高中化学人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子晶体与共价晶体教学ppt课件

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你已经知道，冰容易融化，干冰容易气化，碘晶体容易升华。那么，你知道这些晶体为什么具有上述的特殊性质吗？它们的结构是怎样的呢？科学研究揭示，30亿年前，在地壳下200 km左右的地幔中处在高温、高压岩浆中的碳元素，逐渐形成了具有正四面体结构的金刚石。火山爆发时，金刚石夹在岩浆中上升到接近地表时冷却，形成含有少量金刚石的原生矿床。金刚石具有诸多不同凡响的优良性质：熔点高(3 350 ℃)，不导电，硬度极高。这些性质显然是由金刚石的结构决定的。那么，金刚石具有怎样的结构呢？
一、分子晶体1．特点：(1)构成微粒及微粒间的作用力。
(2)微粒堆积方式。①若分子间作用力只有____________，则分子晶体有______________特征，即每个分子周围有______个紧邻的分子。②分子间还含有其他作用力，如________，则每个分子周围紧邻的分子要少于12个。如冰中每个水分子周围只有_____个紧邻的水分子。
2．分子晶体与物质的类别：
3.两种典型的分子晶体的组成和结构：
(1)干冰。①每个晶胞中有_____个CO2分子，______个原子。②每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为______个。(2)冰。①水分子之间的作用力有____________，但主要是________。②由于________的方向性，使四面体中心的每个水分子与四面体顶点的_____个相邻的水分子相互吸引。
二、原子晶体1．结构特点：(1)构成微粒及作用力。
(2)空间构型：整块晶体是一个三维的共价键________结构，不存在________的小分子，是一个“巨分子”，又称________晶体。(3)常见的原子晶体：①常见的非金属单质，如金刚石(C)，硼(B)、__________(Si)等；②某些非金属化合物，如__________(SiC)、氮化硼(BN)、二氧化硅(SiO2)等。
2．典型原子晶体的结构：(1)金刚石晶体的结构特点：①在晶体中每个碳原子以4个____________对称地与相邻的4个碳原子相结合，形成____________结构。
②晶体中碳碳键之间的夹角为_____________，碳原子采取了_______杂化。③最小环上有_____个碳原子。(2)SiO2的结构特点：把金刚石晶体中的______原子换为______原子，每两个硅原子之间增加一个______原子，即形成SiO2的晶体结构。
1．思考辨析：(1)分子晶体中一定存在共价键。(　　)(2)干冰升华的过程中破坏了共价键。(　　)(3)二氧化硅和干冰虽然是同一主族的氧化物，但属于不同的晶体类型。(　　)(4)分子晶体的熔、沸点比较低，原子晶体的熔、沸点比较高。(　　)(5)含有共价键的晶体都是原子晶体。(　　)(6)SiO2是二氧化硅的分子式。(　　)
2．下列晶体由原子直接构成，且属于分子晶体的是(　　)A．二氧化硅B．固态氖C．白磷D．三氧化硫解析：二氧化硅是由硅、氧原子构成的原子晶体，A错；固态氖由原子构成的分子晶体，B正确；白磷是由P4分子构成的分子晶体，C错；三氧化硫是由SO3分子构成的分子晶体，D错。
3．当SO3晶体熔化时，下列各项中发生变化的是(　　)A．化学键　　　B．硫与氧的原子个数之比C．分子构型D．分子间作用力解析：当SO3晶体熔化时，分子间作用力被破坏，故选D项。
4．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。
5．氮化铝(AlN)是一种熔点很高、硬度大、不导电、难溶于水和其他溶剂的晶体，将下列各组物质加热熔化或气化，所克服微粒间作用力与AlN相同的是(　　)A．水晶、金刚石B．食盐、硫酸钾C．碘、硫D．硅、干冰解析：根据AlN熔点高、硬度大、不导电、难溶于水和其他溶剂可知AlN晶体是原子晶体，熔化时共价键被破坏，A、B、C、D四个选项中属于原子晶体的有水晶(SiO2)、金刚石、晶体硅，故A项正确。
6．金刚石和金刚砂(SiC)具有相似的晶体结构，在金刚砂的空间网状结构中，碳原子、硅原子交替以单键相结合。试回答下列问题。(1)金刚砂属于________晶体。金刚砂熔点比金刚石熔点______。(2)在金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合_____个碳原子，键角是_____________。(3)金刚砂的结构中含有由共价键形成的原子环，其中最小的环上有_____个硅原子。
解析：根据题意可知金刚砂属于原子晶体，由于Si—C键的键长大于C—C键的键长，故Si—C键的键能小，金刚砂的熔点比金刚石的熔点低。硅原子与碳原子交替以共价单键相结合，且Si、C原子都形成四个单键，故一个碳原子周围结合4个硅原子，同时一个硅原子周围结合4个碳原子。由于硅原子周围的四个碳原子在空间呈正四面体形排列，故键角为109°28′。类比金刚石中最小的原子环中有6个碳，则在金刚砂中，最小的环上应有3个硅原子和3个碳原子。
1．分子晶体的构成粒子是什么？该粒子间的作用力是什么？各分子内的各原子间(稀有气体除外)的作用力是什么？2．分子晶体有哪些物理性质？3．原子晶体的构成微粒是什么？粒子间的作用力是什么？其堆积方式是什么结构？又被称作什么？4．常见的原子晶体有哪些？5．金刚石最小环上有几个碳原子？SiO2的最小环是由几个硅原子和几个氧原子构成的十二元环？
知识点一　原子晶体与分子晶体比较与判断
1．提示　分子晶体的构成粒子是分子，相邻分子间存在分子间作用力；分子内的各原子间以共价键结合。2．提示　一般熔点较低，硬度较小。3．提示　原子晶体的构成微粒是原子，所有原子都以共价键相互结合，其堆积方式是三维的共价键网状结构，又称共价晶体。4．提示　(1)某些单质，如硼、硅等；(2)某些非金属化合物，如SiC、BN等。5．提示　金刚石最小环上有6个碳原子，SiO2的最小环是由6个硅原子和6个氧原子构成的十二元环。
1．原子晶体和分子晶体的比较
2.判断分子晶体和原子晶体的方法(1)依据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断。构成原子晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键；构成分子晶体的微粒是分子，微粒间的作用力是分子间作用力。(2)依据晶体的熔点判断。原子晶体的熔点高，常在1 000 ℃以上，而分子晶体熔点低，常在数百度以下甚至温度更低。
(3)还可以依据晶体的硬度与机械性能判断。原子晶体硬度大，分子晶体硬度小且较脆。(4)依据导电性判断。分子晶体为非导体，但部分溶于水后能导电；原子晶体多数为非导体，但晶体硅、锗是半导体。(5)记忆常见的、典型的原子晶体。常见的原子晶体有：①单质：金刚石、晶体硅、晶体硼、晶体锗等；②化合物：SiO2、SiC、BN、AlN、Si3N4等。除原子晶体外的绝大多数非金属单质、气态氢化物、非金属氧化物、酸、绝大多数有机物(有机盐除外)都属于分子晶体。
硅是一种重要的非金属单质，硅及其化合物的用途非常广泛。根据所学知识回答硅及其化合物的相关问题。(1)基态硅原子的核外电子排布式为___________________。(2)晶体硅的微观结构与金刚石相似，晶体硅中Si—Si键之间的夹角大小约为_____________。
1s22s22p63s23p2
(3)请在框图中补充完成SiO2晶体的结构示意图(部分原子已画出)，并进行必要的标注。___________________________
(4)下表列有三种物质(晶体)的熔点：简要解释熔点产生差异的原因：①SiO2和SiCl4：___________________________________________________ _____________________________________________________。②SiCl4和SiF4：__________________________________________________ __________________________________________________________________。
SiO2是原子晶体，微粒间作用力为共价键；SiCl4是分子
晶体，微粒间作用力为范德华力，故SiO2熔点高于SiCl4的
SiCl4和SiF4均为分子晶体，微粒间作用力为范德华力，
结构相似时相对分子质量越大，范德华力越大，故SiCl4熔点高于SiF4的
解析：(2)晶体硅以一个硅原子为中心，与另外4个硅原子形成正四面体结构，所以Si—Si键之间的夹角大小约为109°28′。(3)图中给出的是硅晶体的结构，SiO2晶体相当于在硅晶体结构中的每个Si—Si键中“插入”一个氧原子，所以只要在上述每两个硅原子之间“画”一个半径比硅原子小的原子，再用实线连起来即可。(4)晶体类型不同，其熔点具有很大的差别，一般原子晶体的熔点高，而分子晶体的熔点低。规律方法指导：原子晶体是一个三维的共价键网状结构，是一个“巨分子”；原子晶体的化学式不表示实际组成，只表示组成原子的个数比；由原子构成的晶体不一定是原子晶体，如由稀有气体组成的晶体属于分子晶体；原子晶体中不存在范德华力。
1．有下列几种晶体：A．水晶；B．冰醋酸；C．白磷；D．金刚石；E.晶体氩；F.干冰。(1)属于分子晶体的是______________，直接由原子构成的分子晶体是_____。(2)属于原子晶体的化合物是_____。(3)直接由原子构成的晶体是___________。(4)受热熔化时，需克服共价键的是________。
解析：根据构成晶体的微粒不同，分子晶体仅由分子构成，原子晶体中无分子。分子晶体有B、C、E、F，注意晶体氩是单原子分子晶体；原子晶体和单原子分子晶体都是由原子直接构成的，原子晶体有A、D，但属于化合物的只有A；分子晶体熔化时，一般不破坏化学键；原子晶体熔化时，破坏共价键。
1．观察下列结构，回答下列问题。
知识点二　分子晶体和原子晶体熔沸点高低的比较
(1)CO2晶体与SiO2晶体的构成微粒是什么？熔融SiO2晶体需破坏的作用力是什么？(2)CO2晶体中有哪些作用力？干冰升华时破坏的是什么作用力？2．从金刚石、晶体硅性质数据表分析原子晶体熔点、硬度与什么有关？金刚石、晶体硅性质数据表
1．(1)提示　CO2晶体是由CO2分子构成的，SiO2晶体是由Si原子与O原子构成的；熔融SiO2晶体需破坏共价键。(2)提示　CO2晶体中有共价键和范德华力。干冰升华时破坏范德华力。2．提示　在原子晶体里，所有原子都以共价键相结合。金刚石中C—C键键长比晶体硅中Si—Si键键长短，C—C键键能大，故金刚石熔点比晶体硅的高，硬度比晶体硅的大。
1．对于不同类型的晶体来说，熔沸点的高低顺序为原子晶体>分子晶体。2．对于同属于分子晶体的不同晶体：(1)分子间作用力越大，物质的熔沸点越高；非金属氢化物分子间含有氢键的分子晶体，熔沸点比同族元素的氢化物反常得高。如H2O>H2Te>H2Se>H2S。(2)组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔沸点越高。如SnH4>GeH4>SiH4>CH4。(3)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。
3．对于同属于原子晶体的不同晶体：(1)晶体的熔沸点高低取决于共价键的键长和键能。键长越短，键能越大，共价键越稳定，物质的熔沸点越高。(2)若没有告知键长或键能数据时，可比较原子半径的大小。一般原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。原子半径越小，则化学键的键长越短，化学键就越强，键就越牢固，破坏化学键需要的能量就越大，故晶体的熔点就越高。如比较金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点高低。原子半径：CC—Si>Si—Si，熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。
碳化硅(SiC)是一种晶体，具有类似于金刚石的结构，其中C原子和Si原子的位置是交替的。在下列三种晶体：①金刚石、②晶体硅、③碳化硅中，它们的熔点从高到低的顺序是(　　)A．①③②　　　　　　B．②③①C．③①②D．②①③
解析：C与Si同为第ⅣA族元素，它们的相似性表现在金刚石是原子晶体，晶体硅、碳化硅也是原子晶体。从碳到硅原子半径逐渐增大，形成共价键的键能逐渐减弱。可推断碳化硅的熔点应在Si与C之间。三种原子晶体空间结构相似，熔点取决于它们的键长与键能，故熔点从高到低分别是金刚石、碳化硅、晶体硅，故正确答案为A。规律方法指导：比较晶体的熔点高低，首先弄清晶体属于哪种类型，然后根据不同晶体的规律进行判断。分子晶体的熔点由分子间作用力决定，同时注意含氢键物质的反常；原子晶体则比较共价键的强弱。
2．下列说法中，正确的是(　　)A．冰融化时，分子中H—O键发生断裂B．原子晶体中，共价键越强，熔点越高C．分子晶体中，共价键键能越大，该分子晶体的熔点一定越高D．分子晶体中，分子间作用力越大，该物质越稳定解析：冰为分子晶体，融化时破坏的是分子间作用力，故A项错误；原子晶体熔点的高低取决于共价键的强弱，共价键越强，熔点越高，故B项正确；分子晶体熔点的高低取决于分子间作用力的大小，而共价键的强弱决定了分子的稳定性大小，所以C项和D项错误。
混合键型晶体——石墨实验测定，石墨的熔点高达3 850 ℃，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，它是非常好的润滑剂，这又不同于原子晶体。那么，石墨究竟属于哪种类型的晶体呢？
研究发现，石墨的晶体具有层状结构，每个碳原子用sp2杂化轨道与邻近的三个碳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0.142 nm，键角为120°。每个碳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π键。正是由于电子可以在整个六边形网状平面上运动，因此石墨的大π键具有金属键的性质，这就是石墨沿层的平行方向导电性强的原因。这些网络状的平面结构再以范德华力结合形成层状结构，层与层之间的距离为0.335 nm。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。这种特殊的结构决定了石墨具有某些独特的性质，并用于制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等。
石墨晶体为层状结构，每一层均为碳原子与周围其他3个碳原子相结合而成的平面片层，同层相邻碳原子间距为142 pm、相邻片层间距为335 pm。如图是其晶体结构片层俯视图。下列说法不正确的是(　　)A．碳原子采用sp2杂化 B．每个碳原子形成3个σ键C．碳原子数与σ键键数之比为2∶3 D．片层之间的碳形成共价键