人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子晶体与共价晶体第1课时学案设计

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[核心素养发展目标] 1.能辨识常见的分子晶体，并能从微观角度分析分子晶体中各构成微粒之间的作用和对分子晶体物理性质的影响。2.能利用分子晶体的通性推断常见的分子晶体，理解分子晶体中微粒的堆积模型，并能用均摊法对晶胞进行分析。
一、分子晶体的概念和性质
1．分子晶体的概念
只含分子的晶体，或者分子间以分子间作用力结合形成的晶体叫分子晶体。
2．分子晶体中的粒子及粒子间的相互作用
3．常见的典型分子晶体
(1)所有非金属氢化物：如H2O、H2S、NH3、CH4、HX(卤化氢)等。
(2)部分非金属单质：如X2(卤素单质)、O2、H2、S8、P4、C60、稀有气体等。
(3)部分非金属氧化物：如CO2、SO2、NO2、P4O6、P4O10等。
(4)几乎所有的酸：如H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3等。
(5)绝大多数有机物：如苯、四氯化碳、乙醇、冰醋酸、蔗糖等。
4．分子晶体的物理性质
(1)分子晶体熔、沸点较低，硬度很小。
(2)分子晶体不导电。
(3)分子晶体的溶解性一般符合“相似相溶”规律。
(1)组成分子晶体的微粒是分子，在分子晶体中一定存在共价键和分子间作用力( )
(2)分子晶体熔化时一定破坏范德华力，有些分子晶体还会破坏氢键( )
(3)分子晶体熔化或溶于水均不导电( )
(4)分子晶体的熔、沸点越高，分子晶体中共价键的键能越大( )
(5)水分子间存在着氢键，故水分子较稳定( )
(6)NH3极易溶于水的原因一是NH3、H2O均为极性分子，二是NH3和H2O之间形成分子间氢键( )
答案 (1)× (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)√
1．下列各组物质各自形成晶体，均属于分子晶体的化合物是( )
A．NH3、HD、C10H18 B．PCl3、CO2、H2SO4
C．SO2、C60、P2O5 D．CCl4、Na2S、H2O2
答案 B
解析 分子晶体的构成微粒为分子，分子内部以共价键结合。HD属于分子晶体，但为单质，故A错误；PCl3、CO2、H2SO4均属于分子晶体，且为化合物，故B正确；C60属于分子晶体，但为单质，故C错误；Na2S中含有离子键，不属于分子晶体，故D错误。
2．(2019·贵州思南中学高二月考)医院在进行外科手术时，常用HgCl2稀溶液作为手术刀的消毒剂，已知HgCl2有如下性质：①HgCl2晶体熔点较低；②HgCl2熔融状态下不导电；③HgCl2在水溶液中可发生微弱电离。下列关于HgCl2的叙述中正确的是( )
A．HgCl2晶体属于分子晶体
B．HgCl2属于离子化合物
C．HgCl2属于电解质，且属于强电解质
D．HgCl2属于非电解质
答案 A
解析 由HgCl2的性质可知，HgCl2晶体属于分子晶体，属于共价化合物，是弱电解质。
3．下列分子晶体的熔、沸点由高到低的顺序是( )
①HCl ②HBr ③HI ④CO ⑤N2 ⑥H2
A．①②③④⑤⑥ B．③②①⑤④⑥
C．③②①④⑤⑥ D．⑥⑤④③②①
答案 C
解析 相对分子质量越大，分子间的范德华力越大，分子晶体的熔、沸点越高，相对分子质量接近的分子，极性越强，熔、沸点越高，故选C。

1.分子晶体的判断方法
(1)依据物质的类别判断
部分非金属单质、所有非金属氢化物、部分非金属氧化物、几乎所有的酸、绝大多数有机物都是分子晶体。
(2)依据组成晶体的粒子及粒子间作用判断
组成分子晶体的微粒是分子，粒子间的作用力是分子间作用力。
(3)依据物质的性质判断
分子晶体的硬度小，熔、沸点低，在熔融状态或固体时均不导电。
2．分子晶体熔、沸点高低的判断
(1)组成和结构相似，不含氢键的分子晶体，相对分子质量越大，范德华力越强，熔、沸点越高，如I2＞Br2＞Cl2＞F2，HI＞HBr＞HCl。
(2)组成和结构不相似的分子晶体(相对分子质量接近)，分子的极性越大，熔、沸点越高，如CH3OH＞CH3CH3。
(3)含有分子间氢键的分子晶体的熔、沸点反常升高，如H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S。
(4)对于有机物中的同分异构体，支链越多，熔、沸点越低，如CH3—CH2—CH2—CH2—CH3＞＞。
(5)烃、卤代烃、醇、醛、羧酸等有机物一般随分子中碳原子数的增加，熔、沸点升高，如C2H6＞CH4，C2H5Cl＞CH3Cl，CH3COOH＞HCOOH。
二、典型的分子晶体的结构和性质
1．分子晶体的结构特征
2.常见分子晶体的结构分析
(1)冰晶体
①结构：冰晶体中，水分子间主要通过氢键形成晶体。由于氢键具有一定的方向性，一个水分子与周围四个水分子结合，这四个水分子也按照同样的规律再与其他的水分子结合。这样，每个O原子周围都有四个H原子，其中两个H原子与O原子以共价键结合，另外两个H原子与O原子以氢键结合，使水分子间构成四面体骨架结构。其结构可用下图表示。
②性质：由于氢键具有方向性，冰晶体中水分子未采取密堆积方式，这种堆积方式使冰晶体中水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙。当冰刚刚融化成液态水时，水分子间的空隙减小，密度反而增大，超过4 ℃时，分子间距离加大，密度逐渐减小。
(2)干冰
①结构：固态CO2称为干冰，干冰也是分子晶体。CO2分子内存在C==O共价键，分子间存在范德华力，CO2的晶胞呈面心立方体形，立方体的每个顶角有一个CO2分子，每个面上也有一个CO2分子。每个CO2分子与12个CO2分子等距离相邻(在三个互相垂直的平面上各4个或互相平行的三层上，每层上各4个)(如图所示)。

②性质：干冰的外观很像冰，硬度也跟冰相似，熔点却比冰低得多，在常压下极易升华，在工业上广泛用作制冷剂；由于干冰中的CO2之间只存在范德华力不存在氢键，密度比冰的高。
(1)干冰和冰都是由分子密堆积形成的晶体( )
(2)干冰比冰的熔点低很多，常压下易升华( )
(3)干冰晶体中只存在范德华力不存在氢键，一个分子周围有12个紧邻的分子( )
(4)冰晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的分子；1 ml冰中含有1 ml氢键( )
答案 (1)× (2)√ (3)√ (4)×
1．硫化氢和水分子结构相似，但硫化氢晶体中，一个硫化氢分子周围有12个紧邻的分子，而冰中一个水分子周围只有4个紧邻分子，为什么？
提示 硫化氢晶体中只存在范德华力，属于分子密堆积，而冰中主要作用力是氢键，氢键具有方向性，氢键的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引。
2．如图为干冰的晶体结构示意图。
(1)通过观察分析，有________种取向不同的CO2分子。将CO2分子视作质点，设晶胞边长为a pm，则紧邻的两个CO2分子的距离为________ pm。
(2)其密度ρ为________(1 pm＝10－10 cm)。
答案 (1)4 eq \f(\r(2),2)a (2)eq \f(4×44,NAa×10－103) g·cm－3
解析 顶角一种取向，三对平行面分别为三种取向，所以共有4种取向。两个紧邻CO2分子的距离为面对角线的一半。ρ＝eq \f(1 ml晶胞质量,1 ml晶胞体积)＝eq \f(4×44,NAa×10－103) g·cm－3。
1．下列物质固态时，一定是分子晶体的是( )
A．酸性氧化物 B．非金属单质
C．碱性氧化物 D．含氧酸
答案 D
2．水的沸点为100 ℃，硫化氢的分子结构跟水相似，但它的沸点却很低，是－60.7 ℃，引起这种差异的主要原因是( )
A．范德华力 B．共价键
C．氢键 D．相对分子质量
答案 C
解析 水和H2S的结构相似，二者形成的晶体也都是分子晶体。但由于水分子间存在氢键，所以导致水的沸点高于H2S的沸点。
3．干冰熔点很低是由于( )
A．CO2是非极性分子 B．C==O的键能很小
C．CO2化学性质不活泼 D．CO2分子间的作用力较弱
答案 D
解析 干冰是分子晶体，分子晶体的相对分子质量越小，分子间的作用力越弱，熔、沸点越低，所以干冰熔点很低是由于CO2分子间的作用力较弱，与键能、化学性质等无关。
4．干冰气化时，下列所述内容发生变化的是( )
A．分子内共价键 B．分子间作用力
C．分子的性质 D．分子间的氢键
答案 B
解析 干冰是分子晶体，分子间存在分子间作用力，不存在氢键，分子气化时破坏分子间作用力，分子内原子间共价键没有被破坏，所以分子的性质不发生改变。
5．下列属于分子晶体的一组物质是( )
A．CaO、NO、CO B．CCl4、H2O、He
C．CO2、SO2、NaCl D．CH4、O2、Na2O
答案 B
6．下列有关分子晶体熔点高低的叙述中，正确的是( )
A．氯气>碘单质
B．四氯化硅>四氟化硅
C．NH3正戊烷
答案 B
解析 碘常温下为固体，氯气为气体，碘的熔点较高，A错误；四氯化硅、四氟化硅对应的晶体都为分子晶体，四氯化硅的相对分子质量大，熔点较高，B正确；氨分子间存在氢键，熔点较高，C错误；同分异构体中，含有的支链越多，熔点越低，D错误。
7．自从英国化学家巴特列(N.Bartlett)首次合成了第一种稀有气体的化合物XePtF6以来，人们又相继发现了氙的一系列化合物，如XeF2、XeF4等。巴特列为开拓稀有气体化学作出了历史性贡献。
(1)请根据XeF4的结构示意图(图1)判断这个分子是极性分子还是非极性分子？________。
(2)XeF2晶体是一种无色晶体，图2为它的晶胞结构图。XeF2晶体属于哪种类型的晶体？________。
答案 (1)非极性分子 (2)分子晶体
解析 (1)XeF4分子中含有Xe—F极性键，由于XeF4分子是平面正方形结构，结构对称，所以XeF4分子为非极性分子。(2)根据晶胞结构可知，XeF2晶体是由分子构成的，是分子晶体。
题组一 分子晶体及其性质
1．下列有关分子晶体的说法中一定正确的是( )
A．分子内均存在共价键
B．分子间一定存在范德华力
C．分子间一定存在氢键
D．其结构一定为分子密堆积
答案 B
解析 稀有气体元素组成的晶体中，不存在由多个原子组成的分子，而是原子间通过范德华力结合成晶体，所以不存在任何化学键，A错误；分子间作用力包括范德华力和氢键，范德华力存在于所有的分子晶体中，而氢键只存在于含有与电负性较强的氮、氧、氟原子结合的氢原子的分子之间或者分子之内，B正确、C错误；只存在范德华力的分子晶体才采用分子密堆积的方式，D错误。
2．分子晶体具有某些特征的本质原因是( )
A．组成晶体的基本微粒是分子
B．熔融时不导电
C．晶体内微粒间以分子间作用力相结合
D．熔点一般比较低
答案 C
解析 分子晶体相对于其他晶体来说，熔、沸点较低，硬度较小，本质原因是其基本构成微粒间的相互作用——范德华力及氢键相对于化学键来说比较弱。
3．下列晶体由原子直接构成，但属于分子晶体的是( )
A．固态氢 B．固态氖
C．磷 D．三氧化硫
答案 B
解析 根据题意可知必须是单原子分子，符合条件的只有稀有气体，故选B。
4．支持固态氨是分子晶体的事实为( )
A．氮原子不能形成阳离子
B．铵离子不能单独存在
C．常温下氨是气态物质
D．氨极易溶于水
答案 C
解析 常温下氨是气态物质，说明NH3的熔点和沸点低，微粒之间的结合力小，所以固态的氨是分子晶体；只有分子晶体在常温下才可能呈气态，反之，常温下呈气态的物质一定属于分子晶体。
5．碘的熔、沸点低，其原因是( )
A．碘的非金属性较弱
B．I—I的键能较小
C．碘晶体属于分子晶体
D．I—I共价键的键长较长
答案 C
解析 碘单质为双原子分子，属于分子晶体，分子间作用力较弱，其熔、沸点较低，与非金属性、I—I的键能和键长无关，C正确。
6．下列性质适合于分子晶体的是( )
①熔点1 070 ℃，易溶于水，水溶液导电
②熔点10.31 ℃，液态不导电，水溶液导电
③能溶于CS2，熔点112.8℃，沸点444.6 ℃
④熔点97.81 ℃，质软、导电，密度为0.97 g·cm－3
A．①② B．①③
C．②③ D．②④
答案 C
解析 ②熔点10.31 ℃，液态不导电，说明液态时，只存在分子，没有离子，溶于水后，电离出自由移动的离子，水溶液中能导电，属于分子晶体，符合题意；③能溶于CS2，熔点112.8 ℃，沸点444.6 ℃ ，符合分子晶体的特点，符合题意，C正确。
7．目前，科学界拟合成一种“双重结构”的球形分子，即把足球烯C60的分子容纳在Si60分子中，外面的硅原子与里面的碳原子以共价键相结合，下列叙述错误的是( )
A．该晶体属于分子晶体
B．该分子内原子间都以极性共价键相连接
C．该物质是一种新化合物
D．该物质的相对分子质量为2 400
答案 B
解析 A项，由于该物质是“双重结构”的球形分子，所以该晶体类型是分子晶体，正确；B项，该分子内同种元素的原子间都以非极性共价键相结合，不同种元素的原子间以极性共价键相结合，错误；C项，该物质含有两种元素，是纯净物，因此属于一种新化合物，正确；D项，该物质的相对分子质量为12×60＋28×60＝2 400，正确。
题组二 分子晶体的晶胞
8．(2019·河北衡水中学月考)正硼酸(H3BO3)是一种片层状结构的白色晶体，层内的H3BO3分子通过氢键相连(如图所示)。下列有关说法正确的是( )
A．正硼酸晶体不属于分子晶体
B．H3BO3分子的稳定性与氢键有关
C．分子中硼原子最外层为8电子稳定结构
D．含1 ml H3BO3的晶体中有3 ml氢键
答案 D
解析 A项，正硼酸晶体属于分子晶体；B项，H3BO3分子的稳定性与分子内部的共价键有关，与分子间氢键无关；C项，分子中的硼原子不符合8电子稳定结构；D项，1个H3BO3分子中含有3个氢键。
9.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18.5 kJ·ml－1，而常见的冰的熔化热为336 J·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＋eq \f(1,8)×8＋6×eq \f(1,2)＝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18.5 kJ·ml－1，1 ml冰中含有2 ml氢键，而常见的冰的熔化热为336 J·g－1，也可写为6.05 kJ·ml－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。
10．(2019·合肥一中月考)如图是甲烷晶体的晶胞结构，图中每个小球代表一个甲烷分子(甲烷分子分别位于立方体的顶角和面心)，下列有关该晶体的说法正确的是( )
A．该晶体与HI的晶体类型不同
B．该晶体熔化时只需要破坏共价键
C．SiH4分子的稳定性强于甲烷
D．每个顶角上的甲烷分子与之距离最近且等距的甲烷分子有12个
答案 D
解析 甲烷、HI晶体均属于分子晶体，A项错误；甲烷晶体属于分子晶体，熔化时只需要破坏分子间作用力，不需要破坏共价键，B项错误；C的非金属性比Si强，所以SiH4分子的稳定性弱于甲烷，C项错误；根据晶胞的结构可知，以晶胞中顶角上的甲烷分子为研究对象，与它距离最近且等距的甲烷分子分布在立方体的3个面心上，每个顶角上的甲烷分子被8个立方体共用，每个面心上的甲烷分子被2个立方体共用，所以每个甲烷分子周围与它距离最近且等距的甲烷分子有eq \f(3×8,2)＝12个，D项正确。
11．海底有大量的天然气水合物，可满足人类1 000年的能源需要。天然气水合物是一种晶体，晶体中平均每46个水分子构建成8个笼，每个笼可容纳1个CH4分子或1个游离H2O分子。若晶体中每8个笼只有6个容纳了CH4分子，另外2个笼被游离H2O分子填充，则天然气水合物的平均组成可表示为( )
A．CH4·14H2O B．CH4·8H2O
C．CH4·eq \f(23,7)H2O D．CH4·6H2O
答案 B
解析 “可燃冰”是一种晶体，晶体中平均每46个H2O分子构建8个笼，每个笼内可容纳1个CH4分子或1个游离H2O分子。若晶体中每8个笼只有6个容纳了CH4分子，另外2个笼被游离的H2O分子填充，因此6个笼中有6个甲烷分子，水分子有46＋2＝48个，则“可燃冰”平均分子组成可表示为6CH4·48H2O，即CH4·8H2O；答案选B。
12．(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，若不导电则是共价化合物
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)①由AlCl3的熔点低以及在180 ℃时开始升华可判断AlCl3固体为分子晶体。②要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。
13．据报道，科研人员应用计算机模拟出结构类似C60的物质N60。
已知：①N60分子中每个氮原子均以N—N结合三个N原子而形成8电子稳定结构；
②N—N的键能为167 kJ·ml－1。
请回答下列问题：
(1)N60分子组成的晶体为________晶体，其熔、沸点比N2________(填“高”或“低”)，原因是________________________________________________________________________。
(2)1 ml N60分解成N2时________(填“吸收”或“放出”)的热量是______kJ(已知N≡N的键能为942 kJ·ml－1)，表明稳定性N60______(填“>”“