gè)氫原子。這種排列類似于蜂巢結(jié)構(gòu)，比較松散。因此水由液態(tài)變成固態(tài)時(shí)，密度變小。 (1)二氧化硅和干冰雖然是同一主族的氧化物，但屬于不同的晶體類型。(　　) (2)分子晶體的熔、沸點(diǎn)比較低，原子晶體的熔、沸點(diǎn)比較高。(　　) (3)水是一種非常穩(wěn)定的化合物，這是由于水中存在氫鍵。(　　) (4)由極性鍵形成的分子可能是非極性分子。(　　) (5)分子晶體中一定存在分子間作用力，不一定有共價(jià)鍵。(　　) 【答案】　(1)√　(2)√　(3)　(4)√　(5)√ 教材整理2　石墨晶體 石墨晶體具有層狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子采用sp2雜化軌道與鄰近的三個(gè)碳原子以共價(jià)鍵相結(jié)合，形成無(wú)限的六邊形平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子還有一個(gè)與碳環(huán)平面垂直的未參與雜化的2p軌道，并含有一個(gè)未成對(duì)電子，因此能夠形成遍及整個(gè)平面的大π鍵。大π鍵具有金屬鍵的性質(zhì)。石墨晶體中既有共價(jià)鍵，又有范德華力，同時(shí)還有金屬鍵的特性。所以稱為混合鍵型晶體。 1．石墨晶體為什么具有導(dǎo)電性？ 【提示】　石墨晶體中每個(gè)C原子未參與雜化的軌道中含有1個(gè)未成對(duì)電子，能形成遍及整個(gè)平面的大π鍵，由于電子可以在整個(gè)六邊形網(wǎng)狀平面上運(yùn)動(dòng)，因此石墨沿平行的層能導(dǎo)電。 2．稀有氣體由單原子構(gòu)成，它屬于原子晶體嗎？ 【提示】　不是，它屬于分子晶體。 [合作探究] [探究問(wèn)題] 1．干冰、冰結(jié)構(gòu)性質(zhì)探究 干冰 冰 晶胞結(jié)構(gòu) 構(gòu)成微粒 分子 分子 微粒間作用力 范德華力 范德華力、氫鍵 熔、沸點(diǎn) 很低 低 硬度 很小 小 導(dǎo)電性 固態(tài)、液態(tài)都不導(dǎo)電，溶于水生成弱電解質(zhì)H2CO3后導(dǎo)電 固態(tài)不導(dǎo)電、液態(tài)時(shí)導(dǎo)電能力很弱 堆積方式 緊密堆積 非緊密堆積 應(yīng)用 人工降雨、制冷劑 解暑、制冷劑 2.石墨結(jié)構(gòu)中碳原子數(shù)和C—C鍵及性質(zhì)的探究 (1)平均每個(gè)正六邊形占有的C原子數(shù)和C—C鍵數(shù)各是多少？ (2)石墨晶體不屬于原子晶體，但石墨的熔點(diǎn)為什么高于金剛石？ 【提示】　(1)石墨層狀結(jié)構(gòu)中每個(gè)C原子為三個(gè)正六邊形共有，即對(duì)每個(gè)六邊形貢獻(xiàn)個(gè)C原子，所以每個(gè)正六邊形占有C原子數(shù)目為6＝2個(gè)。每個(gè)C—C鍵為2個(gè)正六邊形所共用，所以平均每個(gè)正六邊形擁有3個(gè)C—C鍵。 (2)石墨晶體為層狀結(jié)構(gòu)，同層內(nèi)碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合成平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，C—C鍵的鍵長(zhǎng)比金剛石中C—C鍵的鍵長(zhǎng)短，鍵能大，所以石墨的熔、沸點(diǎn)高。 [核心突破] 1．分子晶體熔、沸點(diǎn)高低規(guī)律 分子晶體要熔化或汽化都需要克服分子間的作用力。分子間作用力越大，物質(zhì)熔化和汽化時(shí)需要的能量就越多，物質(zhì)的熔、沸點(diǎn)就越高。因此，比較分子晶體的熔、沸點(diǎn)高低，實(shí)際上就是比較分子間作用力(包括范德華力和氫鍵)的大小。 (1)組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，相對(duì)分子質(zhì)量越大，范德華力越大，熔、沸點(diǎn)越高。如：O2＞N2，HI＞HBr＞HCl。 (2)相對(duì)分子質(zhì)量相等或相近時(shí)，極性分子的范德華力大，熔、沸點(diǎn)高，如：CO＞N2。 (3)分子間含有氫鍵的物質(zhì)，熔、沸點(diǎn)較高。如：H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S，HF＞HCl，NH3＞PH3。 (4)在烷烴的同分異構(gòu)體中，一般來(lái)說(shuō)，支鏈數(shù)越多，熔、沸點(diǎn)越低。如沸點(diǎn)：正戊烷＞異戊烷＞新戊烷；芳香烴及其衍生物苯環(huán)上的同分異構(gòu)體一般按照“鄰位＞間位＞對(duì)位”的順序。 2．四種晶體類型的比較 類型 項(xiàng)目　　 離子晶體 原子晶體 分子晶體 金屬晶體 構(gòu)成晶體的微粒 陰、陽(yáng)離子 原子 分子 金屬陽(yáng)離子和自由電子 微粒間的作用 離子鍵 共價(jià)鍵 分子間作用力(范德華力或氫鍵) 金屬鍵 作用力強(qiáng)弱(一般地) 較強(qiáng) 很強(qiáng) 弱 一般較強(qiáng)，有的較弱 確定作用力強(qiáng)弱的一般判斷方法 離子電荷、半徑 鍵長(zhǎng)(原子半徑) 組成和結(jié)構(gòu)相似時(shí)比較相對(duì)分子質(zhì)量 離子半徑、價(jià)電子數(shù) 熔、沸點(diǎn) 較高 高 低 差別較大(汞常溫下為液態(tài)，鎢熔點(diǎn)為3 410 ℃) 硬度 略硬而脆 大 較小 差別較大 導(dǎo)熱和導(dǎo)電性 不良導(dǎo)體(熔化后或溶于水導(dǎo)電) 不良導(dǎo)體 不良導(dǎo)體(部分溶于水發(fā)生電離后導(dǎo)電) 良導(dǎo)體 溶解性(水) 多數(shù)易溶 一般不溶 相似相溶 一般不溶于水，少數(shù)與水反應(yīng) 組成微粒堆積方式 非等徑圓球緊密堆積 不服從緊密堆積原理 緊密堆積(與分子形狀有關(guān)且分子間不存在氫鍵) 等徑圓球緊密堆積(A1、A2、A3) [題組沖關(guān)] 1．分子晶體具有的本質(zhì)特征是(　　) A．組成晶體的基本構(gòu)成微粒是分子 B．熔融時(shí)不導(dǎo)電 C．晶體內(nèi)微粒間以分子間作用力相結(jié)合，這種作用很弱 D．熔點(diǎn)一般比原子晶體低 【解析】　分子晶體相對(duì)于其他晶體來(lái)說(shuō)，熔、沸點(diǎn)較低，硬度較小，導(dǎo)致這些性質(zhì)特征的本質(zhì)原因是基本構(gòu)成微粒間的相互作用——范德華力及氫鍵相對(duì)于化學(xué)鍵來(lái)說(shuō)是極其微弱的。 【答案】　C 2．分子晶體在通常情況下不具有的性質(zhì)是(　　) A．晶體構(gòu)成微粒是分子 B．干燥或熔化時(shí)均能導(dǎo)電 C．微粒間以范德華力結(jié)合 D．熔點(diǎn)、沸點(diǎn)一般低于原子晶體和離子晶體 【解析】　分子一般含有共價(jià)鍵，所以干燥或熔化時(shí)不能電離出離子，故不能導(dǎo)電。分子間以范德華力結(jié)合成晶體，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較低，一般低于原子晶體和離子晶體。 【答案】　B 3．下列分子晶體，關(guān)于熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高低的敘述中，正確的是(　　) A．Cl2＞I2 B．SiCl4＞CCl4 C．NH3＜PH3 D．C(CH3)4＞CH3CH2CH2CH2CH3 【解析】　A、B項(xiàng)屬于無(wú)氫鍵存在的分子結(jié)構(gòu)相似的情況，相對(duì)分子質(zhì)量大的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高；C選項(xiàng)屬于分子結(jié)構(gòu)相似的情況，但存在氫鍵的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高；D項(xiàng)屬于相對(duì)分子質(zhì)量相同，但分子結(jié)構(gòu)不同的情況，支鏈多的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)低。 【答案】　B 4．下列物質(zhì)的熔點(diǎn)高低順序，正確的是(　　) A．金剛石＞晶體硅＞碳化硅 B．K＞Na＞Li C．NaF＜NaCl＜NaBr D．CI4＞CBr4＞CCl4＞CH4 【解析】　A項(xiàng)，鍵能：C—C＞C—Si＞Si—Si，故熔點(diǎn)：金剛石＞碳化硅＞晶體硅；B項(xiàng)，金屬鍵：Li＞Na＞K，故熔點(diǎn)：Li＞Na＞K；C項(xiàng)，晶格能：NaF＞NaCl＞NaBr，故熔點(diǎn)：NaF＞NaCl＞NaBr；D項(xiàng)，相對(duì)分子質(zhì)量：CI4＞CBr4＞CCl4＞CH4，故熔點(diǎn)：CI4＞CBr4＞CCl4＞CH4。 【答案】　D 5．下列關(guān)于物質(zhì)熔點(diǎn)的排列順序，不正確的是(　　) A．HI＞HBr＞HCl＞HF B．CI4＞CBr4＞CCl4＞CF4 C．NaCl＞NaBr＞KBr D．金剛石＞碳化硅＞晶體硅 【解析】　A中為分子晶體，但由于HF分子間存在氫鍵，故HF的熔點(diǎn)出現(xiàn)反常；B中也為分子晶體，按相對(duì)分子質(zhì)量由大到小排列，正確；C中為離子晶體，離子半徑r(Cl－)＜r(Br－)，故熔點(diǎn)NaCl＞NaBr，而陽(yáng)離子r(Na＋)＜r(K＋)，故熔點(diǎn)NaBr＞KBr，正確；D中為原子晶體，按鍵長(zhǎng)可知正確。 【答案】　A