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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)，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(nèi)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(nèi)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(nèi)部不存在共價鍵，在干冰晶體中，CO2分子內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)，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。