分子晶体与共价晶体课件高二下学期化学人教版选择性必修2

第三章晶体结构与性质第二节

分子晶体与共价晶体1.能辨识常见的分子晶体，并能从微观角度分析分子晶体中各构成微粒之间的作用和对分子晶体物理性质的影响。2.能利用分子晶体的通性推断常见的分子晶体，理解分子晶体中微粒的堆积模型，并能用均摊法对晶胞进行分析。3.能辨识常见的共价晶体，并能从微观角度分析共价晶体中各构成微粒之间的作用和对共价晶体物理性质的影响。4.能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体，并能利用均摊法对晶胞进行分析。核心素养

发展目标一个核心观念：晶体类型决定粒子间相互作用，相互作用决定物理性质。两种晶体类型：分子晶体：粒子=分子，作用力=范德华力/氢键，性质=熔点低、硬度小。共价晶体：粒子=原子，作用力=共价键，性质=熔点高、硬度大。三条比较路径：不同类型晶体：先定类型，再比作用（共价晶体熔点一般>分子晶体）。同类型晶体（分子）：先看氢键，再看范德华力（分子量、分子形状）。同类型晶体（共价）：比较键能（原子半径、键长）。四种计算能力：晶胞中粒子数计算（均摊法）。化学式确定。键数计算（金刚石、SiO₂等）。密度计算（结合晶胞参数）。“一个核心观念，两种晶体类型，三条比较路径，四种计算能力”分子晶体的性质

一思考∶常规加热冰、碘会有什么现象?共性：熔、沸点低融化升华

为什么CO2晶体与SiO2晶体熔点差异如此之大？它们的结构有什么不同？熔点沸点状态（室温）CO2-78.4℃-56.2℃气态SiO21723℃2230℃固态SiO

碳原子半径小，p轨道重叠好，能与氧形成稳定的C=Oπ键，因此CO2以分子形式存在（O=C=O），分子间靠范德华力结合。

硅原子半径大，p轨道重叠差，难以形成稳定的Si=Oπ键，因此倾向于形成Si-O单键的三维网络，每个O原子连接两个Si原子，构成无限延伸的共价晶体。(1)所有非金属氢化物：水、硫化氢、氨、氯化氢、甲烷(2)

部分非金属单质：卤素(X2)、氧(O2)、硫(S8)、氮(N2)、白磷(P4)、碳60(C60)(3)部分非金属氧化物：CO2、P4O6、P4O10、SO2(4)稀有气体(不含共价键)(5)几乎所有的酸(而强碱和多数盐则是离子晶体)(6)绝大多数有机物的晶体

乙醇、冰醋酸、蔗糖(7)少部分盐[AlCl3、FeCl3、(CH3COO)2Pb、HgCl2、AlBr3、BeCl2]金刚石、石墨、单晶硅Si等不是分子晶体1.分子晶体定义：只含有分子的晶体。2.分子晶体的物理共性①熔点和沸点较低

(有的有升华的特性：如碘、干冰、萘、蒽、苯甲酸等）②硬度较小③一般不导电原因：分子间作用力很弱

物质SiF4SiCl4SiBr4SiI4熔点（℃）-90.2-70.45.2120.5物质SiCl4GeCl4SnCl4PbCl4熔点（℃）-70.4-49.5-36.2-15.0物质CF4CCl4CBr4CI4熔点（℃）-184-2348.4转化171分解物质F2Cl2Br2I2熔点（℃）-219.6-101-7.2113.5

3.结构特征

当分子间只存在范德华力时，采取分子密堆积；当分子间含有其他作用力（如氢键）时，分子不采取密堆积。配位数为4配位数为61122334456

密堆积

由无方向性的金属键、离子键和范德华力等结合的晶体中，原子、离子或分子等微观粒子总是趋向于相互配位数高，能充分利用空间,因而体系稳定的那些结构。

分子的密堆积氧（O2）的晶体结构C60的晶胞C60的晶胞I2的晶胞

CO2的晶胞

底心晶胞是在平行六面体的三个面心位置中只有一个面心有与顶角相同的质点。底心晶胞和面心晶胞的区别在于，底心晶胞只能在一个面上进行面心平移，而面心晶胞可以在三个平面上进行面心平移。

碘单质晶胞是B底心。A为前后面心与顶角一致；B为左右面心与顶角一致；C为上下面心与顶角一致。（2025·湖北卷）SO2晶胞是长方体，边长a≠b≠c，如图所示。下列说法正确的是A．一个晶胞中含有4个O原子B．晶胞中SO2分子的取向相同C．1号和2号S原子间的核间距为D．每个S原子周围与其等距且紧邻的S原子有4个D分子晶体CO2→

I2→C60→→→C60C60分子是由12个互不相连的五边形和20个六边形镶嵌而成的球形32面体，结构如图所示。其中1molC60分子所含的σ键的数目是

(已知阿伏加德罗常数的值为NA)。

90NA

1967年，蒙特利尔世界博览会的美国馆，被富勒设计成了20层的高圆顶建筑，人们亲切地称其为“富勒球”。“富勒球”中蕴含的哲学理念的影响力则超越了建筑领域。富勒用六边形和少量五边形创造出的“宇宙中最有效率”的造型让三位化学家深受启发，让他们假定含有60个碳原子的“C60”包含有12个五边形和20个六边形，每个角上有一个碳原子，这样的碳簇球与足球的形状相同。他们称这样的新碳球C60为“富勒烯”。随后，三位化学家从这个假设入手进行论证和实验，最终凭借相关发现获得了1996年的诺贝尔化学奖。C70C70分子是由12个互不相连的五边形和25个六边形镶嵌而成的球形37面体用欧拉公式V+F-E=2V多面体顶点数，F多面体面数，E多面体棱数单键70，双键35，共105条棱设有正五边形x个，正六边形y个，每三条棱共用一个顶点,每两个顶点共用一条棱C70共有70个顶点，棱数为70×1.5=105所以70+(x+y)-105=2又因为每个五边形包含5/3个碳，每个六边形包含6/3个碳所以5/3*x+6/3*y=70两方程联立x=12y=25资料卡片碳纳米管1985年，“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光。在富勒烯研究推动下，1991年一种更加奇特的碳结构——碳纳米管被日本电子公司(NEC)的饭岛博士发现。

碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成。碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在六边形编制过程中出现了五边形和七边形。如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端，即形成碳纳米管的封口。当出现七边形时纳米管则凹进。这些拓扑缺陷可改变碳纳米管的螺旋结构，在出现缺陷附近的电子能带结构也会发生改变。另外，两根毗邻的碳纳米管也不是直接粘在一起的，而是保持一定的距离。按照是否含有管壁缺陷可以分为：完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管。

碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的

到

。碳纳米管因而被称“超级纤维”。

碳纳米管具有良好的传热性能。

碳纳米管具有良好的导电性能。由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。

“三块冰”的奥秘

二

阅读教材P78-79，思考问题1.冰晶体中，每个水分子周围有几个紧邻的分子?他们是什么样的空间关系?为什么会这样排列?

第一块"冰"——由水构成的“冰"冰晶体的结构分子的非密堆积——有分子间氢键，不具有分子密堆积特征氢键具有方向性，使晶体中的空间利用率不高,留有很大空隙。冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞类似，其晶胞结构如图所示。①每个冰晶胞平均含有

个水分子②已知冰中氢键的作用力为18.5kJ·mol－1，而常见的冰的熔化热为6.05kJ·mol－1，这说明

(假设熔化热全部用于破坏氢键)8变为液态水时只是破坏了一部分氢键，液态水中仍存在氢键由于氢键的方向性，使冰晶体中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，形成空隙较大的网状体。冰融化后，分子间的空隙减小。所以冰的密度比水小，结的冰会浮在水面上。1.冬季河水结冰后，冰块往往浮在水面，为什么？观察思考12342.水的密度随温度变化的曲线如下图所示。0-4℃，水的密度随温度的升高而增大。超过4℃，水的密度随温度的升高而减小。为什么会这样呢?0-4℃时，温度升高，热运动使缔合水分子的部分氢键断裂，分子间空隙减小，密度增大；超过4℃时，温度升高，水分子热运动速度加快，使得分子的平均距离加大，密度减小。

水的密度由水分子的缔合作用、水分子的热运动两个因素决定。

当温度升高时，水分子的热运动加快、缔合作用减弱；当温度降低时，水分子的热运动减慢、缔合作用加强。综合考虑两个因素的影响便可得知水的密度变化规律。

0℃的水与0℃的冰相比，缔合水分子中的单个水分子数目减少，分子的间距变小、空隙减少，所以0℃的水比0℃的冰密度大。

在水温升高的过程中，一方面，缔合数小的缔合水分子、单个水分子在水中的比例逐渐加大，水分子的堆集程度(或密集程度)逐渐加大，水的密度也随之加大。另一方面在这个过程中，随着温度的升高，水分子的运动速度加快，使得分子的平均距离加大，密度减小。为何水在4℃以下，热缩冷胀，在4℃以上热胀冷缩?

在水温由0℃升至4℃的过程中，由缔合水分子氢键断裂引起水密度增大的作用，比由分子热运动速度加快引起水密度减小的作用更大，所以在这个过程中，水的密度随温度的增高而加大，为反常膨胀。

水温超过4℃时，由于在水温比较高的时候，水中缔合数大的缔合水分子数目比较小，氢键断裂所造成水密度增加的影响较小，水密度的变化主要受分子热运动速度加快的影响，所以在水温由4℃继续升高的过程中，水的密度随温度升高而减小，即呈现热胀冷缩现象。

在4℃时，水中双分子缔合水分子的比例最大，水分子的间距最小，水的密度最大。

第二块"冰"——“干冰"碳原子排列在立方晶胞的顶角和面心位置上。CO2分子的轴平行于立方体体对角线。存在四种取向。xyz123456789101112每个CO2分子周围有几个与之紧邻的CO2分子？1.干冰在常压下极易升华，通常用作制冷剂舞台烟雾特效装饰菜品食品冷藏保鲜2.分子晶体（如冰晶体）一般硬度比较小溜冰时，冰面上常常容易留下划痕，说明冰晶体的硬度较小。

资料卡片《冰灯》p802Mg＋CO2===2MgO＋C点燃

第三块"冰"——“可燃冰"天然气水合物晶体，又称可燃冰，属于分子晶体。理想的甲烷水合物的化学式为8CH4·46H2O。可燃冰资源储量丰富，其广泛分布于全球大洋海域，甲烷含量是天然气资源量的60倍，估算其资源量相当于全球已探明传统化石燃料碳总量的两倍。

水分子笼是多种多样的第28届国际地质大会提供的资料显示，海底有大量的天然气水合物，可满足人类1000年的能源需要。天然气水合物是一种晶体，晶体中平均每46个水分子构建成8个笼，每个笼可容纳1个CH4分子或1个游离H2O分子。若晶体中每8个笼只有6个容纳了CH4分子，另外2个笼被游离H2O分子填充，则天然气水合物的平均组成可表示为（

）A．CH4·14H2OB．CH4·8H2OC．CH4·H2OD．CH4·6H2OB

共价晶体的性质

三某些单质：金刚石(C)、晶体硅(Si)、晶体硼(B)、晶体锗(Ge)、灰锡(Sn)等某些非金属化合物：碳化硅(SiC)晶体、氮化硼(BN)晶体、氮化硅(Si3N4)晶体某些氧化物：二氧化硅(SiO2)晶体常见共价晶体共价晶体：相邻原子间都以共价键结合，整个晶体是一个共价键三维骨架结构。共价晶体的物理性质熔点熔点_____。共价晶体中，原子间以较强的共价键相结合，熔化时破坏共价键，需要很高的能量。如金刚石的熔点大于3500℃硬度硬度_____。共价键三维骨架结构决定了共价晶体的硬度，如金刚石是天然存在的最硬的物质导电性一般_______，但晶体硅、锗、砷化镓是半导体溶解性____溶于一般的溶剂很高很大不导电难(1)千到数千度——共价晶体(因共价键结合牢固)(2)数百度到千多度——离子晶体(因离子键结合较牢固)(3)数百度至低温——分子晶体(因范德华力结合弱或较弱)

注：金属晶体熔点高或较高者多,但也有许多低熔点的。依据晶体的熔点判断类型一般情况下：共价晶体＞离子晶体＞分子晶体。CO能与金属Fe形成Fe(CO)5，该化合物熔点为253K，沸点为376K，其固体属于_____晶体。已知AlCl3的熔点为190℃(2.202×105Pa)，但它在180℃即开始升华。AlCl3固体是_____晶体。（2025·云南卷）Be及其化合物的转化关系如图。下列说法错误的是A．Be(OH)2是两性氢氧化物B．Be2C和BeCl2的晶体类型相同C．

中Be原子的杂化方式为sp3D．Be2C与H2O反应：Be2C+4H2O=2Be(OH)2+CH4↑B1.金刚石晶体金刚石的“脚手架”模型正四面体最小环为六元环(1)晶体中最小的碳环由___个碳原子组成，且不在同一平面内，最多有___个碳原子在同一平面。(2)C原子与C—C数目之比为_____。(3)每个C原子被____个六元环共用，1个碳环占有的碳原子为____个。641∶212

2.石英晶体SiO晶体SiO2投影示意图①1个Si原子形成___个Si—O键，且这些键完全属于该Si原子(无共用)每个O原子和____个Si原子相结合。②1molSiO2中含____molSi—O键。③最小环由____个Si原子和____个O原子交替构成12元环。④每个Si原子被____个12元环共用，每个O原子被___个12元环共用42466126石英晶体中硅氧四面体相连构成的螺旋链以硅氧四面体为结构单元的阴离子骨架SiO44-Si2O76-

晶体结构中，各硅氧四面体可以各自孤立地存在，也可以通过共用四面体角顶上的一个、两个、三个以至全部四个氧原子相互连结而形成多种不同形式的阴离子，从而形成不同结构类型的硅酸盐晶体。

最主要的几种硅氧骨架形式有：链状硅氧骨架，环状硅氧骨架，层状硅氧骨架，岛状硅氧骨架。

硅氧四面体的形式不一定是几何上的正四面体，往往有不同形式的畸变。在硅氧四面体中，有三个氧位于同一个平面上，成为底氧，剩下的一个位于顶端，成为顶氧。硅氧骨架对比岛状：孤立单元（1:4、2:7）→

紧密、高硬环状：封闭环（1:3）→

绿柱石链状：一维无限（单链1:3、双链4:11）→

辉石、角闪石层状：二维无限（4:10）→

云母、滑石架状：三维无限（1:2）→

长石、石英结构类型通式Si:O单链(SiO31:3环状(SiO31:3层状(Si2O52:5岛状SiO44-

1:4硅酸盐长链化学组成的确定方法——切割法

天然硅酸盐组成复杂，阴离子的基本结构单元是SiO44－四面体，如图(a)，通过共用顶角氧离子可形成链状、网状等结构，图(b)为一种无限长双链的多硅酸根，其中Si与O的原子数之比为

，化学式为

(用n代表聚合度)。2∶5.5Si与O原子数之比计算基本结构单元：SiO44－，每个Si连接4个O。双链结构中，桥氧（被2个Si共用）和端氧（仅属于1个Si）的数量需按重复单元统计：取重复