分子晶体和原子晶体-教案

LQ 1 4 2 2020 第 2 节分子晶体和原子晶体 学案 第一课时 1 分子晶体 一 概念 分子间以分子间作用力分子间作用力相结合的晶体叫分子晶体 注意 1 构成分子晶体的粒子是分子分子 2 在分子晶体中 分子内的原子间以共价键共价键结合 而相邻分子靠分子间作用力分子间作用力 范德 华力 相互吸引 3 范德华力会影响会影响化学键的作用 4 分子晶体熔化破坏的是分子间作用力分子间作用力 二 分子晶体的物理特性 1 不高的熔点和沸点 2 较小的硬度 易挥发 易升华 3 一般都是液体 固体和熔融状态都不能导电 4 分子晶体的溶解性与溶质和溶剂的分子的极性和非极性相关 相似相容 思考 1 为什么分子晶体熔沸点低 易挥发 易升华 硬度小 原因 分子晶体发生这些变化时条件只破坏分子间作用力 分子间作用力很弱 克服它时需要的 能量小 所以分子晶体熔沸点低 易挥发 易升华 硬度小 2 为什么分子晶体在晶体和熔融状态均不导电 它们在晶体和熔融状态均不存在自由离子 部分分子晶体溶于水在水分子作用下 发生电离导电 如 HCl H2SO4 有些溶于水与水反应生成酸而导电 SO3 SO2 三 典型的分子晶体 1 氢化物 H2O H2S NH3 CH4 HX 2 酸 H2SO4 HNO3 H3PO4 3 单质 X2 O2 H2 S8 P4 C60 4 氧化物 CO2 SO2 NO2 P4O6 P4O10 5 有机物 乙醇 冰醋酸 蔗糖 绝大多数全部由分子间作用力形成的非金属单质和共价化合物都形成分子晶体 只有很少 的一部分 全部由共价键形成的非金属固体单质和氧化物形成原子晶体 如金刚石 晶体硅 SiO2 碳 化硅 晶体硼等 四 分子晶体结构特征 1 如果分子间作用力只有范德华力 若以一个分子为中心 其周围通常可以有 12 个紧邻的 分子 分子密堆积 每个分子周围有 12 个紧邻的分子 如 C60 干冰 I2 O2 分子间存在其他作用力的分子晶体 不具有分子密堆积特征 如 HF 冰 NH3 冰中 个水分子周围有 个水分子 1mol 冰周围有 4 mol 氢键 冰中 个水分子周围有 个水分子形成什么空间构型 正四面体 归纳要点 分子的密度取决于晶体的体积 取决于紧密堆积程度 分子晶体的紧密堆积由 LQ 2 4 2 2020 以下两个因素决定 1 分子间作用力 2 是否含有氢键 五 分子晶体熔 沸点高低的比较规律 分子晶体要熔化或汽化都需要克服分子间的作用力 分子间作用力越大 物质熔化和汽化时需要 的能量就越多 物质的熔 沸点就越高 因此 比较分子晶体的熔 沸点高低 实际上就是比较 分子间作用力 包括范力和氢键 的大小 1 组成和结构相似的物质 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 分子量相等或相近 极性分子的范德华力大 熔沸点高 如 CO N2 3 含有氢键的 熔沸点比较高 如 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 芳香烃及其衍生物苯环上的同分异构体一般按照 邻位 间位 对位 的顺序 科学视野 笼装化合物 20 世纪末 科学家发现海底存在大量天然气水合物晶体 这种晶体的主要气体成分是甲烷 因而又称甲烷水合物 它的外形像冰 而且在常温常压下会迅速分解释放出可燃的甲烷 因而又 称 可燃冰 1 下列性质适合于分子晶体的是 B A 熔点 1 070 易溶于水 水溶液导电 B 熔点 10 31 液态不导电 水溶液能导电 C 能溶于 CS2 熔点 112 8 沸点 444 6 D 熔点 97 81 质软 导电 密度 0 97 g cm3 2 下列叙述不正确的是 C A 由分子构成的物质其熔点一般较低 B 分子晶体在熔化时 共价键没有被破坏 C 分子晶体中一定存在共价键 D 分子晶体中分子间作用力越大 其化学性质越稳定 3 下列关于分子晶体的说法中正确的是 AC 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 冰和干冰都是分子晶体 D 稀有气体的原子能形成分子晶体 4 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 A NH3 HD C10H8 B PCl3 CO2 H2SO4 C SO2 SiO2 P2O5 D CCl4 Na2S H2O2 5 下列各组晶体物质中 化学键类型相同 晶体类型也相同的是 C SiO2和 SO3 晶体硼和 HCl CO2和 SO2 晶体硅和金刚石 晶 体氖和晶体氮 硫磺和碘 A B C D LQ 3 4 2 2020 二 原子晶体 1 定义 相邻原子间以 共价键 相结合形成的 空间网状结构 的晶体 2 特点 不存在间个分子 化学式只表示 其原子个数比 基本粒子是原子 并以 结合向空间发展形成 空间网状结构 问题 原子晶体为什么呈空间网状结构呢 因原子晶体中原子间相互作用是共价键 由于共价键不同于金属键 又不同于离子键 它 既有饱和性 又有方向性 因而在共价型晶体中 在微粒间相互位置上 就既不可能像金属晶体 那样 主要按等径圆球尽可能堆积的规律 尽量以高配位数配置 又不能像离子晶体那样 主要 根据正 负离子的半径大小和数量的不同比不同取其可能的堆积方式 以一定的配位数相互配置 共价键的饱和性和方向性在晶体结构中表现出十分明显的决定作用 首先在种类型晶体中 微粒 原子 的配位数由具有饱和性的键的数量决定 其次 原子之间的联结 键合 都必须采取 一定的方向 这样 就从根本上决定了晶体结构的空间构型 可见原子晶体的结构特征是键的饱 和性和方向性 它决定了其配位数比一般金属晶体和离子晶体都要小 3 原子晶体的物理性质 很高 的熔 沸点 很大 的硬度 不 导电 难溶 于一般 溶剂 总结 原子晶体中 各个原子都和数个其他原子以共价键相结合 使整个晶体形成了一个 牢固的整体 由于原子晶体内键的饱和性和方向性 决定了这类晶体不具有象金属那样的延性 展性和良好的导电性 又由于共价键的结合能力比离子键的结合能力强 故一般来说 其熔点 沸点较高 硬度较大 1 怎样从原子结构的角度理解金属石 硅和锗的熔点和硬度依次下降 从碳到锗 核电荷数增大 电子层数增多 原子半径增大 C C 键 Si Si 键和 Ge Ge 键的键长依次增大 键长越短 共价键越牢固 而熔化时破坏的是共价键 因此共价键的稳定性 是 C C 键 Si Si 键 Ge Ge 键 所以 金刚石 晶体硅和晶体锗的熔点和硬度依次下降 2 含有共价键的晶体叫做原子晶体 这种说法对吗 为什么 不对 如 HCl H2O CO2 CH3CH2OH 分子中都有共价键 而它们都是分子晶体 又如 金刚石 晶体硅 SiC SiO2中也都有共价键 它们却都是原子晶体 只有相邻原子间以共价键 结合形成空间网状结构的晶体才是原子晶体 4 常见原子晶体 少数非金属单质 如金刚石 单晶硅 晶体硼 晶体锗等 少数非金属化合物 碳化硅 SiC 二氧化硅 SiO2 氮化硼 BN 等 LQ 4 4 2 2020 5 常见原子晶体模型 金刚石 金刚石是世上已知最硬的物质 且熔点很高 人很名贵的宝石 金刚石是最典型的原子晶 体 宏观世界是由碳原子以共价单键结合而成的 其中 每一个碳原子都和三个与其相邻的碳原 子形成典型的正四面体共价键基团 CC4 所有的 CC4在空间连续分布 每一个碳原子的配位数 均为 4 如图所示 若从图中取出一个立方单位 即为金刚石的晶胞 如图所示 在金刚石晶 胞中 顶点和面心上各有一个碳原子 另每个顶点上的碳原子和经过该顶点的三个面面心的碳原 子所构成的正四面体的中心也含有一个碳原子 即每个金刚石晶胞中平均拥有 4 个碳原子 问问 金刚石晶体中 碳原子的杂化方式为什么 碳碳键的夹角为多少 晶体中 最小碳环中的碳原子数为多少 共用同一碳原子数的碳环数为多少 晶体中 碳原子数与碳碳共价键数之比为多少 答答 sp3 109 28 6 12 1 2 如将金刚石中的碳原子全部换成硅原子 那就是晶体硅 如将其中一半的碳原子换成硅原 子 那就是金刚砂 SiC 同样都是原子晶体 练习一 试比较金刚石 碳化硅和晶体硅的熔点高低 答案答案 金刚石 晶体硅 晶体硅 解释 因从金刚石到晶体硅再到碳化硅 其的化学键分别是 C C C Si 和 Si Si 键长 依次增长 键能依次降低 故熔点逐渐降低 二氧化硅 在二氧化硅晶体中 硅原子和氧原子经 共价键结合 每一个硅原子周围有四个氧原子 每 个氧原子周围有有个硅原子 如右图 它们的配位 数分别为 4 和 2 问问 二氧化硅中硅原子和氧原子的个数比为多少 二氧化硅晶体中 Si O 键的键角为多少 二氧化硅晶体中硅原子与 Si O 键数之比为多少 二氧化硅晶体中最小环上的原子数为多少 共用同一硅原子 共用同一氧原子的最小环各为多少个 答答 1 2 SiOSi 104 5 OSiO 109 28 1 4 12 12 6 师 同金刚石的晶胞一样 二氧化硅的晶胞也是立方体 8 个顶点和 6 个面的面心都是 O 原子 在每个顶点和过该顶点的三个面的面心所形成的正四面体的体心另有一个 O 原子 在每 个正四面体中 中心的 O 原子与四个处于顶点的 O 原子之间各有一个 Si 原子 总结 本节课的们学习了原子晶体 它是原子间以共价键相结合而形成的空间结构 上节课我们学习了分子晶体 现将这两种晶体的区别比较如下 LQ 5 4 2 2020 晶体类型原子晶体分子晶体 组成微粒原子分子 微粒间作用力共价键分子间作用力 熔 沸点很高较低 硬度很大较小 溶解性不溶于任何溶剂部分溶于水 导电性不导电 个别为半导体不导电 部分溶于水导电 随堂练习 1 在 a mol 金刚石中含 C C 键数为 c A 4a 6 02 1023 B a 6 02 1023 C 2a 6 02 1023 D 8a 6 02 1023 2 有关晶体的叙述正确的是 cd A 在 SiO2晶体中 由 Si O 原子构成的最小单元环中共有 8 个原子 B 在 12 g 金刚石中 含 C C 共价键键数为 4NA C 干冰晶体熔化只需克服分子间作用力 D 分子晶体无论在固态或熔化状态下均不导电 3 科学家在 40 Gpa 高压下 用激光器加热到 1800 K 成功合成出一氧化碳原子晶体 下 列有关这种二氧化碳原子晶体的叙述正确的是 D A 晶体中每摩碳原子与 4 mol 氧原子形成共价键 B 容易液化 可用做致冷材料 C 硬度很大 可做耐磨材料 D 具有很高的熔沸点 还具有很大的硬度 4 据报道 用激光可将置于铁室中的石墨靶上的碳原子 炸松 再用一个射频电火花喷 射出氮气 可使碳 氮原子结合成碳氮化合物的薄膜 该碳氮化合物的硬度比金刚石更坚硬 则 下列分析正确的是 B A 该碳氮化合物呈片层结构 B 该碳氮化合物呈立体结构 C 该碳氮化合物中 C N 键长比金刚石的 C C 键长长 D 相邻主族非金属元素形成的化合物的硬度比单质小 5 有关晶体的下列说法中 正确的是 B A 晶体中分子间作用力越大 分子越稳定 B 原子晶体中共价键越强 熔点越高 C 冰熔化时 水分子中共价键发生断裂 D 原子晶体中只存在极性共价键 不可能存在其他类型的化学键 6 右图为金刚石的晶体结构 每个 C 原子 每条 C C 键被多少个六元环共用 6 解析 任意两条相邻的 C C 键参加了 2 个六元环的形成 每个 C 原子 LQ 6 4 2 2020 可形成 4 条 C C 键 两面相邻的组合有 C 6 种 故每个 C 原子被 6 2 12 个六元环共用 2 4 而每条 C C 键可以与相邻的 3 条 C C 键两两相邻 故每条 C C 键被 3 2 6 个六元环共用 7 右图为晶体硼的基本结构单元 已知它为正二十面体 有二十个等边三角形和一定数目的顶角 每一个顶点各有一个硼原子 通过观察 此基本结构单元由多少硼原子构成 7解析 该晶体的晶胞由二十个等边三角形构成 而每个等边三角形有 3 个顶点 这样共有 20 3 60 个顶点 但每个顶点又被相邻的 5 个等边三角形所共有 所以该晶胞实际拥有的顶点 数应为 20 3 12 个 5 1 8 氮化硅是一种高温陶瓷材料 它的硬度大 熔点高 化学性质稳定 工业上曾普遍采用高纯硅 与纯氮在 13000 反应获得 1 氮化硅晶体属于 晶体 2 已知氮化硅的晶体结构中 原子间都以单键相连 且 N 原子和 N 原子 Si 原子与 Si 原子不 直接相连 同时