高中化学新教材同步讲义基础课时12　分子晶体

第二节分子晶体与共价晶体基础课时12分子晶体课标要求1.知道分子晶体的概念及典型的分子晶体，认识分子晶体中的微粒种类及其微粒间的相互作用。2.借助冰、干冰等模型，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。分子晶体(一)基本内容1.分子晶体的概念只含分子的晶体称为分子晶体。2.分子晶体的物理性质通常分子晶体熔、沸点较低，硬度较小。3.分子晶体中的粒子间的相互作用4.常见的分子晶体物质种类实例所有非金属氢化物H2O、NH3、CH4等部分非金属单质卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)等部分非金属氧化物CO2、P4O10、SO2、SO3等稀有气体He、Ne、Ar等几乎所有的酸HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等绝大多数有机物苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等5.分子晶体的堆积方式项目分子密堆积分子非密堆积作用力只有分子间作用力，无氢键有分子间氢键，它具有方向性空间特点每个分子周围一般有12个紧邻的分子空间利用率不高，留有相当大的空隙举例C60、干冰、I2、O2HF、NH3、冰6.两种典型分子晶体物质结构分析冰(1)水分子之间的主要作用力是范德华力，也存在氢键。(2)氢键有方向性，它的存在迫使在四面体中心的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干冰(1)干冰中的CO2分子间只存在范德华力，不存在氢键。(2)每个晶胞有4个CO2分子，12个原子。每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为12个(二)自主探究碳单质及含碳化合物是一个庞大的家族。C60分子及CH4、C60晶胞示意图如下：[问题讨论](1)甲烷、C60的晶体类型相同吗？提示相同，都是分子晶体。(2)下列有关甲烷、C60晶体的说法中，正确的有哪些？请你判断是否正确。①两晶体熔化时只需要破坏共价键②SiH4分子的稳定性强于甲烷③C60晶体可能具有很高的熔、沸点④C60晶体可能易溶于四氯化碳中⑤C60晶体的一个晶胞中含有的碳原子数为240提示④⑤正确，①破坏的是范德华力；②甲烷更稳定，因为甲烷中的共价键的键能更大；C60为分子晶体，熔沸点较低，③错误。(3)分子晶体溶于水时，化学键如何变化？提示有的溶于水破坏化学键，例如HCl；有的不破坏化学键，例如蔗糖、乙醇。(4)查阅文献可知氯化铝的化学式为AlCl3，熔点306℃、沸点315℃，能升华，为共价化合物；熔融的氯化铝不易导电。根据这些性质，氯化铝属于什么晶体？提示分子晶体。【探究归纳】1.分子晶体的判断方法(1)依据物质的类别判断，部分非金属单质、所有非金属氢化物、部分非金属氧化物、几乎所有的酸、绝大多数有机物的晶体都是分子晶体。(2)依据组成晶体的粒子及粒子间作用判断，组成分子晶体的粒子是分子，粒子间作用是分子间作用力。(3)依据物质的性质判断，分子晶体的硬度小，熔、沸点低，在熔融状态或固体时均不导电。2.分子晶体的熔、沸点(1)分子晶体熔沸点低的原因分子晶体中粒子间是以范德华力或范德华力和氢键而形成的晶体，因此，分子晶体的熔、沸点较低，密度较小，硬度较小，较易熔化和挥发。(2)分子晶体的熔、沸点的判断①分子晶体熔化或汽化都是克服分子间作用力。分子间作用力越大，物质熔化或汽化时需要的能量就越多，物质的熔、沸点就越高。②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(包括范德华力和氢键)的大小。具体分析如下：a.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。b.相对分子质量相等或相近时，极性分子的范德华力大，熔、沸点高，如CO>N2。c.能形成氢键的物质，熔、沸点较高。如H2O>H2Te>H2Se>H2S，HF>HCl，NH3>PH3。3.分子晶体的导电性分子晶体在固态和熔融状态下均不存在自由离子，因而不能导电。易溶于水的电解质(如HCl、醋酸等)在水中全部或部分电离而能够导电，不溶于水的物质或易溶于水的非电解质自身不能导电。1.某化学兴趣小组在学完分子晶体后，查阅了几种氯化物的熔、沸点，记录如下：NaClMgCl2AlCl3SiCl4CaCl2熔点/℃801712190－68782沸点/℃14651418178571600根据表中数据分析，属于分子晶体的是()A.NaCl、MgCl2、CaCl2B.AlCl3、SiCl4C.NaCl、CaCl2、AlCl3D.NaCl、MgCl2、AlCl3、SiCl4、CaCl2答案B解析由表中氯化物熔、沸点可知，一般情况下，熔、沸点较低的是分子晶体，熔沸点较高的是离子晶体。SiCl4、AlCl3的熔沸点都很低，因此形成的晶体是分子晶体。NaCl、MgCl2、CaCl2的熔沸点很高，所以形成的晶体应该是离子晶体，通过离子键结合，故B正确。2.下列说法中，正确的是()A.冰融化时，分子中H—O发生断裂B.分子晶体中，分子间一定存在范德华力C.分子晶体中，分子间作用力越大，对应的物质越稳定D.分子晶体中，共价键键能越大，该分子晶体的熔、沸点一定越高答案B解析冰融化时，破坏了水分子间的分子间作用力和氢键，没有破坏分子中的氢氧键，A错误；分子晶体由分子构成，所以分子晶体中一定存在分子间作用力，B正确；分子晶体的稳定性与共价键的强弱有关，与分子间作用力的大小无关，C错误；分子晶体的熔、沸点与分子间作用力的大小有关，与共价键的强弱无关，D错误。3.下列性质适合于分子晶体的是()A.熔点为1070℃，易溶于水，水溶液导电B.熔点为3500℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂C.能溶于CS2，熔点为113℃，沸点为445℃D.熔点为97.81℃，质软，导电，密度为0.97g·cm－3答案C解析分子晶体是由分子构成，分子间的作用力很弱，具有较低的熔点、沸点、硬度小、易挥发等性质。熔点高，不是分子晶体的性质，故A、B项错误；单质硫能溶于CS2，熔点为113℃，沸点为445℃，单质硫是分子晶体，故C正确；熔点为97.81℃，质软、导电、密度为0.97g·cm－3，是金属钠的物理性质，金属钠属于金属晶体，故D错误。4.(2021·湖南卷节选)硅和卤素单质反应可以得到SiX4，SiX4的熔、沸点如下表：SiF4SiCl4SiBr4SiI4熔点/K183.0203.2278.6393.7沸点/K187.2330.8427.2560.70℃时，SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4呈液态的是_______________(填化学式)，沸点依次升高的原因是_________________________________________________________________________________________________，气态SiX4分子的空间构型是________。答案SiCl4SiX4都是结构相似的分子晶体，相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增大正四面体形解析由题给熔、沸点数据可知，0℃时，四氟化硅为气态，四氯化硅为液态，四溴化硅、四碘化硅为固态；分子晶体的沸点取决于分子间作用力的大小，SiX4都是结构相似的分子晶体，相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增大，则SiX4的沸点依次升高；SiX4分子中硅原子的价层电子对数为4，孤电子对数为0，则分子的空间构型为正四面体形。【题后归纳】(1)分子晶体具有熔、沸点较低，硬度较小，固态不导电等物理特性。所有在常温下呈气态的物质、常温下呈液态的物质(除汞外)、易升华的固体物质都属于分子晶体。(2)分子间作用力的大小决定分子晶体的物理性质。分子间作用力越大，分子晶体的熔、沸点越高。1.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.NH3、HD、C10H8 B.PCl3、CO2、H2SO4C.SO2、SiO2、P2O5 D.CCl4、Na2S、H2O2答案B解析A项，该组物质均属于分子晶体，NH3、C10H8属于化合物，HD属于单质；B项，该组物质均是属于分子晶体的化合物；C项，SO2、P2O5是属于分子晶体的化合物，SiO2是不属于分子晶体的化合物；D项，CCl4、H2O2是属于分子晶体的化合物，Na2S是不属于分子晶体的化合物。2.分子晶体具有某些特征的本质原因是()A.组成晶体的基本微粒是分子B.熔融时不导电C.基本构成微粒间以分子间作用力相结合D.熔点一般比较低答案C解析分子晶体相对于其他晶体来说，熔、沸点较低，硬度较小，本质原因是其基本构成微粒间的相互作用范德华力及氢键相对于化学键来说比较弱，故选C。3.下列关于CH4和CO2的说法错误的是()A.固态时两者均属于分子晶体B.CH4分子中含有极性共价键是非极性分子C.CH4和CO2分子中碳原子的杂化类型分别是sp3和spD.因为碳氢键键能小于碳氧双键，所以CH4的熔点低于CO2答案D解析甲烷、二氧化碳均为分子构成的物质，固态时两者均属于分子晶体，A正确；CH4分子中含有极性共价键，但是分子正负电荷中心重合，是非极性分子，B正确；CH4和CO2分子中碳原子的杂化类型分别是sp3和sp，C正确；两者均属于分子晶体，相对分子质量越大，分子间作用力越大，熔点越高，D错误。4.回答下列问题：(1)CO能与金属Fe形成Fe(CO)5，该化合物的熔点为253K，沸点为376K，其固体属于_______________晶体。(2)F2与其他卤素单质反应可以形成卤素互化物，如ClF3、BrF3，常温下它们都是易挥发的液体。ClF3的熔、沸点比BrF3的________(填“高”或“低”)。(3)如图为CO2分子晶体结构的一部分，观察图形。试说明每个CO2分子周围有____________个与之紧邻的CO2分子；该结构单元平均占有____________个CO2分子。CO2立体结构型为____________形。答案(1)分子(2)低(3)124直线解析(1)由熔沸点可知，五羰基合铁为熔沸点低的分子晶体；(2)三氟化氯和三氟化溴是结构相似的分子晶体，三氟化溴的相对分子质量大于三氟化氯，分子间作用力大于三氟化氯，所以沸点高于三氟化氯；(3)由晶胞结构可知，晶胞中位于顶点的二氧化碳与位于面心的二氧化碳的距离最近，所以每个二氧化碳周围有12个二氧化碳紧邻；晶胞中位于顶点和面心的二氧化碳个数为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4；二氧化碳分子中碳原子的价层电子对数为2、孤电子对数为0，碳原子的杂化方式为sp杂化，分子的空间构型为直线形。A级合格过关练1.下列晶体属于分子晶体的是()A.SiC晶体 B.Ar晶体C.NaCl晶体 D.NaOH晶体答案B解析SiC晶体为共价晶体，A错误；Ar晶体为分子晶体，B正确；NaCl晶体为离子晶体，C错误；NaOH晶体为离子晶体，D错误。2.碘的熔、沸点低，其原因是()A.碘的非金属性较弱B.I—I的键能较小C.碘晶体属于分子晶体D.I—I共价键的键长较长答案C解析碘单质为双原子分子，属于分子晶体，分子间作用力较弱，其熔、沸点较低，与非金属性、I—I的键能和键长无关，C正确。3.图为冰晶体的结构模型，大球代表O，小球代表H。下列有关说法正确的是()A.冰晶体中每个水分子与另外四个水分子通过共价键形成四面体结构B.冰晶体具有空间网状结构，但属于分子晶体C.水分子间通过H—O键形成冰晶体D.冰融化后，水分子之间的空隙增大答案B解析如图所示，每个水分子可以与另外四个水分子之间形成氢键，从而形成四面体结构，氢键不属于共价键，A错误；冰晶体属于分子晶体，B正确；冰晶体中的水分子主要是靠氢键结合在一起，氢键不是化学键，而是一种分子间作用力，C错误；冰晶体中形成的氢键具有方向性和饱和性，故水分子间由氢键连接后，分子间空隙变大，而冰融化成水后，体积减小，水分子之间空隙减小，D错误。4.下列说法正确的是()A.分子晶体中一定同时存在共价键和范德华力B.由非金属元素组成的化合物一定是共价化合物C.分子晶体一定含有共价键D.两个非金属元素原子间不可能形成离子键答案D解析稀有气体为单原子分子，不存在化学键，A错误；由非金属元素组成的化合物不一定为共价化合物，如氯化铵为离子化合物，B错误；稀有气体为单原子分子形成的分子晶体，不存在化学键，C错误；两个非金属元素原子间只能形成共价键，不能形成离子键，D正确。5.下列物质按熔、沸点由高到低顺序排列，正确的一组是()A.HF、HCl、HBr、HIB.F2、Cl2、Br2、I2C.H2O、H2S、H2Se、H2TeD.CI4、CBr4、CCl4、CF4答案D解析对结构和组成相似的分子晶体，其熔、沸点随着相对分子质量的增大而升高，但HF、H2O分子之间都存在氢键，熔、沸点反常。所以A中应为HF>HI>HBr>HCl；B中应为I2>Br2>Cl2>F2；C中应为H2O>H2Te>H2Se>H2S；只有D正确。6.如果分子间作用力只是范德华力，则该分子晶体将采取密堆积，原因是分子晶体中()A.范德华力无方向性和饱和性B.构成分子晶体的微粒是原子C.化学键是共价键D.三者都是答案A解析分子晶体中分子间以范德华力结合在一起，由于范德华力没有方向性和饱和性，所以分子在堆积成晶体时将采取分子密堆积，A项正确。7.下列说法中，错误的是()A.只含分子的晶体一定是分子晶体B.碘晶体升华时破坏了共价键C.几乎所有的酸都属于分子晶体D.稀有气体中只含原子，但稀有气体的晶体属于分子晶体答案B解析分子晶体是分子通过相邻分子间的作用力形成的，只含分子的晶体一定是分子晶体，A正确；碘晶体属于分子晶体，升华时破坏了分子间作用力，B错误；几乎所有的酸都是由分子构成的，故几乎所有的酸都属于分子晶体，C正确；稀有气体是由原子直接构成的，只含原子，故稀有气体的晶体属于分子晶体，D正确。8.某无机化合物的二聚分子结构如图，该分子中A、B两种元素都是第三周期的元素，分子中所有原子最外层都达到8电子稳定结构。关于该化合物的说法不正确的是()A.化学式是Al2Cl6B.不存在离子键和非极性共价键C.在固态时所形成的晶体是分子晶体D.在熔融状态下能导电答案D解析将二聚分子变成单分子，得BA3化学式，根据两种元素都处于第三周期，可能是PCl3或AlCl3，而在PCl3所有原子已达稳定结构，形成二聚分子是不可能的，所以只可能是AlCl3，该化合物的化学式是Al2Cl6，A正确；该化合物是无机化合物的二聚分子，属于共价化合物，不存在离子键，只存在Cl—Al键，Cl与Cl之间没有形成非极性共价键，所以也不存在非极性共价键，B正确；该化合物是无机化合物形成的二聚分子，属于共价化合物，是分子晶体，C正确；该化合物是无机化合物的二聚分子，属于共价化合物，不存在离子键，也不是离子化合物，在熔融状态下不能导电，D错误。9.已知碘晶胞结构如图所示，请回答下列问题：(1)碘晶体属于________晶体。(2)碘晶体熔化过程中克服的作用力为____________________。(3)假设碘晶胞中立方体的棱长为acm，阿伏加德罗常数的值为NA，则碘单质的密度为_________________________________________。答案(1)分子(2)分子间作用力(范德华力)(3)eq\f(1016,a3NA)g·cm－3解析I2分子之间以分子间作用力结合，所以I2晶体属于分子晶体。观察碘的晶胞结构发现，一个晶胞中含有I2分子的数目为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4。一个晶胞的体积为a3cm3，质量为eq\f(4×254,NA)g，则碘单质的密度为eq\f(1016,a3NA)g·cm－3。10.回答下列问题：(1)(2021·山东卷节选)OF2的熔、沸点________(填“高于”或“低于”)Cl2O，原因是______________________________________________________________________________________________________________。(2)(2020·全国卷Ⅱ节选)Ti的四卤化物熔点如下表所示，自TiCl4至TiI4熔点依次升高，原因是_________________________________________。化合物TiCl4TiBr4TiI4熔点/℃－24.1238.3155答案(1)低于OF2和Cl2O都是分子晶体，结构相似，Cl2O的相对分子质量大，Cl2O的熔、沸点高(2)三种四卤化物均为分子晶体，随相对分子质量的增大分子间作用力增大，熔点逐渐升高B级素养培优练11.C60分子和C60晶胞示意图如图所示。下列关于C60晶体的说法不正确的是()A.C60晶体可能具有很高的熔、沸点B.C60晶体可能易溶于四氯化碳中C.C60晶体的一个晶胞中含有的碳原子数为240D.C60晶体中每个C60分子与12个C60分子紧邻答案A解析构成C60晶体的基本微粒是C60分子，因此C60晶体是分子晶体，不可能具有很高的熔、沸点，A错误；由于C60是非极性分子，其可能易溶于四氯化碳中，B正确；每个C60的晶胞中含有的C60分子数为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，因此含有的碳原子数为4×60＝240，C正确；如果以晶胞中一个顶点的C60分子为研究对象，则共用这个顶点的面的面心的C60分子与其距离最近且相等，有eq\f(3,2)×8＝12个，D正确。12.正硼酸(H3BO3)是一种片层状结构白色晶体。层内的H3BO3分子通过氢键相连(如图)。下列有关说法正确的是()A.正硼酸晶体属于分子晶体B.H3BO3分子的稳定性与氢键有关C.分子中硼原子杂化轨道的类型为sp3D.1molH3BO3晶体中含有2mol氢键答案A解析正硼酸晶体中存在H3BO3分子，且该晶体中存在氢键，说明硼酸由分子构成，是分子晶体，A正确；分子的稳定性与分子内的B—O、H—O共价键有关，与氢键无关，B错误；B只形成了3个单键，没有孤电子对，所以采取sp2杂化，C错误；根据图示，1个硼酸分子形成了6个氢键，但每个氢键是2个硼酸分子共用的，所以平均一个硼酸分子含3个氢键，则1molH3BO3的晶体中含有3mol氢键，D错误。13.我国科学家研制出一种催化剂，能在室温下高效催化空气中甲醛的氧化，其反应如下：HCHO＋O2eq\o(→,\s\up7(催化剂))CO2＋H2O。下列有关说法正确的是()A.干冰晶体中，一个CO2分子周围紧邻的CO2分子有6个B.沸点：干冰＜冰；密度：干冰＜冰C.每转移0.4×6.02×1023个电子，消耗2.24LO2D.HCHO和H2O形成分子间氢键是HCHO易溶于水的重要原因答案D解析干冰晶体中，以顶点上的CO2分子为例，一个CO2分子周围有12个CO2分子紧邻，故A错误；冰分子间含有氢键，干冰分子之间只存在范德华力，氢键比范德华力强，故晶体的沸点：冰＞干冰。水分子间存在氢键，且氢键有方向性，导致水分子形成冰时存在较大的空隙，密度比水小；干冰分子之间只存在范德华力，形成的分子晶体是密堆积，密度比水大，所以密度：干冰＞冰，故B错误；未指明标准状况，无法计算气体体积，故C错误；氧元素电负性很强，甲醛中氧元素与水可以形成氢键，所以HCHO易溶于水，故D正确。14.回答下列问题：(1)常压下，苯和甲苯的熔、沸点如下表：苯的模型熔点：5.5℃甲苯模型熔点：－94.9℃沸点：80.1℃沸点：100.4℃①苯的沸点比甲苯的沸点更低，主要原因是__________________________________________________________________________。②苯晶体的熔点比甲苯的熔点更高，主要原因是________________________________________________________。(2)苯胺()的晶体类型是________。苯胺与甲苯()的相对分子质量相近，但苯胺的熔点(－5.9℃)、沸点(184.4℃)分别高于甲苯的熔点(－9