2024-2025學(xué)年高二化學(xué)(人教版)選擇性必修2 第三章 第二節(jié) 第1課時 分子晶體

第二節(jié)分子晶體與共價晶體第1課時分子晶體［核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)］1.能辨識常見的分子晶體，并能從微觀角度分析分子晶體中各構(gòu)成微粒之間的作用和對分子晶體物理性質(zhì)的影響。2.能利用分子晶體的通性推斷常見的分子晶體，理解分子晶體中微粒的堆積模型，并能用均攤法對晶胞進(jìn)行分析。一、分子晶體的概念和性質(zhì)1.分子晶體的概念只含分子的晶體稱為分子晶體，在分子晶體中，相鄰分子靠分子間作用力相互吸引。2.分子晶體中的粒子及粒子間的相互作用3.典型的分子晶體與物質(zhì)類別物質(zhì)類別實例所有非金屬氫化物如H2O、NH3、CH4等部分非金屬單質(zhì)如鹵素(X2)、O2、N2、硫(S8)、白磷(P4)、碳60(C60)等部分非金屬氧化物如CO2、SO2、P4O6、P4O10等稀有氣體如He、Ne、Ar等幾乎所有的酸如H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3、H2SO3等絕大多數(shù)有機(jī)物如乙醇、乙酸、乙酸乙酯等4.分子晶體的物理性質(zhì)(1)分子晶體熔、沸點較低，硬度很小。(2)分子晶體不導(dǎo)電。(3)分子晶體的溶解性一般符合“相似相溶”規(guī)律。1.分子晶體熔點較低的原因是什么？提示分子晶體熔化時破壞分子間作用力(氫鍵、范德華力)，由于分子間作用力較弱，所以分子晶體熔點較低。2.分子晶體溶于水時，化學(xué)鍵如何變化？提示有的溶于水破壞化學(xué)鍵，如HCl，有的不破壞化學(xué)鍵，如蔗糖、乙醇。3.影響分子晶體溶解度的因素有哪些？提示“相似相溶”規(guī)律、氫鍵、化學(xué)反應(yīng)等。1.正誤判斷(1)組成分子晶體的微粒是分子，在分子晶體中一定存在共價鍵和分子間的作用力()(2)分子晶體熔化時一定破壞范德華力，有些分子晶體還會破壞氫鍵()(3)分子晶體熔化或溶于水均不導(dǎo)電()(4)分子晶體的熔、沸點越高，分子晶體中共價鍵的鍵能越大()答案(1)×(2)√(3)×(4)×2.下列各組物質(zhì)各自形成晶體，均屬于分子晶體的化合物是()A.NH3、HD、C10H18 B.PCl3、CO2、H2SO4C.SO2、SiO2、P2O5 D.CCl4、Na2S、H2O2答案B解析HD屬于分子晶體，但為單質(zhì)，故A錯誤；PCl3、CO2、H2SO4均屬于分子晶體，且均為化合物，故B正確；SiO2不是分子晶體，故C錯誤；Na2S中含有離子鍵，不屬于分子晶體，故D錯誤。3.下列屬于某分子晶體性質(zhì)的是()A.組成晶體的微粒是離子B.能溶于CS2，熔點為112.8℃，沸點為444.6℃C.熔點為1400℃，可作半導(dǎo)體材料，難溶于水D.熔點高，硬度大答案B解析分子晶體的主要性質(zhì)有熔、沸點低，硬度小，極性分子易溶于極性溶劑，非極性分子易溶于非極性溶劑，固態(tài)和熔化時均不導(dǎo)電。4.(2023·淄博高二檢測)(1)CO能與金屬Fe形成化合物Fe(CO)5，該化合物熔點為253K，沸點為376K，其固體屬于晶體。

(2)F2與其他鹵素單質(zhì)反應(yīng)可以形成鹵素互化物，如ClF3、BrF3，常溫下它們都是易揮發(fā)的液體。ClF3的熔、沸點比BrF3的(填“高”或“低”)。

答案(1)分子(2)低解析(1)由化合物熔點為253K，沸點為376K可知，其熔、沸點較低，所以為分子晶體。(2)組成和結(jié)構(gòu)相似的分子晶體，相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大，熔、沸點越高，所以ClF3的熔、沸點比BrF3的低。(1)分子晶體的判斷方法①依據(jù)物質(zhì)的類別判斷部分非金屬單質(zhì)、所有非金屬氫化物、部分非金屬氧化物、稀有氣體、幾乎所有的酸、絕大多數(shù)有機(jī)物都是分子晶體。②依據(jù)組成晶體的粒子及粒子間作用力判斷組成分子晶體的微粒是分子，粒子間的作用力是分子間作用力。③依據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)判斷分子晶體的硬度小，熔、沸點低，在熔融狀態(tài)或固態(tài)時均不導(dǎo)電。(2)分子晶體熔、沸點高低的判斷①組成和結(jié)構(gòu)相似，不含氫鍵的分子晶體，相對分子質(zhì)量越大，范德華力越強(qiáng)，熔、沸點越高，如I2>Br2>Cl2>F2，HI>HBr>HCl。②組成和結(jié)構(gòu)不相似的分子晶體(相對分子質(zhì)量接近)，分子的極性越大，熔、沸點越高，如CO>N2。③含有分子間氫鍵的分子晶體的熔、沸點反常升高，如H2O>H2Te>H2Se>H2S。④對于有機(jī)物中的同分異構(gòu)體，支鏈越多，熔、沸點越低，如CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>>。⑤烴、鹵代烴、醇、醛、羧酸等有機(jī)物，一般隨分子中碳原子數(shù)的增加，熔、沸點升高，如C2H6>CH4，C2H5Cl>CH3Cl，CH3COOH>HCOOH。二、典型的分子晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1.分子晶體的結(jié)構(gòu)特征分子密堆積分子非密堆積微粒間作用力范德華力范德華力和氫鍵空間特點通常每個分子周圍有12個緊鄰的分子每個分子周圍緊鄰的分子小于12個，空間利用率不高舉例C60、干冰、I2、O2HF、NH3、冰2.兩種典型的分子晶體的組成和結(jié)構(gòu)(1)冰①水分子之間的主要作用力是氫鍵，當(dāng)然也有范德華力。②由于氫鍵的方向性，使四面體中心的每個水分子與四面體頂角方向的4個相鄰水分子相互吸引。③空間利用率不高，其密度比液態(tài)水的小。(2)干冰①每個晶胞中有4個CO2分子，12個原子。②每個CO2分子周圍等距離且緊鄰的CO2分子數(shù)為12。③空間利用率高，其密度比冰的高。1.常溫下，液態(tài)水中水分子在不停地做無規(guī)則的運動。0℃以下，水凝結(jié)為冰，其中的水分子排列由雜亂無序變得十分有序。(1)冰晶體中存在著哪幾種微粒間的相互作用？提示共價鍵、氫鍵、范德華力。(2)冰融化成水時破壞的作用力是什么？提示氫鍵和范德華力。2.冬季河水結(jié)冰后，冰塊往往浮在水面，為什么冰的密度比水小呢？提示在冰的晶體中存在分子間氫鍵，每個水分子周圍有4個緊鄰的水分子，彼此之間形成四面體形。這一排列使冰晶體中的水分子的空間利用率不高，留有相當(dāng)大的空隙，密度減小。3.(1)為什么干冰的密度比冰大？(2)為什么冰的熔點比干冰的熔點高得多？提示(1)由于干冰中的CO2之間只存在范德華力，一個分子周圍有12個緊鄰的分子，分子密堆積，密度比冰的大。(2)水分子存在分子間氫鍵，CO2之間只存在范德華力。1.正誤判斷(1)干冰和冰都是由分子密堆積形成的晶體()(2)干冰比冰的熔點低很多，常壓下易升華()(3)干冰晶體中分子之間只存在范德華力，一個分子周圍有12個緊鄰的分子()(4)冰晶體中，每個水分子周圍只有4個緊鄰的分子，1mol冰中含有1mol氫鍵()答案(1)×(2)√(3)√(4)×2.如圖為冰晶體的結(jié)構(gòu)模型，大球代表O，小球代表H，下列有關(guān)說法正確的是()A.冰晶體中每個水分子與另外四個水分子形成四面體B.冰晶體具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不是分子晶體C.水分子間通過H—O形成冰晶體D.冰晶體融化時，水分子之間的空隙增大答案A解析B項，冰晶體屬于分子晶體；C項，水分子間通過分子間作用力形成晶體；D項，冰融化，氫鍵部分?jǐn)嗔眩障稖p小。3.下列說法正確的是()A.C60氣化和I2升華克服的作用力不相同B.甲酸甲酯和乙酸的分子式相同，它們的熔點相近C.NaCl和HCl溶于水時，破壞的化學(xué)鍵都是離子鍵D.常溫下TiCl4是無色透明液體，熔點-23.2℃，沸點136.2℃，所以TiCl4屬于分子晶體答案D解析A中C60、I2均為分子晶體，氣化或升華時均克服范德華力；B中乙酸分子間可形成氫鍵，其熔點比甲酸甲酯高；C中HCl溶于水破壞的是共價鍵。

4.如圖為干冰的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖。(1)通過觀察分析，有種取向不同的CO2分子。將CO2分子視作質(zhì)點，設(shè)晶胞邊長為apm，則緊鄰的兩個CO2分子的距離為pm。

(2)其密度為g·cm-3(1pm=10-10cm)。

答案(1)422a(2)解析(1)頂角一種取向，三對平行面分別為三種取向，所以共有4種取向。兩個緊鄰CO2分子的距離為面對角線長的一半。課時對點練［分值：100分］(選擇題1~12題，每小題6分，共72分)題組一分子晶體及其性質(zhì)1.下列有關(guān)分子晶體的說法正確的是()A.固態(tài)時能導(dǎo)電B.分子間一定存在范德華力C.分子間一定存在氫鍵D.分子晶體全部為化合物答案B解析分子晶體固態(tài)時不導(dǎo)電，故A項錯誤；分子間作用力包括范德華力和氫鍵，范德華力存在于所有的分子晶體中，而氫鍵只存在于與電負(fù)性很大的氮、氧、氟原子結(jié)合的氫原子與另一個電負(fù)性很大的原子之間，可以存在于分子之間或分子之內(nèi)，故B項正確，C項錯誤；部分非金屬單質(zhì)也是分子晶體，如N2，故D項錯誤。2.下列分子晶體的熔、沸點由高到低的順序是()①HCl②HBr③HI④CO⑤N2⑥H2A.①②③④⑤⑥ B.③②①⑤④⑥C.③②①④⑤⑥ D.⑥⑤④③②①答案C解析相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大，分子晶體的熔、沸點越高，相對分子質(zhì)量接近的分子，極性越強(qiáng)，熔、沸點越高。3.干冰和冰是兩種常見的分子晶體，下列關(guān)于兩種晶體的比較正確的是()A.晶體的熔點：干冰>冰B.晶體中的空間利用率：干冰>冰C.晶體中分子間相互作用力相同D.晶體中鍵的極性和分子的極性相同答案B解析B項，冰的結(jié)構(gòu)中，由于H2O分子間存在氫鍵且氫鍵具有方向性，故晶胞中存在空隙，空間利用率較低，正確；C項，冰的分子間既有氫鍵又有范德華力，而干冰的分子間只有范德華力，錯誤；D項，CO2和H2O中均存在極性鍵，由于分子空間結(jié)構(gòu)不同，CO2是非極性分子，H2O是極性分子，錯誤。4.SiCl4的分子結(jié)構(gòu)與CCl4的分子結(jié)構(gòu)類似，對其作出如下推斷，其中正確的是()①SiCl4晶體是分子晶體②常溫常壓下SiCl4不是氣體③SiCl4的分子是由極性共價鍵形成的④SiCl4的熔點高于CCl4的熔點A.全部 B.只有①②C.只有②③ D.只有①答案A解析CCl4屬于分子晶體，常溫常壓下為液體，含有共價鍵。①SiCl4與CCl4結(jié)構(gòu)相似，則SiCl4是分子晶體，正確；②CCl4在常溫常壓下是液體，SiCl4與CCl4結(jié)構(gòu)相似，且SiCl4的相對分子質(zhì)量較大，則常溫常壓下SiCl4不可能是氣體，正確；③SiCl4中Si與Cl形成共價鍵，則SiCl4是由極性共價鍵形成的分子，正確；④對組成和結(jié)構(gòu)相似的分子晶體來說，相對分子質(zhì)量越大，熔點越高，則SiCl4的熔點高于CCl4的熔點，正確。題組二分子晶體的結(jié)構(gòu)5.正硼酸(H3BO3)是一種片層狀結(jié)構(gòu)的白色晶體，層內(nèi)的H3BO3分子通過氫鍵相連(如圖所示)。下列有關(guān)說法正確的是()A.正硼酸晶體不屬于分子晶體B.H3BO3分子的穩(wěn)定性與氫鍵有關(guān)C.分子中硼原子最外層為8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)D.含1molH3BO3的晶體中有3mol氫鍵答案D解析A項，正硼酸晶體屬于分子晶體；B項，H3BO3分子的穩(wěn)定性與分子內(nèi)部的共價鍵有關(guān)，與氫鍵無關(guān)；C項，分子中的硼原子最外層不符合8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；D項，1個H3BO3分子中含有3個氫鍵。6.北京2022年冬奧會采用CO2臨界直冷技術(shù)，實現(xiàn)“水立方”變?yōu)椤氨⒎健?。干冰晶胞如圖所示。下列說法錯誤的是()A.冰、干冰晶體類型不同B.“水立方”變?yōu)椤氨⒎健保芏葴p小C.用干冰制冷比用氟利昂制冷環(huán)保D.1個干冰晶胞的質(zhì)量約為1766.02×答案A解析冰、干冰都屬于分子晶體，A項錯誤；在冰晶體中，每個水分子周圍只有四個緊鄰的水分子，由于水分子之間的主要作用力為氫鍵，而氫鍵具有飽和性和方向性，所以冰晶體中水分子的空間利用率不高，留有相當(dāng)大的空隙，使得冰的密度比液態(tài)水的小，故“水立方”變?yōu)椤氨⒎健保芏葴p小，B項正確；氟利昂排放到大氣中會破壞臭氧層，干冰不會，C項正確；由干冰的晶胞可知，1個晶胞中含CO2的個數(shù)為8×18+6×12=4，則1個干冰晶胞的質(zhì)量約為4×446.02×1023g=1767.“冰面為什么滑？”這與冰層表面的結(jié)構(gòu)有關(guān)，下列有關(guān)說法正確的是()A.由于氫鍵的存在，水分子的穩(wěn)定性好，高溫下也很難分解B.第一層“固態(tài)冰”中，水分子間通過共價鍵形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)C.第二層“準(zhǔn)液體”中，水分子間形成共價鍵的機(jī)會減少，形成氫鍵的機(jī)會增加D.當(dāng)高于一定溫度時，“準(zhǔn)液體”中的水分子與下層冰連接的氫鍵斷裂，產(chǎn)生“流動性的水分子”，使冰面變滑答案D解析水分子的穩(wěn)定性好，是由水分子內(nèi)氫氧共價鍵的鍵能決定的，與分子間形成的氫鍵無關(guān)，A錯誤；水分子間不存在共價鍵，水分子間通過氫鍵形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，B錯誤；水分子間不存在共價鍵，應(yīng)該是形成氫鍵的機(jī)會減少，C錯誤；當(dāng)溫度達(dá)到一定數(shù)值時，“準(zhǔn)液體”中的水分子與下層冰連接的氫鍵被破壞，使一部分水分子能夠自由流動，從而產(chǎn)生“流動性的水分子”，使冰面變滑，D正確。8.冰晶體的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。下列有關(guān)說法正確的是()A.冰晶胞內(nèi)水分子間作用力只有氫鍵B.每個冰晶胞平均含有4個水分子C.氫鍵具有方向性和飽和性，也是σ鍵的一種D.已知冰中氫鍵的鍵能為18.5kJ·mol-1，而常見的冰的熔化熱為336J·g-1，這說明冰變成液態(tài)水時，氫鍵部分被破壞(假設(shè)熔化熱全部用于破壞氫鍵)答案D解析冰晶胞內(nèi)水分子間作用力既有氫鍵又有范德華力，A項錯誤；由冰晶胞的結(jié)構(gòu)可知，每個冰晶胞平均占有的水分子數(shù)為4+8×18+6×12=8，B項錯誤；氫鍵具有方向性和飽和性，但氫鍵不屬于化學(xué)鍵，C項錯誤；冰中氫鍵的鍵能為18.5kJ·mol-1，1mol冰中含有2mol氫鍵，完全破壞1mol冰中氫鍵需要能量37.0kJ，常見的冰的熔化熱為336J·g-1，1mol冰完全融化需要吸收能量6.048kJ，說明冰變?yōu)橐簯B(tài)水時只是破壞了一部分氫鍵，液態(tài)水中仍存在氫鍵，9.下列說法正確的是()A.范德華力普遍存在于分子之間，如液態(tài)水中因范德華力的存在使水分子發(fā)生締合B.H2SO4為強(qiáng)電解質(zhì)，硫酸晶體是能導(dǎo)電的C.冰中1個H2O分子可通過氫鍵與4個水分子相連，所以冰中H2O分子與氫鍵的數(shù)目之比為1∶4D.氫鍵有飽和性和方向性，所以液態(tài)水結(jié)成冰時體積會變大答案D解析液態(tài)水中因分子間氫鍵的存在使水分子發(fā)生締合，A不正確；雖然H2SO4為強(qiáng)電解質(zhì)，但是硫酸晶體是分子晶體，不能導(dǎo)電，B不正確；冰中1個H2O分子可通過氫鍵與4個水分子相連，兩個水分子間只能形成一個氫鍵，所以冰中H2O分子與氫鍵的數(shù)目之比為1∶2，C不正確；氫鍵有飽和性和方向性，所以液態(tài)水結(jié)成冰時，水分子之間的空隙變大，故其體積會變大，D正確。10.C60分子和C60晶胞示意圖如圖所示。下列關(guān)于C60晶體的說法不正確的是()A.C60晶體可能具有很高的熔、沸點B.C60晶體可能易溶于四氯化碳中C.C60晶體的一個晶胞中含有的碳原子數(shù)為240D.C60晶體中每個C60分子與12個C60分子緊鄰答案A解析構(gòu)成C60晶體的基本微粒是C60分子，因此C60晶體是分子晶體，不可能具有很高的熔、沸點；由于C60是非極性分子，根據(jù)“相似相溶”規(guī)律，其可能易溶于四氯化碳中；每個C60晶胞中含有的C60分子個數(shù)為8×18+6×12=4，因此含有的碳原子數(shù)為4×60=240；如果以晶胞中一個頂角的C60分子為研究對象，則共用這個頂角的三個面的面心的C60分子與其距離最近且相等，有3×811.(2024·天津高二調(diào)研)在海洋深處的沉積物中含有大量可燃冰，其主要成分是甲烷水合物。甲烷水合物的結(jié)構(gòu)可以看成是甲烷分子裝在由水分子形成的“籠子”里。下列說法正確的是()A.甲烷分子和水分子的VSEPR模型都是正四面體形B.甲烷分子通過氫鍵與構(gòu)成“籠子”的水分子相結(jié)合C.可燃冰屬于分子晶體D.水分子的鍵角大于甲烷分子的鍵角答案C解析CH4的VSEPR模型為正四面體形，H2O的VSEPR模型是四面體形，A項錯誤；甲烷分子與構(gòu)成“籠子”的水分子間不能形成氫鍵，B項錯誤；H2O的鍵角為105°，CH4的鍵角為109°28'，D項錯誤。12.有四組同一族元素所形成的不同物質(zhì)，在101kPa時測定它們的沸點(℃)如下表所示：第一組A-268.8B-249.5C-185.8D-151.7第二組F2-187.0Cl2-33.6Br258.7I2184.0第三組HF19.4HCl-84.0HBr-67.0HI-35.3第四組H2O100.0H2S-60.2H2Se-42.0H2Te-1.8下列判斷正確的是()A.第四組物質(zhì)中H2O的沸點最高，是因為H2O分子中化學(xué)鍵鍵能最大B.第三組與第四組相比較，化合物的穩(wěn)定性：HBr>H2SeC.第三組物質(zhì)溶于水后，溶液的酸性：HF>HCl>HBr>HID.第一組物質(zhì)是分子晶體，一定含有共價鍵答案B解析第四組物質(zhì)中H2O的沸點最高，是因為H2O分子之間可以形成氫鍵，A不正確；Se和Br同為第四周期元素，Br的非金屬性較強(qiáng)，故氫化物的穩(wěn)定性：HBr>H2Se，B正確；第三組物質(zhì)溶于水后，HF溶液的酸性最弱，C不正確；第一組物質(zhì)是分子晶體，但分子中不一定含有共價鍵，如稀有氣體，D不正確。13.(14分)據(jù)《新科學(xué)》雜志報道，科研人員在20℃、1個大氣壓和其他一定的實驗條件下，給水施加一個弱電場，水就可以結(jié)成冰，稱為“熱冰”。如圖是水和“熱冰”微觀結(jié)構(gòu)的計算機(jī)模擬圖。(1)以上信息體現(xiàn)了水分子具有性，水分子中氧原子的雜化方式為。

(2)參照熱冰的圖示，以一個水分子為中心，畫出水分子間最基本的連接方式(用結(jié)構(gòu)式表示)：

。

(3)①固體二氧化碳外形似冰，受熱氣化無液體產(chǎn)生，俗稱“干冰”。干冰的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。一個晶胞中有個二氧化碳分子；在一個二氧化碳分子中所含的化學(xué)鍵類型與數(shù)目為。

②取兩塊大小相同的干冰，在一塊干冰中央挖一個小穴，撒入鎂粉，用紅熱的鐵棒引燃后，再蓋上另一塊干冰，出現(xiàn)的現(xiàn)象為，

發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是。

答案(1)極sp3雜化(2)(3)①42個σ鍵，2個π鍵②鎂粉在干冰中繼續(xù)燃燒，發(fā)出耀眼的白光，并有黑色物質(zhì)生成2Mg+CO22MgO+C14.(14分)(1)水分子間存在一種“氫鍵”(強(qiáng)度介于范德華力與化學(xué)鍵之間)的作用，彼此結(jié)合而形成(H2O)n。在冰中每個水分子被4個水分子包圍形成四面體，通過氫鍵相互連接成龐大的分子晶體，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1：①1mol冰中有mol氫鍵。

②在冰的結(jié)構(gòu)中，每個水分子與相鄰的4個水分子