鲁科版 (2019)选择性必修2第2节 几种简单的晶体结构模型学案

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1．不同类型晶体熔、沸点高低比较
(1)比较晶体熔、沸点时首先应该明确晶体的类型，因为不同晶体的粒子间作用力不同，影响晶体熔、沸点的因素不同。
(2)一般来说，熔、沸点：共价晶体>离子晶体>分子晶体。金属晶体的熔、沸点比较特殊，有的很高，如钨、铂等；有的很低，如汞、铯等。
2．同一类型晶体熔、沸点高低比较
(1)共价晶体
比较共价晶体熔、沸点高低的关键是比较共价键的强弱。一般来说，成键原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越牢固，晶体的熔、沸点越高。例如，在金刚石、碳化硅、晶体硅中，原子半径：CC—Si键>Si—Si键，故熔、沸点：金刚石>碳化硅>晶体硅。又如，键长：Si—Si键>Si—O键>C—C键，熔、沸点：金刚石>二氧化硅>晶体硅。
(2)离子晶体
结构相似且化学式中各离子个数比相同的离子晶体中，离子半径越小，离子所带电荷数越多，则晶体的熔、沸点越高。如熔、沸点：MgO>NaCl>CsCl。
(3)分子晶体
①组成和结构相似，且不存在分子间氢键的分子晶体，相对分子质量越大，其熔、沸点越高。如熔、沸点：HI>HBr>HCl。
②相对分子质量相同的分子晶体，分子的极性越大，其熔、沸点越高。如熔、沸点：CO>N2。
③在同分异构体中，一般支链越多，熔、沸点越低。如熔、沸点：正戊烷>异戊烷>新戊烷。
④具有分子间氢键的分子晶体，与同族元素的氢化物相比，其熔、沸点较高。如熔、沸点：H2O>H2Te>H2Se>H2S。
(4)金属晶体
金属晶体熔、沸点的高低取决于金属键的强弱。金属键是金属阳离子与“自由电子”之间的强烈作用，也属于静电作用。一般来说，金属阳离子的半径越小，所带电荷数越多，金属阳离子与“自由电子”之间的静电作用越强，金属键越强，熔、沸点越高。如熔、沸点：Na(1)Ti的四卤化物熔点如表所示，TiF4熔点高于其他三种卤化物，自TiCl4至TiI4熔点依次升高，原因是__________________________________________
___________________________________________________________________。
(2)一些氧化物的熔点如表所示：
解释表中氧化物之间熔点差异的原因________________________________
____________________________________________________________________。
(3)GaF3的熔点高于1 000 ℃，GaCl3的熔点为77.9 ℃，其原因是__________________________________________________________________
__________________________________________________________________。
(4)比较下列锗卤化物的熔点和沸点，分析其变化规律及原因____________________________________________________________________
__________________________________________________________________。
[解析] (1)TiF4为离子化合物，熔点高，TiCl4、TiBr4、TiI4为共价化合物，是分子晶体，其组成和结构相似，随相对分子质量的增大，分子间作用力增大，熔点逐渐升高，故熔点由高到低的顺序为TiF4>TiI4>TiBr4>TiCl4。(2)氧化锂、氧化镁是离子晶体，六氧化四磷和二氧化硫是分子晶体，离子键比分子间作用力强。(3)晶体类型是决定物质熔、沸点的主要因素，从GaF3的熔点较高知其为离子晶体，从GaCl3的熔点较低知其为分子晶体。一般来说，离子晶体的熔点高于分子晶体的熔点。(4)根据表中数据得出，三种锗卤化物都是分子晶体，其熔、沸点依次增高，而熔、沸点的高低与分子间作用力强弱有关，分子间作用力强弱与相对分子质量的大小有关。
[答案] (1)TiF4为离子化合物，熔点高，其他三种均为共价化合物，其组成和结构相似，随相对分子质量的增大，分子间作用力增大，熔点逐渐升高 (2)Li2O、MgO为离子晶体，P4O6、SO2为分子晶体，晶格能MgO>Li2O，分子间作用力(相对分子质量)P4O6>SO2 (3)GaF3是离子晶体，GaCl3为分子晶体 (4)GeCl4、GeBr4、GeI4的熔、沸点依次增高。原因是分子的组成和结构相似，相对分子质量依次增大，分子间作用力逐渐增强
1．金刚石的熔点为a℃，晶体硅的熔点为b℃，足球烯(分子式为C60)的熔点为c℃，a、b、c的大小关系是( )
A．a>b>c B．b>a>c C．c>a>b D．c>b>a
A [金刚石和晶体硅均为共价晶体，二者晶体结构相似，熔点高，由于碳原子半径小于硅原子半径，所以碳碳键的键能高于硅硅键的键能，则金刚石的熔点高于晶体硅；足球烯(分子式为C60)为分子晶体，熔化时只需要克服分子间作用力，故熔点低。综上所述，三者熔点：金刚石＞晶体硅＞足球烯，A项符合题意。]
2．离子晶体熔点的高低取决于晶格能的大小，下列关于物质熔点的比较不正确的是( )
A．NaF>NaCl>NaBr>NaI
B．Na2O>Na2S>NaCl>NaI
C．NaCl>CaCl2>MgCl2>AlCl3
D．MgCO3>CaCO3>SrCO3>BaCO3
C [在离子晶体中，离子半径越小，离子所带电荷数越多，晶格能越大，则晶体的熔点越高。C项，Ca2＋的半径大于Mg2＋的半径，故熔点：MgCl2>CaCl2，C项错误。]
3．下列关于金属晶体的叙述正确的是( )
A．常温下，金属单质都以金属晶体形式存在
B．金属阳离子与自由电子之间的强烈作用，在一定外力作用下，不因形变而消失
C．钙的熔、沸点低于钾
D．温度越高，金属的导电性越好
B [常温下，Hg为液态，A错；因为金属键无方向性，故金属键在一定范围内不因形变而消失，B正确；钙的金属键强于钾，故熔、沸点高于钾，C错；温度升高，金属的导电性减弱，D错。]
探究一
岩浆晶出规则与晶格能
火山喷出的岩浆是一种复杂的混合物，冷却时，许多矿物相继析出，简称“岩浆晶出”。实验证明，岩浆晶出的次序与晶格能的大小有关。
硅酸盐和石英的晶出次序与晶格能
1．晶格能的大小与什么因素有关？
提示：离子半径越小，离子所带电荷越多，晶格能越大。
2．为什么石英在硅酸盐矿物中最后析出？
提示：晶格能高的晶体熔点较高，更易在岩浆冷却过程中先结晶。石英在硅酸盐矿物中晶格能较小，因此石英最后析出。
通过本情境素材中对晶格能的影响因素及晶体性质的影响因素的探究，提升了“宏观辨识与微观探析”的学科素养。
探究二
石墨不同于金刚石，它的碳原子不像金刚石的碳原子那样呈sp3杂化，而是呈sp2杂化，形成平面六元并环结构(如下图①)，因此，石墨晶体是层状结构的，层内的碳原子的核间距为142 pm，层间距离为335 pm(比键长大得多)说明层间没有化学键相连，是靠范德华力维系的(如图②)
①石墨晶体中的二维平面结构 ②石墨的层状结构
金刚石与石墨的熔点均很高，那么二者熔点是否相同？若不相同，哪种更高一些？为什么？
提示：不相同。石墨熔点高于金刚石。金刚石中C原子杂化方式为sp3杂化，C原子之间存在σ键，而石墨中C原子杂化方式为sp2杂化，C原子之间存在σ键和π键，石墨中化学键的键能大，故熔点高。
通过本情境素材中对不同晶体的作用力分析，明确各类晶体物理性质与形成晶体的作用力间的关系，提升了“证据推理与模型认知”的化学学科素养。
探究三
CO2和SiO2的一些物理性质如下表所示，通过比较试回答下列问题。
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？
提示：晶体的类型不同造成的。二氧化硅是共价晶体，这类晶体熔、沸点高，硬度大；而二氧化碳属于分子晶体，这类晶体熔、沸点低。
通过本情境素材中不同类型晶体的熔沸点的对比，明确了影响熔沸点的因素，提升了“宏观辨识与微观探析”的核心素养。
1．下列说法错误的是( )
A．卤族元素的氢化物中HF的沸点最高，是由于HF分子间存在氢键
B．邻羟基苯甲醛的熔、沸点比对羟基苯甲醛的熔、沸点低
C．H2O的沸点比HF的沸点高，是由于水中氢键的键能大
D．氨气极易溶于水与氨气分子和水分子间形成氢键有关
C [HF分子间存在氢键，故沸点相对较高，A项正确；能形成分子间氢键的物质熔、沸点较高，邻羟基苯甲醛易形成分子内氢键，对羟基苯甲醛易形成分子间氢键，所以邻羟基苯甲醛的熔、沸点比对羟基苯甲醛的熔、沸点低，B项正确；H2O分子中的O可与周围H2O分子中的两个H原子形成两个氢键，而HF分子中的F原子只能形成一个氢键，氢键越多，沸点越高，所以H2O的沸点高，C项错误；氨气分子和水分子间形成氢键，导致氨气极易溶于水，D项正确。]
2．美国《科学》杂志曾报道：在40 GPa的高压下，用激光加热到1 800 K，人们成功制得了共价晶体CO2，下列对该物质的推断一定不正确的是( )
A．该共价晶体中含有极性键
B．该共价晶体易汽化，可用作制冷材料
C．该共价晶体有很高的熔点、沸点
D．该共价晶体硬度大，可用作耐磨材料
B [CO2由分子晶体变为共价晶体，其成键情况也发生了变化，由原来的C===O变为C—O，但化学键依然为极性共价键，故A项正确。由于晶体类型及分子结构发生变化，物质的熔、沸点等性质也发生了变化，CO2共价晶体具有高硬度、高熔、沸点等特点，故C、D选项正确，B项错误。]
3．某化学兴趣小组在学习分子晶体后，查阅了几种氯化物的熔点，记录如下：
根据这些数据分析，他们认为属于分子晶体的是( )
A．NaCl、MgCl2、CaCl2 B．AlCl3、SiCl4
C．NaCl、CaCl2 D．全部
B [分子晶体中，分子与分子之间以分子间作用力相互作用，而分子间作用力较小，克服分子间作用力所需能量较低，故分子晶体的熔点较低，表中的MgCl2、NaCl、CaCl2的熔点均很高，不属于分子晶体，AlCl3、SiCl4的熔点较低，应为分子晶体，所以B项正确。]
4．(2021·四川绵阳月考)下列物质的熔、沸点高低顺序正确的是( )
A．金刚石>晶体硅>二氧化硅>碳化硅
B．MgO>H2O>O2>Br2
C．对羟基苯甲酸>邻羟基苯甲酸
D．金刚石>生铁>纯铁>钠
C [原子半径Si>C>O，共价晶体组成元素的原子半径越小，共价键键能越大，熔、沸点越高，则熔、沸点从高到低的顺序为金刚石>碳化硅>二氧化硅>晶体硅，故A错误；离子晶体的熔、沸点大于分子晶体，水中含有氢键，其熔、沸点比氧气、溴的大，溴常温下为液体，其溶、沸点高于氧气，则熔、沸点从高到低的顺序为MgO>H2O>Br2>O2，故B错误；对羟基苯甲酸能形成分子间氢键，邻羟基苯甲酸能形成分子内氢键，所以熔、沸点：对羟基苯甲酸>邻羟基苯甲酸，故C正确；共价晶体的熔、沸点一般大于金属晶体，合金的熔、沸点比纯金属的低，则熔、沸点从高到低的顺序为金刚石>纯铁>生铁>钠，故D错误。]
5．现有几组物质的熔点(℃)数据：
据此回答下列问题：
(1)由表格可知，A组熔点普遍偏高，据此回答：
①A组属于________晶体，其熔化时克服的粒子间的作用力是_________。
②硅的熔点低于二氧化硅，是由于__________________________________
____________________________________________________________________。
③硼晶体的硬度与硅晶体相对比：__________________________________
___________________________________________________________________。
(2)B组晶体中存在的作用力是________，其共同的物理性质是________(填序号)。
①有金属光泽 ②导电性
③导热性 ④延展性
(3)C组中HF熔点反常是由于________________________。
(4)D组晶体可能具有的性质是________(填序号)。
①硬度小 ②水溶液能导电
③固体能导电 ④熔融状态能导电
(5)D组晶体中NaCl、KCl、RbCl的熔点由高到低的顺序为____________，MgO晶体的熔点高于三者，其原因解释为__________________。
[解析] (1)A组由非金属元素组成，熔点最高，属于共价晶体，熔化时需破坏共价键。由共价键形成的共价晶体中，原子半径小的键长短，键能大，晶体的熔、沸点高，硬度大。
(2)B组都是金属，存在金属键，具有金属晶体的性质。
(3)C组卤化氢晶体属于分子晶体，HF熔点高是由于分子之间形成氢键。
(4)D组是离子化合物，熔点高，具有离子晶体的性质。
(5)离子晶体的熔点与离子电荷数和离子半径有关，电荷数越多，半径越小，晶体熔点越高。
[答案] (1)①共价 共价键 ②Si—Si键键能小于Si—O键键能 ③硼晶体大于硅晶体
(2)金属键 ①②③④
(3)HF分子间能形成氢键，其熔化时需要消耗的能量更多(只要答出HF分子间能形成氢键即可)
(4)②④
(5)NaCl＞KCl＞RbCl MgO晶体为离子晶体，离子所带电荷数越多，半径越小，熔点越高
探究任务
1.掌握形成四类典型晶体的作用力与熔沸点的关系，提升宏观辨识与微观探析的化学核心素养。 2.掌握各类化学键、分子间作用力强弱的本质原因，能从宏观与微观角度分析、解决问题。
化合物
TiF4
TiCl4
TiBr4
TiI4
熔点/℃
377
－24.12
38.3
155
氧化物
Li2O
MgO
P4O6
SO2
熔点/℃
1 570
2 800
23.8
－75.5
GeCl4
GeBr4
GeI4
熔点/℃
－49.5
26
146
沸点/℃
83.1
186
约400
熔点/℃
沸点/℃
状态(室温)
CO2
－56.2
－78.4
气态
SiO2
1 723
2 230
固态
NaCl
MgCl2
AlCl3
SiCl4
CaCl2
熔点/℃
801
712
190
－68
782
A组
B组
C组
D组
金刚石：3 550
Li：181
HF：－83
NaCl
硅晶体：1 410
Na：98
HCl：－115
KCl
硼晶体：2 300
K：64
HBr：－89
RbCl
二氧化硅：1 732
Rb：39
HI：－51
MgO：2 800