高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2第2节 几种简单的晶体结构模型多媒体教学课件ppt

这是一份高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2第2节 几种简单的晶体结构模型多媒体教学课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了内容索引，知识铺垫，自主梳理，金刚石晶体结构，二氧化硅晶体结构，碘晶体结构，干冰晶体结构，面心立方结构，冰晶体结构，苯甲酸晶体微观结构等内容，欢迎下载使用。
基础落实•必备知识全过关
重难探究•能力素养全提升
学以致用•随堂检测全达标
1.通过了解共价晶体、分子晶体的结构特点及性质,培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。2.通过能够描述金刚石、二氧化硅等共价晶体的结构与性质的关系,形成证据推理与模型认知的化学核心素养。3.通过了解介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的,感知变化观念与平衡思想的化学核心素养。
1.碳的常见同素异形体有金刚石、石墨、C60等,其性质有所差异的原因是原子的排列方式不同。2.单质硅有晶体硅和无定形硅两种。3.二氧化硅广泛存在于自然界中,沙子、石英的主要成分就是二氧化硅。纯净的二氧化硅晶体是无色、熔点高、硬度大、不溶于水的固体,也不溶于其他一般的溶剂。
一、共价晶体1.共价晶体
与金属晶体和离子晶体中紧密堆积的排列有很大不同
2.典型共价晶体的结构分析
(1)金刚石①碳原子采取sp3杂化,C—C键键角为109°28'。②每个碳原子与周围紧邻的四个碳原子以共价键结合成正四面体结构,向空间伸展形成空间网状结构。③最小碳环由六个碳原子组成,且最小环上所有碳原子不在同一平面内。(2)晶体硅若以硅原子代替金刚石晶体结构中的碳原子,便可得到晶体硅的结构,不同的是Si—Si键键长>C—C键键长。
(3)二氧化硅晶体①若向晶体硅结构中的每个Si—Si键中“插入”一个氧原子,便可得到以硅氧四面体为骨架的二氧化硅晶体的结构。②一个Si原子与四个O原子形成四个共价键,Si原子位于正四面体的中心,O原子位于正四面体的顶点,同时每个O原子被两个硅氧正四面体共用;每个O原子和两个Si原子形成两个共价键,二氧化硅晶体中Si原子与O原子个数比为1∶2。③最小环上有十二个原子,包括六个O原子和六个Si原子。
【微思考1】常见的共价晶体有哪些类别?提示 (1)某些单质,如晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等;(2)某些非金属化合物,如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、二氧化硅(SiO2)等。【微思考2】二氧化硅的分子式是SiO2吗?提示 不是。二氧化硅属于共价晶体,没有分子式,SiO2只表示硅原子与氧原子在晶体中的个数比。
二、分子晶体1.分子晶体的定义与物理性质
2.典型的分子晶体(1)碘晶体
①碘晶体的晶胞是一个长方体,在它的每个顶点和面上各有1个I2分子,每个晶胞中有四个I2分子。②I2分子之间以范德华力结合。
(2)干冰晶体①干冰的晶胞为立方体,在它的每个顶点和面上各有1个CO2分子,每个晶胞中有四个CO2分子。②每个CO2分子周围距离最近且相等的CO2分子有十二个。③干冰晶体中分子之间通过范德华力相结合,熔化时分子内的化学键不断裂。
(3)冰晶体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氢键具有一定的方向性,它的存在迫使每个水分子与周围四个水分子结合。
(4)苯甲酸晶体典型的分子晶体是指有限数目的原子以共价键结合为分子后,这些分子再通过分子间作用力结合形成晶体。一般来说,分子在无方向性的分子间作用力的作用下堆积时,尽可能利用空间紧密地堆积在一起,这一点与金属晶体相似。但是,分子的形状、分子的极性以及分子之间是否存在氢键等都会影响分子的堆积方式。如苯甲酸晶体中,苯甲酸分子排列形成层状结构,同一平面内分子之间通过氢键相互作用连接,平面之间的分子依靠范德华力维系。
【微思考3】所有分子晶体中是否均存在化学键?提示 不是。绝大多数分子晶体的微粒内部都存在化学键,如N2、H2O、SO2等分子内部都有共价键,而稀有气体分子为单原子分子,分子内部无化学键,分子之间以范德华力结合,所以并非所有分子晶体中都存在化学键。
【微思考4】哪些常见类别的物质属于分子晶体?提示 (1)所有非金属氢化物:H2O、H2S、NH3、CH4、HX(X代表卤素原子);(2)部分非金属单质:X2、O2、H2、S8、P4、C60;(3)部分非金属氧化物:CO2、SO2、NO2、P4O6、P4O10;(4)几乎所有的酸:H2SO4、HNO3、H3PO4;(5)绝大多数有机化合物的晶体:乙醇、冰醋酸、蔗糖。
三、晶体结构的复杂性1.石墨晶体
2.晶体的复杂性(1)一方面,物质组成的复杂性导致晶体中存在多种不同微粒以及不同的微粒间作用。例如,BaTiO3含有一种阴离子和多种阳离子,Ca5(PO4)3OH含有一种阳离子和多种阴离子。(2)另一方面,金属键、离子键、共价键、配位键等都是化学键的典型模型,但是原子之间形成的化学键往往是介于典型模型之间的过渡状态。即使组成简单的晶体,也可能是居于金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体之间的过渡状态,形成过渡晶体。(3)金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体等模型都是典型的晶体结构模型,大多数实际晶体结构要复杂得多。
1.正误判断:(1)硬度很大、熔点很高的晶体可能是共价晶体。(　　)(2)SiC熔化时断裂非极性共价键。(　　)(3)分子晶体内只有分子间作用力。(　　)(4)分子晶体的相对分子质量越大,熔、沸点越高。(　　)(5)分子晶体中一定存在范德华力,可能有共价键。(　　)
2.下列晶体熔化时不需要破坏化学键的是(　　)A.二氧化硅晶体B.食盐C.干冰 D.金属镁答案 C解析 熔化时,SiO2破坏共价键,食盐破坏离子键,干冰破坏范德华力,金属镁破坏金属键。
3.在常温常压下呈气态的化合物,降温使其固化得到的晶体属于(　　)A.分子晶体B.原子晶体C.离子晶体D.何种晶体无法判断答案 A解析 该化合物在常温常压下呈气态,即熔、沸点很低,故固化得到分子晶体。
1.观察金刚石和二氧化硅的结构模型讨论:1 ml C组成的金刚石中含有多少摩尔C—C键?金刚石晶体中C原子数目与C—C键数目之比为多少?1 ml SiO2晶体中含有多少摩尔Si—O键?
提示 在金刚石晶体中,1个碳原子与周围4个碳原子形成4个C—C键,而每2个碳原子之间形成一个共价键,所以1 ml C形成的C—C键的物质的量为4× ml=2 ml。金刚石晶体中碳原子数与C—C键数之比为1∶2。SiO2晶体结构相当于将金刚石中的C原子全都换为Si原子,同时在Si—Si键中间插入一个O原子,所以1 ml SiO2晶体中含有4 ml Si—O键。
2.为什么共价晶体的结构比金属晶体和离子晶体结构松散,但却比金属晶体和离子晶体有更强的稳定性?提示 共价键具有方向性和饱和性,使共价晶体中某个原子周围结合的其他原子是有限的,因此比较松散。由于整个晶体中各原子都以强作用力共价键相互结合,且构成了空间网状结构,所以共价晶体更稳定。
1.共价晶体的结构特征(1)在共价晶体中,各原子均以共价键结合,因为共价键有方向性和饱和性,所以中心原子周围的原子数目是有限的,原子不采取密堆积方式。(2)共价晶体的构成微粒是原子,不存在单个分子,其化学式仅表示晶体中所含原子的个数比。(3)空间结构:空间网状结构。
2.共价晶体熔点和硬度的比较对于结构相似的共价晶体来说,原子半径越小,键长越短,键能越大,晶体的稳定性越强,熔点越高,硬度越大。
【微点拨】(1)共价晶体的熔、沸点不一定高于金属晶体和离子晶体。如MgO(2 800 ℃)>SiO2(1 713 ℃)、钨(3 410 ℃)>SiO2(1 713 ℃)。(2)共价晶体中只存在共价键,不存在离子键和范德华力。(3)稀有气体分子是单原子分子,其构成的晶体不是共价晶体。
3.共价晶体的判断依据(1)根据共价晶体的构成微粒和微粒间作用力判断。(2)根据共价晶体的物理性质判断。由于共价晶体中原子间以较强的共价键相结合,故共价晶体:①熔点很高;②硬度大;③一般不导电;④难溶于溶剂。
(3)记住常见的共价晶体。
【微点拨】碳化硅晶体与金刚石结构相似,其空间结构中碳原子和硅原子交替排列。碳原子和硅原子个数之比为1∶1。
【典例1】碳化硅和立方氮化硼的结构与金刚石类似,碳化硅硬度仅次于金刚石,立方氮化硼硬度与金刚石相当,其晶胞结构如图所示。
请回答下列问题:(1)碳化硅晶体中,硅原子杂化类型为　　　　,每个碳原子周围与其距离最近的硅原子有　　　　个;设晶胞边长为a cm,密度为b g·cm-3,则阿伏加德罗常数可表示为　　　　(用含a、b的式子表示)。 (2)立方氮化硼晶胞中有　　　　个硼原子,　　　　个氮原子,硼原子的杂化类型为　　　　,若晶胞的边长为a cm,则立方氮化硼的密度表达式为　　　　　 g·cm-3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。 
解题反思共价晶体氮化硼的晶胞与金刚石、晶体硅、碳化硅晶体相似。如晶胞中原子数目、原子杂化类型、键角都相同,但BN晶体中存在配位键B←N。
变式训练1-1已知氮化碳晶体是新发现的高硬度材料,且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于该晶体的说法错误的是(　　)A.氮化碳属于共价晶体,比金刚石的硬度更大B.该晶体中每个碳原子与4个氮原子相连,每个氮原子与3个碳原子相连C.该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构D.该晶体与金刚石相似,都是原子间以非极性键形成空间网状结构
答案 D解析 氮化碳为高硬度材料且是由非金属元素组成的,因此该晶体应为共价晶体。又因为C—C键键长大于C—N键键长,故C—N键的键能大于C—C键,硬度更大的是氮化碳,A项正确;每个C原子与4个N原子形成共价单键,每个N原子与3个C原子形成共价单键,C原子和N原子的最外层都达到8电子稳定结构, B、C项均正确;氮化碳晶体中,原子间以C—N极性键形成空间网状结构,D不正确。
变式训练1-2下表是某些共价晶体的熔点和硬度。
分析表中的数据,判断下列叙述正确的是(　　)A.构成共价晶体的原子种类越多,晶体的熔点越高B.构成共价晶体的原子间的共价键键能越大,晶体的熔点越低C.构成共价晶体的原子的半径越大,晶体的硬度越大D.构成共价晶体的原子的半径越小,晶体的硬度越大
答案 D解析 共价晶体的熔点和硬度与构成共价晶体的原子间的共价键键能有关,而原子间的共价键键能与原子半径的大小有关。即原子半径越小,键能越大,熔点越高、硬度越大。
1.CO2和SiO2的一些物理性质如下表所示,通过比较试回答下列问题。
碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族,为什么CO2晶体的熔、沸点很低,而SiO2晶体的熔、沸点很高?提示 晶体的类型不同造成的。二氧化硅是共价晶体,这类晶体熔、沸点高;而二氧化碳属于分子晶体,这类晶体熔、沸点低。
2.干冰和碘易升华的原因是什么?乙醇与甲醚的相对分子质量相等,为什么乙醇的沸点高于甲醚?提示 碘和干冰的分子间均以较弱的范德华力结合;乙醇分子间存在氢键,分子间作用力强,甲醚分子间不存在氢键,分子间作用力弱,所以乙醇的沸点高于甲醚。3.为什么液态水变为冰时,体积膨胀,密度减小?提示 冰晶体主要是水分子依靠氢键结合形成的,因氢键具有一定的方向性,使水分子间的间距比较大,有很多空隙,比较松散。所以水凝固成冰后,体积膨胀,密度减小。
1.分子晶体熔、沸点高低的比较(1)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。如O2>N2,HI>HBr>HCl。(2)相对分子质量相等或相近的分子晶体,极性分子间的范德华力大,相应晶体的熔、沸点高。如CO>N2。(3)分子间含有氢键的分子晶体,熔、沸点较高。如H2O>H2Te>H2Se>H2S,HF>HCl,NH3>PH3。(4)在烷烃的同分异构体中,一般来说,支链数越多,熔、沸点越低。如沸点:正戊烷>异戊烷>新戊烷。
2.分子晶体的结构特征(1)分子间只有范德华力(大多数分子晶体)。若分子间只有范德华力,不存在氢键。由于范德华力没有方向性和饱和性,因此分子采用密堆积——每个分子周围有12个紧邻的分子。(2)分子间除了范德华力外,还存在氢键。氢键具有方向性,使晶体中原子的空间利用率不高,留有相当大的空隙。这种晶体不具有分子密堆积特征,如HF、冰、NH3等。
【典例2】某化学兴趣小组,在学习了分子晶体后,查阅了几种氯化物的熔、沸点,记录如下:
根据表中数据分析,属于分子晶体的是(　　)A.NaCl、MgCl2、CaCl2B.AlCl3、SiCl4C.NaCl、CaCl2 D.全部
答案 B解析 分子晶体中,分子与分子之间以分子间作用力相结合,而分子间作用力较弱,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NaCl、MgCl2、CaCl2的熔、沸点较高,不属于分子晶体,AlCl3、SiCl4的熔、沸点较低,应为分子晶体,所以B项正确,A、C、D项错误。
变式训练2-1下表列举了几种物质的性质,据此判断属于分子晶体的是　　　　。 
答案 X、Y、Z、W解析 分子晶体熔、沸点一般比较低,硬度较小,固态不导电。在常温下呈气态或液态的物质(除汞外)、易升华的固体物质一般都属于分子晶体。M的熔点高,肯定不是分子晶体;N是金属钠,属于金属晶体;其余X、Y、Z、W均为分子晶体。
变式训练2-2(1)比较下列化合物熔、沸点的高低(填“>”或“　④(2)①分子　②在熔融状态下,检测AlCl3是否导电,若不导电则AlCl3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,较容易比较五组物质熔、沸点的高低。(2)①由AlCl3的熔点低以及在180 ℃时开始升华判断AlCl3晶体为分子晶体。②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,若不导电则是共价化合物,导电则是离子化合物。
1.下列物质的晶体直接由原子构成的一组是(　　)①CO2　②SiO2　③晶体Si　④白磷　⑤氨基乙酸　⑥固态HeA.①②③④⑤⑥B.只有③④⑥C.只有②③⑥D.只有①②④答案 C解析 共价晶体直接由原子构成。CO2、白磷、氨基乙酸、固态He为分子晶体,前三者直接由分子构成,固体He由单原子分子构成,即由原子直接构成。
2.下列有关共价晶体的叙述不正确的是(　　)A.金刚石和二氧化硅晶体的最小结构单元都是正四面体B.含1 ml C的金刚石中C—C键数目是2NA,1 ml SiO2晶体中Si—O键数目是4NA(设NA为阿伏加德罗常数的值)C.水晶和干冰在熔化时,晶体中的共价键都会断裂D.SiO2晶体是共价晶体,所以晶体中不存在分子,SiO2不是它的分子式答案 C解析 干冰熔化时只破坏分子间作用力,共价键不会断裂,C项错误。
3.下列说法正确的是(　　)A.由原子构成的晶体不一定是共价晶体B.分子晶体中的分子间可能存在共价键C.分子晶体中一定含有共价键D.含有阳离子的晶体一定是离子晶体,在熔融状态下能导电
答案 A　解析 由原子构成的晶体可能是分子晶体,例如稀有气体是由原子构成的分子晶体,故A正确;分子晶体中的分子间只存在分子间作用力,不可能存在共价键,故B错误;单原子分子晶体中不含共价键,如稀有气体分子,故C错误;含有阳离子的晶体不一定是离子晶体,也可能是金属晶体,故D错误。
4.根据下表中对应物质的熔点,作出的下列判断中错误的是(　　)
A.铝的化合物的晶体中有离子晶体B.表中只有BCl3和AlCl3是分子晶体C.同族元素的氧化物可形成不同类型的晶体D.不同族元素的氧化物可形成相同类型的晶体
答案 B解析 由表可知,AlCl3、BCl3、CO2是共价化合物,属于分子晶体;SiO2是共价晶体;其他的是离子晶体。
5.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)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式,它们互为　　　　。 (2)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化形式分别为　　　　、　　　　。 (3)C60属于　　　　晶体,石墨属于　　　　晶体。 (4)石墨晶体中,层内C—C键的键长为142 pm,而金刚石中C—C键的键长为154 pm。其原因是金刚石中碳原子间只存在C—C　　　　共价键,而石墨层内的碳原子间不仅存在C—C　　　　共价键,还有　　　　键。 
(5)C60的晶体结构类似于干冰,则每个C60晶胞的质量为　　　　 g (用含NA的式子表示,设NA为阿伏加德罗常数的值)。 (6)一个金刚石晶胞含有　　　　个碳原子。若碳原子半径为r cm,金刚石晶胞的边长为a cm,根据硬球接触模型,则r=　　　　a,列式表示碳原子在晶胞中的空间占有率　　　　　　 　(不要求计算结果)。 (7)硅晶体的结构跟金刚石相似,1 ml硅晶体中含有Si—Si键的数目约是　　　　NA(设NA为阿伏加德罗常数的值)。 
解析 (1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素形成的单质,它们的组成元素相同,结构不同,互为同素异形体。(2)金刚石中,一个碳原子与四个碳原子形成四个共价单键(即C原子采取sp3杂化方式),构成正四面体;石墨烯中的碳原子采取sp2杂化方式,形成平面六元环结构。(3)C60的构成微粒是分子,所以属于分子晶体;石墨晶体属于混合型晶体。
答案 (1)同素异形体　(2)sp3　sp2　(3)分子　混合型　(4)σ　σ　π　
(4)在金刚石中只存在C—C σ键;石墨层内不仅存在C—C σ键,还存在π键。(5)由题意知,C60晶体的晶胞为面心立方结构,所以每个C60晶胞有4个C60分