高中化学专题3第4单元分子间作用力分子晶体第2课时分子晶体混合晶体教案苏教版选修3.docx
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高中化学专题3第4单元分子间作用力分子晶体第2课时分子晶体混合晶体教案苏教版选修3
第2课时 分子晶体 混合晶体
[核心素养发展目标] 1.能辨识常见的分子晶体,理解分子晶体中构成微粒之间的作用。
2.理解分子晶体中微粒的堆积模型,并能利用均摊法对晶胞进行计算。
3.了解石墨晶体的结构,会比较不同类型晶体的熔、沸点。
一、分子晶体
1.概念及微粒间的作用
(1)概念:
分子通过分子间作用力构成的固态物质叫分子晶体。
(2)微粒间的作用:
分子晶体中相邻分子之间以分子间作用力相互吸引。
2.分子晶体的物理特性
分子晶体中的微粒间是以范德华力或范德华力和氢键而形成的晶体,因此,分子晶体的熔、沸点较低,密度较小,硬度较小,较易熔化和挥发。
3.典型的分子晶体
(1)所有非金属氢化物,如水、硫化氢、氨、甲烷等。
(2)部分非金属单质,如卤素(X2)、氧(O2)、硫(S8)、氮(N2)、白磷(P4)、碳60(C60)等。
(3)部分非金属氧化物,如CO2、SO2、SO3、P4O6、P4O10等。
(4)几乎所有的酸,如H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3、H2SO3等。
(5)绝大多数有机物的晶体,如苯、乙醇、乙酸、葡萄糖等。
4.典型分子晶体的结构特征
(1)构成干冰晶体的结构微粒是CO2分子,微粒间的相互作用力是范德华力。
(2)从结构模型可以看出:
干冰晶体是一种面心立方结构——每8个CO2分子构成立方体,在六个面的中心又各占据1个CO2分子。
每个CO2分子周围,离该分子最近且距离相等的CO2分子有12个。
每个晶胞中有4个CO2分子。
(1)分子晶体在固态、熔融状态时不导电。
(2)稀有气体固态时形成分子晶体,微粒之间只存在分子间作用力,分子内不存在化学键。
(3)分子晶体汽化或熔融时,克服分子间作用力,不破坏化学键。
例1 (2018·西安交大附中期末)下列物质中,属于分子晶体的是( )
①二氧化硅 ②碘 ③食盐 ④蔗糖 ⑤磷酸
A.②④⑤B.①②④
C.②③④⑤D.①②③⑤
答案 A
解析 由常见分子晶体对应的物质类别可知:
碘、蔗糖、磷酸都属于分子晶体。
例2 甲烷晶体的晶胞结构如图所示,下列说法正确的是( )
A.甲烷晶胞中的球只代表1个C原子
B.晶体中1个CH4分子有12个紧邻的CH4分子
C.甲烷晶体熔化时需克服共价键
D.1个CH4晶胞中含有8个CH4分子
答案 B
解析 题图所示的甲烷晶胞中的球代表的是1个甲烷分子,并不是1个C原子,A错误;由甲烷晶胞分析,位于晶胞顶点的某一个甲烷分子与其距离最近的甲烷分子有3个,而这3个甲烷分子在晶胞的面上,因此每个都被2个晶胞共用,故与1个甲烷分子紧邻的甲烷分子数目为3×8×
=12,B正确;甲烷晶体是分子晶体,熔化时克服范德华力,C错误;甲烷晶胞中甲烷分子的个数为8×
+6×
=4,D错误。
例3 下列物质,按沸点降低顺序排列的一组是( )
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分子间含有氢键,沸点反常;对结构相似的物质,B中沸点随相对分子质量的增加而增大;D中沸点依次降低。
二、混合晶体——石墨晶体
1.结构模型
2.结构特点——二维网状结构
(1)在石墨的二维结构平面内,每个碳原子以C—C键与3个碳原子结合,形成六元环层。
(2)石墨具有导电性,但具有一定的方向性。
(3)层与层之间靠范德华力维系。
3.晶体类型
石墨晶体中,既有共价键,又有金属键和范德华力,属于混合晶体。
4.性质
熔点很高、质软、易导电等。
石墨晶体中既存在共价键,还存在范德华力,不能简单地归属于任何一种晶体,所以石墨是一种混合晶体。
例4 碳元素的单质有多种形式,下图依次是C60、石墨和金刚石的结构图:
回答下列问题:
(1)C60属于________晶体,石墨属于________晶体。
(2)在金刚石晶体中,碳原子数与化学键数之比为________________________。
(3)石墨晶体中,层内C—C键的键长为142pm,而金刚石中C—C键的键长为154pm。
推测金刚石的熔点________(填“>”“<”或“=”)石墨的熔点。
答案
(1)分子 混合
(2)1∶2 (3)<
解析
(1)C60中构成微粒是分子,所以属于分子晶体;石墨晶体有共价键、金属键和范德华力,所以石墨属于混合晶体。
(2)金刚石晶体中每个碳原子平均拥有的化学键数为4×
=2,则碳原子数与化学键数之比为1∶2。
(3)石墨中的C—C键比金刚石中的C—C键键长短,键能大,故石墨的熔点高于金刚石。
方法规律——金刚石与石墨比较
晶体
金刚石
石墨
碳原子成键数
4
3
有无未成对价电子
无
有
最小环碳原子个数
6
6
含有1molC的晶体中所含化学键数目
2mol
1.5mol
1.正误判断
(1)分子晶体中只存在分子间作用力( )
(2)共价化合物一定属于分子晶体( )
(3)分子晶体的相对分子质量越大,熔、沸点一定越高( )
(4)分子晶体中一定含有分子间作用力,不一定含有化学键( )
(5)固态时能导电的晶体一定是石墨( )
答案
(1)×
(2)× (3)× (4)√ (5)×
2.根据下列各物质的物理性质,判断其固态肯定不属于分子晶体的是( )
①溴化铝(无色晶体,熔点98℃,熔融态不导电)
②碳化铝(黄色晶体,熔点2200℃,熔融态不导电)
③氟化铝(无色晶体,熔融时或溶于水时破坏了相同的作用力)
④五氟化钒(无色晶体,熔点19.5℃,易溶于乙醇)
A.①②B.③④C.②③D.①④
答案 C
解析 溴化铝,无色晶体,熔点98℃,熔融态不导电,具有分子晶体的性质,属于分子晶体,故①不选;碳化铝,黄色晶体,熔点2200℃,熔融态不导电,应为原子晶体,故②选;氟化铝,无色晶体,熔融时或溶于水时破坏了相同的作用力,说明破坏的是离子键,应为离子晶体,故③选;五氟化钒,无色晶体,熔点19.5℃,易溶于乙醇中,具有分子晶体的性质,属于分子晶体,故④不选。
3.(2018·成都高二下学期期末)下列关于分子晶体的说法不正确的是( )
A.晶体的构成微粒是分子
B.干燥或熔融时均能导电
C.分子间以分子间作用力相结合
D.熔、沸点一般比较低
答案 B
解析 A项,分子晶体是由分子构成的;B项,干燥或熔融时,分子晶体既不电离也没有自由移动的电子,均不能导电;C项,分子间以分子间作用力相结合;D项,分子晶体的熔、沸点一般比较低。
4.下列有关分子晶体熔点的高低叙述中,正确的是( )
A.Cl2>I2
B.SiCl4>CCl4
C.PH3>NH3
D.C(CH3)4>CH3CH2CH2CH2CH3
答案 B
解析 NH3分子间存在氢键,分子间作用力大,PH3分子间不存在氢键,分子间作用力弱,NH3的熔点高于PH3,C不正确;A、B、D选项中均无氢键,且固态时都为分子晶体,物质结构相似,相对分子质量大的熔点高,故A不正确,B正确;相对分子质量相同的烷烃的同分异构体,支链越多,熔点越低,故D不正确。
5.石墨晶体是层状结构,在每一层内,每个碳原子都跟其他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.10B.18C.24D.14
答案 D
解析 每个六元环平均占有的碳原子数为6×
=2,7个六元环完全占有的碳原子数为2×7=14。
6.请回答下列问题:
(1)下列有关石墨晶体的说法正确的是________(填字母,下同)。
a.由于石墨晶体导电,所以它是金属晶体
b.由于石墨的熔点很高,所以它是原子晶体
c.由于石墨质软,所以它是分子晶体
d.石墨晶体是一种混合晶体
(2)据报道,科研人员应用电子计算机模拟出来类似C60的物质N60,试推测下列有关N60的说法正确的是________。
a.N60易溶于水
b.N60是一种分子晶体,有较高的熔点和硬度
c.N60的熔点高于N2
d.N60的稳定性比N2强
(3)已知碘晶胞结构如图所示,请回答下列问题:
①碘晶体属于________晶体。
②碘晶体熔化过程中克服的作用力为______________。
③假设碘晶胞中立方体的长为acm,阿伏加德罗常数的值为NA,则碘单质的密度为__________________。
答案
(1)d
(2)c (3)①分子 ②分子间作用力 ③
g·cm-3
解析
(1)石墨晶体中存在共价键、范德华力、大π键,故为混合晶体。
(2)C60是一种单质,属于分子晶体,而N60类似于C60,所以N60也是单质,属于分子晶体,即具有分子晶体的一些性质,如硬度较小和熔、沸点较低。
分子晶体的相对分子质量越大,熔、沸点越高。
单质一般是非极性分子,难溶于水这种极性溶剂,因此a、b项错误,c项正确;N2分子以N≡N键结合,N60分子中只存在N—N键,而N≡N键比N—N键牢固得多,所以d项错误。
(3)I2分子之间以分子间作用力结合,所以I2晶体属于分子晶体。
观察碘的晶胞结构发现,一个晶胞中含有I2分子的数目为8×
+6×
=4,碘原子为8个。
一个晶胞的体积为a3cm3,质量为
g,则碘单质的密度为
g·cm-3。
题组一 分子晶体的判断
1.下列各组物质都属于分子晶体的是( )
A.碘、二氧化碳、白磷、C60
B.NaCl、二氧化碳、白磷、二氧化硅
C.SO2、金刚石、N2、铜
D.醋酸、甲烷、石墨、氧化钠
答案 A
解析 B项,NaCl和二氧化硅不属于分子晶体;C项,金刚石和铜不属于分子晶体;D项,石墨和氧化钠不属于分子晶体。
2.某化学兴趣小组,在学习分子晶体后,查阅了几种氯化物的熔、沸点,记录如下:
NaCl
MgCl2
AlCl3
SiCl4
CaCl2
熔点/℃
801
712
190
-68
782
沸点/℃
1465
1418
230
57
1600
根据这些数据分析,属于分子晶体的是( )
A.NaCl、MgCl2、CaCl2B.AlCl3、SiCl4
C.NaCl、CaCl2D.全部
答案 B
解析 由分子构成的晶体,分子与分子之间以分子间作用力相互作用,而分子间作用力较小,克服分子间作用力所需能量较低,故分子晶体的熔、沸点较低,表中的MgCl2、NaCl、CaCl2熔、沸点很高,很明显不属于分子晶体,AlCl3、SiCl4熔、沸点较低,应为分子晶体,B项正确,A、C、D三项错误。
题组二 分子晶体的结构与性质
3.下图是冰的一种骨架形式,依此为单位向空间延伸,则该冰中的每个水分子有几个氢键( )
A.2B.4
C.8D.12
答案 A
解析 每个水分子与四个方向的其他4个水分子形成氢键,每个氢键为2个水分子所共有,因此每个水分子具有的氢键个数为4×
=2。
4.中学教材上介绍的干冰晶体是一种立方面心结构,如图所示,即每8个CO2构成立方体,且在6个面的中心又各占据1个CO2分子,在每个CO2周围距离
a(其中a为立方体棱长)的CO2有( )
A.4个B.8个C.12个D.6个
答案 C
解析 在每个CO2周围距离
a的CO2即为每个面心上的CO2分子,在X、Y、Z三个方向上各有4个,所以应为12个。
5.晶胞是晶体结构中可重复出现的最小的结构单元,C60晶胞结构如下图所示,下列说法正确的是( )
A.C60摩尔质量是720
B.C60与苯互为同素异形体
C.在C60晶胞中有14个C60分子
D.每个C60分子周围与它距离最近且等距离的C60分子有12个
答案 D
6.(2019·南阳高二上学期期末)当SO3晶体熔化时,下述各项中发生变化的是( )
A.化学键
B.硫与氧的原子个数之比
C.分子构型
D.分子间作用力
答案 D
7.下列关于物质熔、沸点高低的比较正确的是( )
A.H2>N2>O2
B.NH3>AsH3>PH3
C.Cl2>Br2>I2
D.C(CH3)4>(CH3)2CHCH2CH3>CH3CH2CH2CH2CH3
答案 B
解析 组成和结构相似的分子晶体的熔、沸点随相对分子质量的增大而升高,即熔、沸点:
H2 NH3>AsH3>PH3,B项正确;相对分子质量相同的烷烃,其支链越多,熔、沸点越低,即熔、沸点: C(CH3)4<(CH3)2CHCH2CH3 8.下列说法中正确的是( ) A.C60汽化和I2升华克服的作用力不相同 B.甲酸甲酯和乙酸的分子式相同,它们的熔点相近 C.NaCl和HCl溶于水时,破坏的化学键都是离子键 D.常温下TiCl4是无色透明液体,熔点-23.2℃,沸点136.2℃,所以TiCl4属于分子晶体 答案 D 解析 C60、I2均为分子晶体,汽化或升华时均克服范德华力;B中乙酸分子可形成氢键,其熔、沸点比甲酸甲酯高。 9.(2018·鞍山一中高二期中)冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞类似,其晶胞结构如图所示。 下列有关说法正确的是( ) A.冰晶胞内水分子间以共价键结合 B.每个冰晶胞平均含有4个水分子 C.水分子间的氢键具有方向性和饱和性,也是σ键的一种 D.已知冰中氢键的作用力为18.5kJ·mol-1,而常见的冰的熔化热为336J·g-1,这说明冰变成水,氢键部分被破坏(假设熔化热全部用于破坏氢键) 答案 D 解析 冰晶胞内水分子间主要以氢键结合,A项错误;由冰晶胞的结构可知,每个冰晶胞平均占有的分子个数为4+ ×8+6× =8,B项错误;水分子间的氢键具有方向性和饱和性,但氢键不属于化学键,C项错误;冰中氢键的作用力为18.5kJ·mol-1,1mol冰中含有2mol氢键,而常见的冰的熔化热为336J·g-1,也可写为6.05kJ·mol-1,说明冰变为液态水时只是破坏了一部分氢键,液态水中仍存在氢键,D项正确。 题组三 常见晶体结构与性质的综合 10.对于钠的卤化物(NaX)和硅的卤化物分子(SiX4),下列叙述正确的是( ) A.SiX4呈空间网状结构,硬度大 B.NaX的熔点一般高于SiX4 C.NaX易水解 D.SiX4由原子构成,熔化时破坏共价键 答案 B 解析 硅的卤化物(SiX4)属于分子晶体,不是空间网状结构,其硬度较小,A错误;钠的卤化物(NaX)为离子化合物,属于离子晶体,硅的卤化物(SiX4)为共价化合物,属于分子晶体,离子晶体的熔点大于分子晶体的熔点,即NaX的熔点一般高于SiX4,故B正确;钠的强酸盐不水解,NaX(NaF除外)不易水解,C错误;硅的卤化物(SiX4)是由分子构成的,属于分子晶体,熔化时破坏分子间作用力,故D错误。 11.(2018·江苏启东月考)如图所示是某无机化合物的二聚分子,该分子中A、B两种元素都是第3周期的元素,分子中所有原子的最外层电子都达到8电子稳定结构。 下列说法不正确的是( ) A.该化合物的分子式可能是Al2Cl6 B.该化合物是离子化合物,在熔融状态下能导电 C.该化合物在固态时所形成的晶体是分子晶体 D.该化合物中不存在离子键,也不含有非极性共价键 答案 B 解析 将二聚分子变成单分子,得BA3,根据两种元素都处于第3周期,可知BA3可能是PCl3或AlCl3,而在PCl3中所有原子已达稳定结构,不可能形成二聚分子,故只可能是AlCl3,则该化合物的分子式是Al2Cl6,故A正确;该化合物是无机化合物的二聚分子,属于共价化合物,不存在离子键,只有极性共价键,在熔融状态下不能导电,固态时形成的晶体是分子晶体,故B错误,C、D正确。 12.氮化硼(BN)晶体有多种相结构。 六方相氮化硼是通常存在的稳定相,与石墨相似,具有层状结构,可作高温润滑剂;立方相氮化硼是超硬材料,有优异的耐磨性。 它们的晶体结构如图所示,下列关于这两种晶体的说法正确的是( ) A.六方相氮化硼与石墨一样可以导电 B.立方相氮化硼含有σ键和π键,所以硬度大 C.两种晶体均为分子晶体 D.六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的立体构型为平面三角形 答案 D 解析 A项,六方相氮化硼晶体中没有可以自由移动的电子或离子,所以不导电,错误;B项,立方相氮化硼中只含有σ键,错误;C项,立方相氮化硼是原子晶体,错误;D项,由六方相氮化硼的晶体结构可知,每个硼原子与相邻3个氮原子构成平面三角形,正确。 13. (1)比较下列化合物的熔、沸点的高低(填“>”或“<”)。 ①CO2______SO2;②NH3______PH3;③O3______O2;④Ne______Ar;⑤CH3CH2OH______CH3OH;⑥CO______N2。 (2)已知AlCl3的熔点为190℃,但它在180℃即开始升华。 请回答: ①AlCl3固体是________晶体。 ②设计实验判断氯化铝是离子化合物还是共价化合物: ________________________________________________________________________。 答案 (1)①< ②> ③> ④< ⑤> ⑥> (2)①分子 ②在熔融状态下,验证其是否导电,若不导电是共价化合物 解析 (1)各组物质均为分子晶体,根据分子晶体熔、沸点的判断规律,可比较六组物质熔、沸点的高低。 (2)由AlCl3的熔点低以及在180℃时开始升华可判断AlCl3晶体为分子晶体。 若验证一种化合物是共价化合物还是离子化合物,可测其在熔融状态下是否导电,不导电则是共价化合物,导电则是离子化合物。 14.石墨的片层结构如图所示,请回答下列问题: (1)平均________个碳原子构成一个正六边形。 (2)石墨晶体每一层内碳原子数与碳碳化学键之比是________。 (3)ng碳原子可构成________个正六边形。 答案 (1)2 (2)2∶3 (3) 解析 (1)利用点与面之间的关系,平均每个正六边形含碳原子: 6×1/3=2个。 (2)分析每一个正六边形: ①所占的碳原子数为6× =2; ②所占的碳碳键数为6× =3,故答案为2∶3。 (3)ng碳原子数为 NA,故答案为 = 。 15.请回答下列各题: (1)请写出下列物质性质的变化规律与哪种作用有关。 ①HF、HCl、HBr、HI的热稳定性依次减弱: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn等稀有气体单质的熔点和沸点逐渐升高: ________________________________________________________________________。 ③沸点: : ________________________________________________________________________。 ④熔点: : ________________________________________________________________________。 (2)H、C、O的原子可共同形成多种分子,写出其中一种能形成同种分子间氢键的物质名称________________________________________________________________________。 (3)用氢键表示式写出HF溶液中存在的所有氢键 ________________________________________________________________________。 (4)BF3与一定量水形成(H2O)2·BF3(Q)晶体在一定条件下可转化为R: [H3O]+ 晶体Q中各种微粒间的作用力不涉及____________(填序号)。 a.离子键 b.共价键 c.配位键 d.金属键 e.氢键 f.范德华力 答案 (1)①与化学键有关,键能逐渐减小,热稳定性逐渐减弱 ②与范德华力有关,且范德华力逐渐增强 ③与范德华力有关,且范德华力逐渐减弱 ④与氢键有关,邻硝基苯酚形成分子内氢键,间硝基苯酚和对硝基苯酚形成分子间氢键 (2)乙酸(或乙醇等) (3)FH…F FH…O OH…F OH…O (4)ad 解析 (1)决定分子(包括稀有气体单质)的稳定性的因素通常有化学键的强弱,而决定物质熔、沸点高低的因素通常有分子间作用力的大小等。 把物质的组成、性质与相互作用相联系,便可找到对应关系。 (2)氢键表示为XH…Y,其中X、Y是F、O、N中的任一元素,所以分子间形成氢键的物质中含有OH键或NH键、FH键,可以是醇、羧酸或胺等。 (3)HF与HF之间、H2O与H2O之间及HF与H2O相互之间均能形成氢键。 (4)由Q的结构式可知,Q分子中存在O…H氢键、OB配位键、OH和BF共价键,还有Q分子间的分子间作用力。
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