高中化学人教版 (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

第二节　分子晶体与共价晶体

基础课时11　分子晶体

一、分子晶体及其结构特点

1．概念

只含分子的晶体。

2．粒子间的作用

分子晶体中相邻的分子间以分子间作用力相互吸引。

3．常见分子晶体及物质类别

4．分子晶体的常见堆积方式

　(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)分子晶体中只存在分子间作用力。 (×)

(2)分子晶体熔化时共价键断裂。 (×)

(3)分子晶体中氢键越强，分子越稳定。 (×)

(4)分子晶体中一定含有分子间作用力，不一定含有化学键。 (√)

　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、P4、C10H8  B．PCl3、CO2、H2SO4

C．SO2、SiO2、P2O5  D．CCl4、H2O、Na2O2

B　[A选项中，P4(白磷)为单质，不是化合物；C选项中，SiO2为共价晶体；D选项中，Na2O2是离子化合物属于离子晶体。]

二、两种典型的分子晶体的组成和结构

1．冰

(1)水分子之间的主要作用力是氢键，当然也存在范德华力。

(2)氢键有方向性，它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个相邻水分子互相吸引。

2．干冰

(1)干冰中的CO2分子间只存在范德华力，不存在氢键。

(2)①每个晶胞中有4个CO2分子，12个原子。

②每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为12个。

　(1)CO能与金属Fe形成Fe(CO)5，该化合物熔点为253 K，沸点为376 K，其固体属于________晶体。

(2)F2与其他卤素单质反应可以形成卤素互化物，如ClF3、BrF3，常温下它们都是易挥发的液体。ClF3的熔、沸点比BrF3的________(填“高”或“低”)。

(3)下图为CO2分子晶体结构的一部分，观察图形。试说明每个CO2分子周围有________个与之紧邻的CO2分子；该结构单元平均占有________个CO2分子。

[解析]　(1)该化合物熔点为253 K，沸点为376 K，熔、沸点较低，所以为分子晶体。(2)组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高，所以ClF3的熔、沸点比BrF3的低。

[答案]　　(1) 分子　(2)低　(3)12　4

三、分子晶体的物理性质

1．物理特性

(1)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。

(2)一般是绝缘体，熔融状态不导电。

(3)溶解性符合“相似相溶规律”。

2．分子晶体熔、沸点高低的比较规律

(1)分子晶体中分子间作用力越大，物质熔、沸点越高，反之越低。

(2)具有氢键的分子晶体，熔、沸点反常高。

　SiCl4的分子结构与CCl4类似，对其作出如下推断，其中正确的是(　　)

①SiCl4晶体是分子晶体　②常温、常压下SiCl4是液体　③SiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子　④SiCl4的熔点高于CCl4

A．只有① B．只有①②

C．只有②③ D．全部

D　[我们熟悉的CCl4在常温下是液体，形成的晶体是分子晶体，而SiCl4的结构与CCl4相似，都是由极性键形成的非极性分子，故SiCl4形成的晶体也是分子晶体，由于相对分子质量SiCl4>CCl4，故SiCl4的熔点高于CCl4。]

材料1　冰山是极为宝贵的淡水资源，可惜目前人类还没有办法利用它们。冰山产生的速率在北冰洋为每年约2 800亿立方米，在南极为每年约18 000亿立方米。大多数冰山的比重为0.9，因此其质量的6/7在海面以下。冰山露出水面的一角仅仅是整座冰山的1/10。北冰洋的冰山高可达数十米，长可达一二百米，形状多样。南极冰山一般呈平板状，同北冰洋冰山相比，不仅数量多，而且体积巨大。

材料2　冰的结构和干冰的晶胞如图

[问题1]　已知氢键也有方向性，试分析为什么冬季河水总是从水面上开始结冰？

提示：由于氢键的方向性，使冰晶体中每个水分子与四面体顶角方向的4个分子相互吸引，形成空隙较大的网状晶体，密度比水小，所以结的冰会浮在水面上。

[问题2]　为什么冰融化为水时，密度增大？

提示：在冰晶体中，每个分子周围只有4个紧邻的水分子，由于水分子之间的主要作用力是氢键，氢键跟共价键一样具有方向性，即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，这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙。当冰刚刚融化为液态水时，热运动使冰的结构部分解体，水分子间的空隙减小，密度反而增大。

[问题3]　为什么干冰的熔沸点比冰低而密度却比冰大？

提示：由于冰中除了范德华力外还有氢键作用，破坏分子间作用力较难，所以熔沸点比干冰高。由于水分子间氢键的方向性，导致冰晶体不具有分子密堆积特征，冰晶体中有相当大的空隙，所以相同状况下冰体积较大。由于CO2分子的相对分子质量＞H2O分子的相对分子质量，所以干冰的密度大。

[问题4]　干冰升华过程中破坏共价键吗？

提示：干冰升华的过程中破坏分子间作用力，不破坏共价键。

1．分子晶体的物理性质

(1)分子晶体具有较低的熔、沸点和较小的硬度。分子晶体熔化时要破坏分子间作用力，由于分子间作用力很弱，所以分子晶体的熔、沸点一般较低，部分分子晶体易升华(如干冰、碘、红磷、萘等)，且硬度较小。

(2)分子晶体不导电。分子晶体在固态和熔融状态下均不存在自由移动的离子或自由电子，因而分子晶体在固态和熔融状态下都不能导电。有些分子晶体的水溶液能导电，如HI、乙酸等。

(3)分子晶体的溶解性一般符合“相似相溶”规律，即极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂。

如：H2O是极性溶剂，SO2、H2S、HBr等都是极性分子，它们在水中的溶解度比N2、O2、CH4等非极性分子在水中的溶解度大。苯、CCl4是非极性溶剂，则Br2、I2等非极性分子易溶于其中，而水则不溶于苯和CCl4中。

2．分子晶体熔、沸点比较规律

(1)少数主要以氢键作用形成的分子晶体，比一般的分子晶体的熔、沸点高，如含有H—F、H—O、H—N等共价键的分子间可以形成氢键，所以HF、H2O、NH3、醇、羧酸等物质的熔、沸点相对较高。

(2)组成与结构相似，分子之间不含氢键而只利用范德华力形成的分子晶体，随着相对分子质量的增大，物质的熔、沸点逐渐升高。例如，常温下Cl2呈气态，Br2呈液态，而I2呈固态；CO2呈气态，CS2呈液态。

(3)相对分子质量相等或相近的极性分子构成的分子晶体，其熔、沸点一般比非极性分子构成的分子晶体的熔、沸点高，如CO的熔、沸点比N2的熔、沸点高。

(4)有机物中组成和结构相似且不存在氢键的同分异构体，相对分子质量相同，一般支链越多，分子间的相互作用力越弱，熔、沸点越低，如熔、沸点：正戊烷＞异戊烷＞新戊烷。

1．下列有关分子晶体的说法中，正确的是(　　)

A．分子晶体中分子间作用力越大，分子越稳定

B．分子晶体中，共价键越强，键能越大，熔点越高

C．冰融化时水分子间的共价键发生断裂

D．在冰的晶体结构中由于氢键的存在，其熔点较高

D　[分子间作用力的大小决定分子的物理性质，而分子的稳定性则取决于化学键的强弱，故A、B项错误；冰融化时克服范德华力和氢键，水分子内的共价键没有断裂，故C项错误；在冰的晶体结构中存在分子间氢键，使其熔点较高，故D项正确。]

2．(1)比较下列物质熔、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 ℃(2.202×105 Pa)，但它在180 ℃即开始升华。请回答：

①AlCl3固体是__________晶体。

②设计一个可靠的实验，判断氯化铝是离子化合物还是共价化合物。你设计的实验是______________________________________。

[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，分子间作用力越大，相对分子质量越大，分子极性越大，存在分子间氢键，则晶体的熔、沸点越高，据此比较六组物质熔、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，可测其熔融状态下是否导电，若不导电是共价化合物，导电则是离子化合物。

[答案]　(1)①<　②>　③>　④<　⑤>　⑥>

(2)①分子　②在熔融状态下，检测其是否导电，若不导电，则是共价化合物

比较分子晶体熔、沸点高低时，首先要判断分子间是否存在氢键。若不存在氢键，再看分子的组成和结构是否相似，若分子的组成和结构相似，则相对分子质量越大，分子晶体的熔、沸点越高。

1．下列物质呈固态时，一定属于分子晶体的是(　　)

A．非金属单质 B．非金属氧化物

C．含氧酸 D．金属氧化物

C　[非金属单质中金刚石、晶体硅等均为共价晶体，非金属氧化物中的二氧化硅为共价晶体，大多数金属氧化物不是分子晶体，含氧酸一定为分子晶体。]

2．下列说法正确的是(　　)

A．冰融化时，分子中H—O发生断裂   

B．共价晶体中，共价键越强，熔点越高

C．分子晶体中，共价键的键能越大，该分子晶体的熔、沸点越高

D．分子晶体中，分子间作用力越大，该物质越稳定

B　[冰为分子晶体，融化时破坏的是范德华力和氢键，A项错误；共价晶体熔点的高低取决于共价键的强弱，共价键越强，熔点越高，B项正确；分子间作用力的大小决定分子晶体熔、沸点的高低，而共价键的键能决定分子晶体的稳定性，C、D项错误。]

3． 干冰和冰是两种常见的分子晶体，下列关于两种晶体的比较正确的是(　　)

A．晶体的熔点：干冰>冰

B．晶体中的空间利用率：干冰>冰

C．晶体中分子间相互作用力相同

D．晶体中键的极性和分子的极性相同

B　[冰在0 ℃时是固体，而干冰则变为气体，A项错误；冰的结构中，由于H2O分子间存在氢键及氢键具有方向性，故晶胞中存在空隙，利用率降低，B项正确；冰中的分子间既有氢键又有范德华力，而干冰中的分子间只有范德华力，C项错误；CO2和H2O中均存在极性键，由于分子空间结构不同，CO2是非极性分子，H2O是极性分子，D项错误。]

4．水分子间可通过一种叫“氢键”的作用(作用力介于化学键与范德华力大小之间)彼此结合而形成(H2O)n，在冰中n值为5。即每个水分子被其他4个水分子包围形成变形四面体，如图所示为(H2O)5单元，由无限个这样的四面体通过氢键构成一个庞大的分子晶体，即冰。下列有关叙述正确的是(　　)

A．1 mol冰中含有4 mol氢键

B．1 mol冰中含有4×5 mol氢键

C．平均每个水分子只含有2个氢键

D．平均每个水分子只含有个氢键

C　[由图可知，每个水分子(处于四面体的中心)与4个水分子(处于四面体的四个顶点)形成四个氢键，因为每个氢键都是由2个水分子共同形成的，所以每个水分子形成的氢键数为4×＝2。]

5．水在不同的温度和压强下可以形成多种不同结构的晶体，故冰晶体结构有多种。其中冰­Ⅶ的晶体结构如图所示。

(1)水分子的空间结构是__________形，在酸性溶液中，水分子容易得到一个H＋，形成水合氢离子(H3O＋)，应用价层电子对互斥模型推测H3O＋的空间结构为__________。

(2)如图冰­Ⅶ晶体中每个水分子与周围__________个水分子以氢键结合，该晶体中1 mol水形成__________mol氢键。

(3)实验测得冰中氢键的键能为18.5 kJ·mol－1，而冰的熔化热为5.0 kJ·mol－1，这说明_______________________________。

[解析]　(1)水分子中O原子的价层电子对数为＝4，孤电子对数为2，所以水分子的空间结构为V形。H3O＋中O原子的价层电子对数为＝4，含有1个孤电子对，故H3O＋的空间结构为三角锥形。

(2)观察题图中晶体结构可知，每个水分子与周围4个水分子以氢键结合，每2个水分子共用1个氢键，故1 mol水可形成4 mol×＝2 mol氢键。  

(3)冰中氢键的键能为18.5 kJ·mol－1，而冰的熔化热为5.0 kJ·mol－1，说明冰融化为液态水时只是破坏了一部分氢键，液态水中水分子间仍存在氢键。

[答案]　(1)V　三角锥形

(2)4　2

(3)冰融化为液态水时只破坏了一部分氢键，液态水中水分子间仍存在氢键