鲁科版选修3 原子晶体与分子晶体 学案3.doc

第3节 原子晶体与分子晶体名师导航知识梳理一、原子晶体1.相邻_间以_相结合而形成的_结构的晶体称为原子晶体。原子晶体中的原子以_相连接，因此在晶体中，原子_（填“是”或“不是”）遵循紧密堆积原则。原子晶体的熔点_，硬度_，这是由于原子晶体熔化时必须破坏其中的_，而_相对较大，破坏它们需要_。2.水晶是由_和_组成的空间立体网状的_晶体，一个硅原子与_个氧原子形成_个共价键，每个氧原子与_个硅原子形成_个共价键，从而形成以_为骨架的结构，且只存在_键。二氧化硅晶体中硅和氧原子个数比为_，不存在_，可以把整个晶体看成_。3.在金刚石晶体中，每个碳原子周围排列的碳原子只能有_个，这是由共价键的_和_决定的，且形成以碳原子为中心的_结构。正是因为中心原子周围排列的原子的数目是_的，所以这种比较_的结构与金属晶体和离子晶体中的_排列有很大的不同。4.原子晶体的熔点大小与其_密切相关：对结构相似的原子晶体来说，原子半径_，键长_，键能_，晶体的熔点就_。二、分子晶体1._的晶体称为分子晶体。_单质、_氢的化合物、二氧化碳等气体以及多数_形成的晶体大都属于分子晶体。对_相似、晶体中又不含氢键的能形成分子晶体的物质来说，随着_的增大，_增强，熔沸点_。符合此规律的物质有_、_、_、_等。2.碘晶体的晶胞是_体，干冰晶体的晶胞呈_型。在分子晶体中，因分子之间的相互作用，使分子在晶胞中呈现_的排列。分子在堆积排列时会尽可能利用空间而采取_的方式，这与金属晶体和离子晶体的紧密堆积是_的。3.分子晶体中的分子以_或_相结合。冰晶体主要是水分子依靠_形成的，由于氢键具有一定的_，中央的水分子与周围_个水分结合，边缘的_个水分子也按同样的规律再与其他的水分子结合。这样每个水分子中的每个氧原子周围都有_个氢原子，氧原子与其中的两个氢原子通过_结合，而与属于其他水分子的另外两个氢原子靠_结合在一起。可以看出，这种排列中，分子的间距比较_，有很多_，类似于_结构，比较松散。因此水由液态变成固态时，密度变_。4.典型的分子晶体是有限数目的原子以共价键结合为分子后，这些分子再以分子间相互作用结合形成的晶体。一般来说，分子间作用力的_也使得分子在堆积时会尽可能利用空间采取_形式，但是，_、_以及_等，都会影响分子的堆积方式和结构形式。5.石墨的晶体具有_结构，每个碳原子与_个碳原子以_相结合，形成无限的_结构；每个碳原子还有一个_，形成遍及整个平面的_。这些网络状的平面结构再以_结合形成层状结构。因此，石墨晶体中既有_，又有_，同时还有_的特性，称为_晶体。这种特殊的结构决定了石墨具有某些_性质。疑难突破1.如何认识惰性元素形成的晶体？剖析：惰性元素形成的晶体其构成粒子为单原子分子，晶体中所存在的作用只有范德华力，因此这类晶体的结构和性质只受范德华力的影响。 范德华力是一种很弱的相互作用，在典型的分子晶体中，分子间的相互作用一般在几到几十焦每摩尔的范围内，比化学键的键能小得多，因此惰性元素的晶体应具有熔点低、热膨胀系数大、升华热低等性质。 范德华力与金属键极为相似，不具方向性和饱和性，因此所有惰性元素的晶体都具有和典型金属一样的最密堆积结构。经测定氦晶体为六方最密堆积，其余惰性元素的晶体均为立方最密堆积。2.如何比较分子晶体和原子晶体熔沸点的高低？剖析：（1）一般地，原子晶体的熔沸点远远高于分子晶体的熔沸点。（2）原子晶体熔沸点的高低与共价键的强弱有关。一般来说，原子半径越小，形成的共价键的键长越短，键能越大，晶体的熔沸点越高。如熔点：金刚石碳化硅晶体硅。 分子晶体的熔沸点高低与分子间的作用力有关。组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，熔沸点越高，如熔沸点o2n2，hihbrhcl。如果分子间存在氢键，则其沸点要高于组成和结构相似的没有氢键的分子晶体，如沸点：h2oh2s,hfhcl,nh3ph3。组成和结构不相似的物质，分子的极性越大，其熔沸点就越高，如熔沸点：con2。问题探究问题1：碳和硅位于元素周期表的同一主族，最外层电子数相同，化学性质也具有一定的相似性，如单质都可以和氧气发生反应，分别生成氧化物co2和sio2。co2和sio2都属于酸性氧化物，可以与碱及碱性氧化物反应生成盐。但是，co2和sio2的物理性质却存在很大差异，可能的原因是什么？探究：固态co2（即干冰）是分子晶体，co2分子之间存在分子间作用力，这种分子间作用力很弱，这种作用只有几到几十焦每摩尔，很容易破坏它使晶体变成液体或气体，故干冰的熔点、沸点很低，硬度很小。sio2是原子晶体，晶体中不存在sio2分子，而是每一个硅原子和四个氧原子形成四个共价键，每一个氧原子被两个硅原子共用。由于sio2晶体是由硅原子和氧原子按12的比例通过共价键结合形成的立体网状结构的晶体，共价键的键能很大，破坏这些共价键需要很高的能量，所以sio2晶体的熔沸点和硬度很高。两种物质在性质上的巨大差异根本原因在于它们在结构上的不同。问题2：金刚石和石墨都是碳元素的单质，但是二者在某些物理性质上却表现出较大的差异：金刚石是天然矿物中最硬的，而石墨却比较软；金刚石不导电，而石墨却能导电。请解释其原因。探究：在金刚石中，每个碳原子与相邻的四个碳原子以共价键结合，形成正四面体结构，cc共价键是一种很强的作用，不容易发生形变，因此硬度很大；碳原子所有价电子都参与成键，晶体中没有自由电子，所以不能导电。 石墨晶体中，每个碳原子以三个键与另外三个碳原子结合，在同一平面内形成无数并置的正六边形的环。平面与平面之间存在范德华力，它是一种很弱的作用，很容易发生形变，因此石墨比较软；在每个碳原子上，都还有一个价电子未参与成键，该电子所在的2p轨道与碳原子形成的平面垂直，电子可以在同一平面内自由移动，相当于金属中的自由电子，所以石墨可以导电。典题精讲【例1】 碳化硅（sic）是一种具有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替出现的，即每个si原子处于四个c原子构成的四面体的内部，每个c原子也处于四个si原子构成的四面体的内部。下列三种晶体：金刚石 晶体硅 碳化硅中，它们的熔点由高到低的顺序是（ ）a. b. c. d.思路解析：在结构相似的原子晶体中，原子半径越小，键长越短，键能越大，熔沸点越高。题目中所给的信息是有关sic结构的知识，通过信息加工并比较碳原子和硅原子的半径，应得出sisi键的键长比sic键的键长长，sic键比cc键的键长长的结论，所以键能由高到低的顺序应该是cc键csi键sisi键，由此可推出熔点由高到低的顺序是。答案：a【例2】 下列有关分子晶体熔点的高低叙述中，正确的是（ ）a.cl2i2 b.sicl4ccl4c.nh3ph3 d.c(ch3)4ch3(ch2)3ch3思路解析：a、b选项属于无氢键存在的分子结构相似的情况，相对分子质量大的熔沸点高；c选项属于有氢键存在差别的分子结构相似的情况，存在氢键的熔沸点高；d选项属于相对分子质量相同，但分子结构不同的情况，支链多的熔沸点低。答案：b【例3】 氮化铝（aln）常用做砂轮及高温炉衬材料，熔化状态下不导电，可知它属于（ ）a.离子晶体 b.原子晶体 c.分子晶体 d.无法判断思路解析：熔化状态下不导电的化合物必定是共价化合物，排除是离子化合物的可能，又因为具有耐高温的性能，所以必定是原子晶体。答案：b知识导学 学习本节内容之前应回顾共价键、分子间作用力、氢键及分子构型和分子极性的相关内容。 由上一节的学习你已经知道，金属晶体和离子晶体的性质与晶体中微粒的种类、微粒间的相互作用以及微粒的排列密切相关。对于原子晶体和分子晶体来说分别具有怎样的结构特点，又具有哪些特性，这是本节将要学习的内容。 对原子晶体的认识，要抓住晶体的构成微粒和微粒间的相互作用这些本质特征，并能根据这一本质特征分析原子晶体具有的特性。 原子晶体是由中性原子构成的，原子间通过共价键紧密地连接在一起。共价键的饱和性和方向性决定了原子晶体中每个原子的配位数是一定的，原子的相对位置也是确定的，彼此连接形成稳定的空间立体网状结构。正是由于共价键这种作用力强烈且晶体结构稳定而导致了原子晶体的熔沸点高，硬度大等特性。 原子晶体中的微粒是原子，因此原子晶体中不存在单个分子。所以原子晶体的化学式如sio2代表硅元素原子和氧元素原子个数比为12，并不代表分子。形成原子晶体的物质类别是部分共价化合物和部分非金属单质（如：金刚石、单质硅、单质硼、sio2、sic、si3n3等）。 原子晶体共价键的强弱的比较： 一般地说，原子半径越小，形成共价键的键长越短，键能越大，其熔沸点越高。如：金刚石碳化硅晶体硅。 对于分子晶体的学习，要清楚分子晶体的构成微粒是什么，微粒间存在怎样的相互作用，微粒又是如何进行排列的。并能根据分子晶体具有的本质特征分析分子晶体具有的特性。 原子首先通过共价键结合成分子，分子作为基本构成微粒，通过分子间作用力结合成分子晶体。分子晶体的基本构成微粒是分子。形成分子晶体的物质类别多数是共价化合物和非金属单质。分子晶体并不一定存在共价键，如稀有气体元素单质形成的晶体中只有范德华力。 对于分子晶体，组成和结构相似，且不存在氢键的分子晶体，相对分子质量越大，范德华力越强，物质的熔沸点越高。如：f2cl2br2i2。同分异构体中，支链越多，熔沸点越低。 分子间作用力一般包括范德华力和氢键，前者无方向性和饱和性，而后者有，所以仅由范德华力结合成的分子晶体一般采取分子的最密堆积形式，当然或多或少地也要受到分子具体形状的影响。如果作用力中存在氢键，则分子在构成晶体时有一定的饱和性和方向性，结合成的结构相对就不够紧密。由于分子间作用力很弱，因此分子晶体具有较低的熔沸点和较小的硬度，由于分子晶体的构成微粒是分子，所以分子晶体不论在固态时还是在熔融状态下都不导电。 冰晶体中存在氢键和范德华力，它们是性质不同、层次不同的两种作用，氢键的作用要强于范德华力，因此冰晶体主要依靠氢键形成。 由于氢键的方向性和饱和性使水分子不能采取紧密堆积，这种结构会对冰的性质产生影响，使冰的密度小于水。由此我们应体会到微粒的堆积方式也会影响物质的性质。 混合型晶体中的基本构成微粒之间的相互作用有多种情况，较为复杂，复杂结构中的这些不同的相互作用决定了混合型晶体可能会具有多种晶体的不同特征。 石墨晶体熔点很高，但不属于原子晶体。石墨晶体是层状结构，是原子晶体与分子晶体之间的一种过渡型晶体，又具有金属晶体某些性质，所以石墨晶体被称为混合键型晶体。疑难导析 在认识事物时，要善于抓住事物的特殊性，惟如此，才能正确全面地理解该事物，才能分清彼此。 认识惰性元素形成的晶体可以从以下几方面分析： 惰性元素形成的晶体中的作用力的类别： 由构成该晶体的粒子可以确定晶体中存在的作用力，是否存在化学键，是否存在范德华力。 惰性元素形成的晶体中的作用力的性质： 根据范德华力的强弱可以推断惰性元素的晶体熔点的高低、热膨胀系数的大小、升华热的大小等。 根据范德华力与金属键的相似性可以推断惰性元素的晶体的结构： 由空间条件确定堆积方式。 判断晶体熔沸点的高低先要区分晶体类型。 其次是比较各类型晶体中所存在作用的强弱： 对于分子晶体来说，一般思路为：先看是否存在氢键，再根据分子组成和结构是否相似，看相对分子质量或分子极性。 对于原子晶体的熔沸点主要取决于组成原子晶体的原子间的共价键的强弱，所以应该首先分析共价键的强弱，然后作出判断。一般思路为：原子半径键长共价键键能熔沸点。问题导思 co2和sio2物理性质的差异主要是硬度和熔沸点。 有些同学可能会认为原因是：二者的组成和结构相似，相对分子质量越大，熔沸点越高。 这样分析得出的结论与事实有一定的一致性，即sio2的硬度和熔沸点高于干冰，但并不能解释co2和sio2性质差异为什么如此之大。 在分析问题时，千万不能只注重表面，要从本质上做深入的分析。 其实co2和sio2只是组成相似，在结构上存在很大差别： co2的晶体干冰是分子晶体，影响其硬度和熔沸点的是存在于分子之间的范德华力。 sio2是原子晶体，影响其硬度和熔沸点的是原子之间的共价键。 共价键的键能要比分子间作用力大得多，因此才导致sio2和co2在硬度和熔沸点上的巨大差异。 金刚石与石墨表现出了性质上的差异，这主要还是两者在结构上不同。 物质硬度大小与晶体中所存在作用强弱相关，作用强，不易发生形变，硬度就大；作用弱，容易发生形变，硬度就小。 在这里要注意石墨中存在多种作用，硬度大小只与范德华力有关。 物质能否导电取决于相关物质内部是否存在自由移动的电荷。 能够自由移动的电荷包括阴、阳离子和自由电子。在前面的学习中，我们已经分析过：电解质溶液或者熔融的电解质导电是因为具备可以自由移动的阴、阳离子；金属导电是因为金属中存在自由电子。所以，我们在考虑金刚石和石墨导电性的差异时，就要从物质的内部结构分析，确定有无可以自由移动的电荷。典题导考绿色通道：解答关于原子晶体性质的题目应注意从原子间存在的的作用分析，原子晶体中存在很强的共价键，所以熔沸