高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2第3章 不同聚集状态的物质与性质第2节 几种简单的晶体结构模型第2课时巩固练习

第2课时　共价晶体与分子晶体

课后篇素养形成

必备知识基础练

1.干冰、碘易升华是由于(　　)

A.干冰分子、碘分子是非极性分子

B.键能小

C.化学性质不活泼

D.分子间的作用力较弱

答案D

解析干冰和碘均属于分子晶体,升华时只需要克服较弱的分子间作用力。

2.下列关于共价晶体、分子晶体的叙述中,正确的是 (　　)

A.在SiO2晶体中,1个硅原子和2个氧原子形成2个共价键

B.分子晶体中一定存在共价键

C.HI的相对分子质量大于HF,所以HI的沸点高于HF

D.金刚石为共价键三维骨架结构,晶体中的最小环上有6个碳原子

答案D

解析在SiO2晶体中,1个硅原子和4个氧原子形成4个共价键,A不正确;部分分子晶体如稀有气体中不含共价键,B不正确;虽然HI的相对分子质量大于HF,但由于HF分子之间可以形成氢键,所以HF的沸点高于HI,C不正确;金刚石为共价键三维骨架结构,晶体中的最小碳环上有6个碳原子,D正确。

3.金刚石具有硬度大、熔点高等特点,大量用于制造钻头、金属切割刀具等。其结构如图所示,下列判断正确的是              (　　)

A.金刚石中C—C键的键角均为109°28',所以金刚石和CH4的晶体类型相同

B.金刚石的熔点高与C—C键的键能无关

C.金刚石中碳原子个数与C—C键数目之比为1∶2

D.金刚石的熔点高,所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却

答案C

解析选项A,金刚石是共价晶体,CH4是分子晶体,二者的晶体类型不同;选项B,金刚石熔化过程中C—C键断裂,因C—C键的键能大,断裂时需要的能量多,故金刚石的熔点很高;选项D,金刚石的熔点高,但在打孔过程中会产生很高的温度,如不浇水冷却钻头,会导致钻头熔化。

4.SiCl4的分子结构与CCl4相似,对其进行下列推测,不正确的是(　　)

A.SiCl4晶体是分子晶体

B.常温、常压下SiCl4是气体

C.SiCl4分子是由极性键形成的非极性分子

D.SiCl4的熔点高于CCl4

答案B

解析由于SiCl4具有分子结构,所以属于分子晶体。影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间作用力的大小,在SiCl4分子间、CCl4分子间只有范德华力,SiCl4的相对分子质量大于CCl4的相对分子质量,所以SiCl4的分子间作用力大,熔、沸点比CCl4高。在常温、常压下SiCl4是液体。CCl4分子是正四面体结构,SiCl4与CCl4的分子结构相似,也是正四面体结构,故SiCl4是含极性键的非极性分子。

5.(2020山东潍坊二中高二月考)二氧化硅晶体是空间立体网状结构,如图所示。

下列关于二氧化硅晶体的说法中正确的是(　　)

A.1 mol SiO2晶体中含2 mol Si—O键

B.二氧化硅晶体的分子式是SiO2

C.晶体中Si、O原子最外电子层都满足8电子结构

D.晶体中最小环上的原子数为8

答案C

解析A选项错误,SiO2晶体中,1个硅原子与周围4个氧原子形成Si—O键,所以1molSiO2晶体中含4molSi—O键;B选项错误,晶体中1个硅原子与周围4个氧原子形成共价键,1个氧原子与周围2个硅原子形成共价键,SiO2表示晶体中Si、O原子个数比为1∶2,并不是分子式;C选项正确,1个硅原子分别与4个氧原子形成4对共用电子对,1个氧原子分别与2个硅原子形成2对共用电子对,所以Si、O原子最外电子层都满足8电子结构;D选项错误,SiO2晶体中最小环上的原子数为12,其中6个为硅原子,6个为氧原子。

6.下列物质按熔、沸点由高到低顺序排列正确的一组是 (　　)

A.HF、HCl、HBr、HI

B.F2、Cl2、Br2、I2

C.H2O、H2S、H2Se、H2Te

D.CI4、CBr4、CCl4、CF4

答案D

解析对于结构和组成相似的分子晶体,其熔、沸点随着相对分子质量的增大而升高,但HF分子、H2O分子之间都存在氢键,熔、沸点反常。所以A中应为HF>HI>HBr>HCl;B中应为I2>Br2>Cl2>F2;C中应为H2O>H2Te>H2Se>H2S;只有D正确。

7.美国Lawrence Livermore国家实验室(LLNL)的科学家成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体,下列关于CO2的共价晶体说法正确的是(　　)

A.CO2的共价晶体和分子晶体互为同素异形体

B.在一定条件下CO2的共价晶体转化为分子晶体是物理变化

C.CO2的共价晶体和分子晶体具有相同的物理性质

D.在CO2的共价晶体中,每个C原子周围结合4个O原子,每个O原子与2个C原子相结合

答案D

解析同素异形体的研究对象是单质;CO2的晶体类型发生转变,生成了新物质,为化学变化;CO2的不同晶体具有不同的物理性质;CO2共价晶体类似于SiO2晶体,每个C原子结合4个O原子,每个O原子结合2个C原子。

8.(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5,其晶胞结构如图甲所示,则金刚砂晶体类型为　　　　;在SiC中,每个C原子周围最近的C原子数目为　　　　　　　　;若晶胞的边长为a pm,则金刚砂的密度表达式为　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(2)硅的某种单质的晶胞如图乙所示。GaN晶体与该硅晶体相似。则GaN晶体中,每个Ga原子与　　　个N原子相连,与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为　　　　　　　　　　　　。若该硅晶体的密度为ρ g·cm-3,阿伏加德罗常数的值为NA,则晶体中最近的两个硅原子之间的距离为　　　　　　　　(用代数式表示即可) cm。 

答案(1)共价晶体　12

(2)4　正四面体　

解析(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5,硬度大,属于共价晶体;在SiC中,每个碳原子周围最近的碳原子数目为12;该晶胞中C原子个数为8×+6×=4,Si原子个数为4,晶胞边长为a×10-10cm,体积V=(a×10-10cm)3,ρ=。

(2)类比图乙的晶体结构可知,在GaN晶体中,每个Ga原子与4个N原子相连,与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为正四面体。一个晶体Si的晶胞中含有Si原子的数目是8×+6×+4=8,根据晶胞的密度ρg·cm-3=可知,V=cm3=cm3,晶胞的边长a=cm,在晶胞中最近的两个Si原子之间的距离为晶胞体对角线长的,即 cm。

关键能力提升练

9.如图为冰的一种骨架形式,依此为单位向空间延伸,请问该冰中的每个水分子具有的氢键个数为(　　)

A.2 B.4 C.8 D.12

答案A

解析每个水分子与四个方向的其他四个水分子形成氢键,因此每个水分子具有的氢键个数为4×=2。

10.干冰晶体的晶胞是面心立方结构,如图所示,即每8个CO2分子构成立方体,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

解析如图在任意一个立方体顶点的CO2分子周围距离a的CO2分子为每个相邻面心上的CO2分子,共有8×(3×)=12个。

11.在硼酸[B(OH)3]分子中,每个B原子与3个羟基相连,其晶体具有与石墨相似的层状结构。则分子中B原子杂化轨道的类型及同层分子间的主要作用力分别是(　　)

A.sp,范德华力 B.sp2,范德华力

C.sp2,氢键 D.sp3,氢键

答案C

解析石墨晶体中C原子为sp2杂化,层与层之间以范德华力结合,硼酸[B(OH)3]分子中,B原子也为sp2杂化,但由于B(OH)3中每个B原子与3个羟基相连,羟基间能形成氢键,故同层分子间的主要作用力为氢键。

12.(双选)晶胞是晶体结构中可重复出现的基本的结构单元,C60晶胞结构如下图所示,下列说法正确的是              (　　)

A.C60的摩尔质量是720

B.C60与苯互为同素异形体

C.一个C60晶胞中有4个C60分子

D.每个C60分子周围与它距离最近且相等的C60分子有12个

答案CD

解析C60的相对分子质量是12×60=720,所以摩尔质量为720g·mol-1,选项A错误;由同种元素形成的不同种单质互为同素异形体,而苯是由碳、氢元素形成的化合物,选项B错误;C60分子构成的晶胞为面心立方晶胞,根据均摊法可知,在一个C60晶胞中含有C60分子的个数为8×+6×=4,选项C正确;根据晶胞的结构可知,以晶胞中任意顶点上的C60分子为研究对象,与它距离最近且相等的C60分子分布在立方体的面心上,每个顶点上的C60分子被8个立方体共用,有12个面与之相连,所以每个C60分子周围与它距离最近且相等的C60分子有12个,选项D正确。

13.(双选)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.立方相氮化硼只含有σ键

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空间构型为三角形

答案BD

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,正确;C项,立方相氮化硼是共价晶体,错误;D项,由六方相氮化硼的晶体结构可知,层内每个硼原子与相邻3个氮原子构成三角形,正确。

14.请回答下列问题:

(1)下列物质变化,只与范德华力有关的是　　　。 

a.干冰熔化

b.乙酸汽化

c.石英熔融

d.溶于水

e.碘溶于四氯化碳

(2)某石蕊分子结构如下图所示:

①石蕊分子所含元素中,基态原子2p轨道有两个未成对电子的是　　　　(填元素符号);由其中两种元素形成的三角锥构型的一价阳离子是　　　(填化学式)。 

②该石蕊易溶解于水,分析可能的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(3)已知:

①Cu2+的核外电子排布式为　　　　　　; 

②X难溶于水、易溶于有机溶剂,其晶体类型为　　　　; 

③M中所含元素的电负性由大到小顺序为　　　　　　,N原子以　　　　　　轨道与O原子形成σ键。 

④上述反应中断裂和生成的化学键有　　　　(填序号)。 

a.离子键 b.配位键

c.金属键 d.范德华力

e.共价键

(4)白磷(P4)是磷的一种单质,它属于分子晶体,其晶胞结构如下图。已知该晶体的密度为ρ g·cm-3,晶胞的边长为a cm,则阿伏加德罗常数为　　　　(用含ρ、a的式子表示) mol-1。 

答案(1)ae

(2)①C、O　C、H3O+　②该石蕊分子中含有—OH和—NH2,均能与H2O分子间形成氢键;由结构知,该分子为极性分子,根据相似相溶原理,易溶于极性溶剂水

(3)①1s22s22p63s23p63d9或[Ar]3d9　②分子晶体　③O>N>C>H　sp2杂化　④be

(4)

解析(1)干冰熔化只破坏范德华力;乙酸汽化破坏范德华力和氢键;石英熔融破坏共价键;分子间不存在氢键,溶于水破坏范德华力,但与水分子间形成氢键;碘溶于四氯化碳只破坏范德华力,故只有a、e符合要求。

(2)①2p轨道有两个未成对电子的原子价电子排布式为2s22p2、2s22p4,故为C和O。C和H形成C,H和O形成H3O+,N和H形成N,其中C和H3O+为三角锥形,N为正四面体形。②从与H2O分子间能否形成氢键及“相似相溶”两个角度解答。

(3)②由X难溶于水、易溶于有机溶剂可知,其为分子晶体。③分子中N原子形成3个σ键和1个π键,故N原子杂化类型为sp2杂化;同周期由左向右,元素电负性增大,电负性:O>N>C,由H与非金属元素C形成的化合物中H表现出正价可推知,电负性:C>H。④该反应中断裂苯环上连接的—OH中的O—H键及—OH中氢原子与氮原子之间的氢键,形成Cu←O、Cu←N配位键,故选b、e。

(4)每个白磷晶胞中含有P4的个数为8×+6×=4,每个晶胞质量为4×,体积为a3cm3,故=ρg·cm-3,NA=mol-1。

15.请回答下列问题:

(1)31Ga基态原子的核外电子排布式是　　　　　　　　。某种半导体材料由Ga和As两种元素组成,该半导体材料的化学式是　　　　　　,其晶体结构类型可能为　　　　　　　。 

(2)C、N元素形成的新材料具有如下图所示结构,该晶体的化学式为　　　　　　　　。该晶体硬度将超过目前世界上最硬的金刚石,其原因是　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(3)Al2O3在一定条件下可制得AlN,其晶体结构如图所示,该晶体属于　　　　晶体。 

(4)下图是氮化镓的晶胞结构:

氮化镓中镓原子的杂化方式为　　　　,氮原子的配位数为　　　　。 

(5)立方相氮化硼结构与金刚石相似,硬度与金刚石相当,晶胞边长为a cm,立方相氮化硼晶胞中含有　　　　个氮原子、　　　　个硼原子。 

答案(1)1s22s22p63s23p63d104s24p1或[Ar]3d104s24p1

GaAs　共价晶体

(2)C3N4　C3N4与金刚石都是共价晶体,C—N键键长比C—C键键长短,键能大

(3)共价　(4)sp3　4　(5)4　4

解析(1)Ga与Al同主族,位于第4周期ⅢA族,从而可得其电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p1。由于Ga和As组成的物质是半导体材料,不是离子化合物,Ga最外层有3个电子,As最外层有5个电子,两者以共价键形成GaAs,属于共价晶体。

(2)该晶胞中含C原子数=8×+4×=3,N原子数为4,故该晶体化学式为C3N4。由于C—N键键长比C—C键键长短,键能大,所以金刚石硬度比C3N4硬度小。

(4)每个Ga原子与4个N原子形成共价键,这4个N原子构成正四面体结构;每个N原子与4个Ga原子形成共价键,这4个Ga原子构成正四面体结构,所以氮化镓中镓原子的杂化方式为sp3杂化,氮原子的配位数为4。

(5)金刚石晶胞是立方体结构,其中每个顶点各有1个碳原子,每个面心各有1个碳原子,立方体内部还有4个碳原子,如图所示。

所以金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数=8×+6×+4=8,因此一个立方相氮化硼晶胞中应该含有4个N原子和4个B原子。

学科素养拔高练

16.在我国南海300~500 m海底深处沉积物中存在着大量的“可燃冰”,其主要成分为甲烷水合物。

请回答下列问题:

(1)甲烷晶体的晶胞结构如图所示,下列说法正确的是　　　　　　(填字母序号)。 

甲烷晶胞

A.甲烷晶胞中的小球只代表一个C原子

B.晶体中1个CH4分子有12个紧邻的CH4分子

C.CH4熔化时需克服共价键

D.1个CH4晶胞中含有8个CH4分子

E.CH4是非极性分子

(2)水在不同的温度和压强条件下可以形成多种不同结构的晶体,冰晶体结构有多种。其中冰-Ⅶ的晶体结构如下图所示。

①水分子的空间构型是　　　　形,水分子能与H+形成配位键,其原因是在氧原子上有　　　　,应用价电子对互斥理论推测H3O+的形状为　　　　　　。 

②上述冰晶体中每个水分子与周围　　　　个水分子以氢键结合。 

③实验测得冰中氢键的作用能为18.5 kJ·mol-1,而冰的熔化热为5.0 kJ·mol-1,这说明　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

④冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞(其晶胞结构如图,其中空心球所示原子位于立方体的顶点或面心,实心球所示原子位于立方体内)类似。每个冰晶胞平均占有　　　　个水分子,冰晶胞与金刚石晶胞微粒排列方式相似的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(3)氨气极易溶于水的原因之一是与氢键有关。请判断:NH3溶于水后,形成的NH3·H2O的合理结构是　　　　(填字母)。 

答案(1)BE

(2)①角　孤电子对　三角锥形　②4　③冰熔化为液态水时只是破坏了一部分氢键,液态水中仍存在氢键　④8　水中的O原子和金刚石中的C原子都为sp3杂化,每个水分子可与相邻的4个水分子形成氢键,且氢键和共价键都具有方向性

(3)b

解析(1)CH4是分子晶体,熔化时克服范德华力。晶胞中的小球代表的是一个甲烷分子,并不是一个C原子。以该甲烷晶胞分析,位于顶点的任意一个甲烷分子与其距离最近的甲烷分子有3个而这3个甲烷分子在面上,故与1个甲烷分子紧邻的甲烷分子有3×8×=12(个)。甲烷晶胞属于面心立方晶胞,该晶胞中甲烷分子的个数为8×+6×=4。CH4分子为正四面体结构,C原子位于正四面体的中心,结构对称,CH4是非极性分子。

(2)①水分子中O原子的价电子对数==4,孤电子对数为2,所以水分子为角形分子,H2O分子能与H+形成配位键,其原因是H2O中O原子上有孤电子对,H+有空轨道。H3O+价电子对数为=4,孤电子对数为1,故H3O+为三角锥形。②观察图示晶体结构可知,每个水分子与周围4个水分子以氢键结合。③冰中氢键的作用能为18.5kJ·mol-1,而冰熔化热为5.0kJ·mol-1,说明冰熔化为液态水时只是破坏了一部分氢键,并且液态水中仍存在氢键。④每个冰晶胞平均含有的水分子数为4+6×+8×=8。H2O分子中的O原子形成2个σ键,含有的孤电子对数为2,金刚石中每个C原子形成4个σ键且没有孤电子对,所以水中的O和金刚石中的C都是sp3杂化,且水分子间的氢键具有方向性,每个水分子只可以与相邻的4个水分子形成氢键,导致冰晶胞与金刚石晶胞中微粒的排列方式相似。

(3)由电离方程式NH3·H2ON+OH-,可知b图符合NH3·H2O的结构。