高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2第2节 几种简单的晶体结构模型第3课时学案设计

第3课时　分子晶体　晶体结构的复杂性

课程标准

1．了解分子晶体结构与性质的关系。

2．了解分子晶体与共价晶体、离子晶体、金属晶体的构成微粒及微粒间作用力的区别。

3．能根据分子晶体晶胞确定晶体的组成并进行相关计算。

学法指导

1.通过学习教材中碘、干冰等晶体结构模型，认识分子晶体的构成微粒及微粒间的相互作用。

2．根据分子间作用力大小，推断分子晶体的熔、沸点高低。

3．通过学习石墨等晶体结构，认识晶体结构的复杂性。

必备知识·自主学习——新知全解一遍过

知识点一分子晶体

1.分子晶体的结构

2．分子晶体与物质类型的关系

3.典型分子晶体的结构分析

4.分子晶体的物理性质

(1)分子晶体由于以比较弱的________相结合，因此一般熔点________，硬度________。

(2)对组成和结构________，晶体中又不含氢键的分子晶体来说，随着相对分子质量的增大，分子间作用力________，熔、沸点________。

微点拨

分子间只存在范德华力的分子晶体，服从紧密堆积排列原理；分子间存在氢键的分子晶体，由于氢键具有方向性、饱和性，故不服从紧密堆积排列原理。

学思用

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)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。(　　)

(2)水是一种非常稳定的化合物，这是由于水中存在氢键。(　　)

(3)冰与水共存物属于混合物。(　　)

(4)冰与二氧化硅的晶体类型相似。(　　)

(5)分子晶体一般熔点较低、硬度较小。(　　)

2．下列各组晶体都属于化合物组成的分子晶体是(　　)

A．H2O、O3、CCl4B．CCl4、(NH4)2S、H2O2

C．SO2、SiO2、CS2    D．P2O5、CO2、H3PO4

知识点二晶体结构的复杂性

1.石墨晶体

2．晶体的复杂性

(1)物质组成的复杂性导致晶体中存在多种不同微粒以及不同微粒间作用。例如：BaTiO3含有一种________和____________，它是一种重要的压电材料。近年来，一类与BaTiO3结构类似的有机/无机杂化材料在光电材料领域获得突破。Ca5(PO4)3OH含有一种________和________，是人体和动物骨骼的主要无机成分。

(2)金属键、离子键、共价键、配位键等都是化学键的典型模型，但是，原子之间形成的化学键往往是介于典型模型之间的过渡状态。

微点拨

不同晶体类型的熔、沸点高低规律

一般为共价晶体>离子晶体>分子晶体。金属晶体的熔、沸点有的很高(如钨)，有的很低(如汞)。

学思用

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)分子晶体和共价晶体的构成微粒相同。(　　)

(2)石墨属于共价晶体。(　　)

(3)分子晶体和共价晶体受热熔化时克服微粒间作用力相同。(　　)

(4)石墨晶体中的碳原子的成键方式和金刚石中相同。(　　)

(5)由于微观粒子间的作用存在键型过渡，很多晶体属于过渡晶体。(　　)

2．在硼酸[B(OH)3]分子中，硼原子与3个羟基相连，其晶体具有与石墨相似的层状结构。则分子中硼原子杂化轨道类型及分子间的主要作用力分别是(　　)

A．sp　范德华力

B．sp2　范德华力

C．sp2　氢键

D．sp3　氢键

关键能力·课堂探究——学科素养全通关

提升点一四种典型晶体类型的比较

1.四种晶体类型的结构与性质

2.晶体类型的判断方法

(1)依据组成晶体的微粒和微粒间的相互作用判断

共价晶体：原子―→共价键；

分子晶体：分子―→分子间作用力；

离子晶体：离子―→离子键；

金属晶体：金属阳离子和自由电子―→金属键。

(2)依据物质的分类判断

①常见的共价晶体单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等，常见的共价晶体化合物有SiC、BN、AlN、Si3N4、C3N4、SiO2等；

②分子晶体：大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外)、气态氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、酸、绝大多数有机物(除有机盐外)；

③离子晶体：金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(如NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类；

④金属晶体：金属单质与合金。

(3)依据晶体的熔点判断

①离子晶体的熔点较高，常在数百至1 000多度；

②共价晶体熔点很高，常在1 000度至几千度；

③分子晶体熔点低，常在数百度以下至很低温度；

④金属晶体多数熔点高，但也有少数熔点很低。

(4)依据导电性判断

①共价晶体：一般不导电；

②分子晶体：

③离子晶体：固态不导电，熔融或溶于水导电；

④金属晶体：固态或熔融均导电。

(5)依据硬度和机械性能判断

共价晶体硬度大；分子晶体硬度小且较脆；离子晶体硬度较大且较脆；金属晶体多数硬度大，但也有较小的，且具有延展性。

互动探究

问题1　NaCl、二氧化碳、白磷、二氧化硅各属于什么晶体？哪种晶体在熔融状态下能导电？

问题2　为什么液态水变为冰时，体积膨胀，密度减小？

典例示范

[典例1]　已知下列晶体的部分性质，其晶体类型判断正确的是(　　)

素养训练

[训练1]　下列物质发生变化时，所克服的微粒间相互作用属于同种类型的是(　　)

A．液溴和苯分别受热变为气体

B．干冰升华和氯化铵受热分解

C．二氧化硅和铁分别受热熔化

D．食盐和葡萄糖分别溶解在水中

提升点二晶体熔、沸点的比较

1.不同类型晶体熔、沸点的比较

一般来说，共价晶体>离子晶体>分子晶体；金属晶体(除少数外)>分子晶体。金属晶体的熔、沸点有的很高，如钨、铂等，有的则很低，如汞、铯、镓等。

2．同种类型晶体熔、沸点的比较

(1)共价晶体

一般来说，对结构相似的共价晶体来说，键长越短，键能越大，晶体的熔、沸点越高。例如：金刚石>二氧化硅>碳化硅>晶体硅。

(2)分子晶体

①组成和结构相似的分子晶体，一般相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高。如I2>Br2>Cl2>F2；SnH4>GeH4>SiH4>CH4。

②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，范德华力越大，熔、沸点越高。如CO>N2。

③同类别的同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。如正戊烷>异戊烷>新戊烷。

④若分子间存在氢键，则分子间作用力比结构相似的同类晶体大，故熔、沸点较高。如HF>HI；NH3>PH3；H2O>H2Te。

(3)离子晶体

一般来说，离子所带的电荷数越多，离子半径越小，离子键越强，离子晶体的熔、沸点就越高。如NaCl>CsCl；MgO>MgCl2。

(4)金属晶体

金属阳离子所带电荷数越多，离子半径越小，其金属键越强，金属熔、沸点越高。如Al>Mg>Na。

3．晶体熔、沸点比较的两个“首先”

(1)晶体熔、沸点比较时应先分析晶体类型。

(2)分子晶体熔、沸点比较时应先判断分子间是否存在氢键。

互动探究

C60结构，又称为巴基球、足球烯，它是一个由60个碳原子结合形成的稳定分子，英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托勾画出的C60的分子结构，富勒的启示起了关键性作用，因此他们一致建议，将其命名为富勒烯。科研人员应用电子计算机模拟出来类似C60的物质N60，试据此回答下列几个问题：

问题1　N60的溶解性是什么？晶体类型是什么？

问题2　N60与N2的熔点谁的更高？稳定性呢？

典例示范

[典例2]　下表给出了几种物质的熔点：

下列判断错误的是(　　)

A．铝的化合物的晶体中有的是离子晶体

B．表中只有BCl3和干冰是分子晶体

C．同族元素的氧化物可形成不同类型的晶体

D．不同族元素的氧化物可形成相同类型的晶体

素养训练

[训练2]　下列各组物质中，按熔点由低到高排列的是(　　)

A．O2、I2、Hg   

B．CO2、KCl、SiO2

C．Al、Mg、Na   

D．NaCl、KCl、RbCl

课 堂 总 结

[知识导图]

[误区警示]

1．常见晶体中原子成键数目

2.晶胞结构中最小环上的原子数目

3.金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅晶体中最小环的顶点上的原子均被12个最小环所共用，二氧化硅晶体中最小环上的每个氧原子被6个最小环所共用。

随堂检测·强化落实——基础知能练到位

1．分子晶体具有的本质特征是(　　)

A．组成晶体的基本构成微粒是分子

B．熔融时不导电

C．晶体内微粒间以分子间作用力相结合

D．熔点一般比共价晶体低

2．下列各组晶体物质中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是(　　)

①SiO2和SO3　②金刚石和白磷　③CO2和SO2　④晶体硅和金刚石　⑤晶体氖和晶体氮　⑥硫黄和单质碘

A．①②③    B．④⑤⑥

C．③④⑥    D．①③⑤

3．下列物质的熔点高低顺序中，正确的是(　　)

A．金刚石>晶体硅>二氧化硅>碳化硅

B．CI4>CBr4>CCl4>CH4

C．MgO>H2O>N2>O2

D．金刚石>生铁>纯铁>钠

4．(双选)美国Lawrence Liremore国家实验室(LLNL)的科学家成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体，下列关于CO2的共价晶体说法正确的是(　　)

A．CO2的共价晶体和分子晶体互为同素异形体

B．在一定条件下CO2共价晶体转化为分子晶体是化学变化

C．CO2的共价晶体和分子晶体具有相同的物理性质

D．在CO2的共价晶体中，每个C原子周围结合4个O原子，每个O原子与2个C原子相结合

5．(1)比较下列化合物熔、沸点的高低(填“>”或“<”)。

①CO2________SO2；②NH3________PH3

③O3________O2；④Ne________Ar；

⑤CO________N2。

(2)已知AlCl3的熔点为190 ℃(2.202×105 Pa)，但它在180 ℃即开始升华。请回答：

①AlCl3固体是________晶体；

②设计一个可靠的实验，判断氯化铝是离子化合物还是共价化合物。你设计的实验是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

第3课时　分子晶体　晶体结构的复杂性

必 备 知 识·自 主 学 习

[知识点一]

1．分子　分子间作用力

2．氢化物　非金属单质　非金属氧化物　有机物　

3．每个顶点和面上　4　范德华力　立方　每个顶点和面上　4　12　分子间作用力　不断裂　氢键　范德华力　氢键　四面体中心　四面体顶角　4

4．(1)分子间作用力　较低　较小　(2)相似　增大　升高

[学思用]

1．答案：(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√

2．解析：A项，O3为单质；B项，(NH4)2S为离子晶体；C项，SiO2为共价晶体。

答案：D

[知识点二]

1．层状　六边　大π　sp2　120°　范德华力　共价键　范德华力　金属键　混合型　高　易　电极　润滑剂　铅笔芯

2．(1)阴离子　多种阳离子　阳离子　多种阴离子

[学思用]

1．答案：(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√

2．解析：因为B(OH)3分子中，硼原子与3个羟基相连，其晶体具有与石墨相似的层状结构，由此可判断在B(OH)3分子中硼原子的杂化轨道类型与石墨中碳原子的杂化轨道类型相同，为sp2杂化；B(OH)3分子中羟基氧原子电负性很强，易与其他B(OH)3分子中的氢原子形成氢键，硼酸分子之间还存在范德华力，但氢键比范德华力强，故硼酸分子之间的主要作用力是氢键，C项正确。

答案：C

关 键 能 力·课 堂 探 究

提升点一

[互动探究]

提示1：NaCl、二氧化碳、白磷、二氧化硅分别属于离子晶体、分子晶体、分子晶体、共价晶体。在熔融状态下能导电的是NaCl。

提示2：冰晶体中主要是水分子依靠氢键而形成的，因氢键具有一定的方向性，使水分子间的间距比较大，有很大空隙，比较松散。所以水结成冰后，体积膨胀，密度减小。

[典例1]　解析：碳化铝，黄色晶体，熔点2 200 ℃，熔融态不导电，应为共价晶体，故A错误；溴化铝，无色晶体，易溶于水，熔融状态下不导电，具有分子晶体的性质，属于分子晶体，故B错误；硼：熔点2 300 ℃，沸点2 550 ℃，硬度大，不溶于常见溶剂，具有共价晶体的性质，属于共价晶体，故C错误；三氯化铁，沸点315 ℃，易溶于水，易溶于乙醚、丙酮等有机溶剂，具有分子晶体的性质，属于分子晶体，故D正确。

答案：D

[训练1]　解析：

答案：A

提升点二

[互动探究]

提示1：C60是一种单质，属于分子晶体，而N60类似于C60，所以N60也是单质，属于分子晶体，即具有分子晶体的一些性质，如硬度较小，熔、沸点较低。单质一般是非极性分子，难溶于水这种极性溶剂。

提示2：由于分子晶体相对分子质量越大，熔、沸点越高，所以N60的熔点高于N2。N2分子以N≡N结合，N60分子中只存在N—N，而N≡N比N—N牢固得多。

[典例2]　解析：AlF3为离子晶体，A项正确；表中AlCl3、BCl3和干冰的熔点都较低，是分子晶体，B项错误；C和Si同主族，但氧化物的晶体类型不同，干冰和SiO2分别属于分子晶体和共价晶体，C项正确；Si和Al不同主族，但对应的氧化物(如SiO2和α­Al2O3)为共价晶体，说明不同族元素的氧化物可形成相同类型的晶体，D项正确。

答案：B

[训练2]　解析：A项，熔点：固体>液体>气体，故熔点：I2>Hg>O2；B项，熔点：共价晶体>离子晶体>分子晶体，故熔点：SiO2>KCl>CO2；C项，金属键：Al>Mg>Na，故熔点：Al>Mg>Na；D项，晶格能：NaCl> KCl>RbCl，故熔点：NaCl>KCl>RbCl。

答案：B

随 堂 检 测·强 化 落 实

1．解析：分子晶体的熔、沸点较低，硬度较小，导致这些性质特征的本质原因是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是极其微弱的。

答案：C

2．解析：属于分子晶体的有SO3、CO2、SO2、白磷、晶体氖、晶体氮、硫黄和单质碘。属于共价晶体的有SiO2、晶体硅和金刚石。但晶体氖是由稀有气体分子构成，晶体中不存在化学键。

答案：C

3．解析：对于A选项，同属于共价晶体，熔点、沸点高低主要看共价键的强弱，显然对键能而言，晶体硅<碳化硅，错误；B选项，同为组成结构相似的分子晶体，熔点、沸点高低要看相对分子质量大小，正确；C选项，对于不同晶型，熔点高低一般为共价晶体>离子晶体>分子晶体，MgO>(H2O、O2、N2)，又H2O>O2>N2，错误；D选项，生铁为铁合金，熔点要低于纯铁，错误。

答案：B

4．解析：同素异形体的研究对象是单质；CO2的晶体类型发生转变，生成了新物质，为化学变化；CO2的不同晶体具有不同的物理性质，CO2共价晶体类似于SiO2晶体，每个C原子结合4个O原子，每个O原子结合2个C原子。

答案：BD

5．解析：(1)各组物质均为分子晶体，根据分子晶体熔、沸点的判断规律，较容易比较五组物质熔、沸点的高低。(2)①由AlCl3的熔点低以及在180 ℃时开始升华判断AlCl3晶体为分子晶体。②若验证一种化合物是共价化合物还是离子化合物，可测其熔融状态下是否导电，若不导电则是共价化合物，导电则是离子化合物。

答案：(1)①<　②>　③>　④<　⑤>

(2)①分子　②测其熔融状态下是否导电，若不导电则是共价化合物，导电则是离子化合物