高中第二节 分子晶体与共价晶体第一课时学案设计

第二节　分子晶体与共价晶体

第一课时　分子晶体

[明确学习目标]　1.借助分子晶体模型认识分子晶体的结构特点。2.通过分子晶体结构特点的分析理解分子晶体的物理性质的通性。

1．分子晶体及其物理特性

只含分子的晶体称为分子晶体。在分子晶体中，相邻分子靠分子间作用力相互吸引。分子晶体有低熔点、硬度很小等的特性。

2．较典型的分子晶体及其类别

3．分子晶体的结构特征

(1)大多数分子晶体的结构有如下特征：如果分子间作用力只是范德华力，若以一个分子为中心，其周围最多可以有12个紧邻的分子(见图Ⅰ)，分子晶体的这一特征称为分子密堆积。然而，分子间还有其他作用力的分子晶体，如冰中水分子之间的主要作用力是氢键，在冰的晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的水分子。尽管氢键比共价键弱得多，不属于化学键，却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(见图Ⅱ)。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，超过4 ℃时，由于热运动加剧，分子间距离加大，密度渐渐减小。

(2)干冰是CO2的晶体，干冰的外观很像冰，硬度也跟冰相似，而熔点却比冰低得多，在常压下极易升华，由于干冰中的CO2分子之间只存在范德华力，不存在氢键，一个分子周围有12个紧邻分子(见图Ⅲ)，密度比冰的高。干冰在工业上广泛用作制冷剂。

1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。

(1)分子内均存在共价键。(　　)

(2)非金属氧化物呈固态时，一定属于分子晶体。(　　)

(3)分子晶体中一定存在氢键。(　　)

(4)分子晶体熔化时一定破坏了范德华力。(　　)

(5)干冰晶体升华时，分子内共价键会发生断裂。(　　)

(6)分子晶体中，共价键键能越大，该分子晶体的熔、沸点越高。(　　)

答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×　(6)×

解析　(1)稀有气体分子内无共价键。

(2)SiO2不是分子晶体。

(3)干冰中无氢键存在。

(5)干冰晶体属于分子晶体，分子之间通过分子间作用力形成晶体，升华时破坏分子间作用力，没有破坏化学键。

(6)分子晶体中，共价键键能大小与熔、沸点高低无关。

2．下列物质中，属于分子晶体的化合物是(　　)

A．石英  B．白磷

C．干冰  D．氯化钠

答案　C

解析　白磷和干冰是分子晶体，但白磷是单质。

3．某科学杂志报道，国外有一研究发现了一种新的球形分子，它的分子式为C60Si60，其分子结构类似中国传统工艺品“镂雕”，经测定其中包含C60，也有Si60结构。下列叙述正确的是(　　)

A．该物质有很高的熔点、很大的硬度

B．该物质形成的晶体属分子晶体

C．该物质分子中Si60被包裹在C60里面

D．该物质的摩尔质量为2400

答案　B

解析　由分子式及题中信息可知该物质为分子晶体，分子晶体的熔点低、硬度小，A错误，B正确；硅的原子半径比碳大，所以C60Si60的外层为Si60，内层为C60，C错误；它的分子式为C60Si60，所以该物质的相对分子质量＝(12＋28)×60＝2400，摩尔质量为2400 g/mol，D错误。

4．(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，若导电则是离子化合物

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。

知识点　两种典型分子晶体的结构特点和分子晶体的判断方法

1．两种典型分子晶体的结构

2．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、绝大多数有机物的晶体都是分子晶体。

(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，粒子间作用是分子间作用力。

(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。

[解析]　构成C60晶体的基本微粒是C60分子，因此C60晶体是分子晶体，不可能具有很高的熔、沸点；由于C60是非极性分子，根据相似相溶原理，其可能易溶于四氯化碳中；每个C60的晶胞中含有的C60分子个数为8×＋6×＝4，因此含有的碳原子数为4×60＝240；如果以晶胞中一个顶点的C60分子为研究对象，则共用这个顶点的三个面的面心的C60与其距离最近且相等，且顶点的C60被8个晶胞共用，面心的C60被2个晶胞共用，则有×8＝12个。

[答案]　A

[练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。

[练2]　如图为干冰的晶胞结构示意图。

通过观察分析，每个CO2分子周围紧邻且等距离的CO2分子有________个，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。

答案　12　a

解析　观察并分析题中干冰的晶胞结构，可知在干冰晶体中，离顶点的CO2分子最近的是共用这个顶点的面的面心的分子，两者的距离为面对角线的一半，即a。每个CO2分子周围紧邻且等距离的CO2分子共有12个。

知识拓展

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，分子间作用力越强，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)分子间氢键会导致熔、沸点反常升高。如：H2O>H2Te>H2Se>H2S。

(4)对于有机物来讲，分子式相同，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里碳原子数的增加，熔、沸点升高。如：C2H6>CH4，C2H5Cl>CH3Cl，CH3COOH>HCOOH。

本课归纳总结

1．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。

2．下列有关分子晶体的说法中正确的是(　　)

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．分子晶体均为化合物

答案　B

解析　由稀有气体组成的晶体中，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，而氢键只存在于部分晶体中，B正确、C错误。分子晶体还包括一些单质如稀有气体，D错误。

3．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，且顶点处的甲烷分子被8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。

4．下图为冰晶体的结构模型，大球代表O，小球代表H。下列有关说法正确的是(　　)

A．冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体

B．冰晶体具有空间网状结构，不是分子晶体

C．水分子间通过H—O键形成冰晶体

D．冰融化后，水分子之间的空隙增大

答案　A

解析　冰晶体属于分子晶体，冰晶体中的水分子主要是靠氢键结合在一起，氢键不是化学键，而是一种分子间作用力，故B、C错误。每个水分子可以与4个水分子形成氢键，从而形成四面体，A正确。因为冰晶体中形成的氢键具有方向性和饱和性，故水分子靠氢键连接后，分子间空隙变大，因此冰融化成水后，体积减小，水分子之间空隙减小，D错误。

5．下列有关分子晶体熔点高低的比较中，正确的是(　　)

A．氯气>碘单质  B．四氯化硅>四氟化硅

C．NH3<PH3  D．异戊烷>正戊烷

答案　B

解析　A、B两项无氢键存在，分子结构相似，相对分子质量大的物质熔、沸点较高；C项，NH3分子间有氢键存在，分子结构相似，存在氢键的物质熔、沸点较高；D项为相对分子质量相同的同分异构体，支链多的物质熔、沸点较低。

6．下列性质符合分子晶体特点的是(　　)

A．熔点1070 ℃，易溶水，水溶液导电

B．熔点97.81 ℃，质软、导电，密度0.97 g/cm3

C．熔点3570 ℃，难溶于水，熔化时不导电

D．熔点10.31 ℃，液态不导电，水溶液能导电

答案　D

解析　熔点为10.31 ℃，熔点低，符合分子晶体的特点；液态不导电，是由于液态时，只存在分子，没有离子；水溶液能导电，是由于溶于水后，某些分子在水分子的作用下，电离出自由移动的离子；D正确。

7．如图所示，甲、乙、丙分别表示C60、二氧化碳、碘晶体的晶胞结构模型。

请回答下列问题：

(1)C60的熔点为280 ℃，从晶体类型来看，C60属________晶体。

(2)二氧化碳晶胞中显示出的二氧化碳分子数为14，实际上一个二氧化碳晶胞中含有________个二氧化碳分子，二氧化碳分子中σ键与π键的个数比为________。

(3)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边长为a cm，阿伏加德罗常数的值为NA，则碘晶体的密度为________ g·cm－3。

答案　(1)分子　(2)4　1∶1　

(3)①分子　②分子间作用力　③

解析　(1)C60不属于空间网状结构，熔点低，应为分子晶体。

(2)二氧化碳晶胞中，二氧化碳分子分布于晶胞的顶点和面心位置，则晶胞中含有二氧化碳的分子数为8×＋6×＝4，二氧化碳的分子结构为，每个分子中含有2个σ键和2个π键，所以σ键与π键的个数比为1∶1。

(3)观察碘晶胞不难发现，一个晶胞中含有碘分子数为8×＋6×＝4，即含有8个碘原子。一个晶胞的体积为a3 cm3，其质量为 g，则碘晶体的密度为 g·cm－3。

课时作业

一、选择题(本题共8小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．如果分子间作用力只是范德华力，则该分子晶体将采取密堆积，原因是分子晶体中(　　)

A．范德华力无方向性和饱和性

B．占据晶格结点的微粒是原子

C．化学键是共价键

D．三者都是

答案　A

解析　分子晶体中分子间以范德华力结合在一起，由于范德华力没有方向性和饱和性，所以分子在堆积成晶体时将采取分子密堆积，A正确。

2．干冰熔点很低是由于(　　)

A．CO2是非极性分子

B．键的键能很小

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　干冰熔化时破坏的是分子间作用力。

3．下列关于分子晶体的说法不正确的是(　　)

A．分子晶体中含有分子

B．固态或熔融态时均能导电

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，固态或熔融态时，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．下列关于物质沸点高低的比较正确的是(　　)

A．CH4>SiH4>GeH4

B．NH3>AsH3>PH3

C．Cl2>Br2>I2

D．C(CH3)4>(CH3)2CHCH2CH3>

CH3CH2CH2CH2CH3

答案　B

解析　一般情况下，对于组成和结构相似的分子晶体，分子晶体的沸点随相对分子质量的增大而升高，即沸点：CH4<SiH4<GeH4、Cl2<Br2<I2，A、C错误；氨气中含有氢键，沸点较高，即沸点：NH3>AsH3>PH3，B正确；相对分子质量相同的烷烃，其支链越多，沸点越低，即沸点：C(CH3)4<(CH3)2CHCH2CH3<

CH3CH2CH2CH2CH3，D错误。

5．干冰晶胞是面心立方结构，如图所示，若干冰晶体的晶胞棱长为a，则每个CO2分子周围与其相距a的CO2分子有(　　)

A．4个  B．8个  C．12个  D．6个

答案　C

解析　以顶点CO2分子为研究对象，若干冰晶体的晶胞棱长为a，该CO2分子周围与其相距a的CO2分子处于共用这个顶点的面的面心，由于顶点CO2分子为8个晶胞共有，则每个CO2分子周围与其相距a的CO2分子有＝12个，故选C。

6．下列说法正确的是(　　)

A．范德华力普遍存在于分子之间，如液态水中因范德华力的存在使水分子发生缔合

B．H2SO4为强电解质，硫酸晶体是能导电的

C．冰中1个H2O分子可通过氢键与4个水分子相连，所以冰中H2O分子与氢键的数目之比为1∶4

D．氢键有饱和性和方向性，所以液态水结成冰时体积会变大

答案　D

解析　液态水中因分子间氢键的存在使水分子发生缔合，A错误；虽然H2SO4为强电解质，但是硫酸晶体是分子晶体，不能导电，B错误；冰中1个H2O分子可通过氢键与4个水分子相连，两个水分子间只能形成一个氢键，所以冰中H2O分子与氢键数目之比为1∶2，C错误；氢键有饱和性和方向性，所以液态水结成冰时水分子之间的空隙变大，故其体积会变大，D正确。

7．下列关于分子晶体的说法正确的是(　　)

A．晶体中分子间作用力越大，分子越稳定

B．在分子晶体中一定存在共价键

C．冰和Br2都是分子晶体

D．稀有气体不能形成分子晶体

答案　C

解析　分子间作用力影响分子晶体的熔、沸点，不影响分子稳定性，A错误；在分子晶体中不一定存在共价键，如稀有气体，B错误；冰和Br2均为分子晶体，C正确；稀有气体可形成分子晶体，D错误。

8．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、CaCl2  B．AlCl3、SiCl4

C．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正确，A、C、D错误。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

9．下列说法正确的是(　　)

A．分子晶体中一定存在分子间作用力，不一定存在共价键

B．水加热到很高的温度都难以分解，与氢键有关

C．CO2晶体是分子晶体，可推测SiO2晶体也是分子晶体

D．HF、HCl、HBr、HI的沸点随着相对分子质量的增大依次升高

答案　A

解析　分子晶体中一定存在分子间作用力，可能存在共价键(如水分子)，也可能不存在共价键(如稀有气体分子)，A正确；水是一种非常稳定的化合物，属于其化学性质的表现，而水中存在氢键会导致沸点升高，与稳定性无关，B错误；CO2晶体是由二氧化碳分子之间通过范德华力结合构成的分子晶体，二氧化硅不是分子晶体，C错误；一般情况下，同一主族简单氢化物的相对分子质量越大其沸点越高，但HF中含有氢键，题述四种氢化物中HF的沸点最高，D错误。

10．SiCl4的分子结构与CCl4类似，对其做出如下推测，其中不正确的是(　　)

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极性分子

D．SiCl4熔点高于CCl4

答案　BC

解析　SiCl4与CCl4结构相似，则常温常压下SiCl4是液体，属于分子晶体，A正确，B错误；CCl4分子是由极性键形成的非极性分子，则SiCl4分子也是由极性键形成的非极性分子，C错误；组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔点越高，则SiCl4熔点高于CCl4，D正确。

11．有四组同一族元素所形成的不同物质，在101 kPa时测定它们的沸点(℃)如下表所示：

下列各项判断正确的是(　　)

A．第四组物质中H2O的沸点最高，是因为H2O分子中化学键键能最大

B．第三组与第四组相比较，化合物的稳定性：HBr>H2Se

C．第三组物质溶于水后，溶液的酸性：HF>HCl>HBr>HI

D．第一组物质是分子晶体，一定含有共价键

答案　B

解析　第四组物质中H2O的沸点最高，是因为H2O分子之间可以形成氢键，A错误；Se和Br同为第四周期元素，Br的非金属性较强，故氢化物的稳定性HBr>H2Se，B正确；第三组物质溶于水后，HF溶液的酸性最弱，C错误；第一组物质是分子晶体，但分子中不一定含有共价键，如稀有气体分子中无共价键，D错误。

12．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 mol H3BO3的晶体中有3 mol氢键

答案　AD

解析　A项，正硼酸晶体应属于分子晶体；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分子含有3个氢键。

三、非选择题(本题共3小题)

13．(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”)。

答案　(1)分子'(2)低

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。

14．(1)下表列举了几种物质的性质，据此判断属于分子晶体的有________(填物质代号)。

 (2)如图为干冰的晶胞结构示意图。

①将CO2分子视作质点，设晶胞边长为a pm，则距离最近的两个CO2分子的距离为________pm。

②CO2、CS2晶体的沸点高低为________>________(填写相应物质的化学式)。

③干冰常压下极易升华，在工业上用作制冷剂，其原因是________________________________________________________________________________________。

答案　(1)X、Y、Z、W　

(2)①a　②CS2　CO2　③CO2分子间作用力较弱，易克服分子间作用力，克服分子间作用力要吸热

解析　(1)分子晶体的熔、沸点一般比较低，硬度较小，固态时不导电。M的熔点高，肯定不是分子晶体；N是金属钠的性质；其余X、Y、Z、W均为分子晶体。

(2)①离顶点的CO2分子最近的是面心的CO2分子，二者的距离为面对角线的一半，即a pm。②CO2、CS2都是分子晶体，CS2的相对分子质量大于CO2，分子间作用力大于CO2，沸点高于CO2。③CO2分子以分子间作用力结合形成固态干冰，由于分子间作用力弱，干冰易从固态直接升华变为气态，且破坏分子间作用力吸收环境热量从而使温度降低，所以干冰可作制冷剂。

15．(1)氯化铁常温下为固体，熔点为282 ℃，沸点为315 ℃，在300 ℃以上易升华，易溶于水，也易溶于乙醚、丙酮等有机溶剂。据此判断氯化铁晶体类型为________。

(2)德国和美国科学家制出了由20个碳原子构成的空心笼状分子C20，该笼状结构是由许多正五边形构成的(如图所示)。C20分子共有________个正五边形，共有________个共价键，C20晶体属于________晶体。

答案　(1)分子晶体　(2)12　30　分子

解析　(1)分子晶体熔、沸点较低，氯化铁常温下为固体，熔点为282 ℃，沸点为315 ℃，在300 ℃以上易升华，易溶于水，也易溶于乙醚、丙酮等有机溶剂。据此判断氯化铁晶体属于分子晶体。

(2)根据“由20个碳原子构成的空心笼状分子”可判断该物质一定是分子晶体。根据其结构可知每个碳原子形成3个C—C键，每个共价键被2个碳原子共用，所以含有的共价键数是＝30。因为每个共价键被2个正五边形共用，所以平均每个正五边形含有的共价键数是＝2.5，故C20分子共有正五边形的数目是＝12个。