分子晶体与原子晶体76148

第四节分子晶体与原子晶体 什么是晶体 下列图片中所示是晶体吗 雪花 冰糖 水晶 金刚石 你知道它们它们都有什么样的物理性质吗 是否属于同种类型 冰和冰糖分别是由水分子 蔗糖分子构成的分子晶体 水晶和金刚石是由Si O原子和C原子构成的原子晶体 分子晶体 是分子之间通过分子间作用力结合 从而在三维空间呈有序排列形成的 一 分子晶体 一 分子晶体 回顾 分子间作用力 分子与分子之间的相互作用 存在于分子之间 分子间作用力 分子间作用力大小的影响因素 相对分子质量 同类型分子 相对分子质量越大 分子间作用力越大 分子的极性 分子的极性影响分子间作用力 极性 非极性 分子通常指的是小分子 不是指高分子 典型的分子晶体 非金属氢化物 H2O H2S NH3 CH4 HX酸 H2SO4 HNO3 H3PO4部分非金属单质 X2 O2 H2 S8 P4 C60大部分非金属氧化物 CO2 SO2 NO2 P4O6 P4O10大多数有机物 乙醇 冰醋酸 蔗糖 烃类 只要存在小分子 其固体就是分子晶体 以干冰为例 了解分子晶体的物理性质 分子晶体中分子之间的作用力很微弱 所以熔沸点低 易升华 硬度小 固态和熔融状态不导电 干冰分子的密堆积 只要不存在氢键就和干冰一样 密堆积 面心立方 1 8个CO2分子构成立方体且在6个面心又各占据1个CO2分子 2 每个CO2分子周围等距紧邻的CO2分子有 个 水分子的非密堆积 冰中 个水分子周围有 个水分子 水分子之间的相互作用除范德华力以外还有氢键 冰晶体主要是水分子依靠氢键而形成的 由于氢键有一定的方向性 中央的水分子与周围四个水分子结合 边缘的四个水分子也按照同样的规律再与其他水分子结合 这样每个水分子中的每个O周围都有四个H O与其中的两个H通过共价键结合 而与属于其他水分子的另外两个H靠氢键结合在一起 可以看出 在这种排列中 分子的间距比较大 有很多空隙 类似于蜂巢结构 比较松散 因此 液态水变成固态水 密度变小 分子中存在氢键 非密堆积 1 每个水分子与 个水分子相邻 2 分子以氢键相连接 含1molH2O的冰中 最多可形成 mol 氢键 由干冰和冰的晶体结构可以看出 分子晶体在熔化时 破坏的只是分子间作用力 只需要外界提供较小的能量 因此分子晶体的熔点通常较低 硬度也较小 具有较强的挥发性 对于组成和结构相似 晶体中又不含氢键的物质来说 相对分子质量增大 分子间作用力增强 熔沸点升高 对于分子间不含氢键的物质来说 由于分子间的作用力无方向性也使得分子在堆积时会尽可能利用空间并采取紧密堆积方式 这一点与金属晶体和离子晶体相似 分子的形状 极性以及氢键的存在都会影响分子的堆积方式 思考与交流 CO2和SiO2的一些物理性质如下表所示 通过比较试判断SiO2晶体是否属于分子晶体 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 180 109 28 Si O 共价键 二氧化硅晶体结构示意图 二 原子晶体 共价晶体 1概念 相邻原子间以共价键相结合而形成空间立体网状结构的晶体 构成原子晶体的粒子是原子 原子间以较强的共价键相结合 2 原子晶体的物理特性 在原子晶体中 由于原子间以较强的共价键相结合 而且形成空间立体网状结构 所以原子晶体的 熔点和沸点高 熔化破坏的是共价键 硬度大一般不导电且难溶于一些常见的溶剂 3 常见的原子晶体 晶胞 金刚石中每个C原子都以SP3杂化轨道与周围4个碳原子以共价键结合 构成正四面体 C C键间的夹角为109 5 因为中心原子周围排列的原子的数目是有限的 所以这种比较松散的排列与金属晶体和离子晶体中的紧密堆积排列有很大的不同 1 每个碳与 以共价键结合 形成正四面体结构 2 键角均为 3 最小碳环由 个C组成且六原子不在同一平面内 4 每个C参与4条C C键的形成 C原子数与C C键之比为 2 SiO2晶体的结构 二氧化硅的晶体结构 水晶是由Si和O构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 二氧化硅晶体中硅原子和氧原子个数比为 不存在 可以把整个晶体看成 二氧化硅 4 4 2 2 硅氧四面体 Si O 1 2 单个分子 巨型分子 3 SiC晶体的结构 交替 1 1 SiC是人工合成的无机非金属材料 SiC晶体的结构类似于金刚石晶体结构 其中C原子和Si原子的位置是的 所以在整个晶体中Si原子与C原子个数比为 SiC硬度大 而且具有耐热性 耐氧化性和耐腐蚀性 它可以做磨料 耐火材料 电热元件等 还可以用来制造机械工程中的结构元件和化工中的密封件等 观察下表中的数据可以发现 原子晶体大都具有较高的熔点和硬度 这是为什么 讨论表中所给出的结构相似的原子晶体的熔点差别较大的原因 思考与交流 原子晶体具有的熔点 的硬度 对结构相似的原子晶体来说 原子半径 键长 键能 晶体的熔点就越高 规律 越大 很高 越小 越短 很大 高熔点 高硬度是原子晶体的特性 常见的原子晶体有 1 某些单质 如硼 硅 锗 灰锡等 2 某些非金属化合物 如氮化硼等 联想 质疑 实验测定 石墨的熔点高达3850 高于金刚石的熔点 这说明石墨晶体具有原子晶体的特点 但是 石墨很软并且能导电 是非常好的润滑剂 这说明它又不同于原子晶体 那么石墨究竟属于哪种类型的晶体呢 石墨晶体的结构 研究发现 石墨晶体具有呈层状结构 同层内每个C原子用sp2杂化轨道与邻近的三个C原子以共价键相结合 形成无限的六边形平面网状结构 共价键的键长为0 142nm 键角为120 每个C原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道 并含有一个未成对电子 因此能够形成遍及整个平面的大 键 电子可以在整个六边形网状平面上运动 因此石墨的大 键具有金属键的性质 这就是石墨沿层的平行方向上导电性强的原因 而层与层之间以 结合 层与层之间的距离为0 335nm 层与层之间容易滑动 有滑腻感 所以石墨晶体虽然熔 沸点很高 但硬度不大 在石墨晶体中平均每个正六边形拥有的碳原子个数是2个 C原子与共价键的比值为2 3 这样 石墨晶体中既有共价键 又有范德华力 同时还有金属键的特性 我们将这种晶体称为混合键型晶体 分子间作用力 小结 怎么比较晶体的熔点呢 三 晶体熔 沸点的比较 1 不同类型晶体熔 沸点的比较 不同类型晶体的熔 沸点高低的一般规律 金属晶体的熔 沸点差别很大 如钨 铂等熔 沸点很高 汞 铯等熔 沸点很低 分子晶体 原子晶体 离子晶体 2 同种晶体类型熔 沸点的比较 原子晶体 如熔点 金刚石 碳化硅 硅 小 短 大 高 a 一般地说 阴 阳离子的电荷数越 离子半径越 则离子间的作用力就越 其离子晶体的熔 沸点就越 如熔点 MgO MgCl2 NaCl CsCl b 衡量离子晶体稳定性的物理量是晶格能 晶格能越 形成的离子晶体越 熔点越 硬度越 离子晶体 多 小 强 高 大 稳定 高 大 a 分子间作用力越 物质的熔 沸点越 具有氢键的分子晶体熔 沸点反常地 如H2O H2Te H2Se H2S b 组成和结构相似的分子晶体 相对分子质量越 熔 沸点越 如SnH4 GeH4 SiH4 CH4 分子晶体 大 高 高 大 高 c 组成和结构不相似的物质 相对分子质量接近 分子的极性越大 其熔 沸点越高 如CO N2 CH3OH CH3CH3 d 同分异构体 支链越多 熔 沸点越低 金属晶体 金属离子半径越小 离子电荷数越多 其金属键越强 金属熔 沸点就越高 如熔 沸点 Na Mg Al 1 判断正误 正确的打 错误的打 1 在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子 只要有阳离子就一定有阴离子 2 金属元素与非金属元素组成的晶体一定是离子晶体 3 离子晶体一定都含有金属元素 4 分子晶体的熔点一定比金属晶体的低 5 原子晶体的熔点一定比金属晶体的高 6 石墨的硬度比金刚石小 所以其熔点比金刚石低 7 干冰 CO2 晶体中包含的作用力为分子间力和共价键 8 SiO2晶体中包含的作用力只有共价键 提示 1 2 3 4 5 6 7 8 易错警示 1 常温下为气态或液态的物质 其晶体应属于分子晶体 Hg除外 2 原子晶体一定含有共价键 而分子晶体可能不含共价键 3 含阴离子的晶体中一定含有阳离子 但含阳离子的晶体由不一定含阴离子 如金属晶体 4 易误认为金属晶体的熔点比分子晶体的熔点高 其实不一定 如Na的熔点为97 尿素的熔点为132 7 一晶体的结构和性质1 分子晶体中如果只有范德华力 它的晶体一般采取密堆积结构 原因是分子晶体中 A 范德华力无方向性和饱和性B 占据晶体结点的粒子是原子C 化学键是共价键D 三者都是 A 2 最近科学家成功地制成了一种新型的碳氧化合物 该化合物晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为一种空间网状的无限伸展结构 下列对该晶体叙述错误的是 A 该物质的化学式为CO2B 晶体的熔沸点高 硬度大C 晶体中碳原子数与C O化学键数之比为1 4D 该物质的性质与二氧化碳相似 D 3 有关金属及金属键的说法正确的是 A 金属键具有方向性与饱和性B 金属键是金属阳离子与自由电子间的相互作用C 金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子D 金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光 B 二晶体类型的判断4 在下列物质中 NaCl NaOH Na2S H2O Na2S2 NH4 2S CO2 CCl4 C2H2 SiO2 SiC 晶体硅 金刚石 1 其中只含有离子键的离子晶体是 2 其中既含有离子键又含有极性共价键的离子晶体是 NaCl Na2S NaOH NH4 2S 3 其中既含有离子键又含有极性共价键和配位键的离子晶体是 4 其中既含有离子键又含有非极性共价键的离子晶体是 5 其中含有极性共价键的原子晶体是 6 其中属于分子晶体的是 NH4 2S Na2S2 SiO2 SiC H2O CO2 CCl4 C2H2 5 下列物质的熔 沸点高低顺序中 正确的是 A 金刚石 晶体硅 二氧化硅 碳化硅C MgO H2O O2 Br2D 金刚石 生铁 纯铁 钠 B B 三晶体熔沸点的比较6 下列各组物质中 按熔点由高到低的顺序排列正确的是 Hg I2 O2 SiO2 KCl CO Rb K Na Al Mg Na 金刚石 晶体硅 二氧化硅 碳化硅 CI4 CBr4 CCl4 CF4 CH4 生铁 纯铁 钠 冰 KCl NaCl BaO CaOA B C D 7 回答下列问题 1 氯酸钾熔化 粒子间克服了 的作用力 二氧化硅熔化 粒子间克服了 的作用力 碘的升华 粒子间克服了 作用力 三种晶体的熔点由高到低的顺序是 2 下列六种晶体 CO2 NaCl Na Si CS2 金刚石 它们的熔点从低到高的顺序为 填序号 离子键 共价键 分子间 SiO2 KClO3 I2 3 在H2 NH4 2SO4 SiC CO2 HF中 由极性键形成的非极性分子是 由非极性键形成的非极性分子是 能形成分子晶体的物质是 含有氢键的晶体的化学式是 属于离子晶体的是 属于原子晶体的是 五种物质的熔点由高到低的顺序是 CO2 H2 H2 CO2 HF HF NH4 2SO4 SiC SiC NH4 2SO4 HF CO2 H2 总结提升晶体类型的5种判断方法 1 依据构成晶体的微粒和微粒间的作用判断 离子晶体的构成微粒是阴 阳离子 微粒间的作用是离子键 原子晶体的构成微粒是原子 微粒间的作用是共价键 分子晶体的构成微粒是分子 微粒间的作用为分子间作用力 金属晶体的构成微粒是金属阳离子和自由电子 微粒间的作用是金属键 2 依据物质的分类判断 金属氧化物 如K2O Na2O2等 强碱 NaOH KOH等 和绝大多数的盐类是离子晶体 大多数非金属单质 除金刚石 石墨 晶体硅等 非金属氢化物 非金属氧化物 除SiO2外 几乎所有的酸 绝大多数有机物 除有机盐外 是分子晶体 常见的单质类原子晶体有金刚石 晶体硅 晶体硼等 常见的化合类原子晶体有碳化硅 二氧化硅等 金属单质是金属晶体 3 依据晶体的熔点判断 离子晶体的熔点较高 原子