高中化學 33_2 分子晶體課件 魯科版選修3

1,2,3,1.概念和性質(zhì) 分子間通過分子間作用力結合形成的晶體稱為分子晶體。非金屬單質(zhì)、非金屬的氫化物等無機物以及多數(shù)有機化合物形成的晶體大都屬于分子晶體。對組成和結構相似、晶體中又不含氫鍵的能形成分子晶體的物質(zhì)來說,隨著相對分子質(zhì)量的增大,分子間作用力增強,熔點、沸點升高。符合此規(guī)律的物質(zhì)有鹵素單質(zhì)、四鹵化碳、稀有氣體等。,1,2,3,2.常見幾種典型的分子晶體 (1)碘晶體:晶胞是一個長方體,干冰晶體的晶胞呈立方體。在分子晶體中,因分子之間的相互作用,使分子在晶胞中呈現(xiàn)有規(guī)律的排列。分子在堆積排列時會盡可能利用空間而采取緊密堆積的方式,這與金屬晶體和離子晶體的緊密堆積是相似的。 (2)冰晶體:主要是水分子依靠氫鍵形成的,由于氫鍵具有一定的方向性,中央的水分子與周圍四個水分子結合,邊緣的四個水分子也按同樣的規(guī)律再與其他的水分子結合。這樣每個水分子中的每個氧原子周圍都有四個氫原子,氧原子與其中的兩個氫原子通過共價鍵結合,而與屬于其他水分子的另外兩個氫原子靠氫鍵結合在一起?？梢钥闯?這種排列中,分子的間距比較大,有很多空隙,類似于蜂巢結構,比較松散。因此水由液態(tài)變成固態(tài)時,密度變小。,1,2,3,(3)石墨的晶體具有層狀結構,每個碳原子用sp2雜化軌道與鄰近的三個碳原子以共價鍵相結合,形成無限的六邊形平面網(wǎng)狀結構;每個碳原子還有一個與碳環(huán)平面垂直的未參與雜化的2p軌道,并含有一個未成對電子,能夠形成遍及整個平面的大鍵。這些網(wǎng)絡狀的平面結構再以范德華力結合形成層狀結構。因此,石墨晶體中既有共價鍵,又有范德華力,同時還有金屬鍵的特性,稱為混合鍵型晶體。這種特殊的結構決定了石墨具有某些獨特的性質(zhì)。,1,2,3,3.小結 典型的分子晶體是指有限數(shù)目的原子以共價鍵結合為分子后,這些分子再以分子間相互作用結合形成的晶體。一般來說,分子間作用力的無方向性也使得分子在堆積時會盡可能利用空間采取緊密堆積方式,但是,分子的形狀、分子的極性以及分子間是否存在具有方向性的氫鍵等都會影響分子的堆積方式。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,探究一 常見分子晶體的結構型式 1.觀察干冰晶體及其晶胞思考下列問題: (1)干冰的宏觀性質(zhì)和應用有哪些? (2)CO2中碳原子和氧原子之間以共價鍵相結合,故CO2形成的晶體為原子晶體。你認為正確嗎?為什么? (3)分子晶體中分子的排列是否采取緊密堆積的方式?為什么?,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,提示：(1)常見的干冰呈塊狀或丸狀,在低溫實驗、人工降雨等場合常用作制冷劑。 (2)不正確,因為CO2中碳原子和氧原子之間雖然以共價鍵相結合,但干冰是CO2分子與分子之間通過分子間作用力相結合而形成的分子晶體。 (3)只有以范德華力形成的分子晶體中分子的排列盡可能采取緊密堆積的方式,因為范德華力不具有方向性。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,2.觀察冰的晶體結構,思考下列問題: (1)冰晶體中水分子間的相互作用有哪幾種? (2)冰晶體的結構特點如何?冰中水分子的排列是否采取緊密堆積的方式?為什么? (3)由水變?yōu)楸?水的密度如何變化?為什么?,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,提示：(1)范德華力和氫鍵。 (2)冰晶體主要是水分子依靠氫鍵而形成的。因氫鍵具有一定的方向性,故冰中水分子不能采取緊密堆積方式。 (3)密度減小;因冰中水分子的間距較大,分子的排列比較松散。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,1.常見典型的分子晶體 (1)所有非金屬氫化物,如:水、硫化氫、氨、氯化氫、甲烷等。 (2)部分非金屬單質(zhì),如:鹵素(X2)、氧(O2)、硫(S8)、氮(N2)、白磷(P4)、碳60(C60)等。 (3)部分非金屬氧化物,如:CO2、SO2、P4O6、P4O10等。 (4)幾乎所有的酸,如:H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3、H2SO3等。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,2.氫鍵型晶體和冰的結構 氫鍵有方向性和飽和性,這是決定氫鍵型晶體結構特殊性的主要因素。在分析氫鍵型晶體時,從氫鍵的特征入手,有利于認識這一類晶體的空間結構以及由此所表現(xiàn)出的一些特殊性質(zhì)。比如在冰中,由于存在氫鍵,水分子之間的距離增大,因而密度出現(xiàn)反常。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,上圖是冰的結構示意圖,從這種非常典型的氫鍵結構可以看出,氫鍵對于晶體結構的影響是很明顯的。在整個冰的晶體結構中,每個氫原子都參與了氫鍵的形成,這是因為它服從“最大限度形成氫鍵原理”,盡可能多地形成氫鍵,可以最大限度地降低體系的能量,以增強晶體結構的穩(wěn)定性。這樣,每個氧原子周圍都有4個氫原子。由圖可以看出,2個氫原子距氧原子較近,以共價鍵結合;另2個氫原子距氧原子較遠,是以氫鍵相連。氧原子的配位數(shù)為4,為了形成穩(wěn)定的四面體形結構,水分子中原有的鍵角105也稍微擴張,使各鍵角都成為109.5。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,冰的這種結構是比較疏松的,因此冰的密度比水的密度要小。當冰融化成水時,部分氫鍵遭破壞,而水中仍存在許多以氫鍵締合的分子集團,且不斷地變動重組。由于這些締合分子可以堆積得較為緊密,因而冰融化時體積反而縮小。另外,由冰的這種晶體結構模型出發(fā),就不難推想出雪花為六角形的基本內(nèi)在因素。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,【例題1】 如圖是甲烷晶體的晶胞結構,下列有關說法正確的是() A.甲烷晶胞中的球體只代表一個碳原子 B.晶體中1個CH4分子有12個緊鄰的甲烷分子 C.CH4晶體熔化時需克服共價鍵 D.一個甲烷晶胞中含有8個CH4分子,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,解析：甲烷是分子晶體,熔化時需克服范德華力。晶胞中的球體代表的是一個甲烷分子,并不是一個碳原子。以該甲烷晶胞為單元,位于頂點的某一個甲烷分子與其距離最近的甲烷分子有3個,而這3個甲烷分子在面上,因此每個都被共用2次,故與1個甲烷分子緊鄰的甲烷分子有38 =12個。甲烷晶胞屬于面心立方晶胞,既然甲烷晶胞中的球體代表一個甲烷分子,該晶胞含有甲烷的分子個數(shù)為 綜上所述,只有B項正確。 答案：B 易錯警示立體感不強,無法判斷甲烷分子間的位置關系往往成為解題的最大障礙。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,變式訓練1關于氫鍵,下列說法正確的是()(導學號52720031) A.每一個水分子中平均含有四個氫鍵 B.水是非常穩(wěn)定的化合物是由于水分子間存在氫鍵 C.冰、液態(tài)水、水蒸氣內(nèi)都存在氫鍵 D.冰能浮于水面上的現(xiàn)象可用水分子間存在氫鍵來解釋 解析：每個水分子中兩個氫原子形成兩個氫鍵,1個氧原子可形成兩個氫鍵,所以每個水分子周圍有4個水分子,但是每個氫鍵被2個水分子共用,所以每個水分子平均含有2個氫鍵,A項錯誤。水的穩(wěn)定性與化學鍵有關,而與氫鍵無關,B項錯誤。對水分子來說,氫鍵只存在于固態(tài)冰和液態(tài)水中,水蒸氣中不存在氫鍵,C項錯誤。液態(tài)水凝結成冰時,水分子之間形成氫鍵,存在締合現(xiàn)象,每個水分子被周圍4個水分子包圍,這一排列使冰晶體中水分子的空間利用率不高,導致其密度減小,D項正確。 答案：D,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,探究二 分子晶體的物理性質(zhì) 1.為什么干冰的熔點比冰的低,密度比冰的高?,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,提示：冰是水在0 以下形成的分子晶體。在冰晶體中,每個水分子周圍有4個緊鄰的水分子,水分子之間主要靠氫鍵連接在一起,具有方向性。一個位于中心與四個相鄰的位于頂角的水分子相互吸引構成一個四面體結構,空間利用率不高。因此,冰中水分子不采用密堆積方式。而干冰是二氧化碳的分子晶體,因外觀很像冰而得名。由于CO2分子間不存在氫鍵,每個CO2分子周圍有12個緊鄰的分子,空間利用率高,屬于分子密堆積型式。所以干冰的密度比冰的高,但熔點卻比冰低得多,且易升華。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,2.金剛石與石墨的熔點均很高,那么二者熔點是否相同?若不相同,哪種更高一些?為什么? 提示：金剛石的熔點是3 550 ,石墨的熔點是3 850 ,石墨的熔點高于金剛石的。從片層內(nèi)部來看,石墨是原子晶體;從片層之間來看,石墨是分子晶體(總體說來,石墨應該是混合鍵型晶體);而金剛石是原子晶體。石墨晶體的熔點反而高于金剛石,主要是石墨晶體片層內(nèi)共價鍵的鍵長是1.4210-10 m,金剛石晶體內(nèi)共價鍵的鍵長是1.5510-10 m。同為共價鍵,鍵長越小,鍵越牢固,破壞它也就越困難,也就需要提供更多的能量,故而熔點應該更高。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,1.分子間作用力與分子晶體熔點、沸點的關系 分子晶體要熔化、汽化都要克服分子間作用力。由于分子間作用力很弱,克服分子間作用力使物質(zhì)熔化、汽化所需要的能量較少,因此,分子晶體具有較低的熔點、沸點和較小的硬度。 對組成和結構相似、晶體中又不含氫鍵的物質(zhì)來說,隨著相對分子質(zhì)量的增大,分子間作用力增強,熔點、沸點升高。當分子晶體中分子之間存在氫鍵時,在熔化或汽化時要破壞氫鍵,此時物質(zhì)的熔點要高得多。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,2.石墨晶體混合鍵型晶體 石墨不同于金剛石,它的碳原子不像金剛石的碳原子那樣呈sp3雜化,而是呈sp2雜化,形成平面六元并環(huán)結構(如下圖),因此,石墨晶體是層狀結構的,層內(nèi)的碳原子的核間距為142 pm,層間距離為335 pm(比鍵長大得多)說明層間沒有化學鍵相連,是靠范德華力維系的(如圖);石墨的二維結構內(nèi),每個碳原子的配位數(shù)為3,有一個與碳環(huán)平面(如下圖)垂直的未參與雜化的2p軌道。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,由于所有的p軌道相互平行而且相互重疊,使p軌道中的電子可在整個碳原子平面中運動。因此,石墨像金屬一樣有金屬鍵,有導電性,而且,由于相鄰碳原子平面之間相隔較遠,電子不能從一個平面跳躍到另一個平面,所以石墨的導電性只能沿石墨平面的方向?？傊?石墨晶體中,既有共價鍵,又有范德華力,還有金屬鍵的特性,不能簡單地歸屬于其中任何一類晶體之中,我們將石墨晶體稱為混合鍵型晶體。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,3.四種晶體的比較,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,【例題2】 下列分子晶體,關于熔點、沸點高低的敘述中,正確的是() A.Cl2I2 B.SiCl4PH3 D.C(CH3)4CH3CH2CH2CH2CH3 解析：A、B項屬于無氫鍵存在的分子結構相似的分子晶體,相對分子質(zhì)量大的熔點、沸點高;C選項屬于分子結構相似的分子晶體,但存在氫鍵的熔點、沸點高;D項屬于相對分子質(zhì)量相同,但分子結構不同的分子晶體,支鏈多的熔點、沸點低。 答案：C,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,方法技巧判斷分子晶體的熔點、沸點高低時,主要從以下兩個方面去考慮:一是有無氫鍵,有氫鍵的分子晶體熔點、沸點較高;二是看分子間作用力,主要是分子結構相似的情況下,看物質(zhì)的相對分子質(zhì)量大小,相對分子質(zhì)量大的,其分子間作用力強,對應晶體的熔點、沸點高。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,變式訓練2有下列八種晶體:A.SiO2(水晶);B.冰醋酸;C.氧化鎂;D.白磷;E.晶體氬;F.氯化銨; G.鋁;H.金剛石。 (導學號52720032) 用序號回答下列問題: (1)屬于原子晶體的化合物是,直接由原子構成的晶體是,直接由原子構成的分子晶體是。 (2)由極性分子構成的晶體是,含有共價鍵的離子晶體是,屬于分子晶體的單質(zhì)是。 (3)在一定條件下能導電但不發(fā)生化學變化的是。受熱熔化后化學鍵不發(fā)生變化的是,需克服共價鍵的是。,探究一,探究二,問題引導,名師精講,即時檢測,解析：解答本題時一定要注意題干中的“關鍵詞”。如(1)中屬于原子晶體的化合物,則不能選H,因為金剛石為單質(zhì);直接由原子構成的晶體不僅有原子晶體,還要注意分子晶體中稀有氣體的特殊性稀有氣體為單原子分子。(2)中注意題干中的“定語”即關鍵詞,如極性分子、含有共價鍵、單質(zhì)等。先根據(jù)所掌握的物質(zhì)的性質(zhì)對晶體分類,再結合題意寫出答案。屬于原子晶體的是水晶和金剛石;屬于分子晶體的是冰醋酸、白磷和晶體氬;屬于離子晶體的是氧化鎂、氯化銨;而鋁屬于金屬晶體。(3)金屬的導電是靠“自由電子”的移動,并不發(fā)生化學變化,但金屬熔化時金屬鍵就會被破壞。分子晶體的熔化只需要克服分子間作用力,而原子晶體、離子晶體熔化時分別需要克服共價鍵、離子鍵。注意稀有氣體中不含化學鍵。 答案：(1)AAEHE(2)BFDE(3)GBDAH,探究一,探究二,即時檢測,1.下列物質(zhì)呈固態(tài)時,一定屬于分子晶體的是() A.非金屬單質(zhì)B.非金屬氧化物 C.含氧酸D.金屬氧化物 解析：物質(zhì)呈固態(tài)時,非金屬單質(zhì)中金剛石、晶體硅、硼均為原子晶體,非金屬氧化物中的二氧化硅為原子晶體,活潑金屬氧化物為離子晶體,只有含氧酸為分子晶體。 答案：C,探究一,探究二,即時檢測,2.已知在冰中每個水分子和周圍的4個水分子形成4個氫鍵。如圖為冰的晶胞(晶體中的最小重復單元)結構,下列有關說法中不正確的是() A.每個晶胞中含有2個水分子 B.每個晶胞中含有8個氫鍵 C.該晶胞構成的冰晶體中存在的作用力有 分子間作用力、氫鍵和極性鍵 D.與每個水分子等距離且最近的水分子有8個 解析：晶胞中頂點上的分子數(shù)目= 8=1,中心的分子數(shù)目=1,故每個晶胞中有2個水分子;每個H2O分子與周圍的4個分子形成氫鍵,而每個氫鍵為2個分子所有,晶胞中有2個水分子,則含有4個氫鍵。 答案：B,探究一,探究二,即時檢測,3.下列物質(zhì)按熔點、沸點由高到低順序排列,正確的一組是() A.HF、HCl、HBr、HIB.F2、Cl2、Br2、I2 C.H2O、H2S、H2Se、H2TeD.CI4、CBr4、CCl4、CF4 解析：對結構相似的分子晶體,其熔點、沸點隨著相對分子質(zhì)量的增大而升高,但HF、H2O分子之間都存在氫鍵,熔點、沸點反常。所以A中應為HFHIHBrHCl;B中應為F2H2TeH2SeH2S;只有D正確。 答案：D,探究一,探究二,即時檢測,4.下列說法中正確的是() A.離子晶體中每個離子的周圍均吸引著6個帶相反電荷的離子 B.金屬導電的原因是在外加電場的作用下金屬產(chǎn)生“自由電子”,電子定向運動 C.分子晶體的熔點、沸點低,常溫下均呈液態(tài)或氣態(tài) D.原子晶體中的各相鄰原子都以共價鍵相結合 解析：選項A中,離子晶體中每個離子周圍吸引帶相反電荷的離子個數(shù)與離子半徑有關,如1個Cs+可同時吸引8個Cl-;選項B中,金屬內(nèi)部的“自由電子”不是在電場力的作用下產(chǎn)生的;選項C中,分子晶體的熔點、沸點較低,在常溫下也有呈固態(tài)的,如S,屬于分子晶體,但它在常溫下為固態(tài)。 答案：D,探究一,探究二,即時檢測,5.據(jù)報道科研人員應用計算機模擬出結構類似C60的物質(zhì)N60。已知:N60分子中每個氮原子均以NN鍵結合三個氮原子而形成8電子穩(wěn)定結構;NN鍵的鍵能為167 kJmol-1。請回答下列問題: (導學號52720033) (1)N60分子組成的晶體為晶體,其熔點、沸點比N2的(填“高”或“低”),原因是。 (2)1 mol N60分解成N2時(填“放出”或“吸收”)熱量 kJ(已知NN鍵的鍵能為942 kJmol-1),表明穩(wěn)定性:N60(填“”“<”或“=”)N2。 (3)由(2)列舉N60的用途(舉一種)。,探究一,探究二,即時檢測,解析：(1)N60、N2形成的晶體均為分子晶體,因Mr(N60)Mr(N2),故N60晶體中分子間的范德華力比N2晶體的大,N60晶體的熔點、沸點比N2晶體的高。 (2)因每個氮原子形成三個NN鍵,每個NN鍵被2個N原子共用,故1 mol N60中存在NN鍵:1 mol603 =90 mol。發(fā)生的反應為N60 30N2H,故H=90167 kJmol-1-30942 kJmol-1=-13 230 kJmol-1N60。 (3)由于反應放出大量的熱同時生成大量氣體,因此N60可用作高能炸藥。 答案：(1)分子高N60、N2均形成分子晶體,且N60的相對分子質(zhì)量大,分子間作用力大,故熔點、沸點高 (2)放出13 230< (3)作高能炸藥,