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高中化学人教版 (新课标)选修3 物质结构与性质第二节 分子晶体与原子晶体教学设计
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这是一份高中化学人教版 (新课标)选修3 物质结构与性质第二节 分子晶体与原子晶体教学设计，共17页。
第二节 分子晶体与原子晶体
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？
水晶是一种古老的宝石，晶体完好时呈六棱柱钻头形。在水晶中，原子是怎样排列的呢？
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__范德华力____，则分子晶体有__分子密堆积____特征，即每个分子周围有__12____个紧邻的分子。
②分子间还含有其他作用力，如__氢键____，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__4____个紧邻的水分子。
2．分子晶体与物质的类别：
物质种类
实例
所有__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
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
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__4____个CO2分子，__12____个原子。
②每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为__12____个。
(2)冰。
①水分子之间的作用力有__范德华力____，但主要是__氢键____。
②由于__氢键____的方向性，使四面体中心的每个水分子与四面体顶点的__4____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__网状____结构，不存在__单个____的小分子，是一个“巨分子”，又称__共价____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)、__晶体硅____(Si)等；
②某些非金属化合物，如__碳化硅____(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__共价单键____对称地与相邻的4个碳原子相结合，形成__正四面体____结构。
②晶体中碳碳键之间的夹角为__109°28′____，碳原子采取了__sp3____杂化。
③最小环上有__6____个碳原子。
(2)SiO2的结构特点：把金刚石晶体中的__碳____原子换为__硅____原子，每两个硅原子之间增加一个__氧____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．(双选)下列式子中，能真实表示分子组成的是( AB )
A．H2SO4 B．NH3
C．SiO2 D．C
解析：H2SO4是分子晶体，所以H2SO4可表示硫酸分子的组成；NH3为分子晶体，故NH3可表示氨气分子的组成；SiO2是原子晶体，SiO2只能表示晶体中Si原子与O原子的个数比为1∶2；C既可表示金刚石，又可表示石墨等碳单质。
3．下列有关分子晶体的说法中正确的是( B )
A．分子内均存在共价键
B．分子间一定存在范德华力
C．分子间一定存在氢键
D．其结构一定为分子密堆积
解析：稀有气体元素组成的晶体中，不存在由多个原子组成的分子，而是原子间通过范德华力结合成晶体，所以不存在任何化学键，故A项错误。分子间作用力包括范德华力和氢键，范德华力存在于所有的分子晶体中，而氢键只存在于含有与电负性较强的N、O、F原子结合的氢原子的分子间或者分子内，所以B项正确，C项错误。只有只存在范德华力的分子晶体才采取分子密堆积的方式，所以D选项也是错误的。
4．下列说法中正确的是( C )
A．原子晶体中只存在非极性共价键
B．因为HCl的相对分子质量大于HF，所以HCl的熔点高于HF
C．干冰升华时，分子内共价键不会发生断裂
D．金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合物
解析：原子晶体中可能存在极性共价键，如SiO2、SiC等，A项不正确；HF晶体中存在氢键，熔点高于HCl晶体，B项不正确；干冰升华是物理变化，分子间作用力被破坏，但分子内共价键不断裂，C项正确；金属元素和非金属元素形成的化合物不一定是离子化合物，也可能是共价化合物，如AlCl3等，D项不正确。
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 )
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__原子____晶体。金刚砂熔点比金刚石熔点__低____。
(2)在金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合__4____个碳原子，键角是__109°28′____。
(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__3____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。
知识点一 原子晶体与分子晶体比较与判断
1．原子晶体和分子晶体的比较
晶体类型
原子晶体
分子晶体
概念
相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体
分子间以分子间作用力相结合的晶体
组成粒子
原子
分子
粒子间作用力
共价键
分子间作用力
熔、沸点
很高
较低
硬度
很大
较小
溶解性
不溶于任何溶剂
部分溶于水
导电性
不导电，个别为半导体
不导电，部分溶于水导电
熔化时破坏的作用力
共价键
分子间作用力
实例
金刚石
干冰
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。
典例1 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( C )
①SiO2和SO3 ②晶体硼和HCl ③CO2和SO2 ④晶体硅和金刚石 ⑤晶体氖和晶体氮 ⑥硫黄和碘
A．①②③ B．④⑤⑥
C．③④⑥ D．①③⑤
解析：属于分子晶体的有SO3、HCl、CO2、SO2、晶体氖、晶体氮、硫黄和碘。属于原子晶体的有SiO2、晶体硼、晶体硅和金刚石。但晶体氖是由稀有气体分子组成，稀有气体为单原子分子，分子间不存在化学键。
〔变式训练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__B、C、E、F____，直接由原子构成的分子晶体是__E____。
(2)属于原子晶体的化合物是__A____。
(3)直接由原子构成的晶体是__A、D、E____。
(4)受热熔化时，需克服共价键的是__A、D____。
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。
知识点二 分子晶体和原子晶体熔沸点高低的比较
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。
(4)同分异构体的支链越多，熔沸点越低。如
CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>
(5)烃、卤代烃、醇、醛、羧酸等有机物一般随分子里碳原子的增加，熔沸点升高。如C2H6>CH4，C2H5Cl>CH3Cl，CH3COOH>HCOOH。
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。
典例2 下列物质的沸点变化顺序正确的是( A )
A．CH4
解析：A．这几种氢化物结构和性质相似，且相对分子质量随着原子序数增大而增大，所以其沸点顺序为CH4
AlCl3
SiCl4
晶体硼
金刚石
晶体硅
熔点/℃
190
－68
2 300
>3 550
1 410
沸点/℃
178
57
2 550
4 827
2 355
A．SiCl4是分子晶体
B．晶体硼是原子晶体
C．AlCl3是分子晶体，加热能升华
D．金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键弱
解析：SiCl4、AlCl3的熔沸点低，都是分子晶体，AlCl3的沸点低于其熔点，即在未熔化的温度下它就能汽化，故AlCl3加热能升华，A、C正确；单质硼的熔沸点高，所以晶体硼是原子晶体，B正确；C原子的半径比Si原子的半径小，金刚石中的C—C键键长比晶体硅中的Si—Si键键长短，金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键强，D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。
1．AB型的化学式形成的晶体结构情况多种多样。下列图示的几种结构中最有可能是分子晶体的是( B )
A．①③ B．②⑤
C．⑤⑥ D．③④⑤⑥
解析：分子晶体中不存在共用，从各图中可以看出②⑤不存在共用现象，所以最有可能是分子晶体。
2．下列属于分子晶体性质的是( B )
A．组成晶体的微粒是离子
B．能溶于CS2，熔点为112.8℃，沸点为444.6℃
C．熔点为1 400℃，可作半导体材料，难溶于水
D．熔点高，硬度大
解析：分子晶体的主要性质有熔沸点低，硬度小，极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂，晶体固态和熔化时均不导电。
3．在x mol石英晶体中，含有Si—O键数是( D )
A．x mol B．2x mol
C．3x mol D．4x mol
解析：由石英的晶体结构可以看出一个硅原子周围有四个氧原子，即一个硅原子形成4个Si—O键，所以在x mol石英晶体中含有Si—O键数是4x mol。
4．下列说法不正确的是( C )
A．在干冰晶体中，与一个CO2分子相邻且等距离的CO2分子共有12个
B．在SiO2晶体中，若含有1 mol Si原子，则Si—O键数为4NA
C．在金刚石晶体中，一个碳原子被12个六元碳环所共用，一个C—C键最多可形成6个六元环、一个六元环实际拥有一个碳原子
D．m g石墨中，正六边形数目为mNA/24，每个环拥有碳原子数与C—C键数之比为2：3
解析：在干冰晶体中，CO2分子位于顶点和面心，如图所示。以立方体上面面心的CO2分子为研究对象，向上延伸，与该CO2分子等距离的CO2为12个，A项正确；在SiO2晶体中，1个Si与周围4个O形成4个Si—O键，B项正确；在金刚石中每两条棱可形成两个六边形，一个碳可形成12个六边形，一个C—C键可形成6个六元环，一个六元环实际拥有×6＝个C，C项错；在石墨中，一个六元环实际拥有×6个C，实际拥有×6个C—C，m g石墨含有六边形数目为×NA＝，因此D项正确。
5．C60、金刚石和石墨的结构模型如下图所示(石墨仅表示出其中的一层结构)：
(1)C60、金刚石和石墨三者的关系互为__B____；
A．同分异构体 B．同素异形体
C．同系物 D．同位素
(2)固态时，C60属于__分子____(填“离子”“原子”或“分子”)晶体；
(3)石墨层状结构中，平均每个正六边形占有的碳原子数是__2____。
解析：C60、金刚石和石墨均是由碳原子形成的单质，三者互为同素异形体；C60有固定的分子组成，属于分子晶体；在石墨层状结构中最小的正六边形里，每一个碳原子都被周围相同的3个正六边形共用，一个正六边形只占有每个碳原子的，所以每一层里平均每个最小的正六边形占有碳原子数目为2。
基 础 巩 固
一、选择题
1．下面关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是( C )
A．最小的环上，有3个Si原子和3个O原子
B．最小的环上，Si和O原子数之比为1∶2
C．最小的环上，有6个Si原子和6个O原子
D．存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶角
解析：联想教材中SiO2的晶体空间结构模型，每个硅原子与4个氧原子结合形成4个共价键，每个氧原子与2个硅原子结合形成2个共价键，其空间网状结构中存在四面体结构单元，硅原子位于四面体的中心，氧原子位于四面体的4个顶角，故D项错误；金刚石的最小环上有6个碳原子，SiO2的晶体结构可将金刚石晶体结构中的碳原子用硅原子代替，每个Si—Si键中“插入”一个氧原子，所以其最小环上有6个硅原子和6个氧原子，Si、O原子个数比为1∶1，故A、B两项错误，C项正确。
2．(双选)下列晶体性质的比较中，正确的是( AD )
A．熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅
B．沸点：NH3>H2O>HF
C．硬度：白磷>冰>二氧化硅
D．熔点：SiI4>SiBr4>SiCl4
解析：由C—C、C—Si、Si—Si键的键能和键长可判断A项正确；由SiI4、SiBr4、SiCl4的相对分子质量可判断D项正确；沸点H2O>HF>NH3，二氧化硅是原子晶体，硬度大，白磷和冰都是分子晶体，硬度小，B、C项错误。
3．根据下列性质判断，属于原子晶体的物质是( B )
A．熔点2700℃，导电性好，延展性强
B．无色晶体，熔点3550℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂
C．无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800℃，熔化时能导电
D．熔点－56.6℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电
解析：本题考查的是各类晶体的物理性质特征。A项中延展性好，不是原子晶体的特征，因为原子晶体中原子与原子之间以共价键结合，而共价键有一定的方向性，使原子晶体质硬而脆，A项不正确，B项符合原子晶体的特征，C项应该是离子晶体，D项符合分子晶体的特征，所以应该选择B项。
4．碘的熔、沸点低，其原因是( C )
A．碘的非金属性较弱
B．I—I键的键能较小
C．碘晶体属于分子晶体
D．I—I共价键的键长较长
解析：分子晶体的熔、沸点低，是因为分子晶体内部的分子间作用力小。
5．我国的激光技术在世界上处于领先地位，据报道，有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。其原因可能是( B )
A．碳、氮原子构成平面结构的晶体
B．碳氮键比金刚石中的碳碳键更短
C．氮原子电子数比碳原子电子数多
D．碳、氮的单质的化学性质均不活泼
解析：由“这种化合物可能比金刚石更坚硬”可知该晶体应该是一种原子晶体，原子晶体是一种空间网状结构而不是平面结构，所以A选项是错误的。由于氮原子的半径比碳原子的半径要小，所以二者所形成的共价键的键长要比碳碳键的键长短，所以该晶体的熔、沸点和硬度应该比金刚石更高，因此B选项是正确的。而原子的电子数和单质的活泼性一般不会影响到所形成的晶体的硬度等，所以C、D选项也是错误的。
6．(2018·浙江考前特训学考)下列说法正确的是( B )
A．二氧化硅与二氧化碳都是共价化合物，且晶体类型相同
B．氧气生成臭氧的过程中有化学键的断裂和生成
C．因为氮气的键能比氧气的键能大，所以氮气的沸点比氧气的高
D．硫与氖晶体均是由单原子构成的分子晶体
解析：A、SiO2中Si与O形成共价键，CO2中C与O形成共价键，所以二者都是共价化合物，但是SiO2形成的是原子晶体，CO2形成分子晶体，A错误。B、所有化学反应过程都是反应物中化学键断裂后，重新组合生成产物，B正确。C、N2与O2的晶体都是分子晶体，二者沸点的高低取决于分子间作用力的相对大小，与分子中共价键的键能无关，C错误。D、硫原子最外层没有达到稳定结构，所以晶体中必然是通过某种形式构成稳定的分子，再通过分子间作用力形成晶体，D错误。正确答案B。
7．下列性质适合于分子晶体的是( C )
①熔点1 070℃，易溶于水，水溶液导电
②熔点10.31℃，液态不导电，水溶液导电
③能溶于CS2，熔点112.8℃，沸点444.6℃
④熔点97.81℃，质软、导电，密度为0.97 g·cm－3
A．①② B．①③
C．②③ D．②④
解析：分子晶体熔点较低，①中物质熔点高，不是分子晶体，④是金属钠的性质。
8．美国《科学》杂志曾报道：在40 GPa的高压下，用激光加热到1800 K，人们成功制得了原子晶体CO2，下列对该物质的推断一定不正确的是( B )
A．该原子晶体中含有极性键
B．该原子晶体易气化，可用作制冷材料
C．该原子晶体有很高的熔点
D．该原子晶体硬度大，可用作耐磨材料
解析：CO2由固态时形成的分子晶体变为原子晶体，其成键情况也发生了变化，但化学键依然为极性共价键，故A正确。CO2原子晶体具有高硬度、高熔点等特点，故C、D选项正确，B项错误。
9．下列各组物质发生状态变化时，所克服的微粒间的相互作用，属于同种类型的是( C )
A．金刚石和硫的熔化 B．食盐和石蜡的熔化
C．碘和干冰的升华 D．二氧化硅和氧化钠的熔化
解析：金刚石是原子晶体，熔化时克服共价键，硫是分子晶体，熔化时克服范德华力；食盐是离子化合物，熔化时克服离子键，石蜡是非晶体，没有固定的熔沸点，熔化时克服范德华力；碘和干冰均为分子晶体，升华时克服的都是范德华力；二氧化硅是原子晶体，熔化时克服共价键，氧化钠是离子化合物，熔化时克服离子键。
二、非选择题
10．(1)如图为干冰的晶胞结构，观察图形，确定在干冰中每个CO2分子周围有__12____个与之紧邻且等距离的CO2分子。
在干冰中撒入镁粉，用红热的铁棒引燃后，再盖上另一块干冰，出现的现象为__镁粉在干冰中继续燃烧，发出耀眼的白光，并有黑色物质生成____，反应的化学方程式是__2Mg＋CO22MgO＋C____。
(2)下列三种晶体①CO2，②CS2，③SiO2的熔点由高到低的顺序是__③____>__②____>__①____(用序号填空)，其原因是__SiO2是原子晶体，CO2、CS2是分子晶体，所以SiO2熔点最高；CO2和CS2组成和结构相似，且CS2的相对分子质量大于CO2的相对分子质量，所以CS2的熔点高于CO2____。
解析：(1)以晶胞中的任意一个顶点为坐标原点，以通过该顶点的三条棱边为坐标轴建立起一个三维直角坐标系，在坐标原点的周围可以无隙并置8个晶胞，这样在每一个坐标轴上都可以看到有两个与坐标原点上的CO2分子等距离的CO2分子，但是这些CO2分子与坐标原点上的CO2分子的距离并不是最近的。与坐标原点上的CO2分子最近的CO2分子应该是每一个晶胞的面心上的，其距离应是前者的，每个CO2分子周围共有12个这样的CO2分子。
(2)一般来说，原子晶体的熔点高于分子晶体的熔点，因为原子晶体熔化时要破坏共价键，而分子晶体熔化时只是克服分子间作用力，分子间作用力比共价键弱得多。如果同为分子晶体，当分子的组成和结构相似时，相对分子质量越大，分子间作用力越大，熔、沸点越高。
11．(2018·黑龙江哈尔滨高三模拟)Ⅰ.下列有关晶体结构或性质的描述中正确的是__AD____。
A．C60分子间只有范德华力，该晶体的晶胞为面心立方结构，属于分子密堆积
B．因金属性K>Na，故金属钾的熔点高于金属钠
C．金刚石与石墨晶体中，碳原子和C－C键的比值相同
D．要使离子晶体由固态变成液态或气态，需要较多的能量破坏这些较强的离子键
Ⅱ.硼及其化合物应用广泛。回答下列问题：
(1)基态B原子的价电子轨道表达式为______，其第一电离能位于同周期元素的第__7____位(按照由大到小顺序)。
(2)常温常压下硼酸(H3BO3)晶体结构为层状，其二维平面结构如图a。
图a中原子的杂化方式有__sp2、sp3____。从氢键的角度解释硼酸在冷水中的溶解度小而加热时溶解度增大：__硼酸分子间通过氢键缔合，加热时部分氢键被破坏____。
(3)立方氮化硼(BN)是特殊的耐磨和切削材料，其晶胞结构与金刚石相似，如图b所示。
①1 mol BN晶体中，共价键的个数为__4NA＝4×6.02×1023____。硼原子和氮原予所连接的最小环为__六____元环。
②晶胞有两个基本要素：原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置。如图b所示，其中原子坐标参数X为(0,0,0)，Y原子的坐标参数为(1/2,0,1/2)，则Z原子的坐标参数为__(，，)____。晶胞参数，描述晶胞的大小和形状。己知最近的两个B原子的距离a nm，阿伏加德罗常数值为NA，则立方氮化硼的密度d＝______g·cm－3。(列出计算式即可)
解析：Ⅰ.A、C60分子间只有范德华力，该晶体的晶胞为面心立方结构，属于分子密堆积，故A正确；B．因金属性K>Na，故金属钾的熔点低于金属钠，故B错误；C．金刚石中每个碳原子形成四个C—C键，每个碳碳键由两个碳原子共用；对于1单位碳原子，C—C数＝1*4/2=2,所以金钢石晶体中碳原子个数与C—C键数之比1：2；石墨中，石墨是平面六边结构，每个碳与其他三个碳形成三个共价键，每个键被两个碳原子共用，一个碳原子占有1/2键，(碳原子与其他三个碳原子形成三个共价键)1/2*3=3/2，所以碳原子与碳-碳键比1：3/2=2：3，金刚石与石墨晶体中，碳原子和C—C键的比值不相同，故C错误；D.要使离子晶体由固态变成液态或气态，需要较多的能量破坏这些较强的离子键，故D正确；故选AD。Ⅱ.(1)基态B原子的价电子轨道表达式为 ，其第一电离能位于同周期元素的第7位，比Be小；(2)图a中原子的杂化方式有B是sp2，O是sp3，从氢键的角度解释硼酸在冷水中的溶解度小而加热时溶解度增大：硼酸分子间通过氢键缔合，加热时部分氢键被破坏；(3)①1 mol BN晶体中，共价键的个数为4NA＝4×6.02×1023，硼原子和氮原子所连接的最小环为六元环。Z原子的坐标参数为：(，，)；立方氮化硼的密度d＝。
能 力 提 升
一、选择题
1．支持固态氨是分子晶体的事实是( C )
A．氮原子不能形成阳离子
B．铵离子不能单独存在
C．常温下，氨是气态物质
D．氨极易溶于水
2．目前，科学界拟合成一种“二重构造”的球形分子，即把“足球形”的C60熔进“足球形”的Si60分子中，外面的硅原子与里面的碳原子以共价键结合。下列关于这种分子的说法中不正确的是( C )
A．是一种新型化合物
B．晶体属于分子晶体
C．是两种单质组成的混合物
D．相对分子质量为2400
解析：根据题意可知硅原子与碳原子之间形成了Si—C键，因此形成的是一种新的化合物而不是混合物，故A正确，C错误。因为题意中明确提到“二重构造”的球形分子，说明所形成的为分子晶体，且分子式为Si60C60，所以相对分子质量为2400。故B、D皆正确。
3．现代无机化学对硫－氮化合物的研究是最为活跃的领域之一。其中如图是已经合成的最著名的硫－氮化合物的分子结构。下列说法正确的是( B )
A．该物质的分子式为SN
B．该物质的分子中既有极性键又有非极性键
C．该物质具有很高的熔、沸点
D．该物质与化合物S2N2互为同素异形体
解析：题中图示表示是一种分子(不是晶胞)，故该化合物为分子晶体，分子式为S4N4。从分子结构图上可知，分子中存在N—S极性键和S—S非极性键。
4．目前，世界上已合成了几百种有机超导体，TCNQ就是其中之一。TCNQ的分子结构如下图所示。下列关于TCNQ的说法中错误的是( B )
A．分子中所有的氮原子在同一平面内
B．属于原子晶体
C．化学式为C12H4N4
D．该物质难溶于水
解析：在C===C键中，C原子的杂化轨道为sp2杂化轨道，在C≡N键中C原子的杂化轨道为sp杂化轨道，sp2杂化轨道为平面三角形，sp杂化轨道为直线形，故TCNQ分子中所有的原子都在同一平面内，当然分子中所有的氮原子都在同一平面内，A正确；题干中讲TCNQ是分子，所以它所形成的晶体为分子晶体，B不正确；由分子结构知其化学式为C12H4N4，C正确；TCNQ分子的对称性很好，是非极性分子，难溶于极性溶剂水中，D正确。
5．最近，美国科学家成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的原子晶体，下列关于CO2的原子晶体说法正确的是( D )
A．CO2的原子晶体和分子晶体互为同素异形体
B．在一定条件下，CO2的原子晶体转化为分子晶体是物理变化
C．CO2的原子晶体和分子晶体具有相同的物理性质
D．在CO2的原子晶体中，每个碳原子周围结合4个氧原子，每个氧原子与2个碳原子相结合
解析：同素异形体的研究对象是单质；CO2的不同晶体类型之间的转变过程中，化学键发生了改变，故为化学变化；CO2的不同晶体具有不同的物理性质；CO2的原子晶体结构类似于SiO2，故每个碳原子结合4个氧原子，每个氧原子结合2个碳原子。
6．已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于C3N4晶体的说法错误的是( D )
A．该晶体属于原子晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固
B．该晶体中每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子
C．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构
D．该晶体与金刚石相似，都是原子间以非极性键形成空间网状结构
解析：C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度是因为N—C键比C—C键的键能大，C3N4晶体原子间以N—C极性键形成空间网状结构，故D项说法错误。
7．有X、Y、Z、W、M五种短周期元素，其中X、Y、Z、W同周期，Z、M同主族；X＋与M2－具有相同的电子层结构；离子半径：Z2－>W－；Y的单质晶体熔点高、硬度大，是一种重要的半导体材料。下列说法中，正确的是( D )
A．X、M两种元素只能形成X2M型化合物
B．由于W、Z、M元素的氢化物相对分子质量依次减小，所以其沸点依次降低
C．元素Y、Z、W的单质晶体属于同种类型的晶体
D．元素W和M的某些单质可作为水处理中的消毒剂
解析：X＋与M2－具有相同的电子层结构且均属于短周期元素，可推知X为钠元素，M为氧元素，由此可知Z为硫元素；X、Y、Z、W属于同周期元素，由离子半径：Z2－>W－，可推知W为氯元素；Y的单质晶体熔点高、硬度大，是一种重要的半导体材料，不难判断，Y为硅元素。Na与O两种元素可形成Na2O和Na2O2两种化合物，故A项错误；虽然HCl、H2S、H2O的相对分子质量依次减小，但因H2O分子间存在氢键，沸点高于HCl和H2S，故B项错误；单质Si属于原子晶体，单质S和Cl2属于分子晶体，故C项错误；O3和Cl2都具有强氧化性，可作为水处理的消毒剂，故D项正确。
二、非选择题
8．(2018·吉林实验中学一模)(1)GaF3的熔点高于1 000 ℃，GaCl3的熔点为77.9 ℃，其原因是__GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体____。
(2)GaAs的熔点为1 238 ℃，密度为ρ g·cm－3，其晶胞结构如图所示。该晶体的类型为__原子晶体____，Ga与As以__共价____键键合。Ga和As的摩尔质量分别为MGa g·mol－1和MAs g·mol－1，原子半径分别为rGa pm和rAs pm，阿伏加德罗常数值为NA，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为__×100%____。
解析：(1)GaF3的熔点高于1 000℃，GaCl3的熔点为77.9℃，其原因是GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体，离子晶体的熔点高；
(2)GaAs的熔点为1 238℃，熔点较高，以共价键结合形成属于原子晶体，密度为ρ g·cm－3，根据均摊法计算，As：8×＋6×＝4，Ga：4×1＝4，故其晶胞中原子所占的体积V1＝4×π(r＋r)×10－30，晶胞的体积V2＝，故GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为将V1、V2带入计算得百分率＝×100%＝。
第二节 分子晶体与原子晶体
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？
水晶是一种古老的宝石，晶体完好时呈六棱柱钻头形。在水晶中，原子是怎样排列的呢？
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__范德华力____，则分子晶体有__分子密堆积____特征，即每个分子周围有__12____个紧邻的分子。
②分子间还含有其他作用力，如__氢键____，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__4____个紧邻的水分子。
2．分子晶体与物质的类别：
物质种类
实例
所有__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
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
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__4____个CO2分子，__12____个原子。
②每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为__12____个。
(2)冰。
①水分子之间的作用力有__范德华力____，但主要是__氢键____。
②由于__氢键____的方向性，使四面体中心的每个水分子与四面体顶点的__4____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__网状____结构，不存在__单个____的小分子，是一个“巨分子”，又称__共价____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)、__晶体硅____(Si)等；
②某些非金属化合物，如__碳化硅____(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__共价单键____对称地与相邻的4个碳原子相结合，形成__正四面体____结构。
②晶体中碳碳键之间的夹角为__109°28′____，碳原子采取了__sp3____杂化。
③最小环上有__6____个碳原子。
(2)SiO2的结构特点：把金刚石晶体中的__碳____原子换为__硅____原子，每两个硅原子之间增加一个__氧____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．(双选)下列式子中，能真实表示分子组成的是( AB )
A．H2SO4 B．NH3
C．SiO2 D．C
解析：H2SO4是分子晶体，所以H2SO4可表示硫酸分子的组成；NH3为分子晶体，故NH3可表示氨气分子的组成；SiO2是原子晶体，SiO2只能表示晶体中Si原子与O原子的个数比为1∶2；C既可表示金刚石，又可表示石墨等碳单质。
3．下列有关分子晶体的说法中正确的是( B )
A．分子内均存在共价键
B．分子间一定存在范德华力
C．分子间一定存在氢键
D．其结构一定为分子密堆积
解析：稀有气体元素组成的晶体中，不存在由多个原子组成的分子，而是原子间通过范德华力结合成晶体，所以不存在任何化学键，故A项错误。分子间作用力包括范德华力和氢键，范德华力存在于所有的分子晶体中，而氢键只存在于含有与电负性较强的N、O、F原子结合的氢原子的分子间或者分子内，所以B项正确，C项错误。只有只存在范德华力的分子晶体才采取分子密堆积的方式，所以D选项也是错误的。
4．下列说法中正确的是( C )
A．原子晶体中只存在非极性共价键
B．因为HCl的相对分子质量大于HF，所以HCl的熔点高于HF
C．干冰升华时，分子内共价键不会发生断裂
D．金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合物
解析：原子晶体中可能存在极性共价键，如SiO2、SiC等，A项不正确；HF晶体中存在氢键，熔点高于HCl晶体，B项不正确；干冰升华是物理变化，分子间作用力被破坏，但分子内共价键不断裂，C项正确；金属元素和非金属元素形成的化合物不一定是离子化合物，也可能是共价化合物，如AlCl3等，D项不正确。
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 )
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__原子____晶体。金刚砂熔点比金刚石熔点__低____。
(2)在金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合__4____个碳原子，键角是__109°28′____。
(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__3____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。
知识点一 原子晶体与分子晶体比较与判断
1．原子晶体和分子晶体的比较
晶体类型
原子晶体
分子晶体
概念
相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体
分子间以分子间作用力相结合的晶体
组成粒子
原子
分子
粒子间作用力
共价键
分子间作用力
熔、沸点
很高
较低
硬度
很大
较小
溶解性
不溶于任何溶剂
部分溶于水
导电性
不导电，个别为半导体
不导电，部分溶于水导电
熔化时破坏的作用力
共价键
分子间作用力
实例
金刚石
干冰
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。
典例1 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( C )
①SiO2和SO3 ②晶体硼和HCl ③CO2和SO2 ④晶体硅和金刚石 ⑤晶体氖和晶体氮 ⑥硫黄和碘
A．①②③ B．④⑤⑥
C．③④⑥ D．①③⑤
解析：属于分子晶体的有SO3、HCl、CO2、SO2、晶体氖、晶体氮、硫黄和碘。属于原子晶体的有SiO2、晶体硼、晶体硅和金刚石。但晶体氖是由稀有气体分子组成，稀有气体为单原子分子，分子间不存在化学键。
〔变式训练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__B、C、E、F____，直接由原子构成的分子晶体是__E____。
(2)属于原子晶体的化合物是__A____。
(3)直接由原子构成的晶体是__A、D、E____。
(4)受热熔化时，需克服共价键的是__A、D____。
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。
知识点二 分子晶体和原子晶体熔沸点高低的比较
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。
(4)同分异构体的支链越多，熔沸点越低。如
CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>
(5)烃、卤代烃、醇、醛、羧酸等有机物一般随分子里碳原子的增加，熔沸点升高。如C2H6>CH4，C2H5Cl>CH3Cl，CH3COOH>HCOOH。
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：C
典例2 下列物质的沸点变化顺序正确的是( A )
A．CH4
解析：A．这几种氢化物结构和性质相似，且相对分子质量随着原子序数增大而增大，所以其沸点顺序为CH4
AlCl3
SiCl4
晶体硼
金刚石
晶体硅
熔点/℃
190
－68
2 300
>3 550
1 410
沸点/℃
178
57
2 550
4 827
2 355
A．SiCl4是分子晶体
B．晶体硼是原子晶体
C．AlCl3是分子晶体，加热能升华
D．金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键弱
解析：SiCl4、AlCl3的熔沸点低，都是分子晶体，AlCl3的沸点低于其熔点，即在未熔化的温度下它就能汽化，故AlCl3加热能升华，A、C正确；单质硼的熔沸点高，所以晶体硼是原子晶体，B正确；C原子的半径比Si原子的半径小，金刚石中的C—C键键长比晶体硅中的Si—Si键键长短，金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键强，D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。
1．AB型的化学式形成的晶体结构情况多种多样。下列图示的几种结构中最有可能是分子晶体的是( B )
A．①③ B．②⑤
C．⑤⑥ D．③④⑤⑥
解析：分子晶体中不存在共用，从各图中可以看出②⑤不存在共用现象，所以最有可能是分子晶体。
2．下列属于分子晶体性质的是( B )
A．组成晶体的微粒是离子
B．能溶于CS2，熔点为112.8℃，沸点为444.6℃
C．熔点为1 400℃，可作半导体材料，难溶于水
D．熔点高，硬度大
解析：分子晶体的主要性质有熔沸点低，硬度小，极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂，晶体固态和熔化时均不导电。
3．在x mol石英晶体中，含有Si—O键数是( D )
A．x mol B．2x mol
C．3x mol D．4x mol
解析：由石英的晶体结构可以看出一个硅原子周围有四个氧原子，即一个硅原子形成4个Si—O键，所以在x mol石英晶体中含有Si—O键数是4x mol。
4．下列说法不正确的是( C )
A．在干冰晶体中，与一个CO2分子相邻且等距离的CO2分子共有12个
B．在SiO2晶体中，若含有1 mol Si原子，则Si—O键数为4NA
C．在金刚石晶体中，一个碳原子被12个六元碳环所共用，一个C—C键最多可形成6个六元环、一个六元环实际拥有一个碳原子
D．m g石墨中，正六边形数目为mNA/24，每个环拥有碳原子数与C—C键数之比为2：3
解析：在干冰晶体中，CO2分子位于顶点和面心，如图所示。以立方体上面面心的CO2分子为研究对象，向上延伸，与该CO2分子等距离的CO2为12个，A项正确；在SiO2晶体中，1个Si与周围4个O形成4个Si—O键，B项正确；在金刚石中每两条棱可形成两个六边形，一个碳可形成12个六边形，一个C—C键可形成6个六元环，一个六元环实际拥有×6＝个C，C项错；在石墨中，一个六元环实际拥有×6个C，实际拥有×6个C—C，m g石墨含有六边形数目为×NA＝，因此D项正确。
5．C60、金刚石和石墨的结构模型如下图所示(石墨仅表示出其中的一层结构)：
(1)C60、金刚石和石墨三者的关系互为__B____；
A．同分异构体 B．同素异形体
C．同系物 D．同位素
(2)固态时，C60属于__分子____(填“离子”“原子”或“分子”)晶体；
(3)石墨层状结构中，平均每个正六边形占有的碳原子数是__2____。
解析：C60、金刚石和石墨均是由碳原子形成的单质，三者互为同素异形体；C60有固定的分子组成，属于分子晶体；在石墨层状结构中最小的正六边形里，每一个碳原子都被周围相同的3个正六边形共用，一个正六边形只占有每个碳原子的，所以每一层里平均每个最小的正六边形占有碳原子数目为2。
基 础 巩 固
一、选择题
1．下面关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是( C )
A．最小的环上，有3个Si原子和3个O原子
B．最小的环上，Si和O原子数之比为1∶2
C．最小的环上，有6个Si原子和6个O原子
D．存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶角
解析：联想教材中SiO2的晶体空间结构模型，每个硅原子与4个氧原子结合形成4个共价键，每个氧原子与2个硅原子结合形成2个共价键，其空间网状结构中存在四面体结构单元，硅原子位于四面体的中心，氧原子位于四面体的4个顶角，故D项错误；金刚石的最小环上有6个碳原子，SiO2的晶体结构可将金刚石晶体结构中的碳原子用硅原子代替，每个Si—Si键中“插入”一个氧原子，所以其最小环上有6个硅原子和6个氧原子，Si、O原子个数比为1∶1，故A、B两项错误，C项正确。
2．(双选)下列晶体性质的比较中，正确的是( AD )
A．熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅
B．沸点：NH3>H2O>HF
C．硬度：白磷>冰>二氧化硅
D．熔点：SiI4>SiBr4>SiCl4
解析：由C—C、C—Si、Si—Si键的键能和键长可判断A项正确；由SiI4、SiBr4、SiCl4的相对分子质量可判断D项正确；沸点H2O>HF>NH3，二氧化硅是原子晶体，硬度大，白磷和冰都是分子晶体，硬度小，B、C项错误。
3．根据下列性质判断，属于原子晶体的物质是( B )
A．熔点2700℃，导电性好，延展性强
B．无色晶体，熔点3550℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂
C．无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800℃，熔化时能导电
D．熔点－56.6℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电
解析：本题考查的是各类晶体的物理性质特征。A项中延展性好，不是原子晶体的特征，因为原子晶体中原子与原子之间以共价键结合，而共价键有一定的方向性，使原子晶体质硬而脆，A项不正确，B项符合原子晶体的特征，C项应该是离子晶体，D项符合分子晶体的特征，所以应该选择B项。
4．碘的熔、沸点低，其原因是( C )
A．碘的非金属性较弱
B．I—I键的键能较小
C．碘晶体属于分子晶体
D．I—I共价键的键长较长
解析：分子晶体的熔、沸点低，是因为分子晶体内部的分子间作用力小。
5．我国的激光技术在世界上处于领先地位，据报道，有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。其原因可能是( B )
A．碳、氮原子构成平面结构的晶体
B．碳氮键比金刚石中的碳碳键更短
C．氮原子电子数比碳原子电子数多
D．碳、氮的单质的化学性质均不活泼
解析：由“这种化合物可能比金刚石更坚硬”可知该晶体应该是一种原子晶体，原子晶体是一种空间网状结构而不是平面结构，所以A选项是错误的。由于氮原子的半径比碳原子的半径要小，所以二者所形成的共价键的键长要比碳碳键的键长短，所以该晶体的熔、沸点和硬度应该比金刚石更高，因此B选项是正确的。而原子的电子数和单质的活泼性一般不会影响到所形成的晶体的硬度等，所以C、D选项也是错误的。
6．(2018·浙江考前特训学考)下列说法正确的是( B )
A．二氧化硅与二氧化碳都是共价化合物，且晶体类型相同
B．氧气生成臭氧的过程中有化学键的断裂和生成
C．因为氮气的键能比氧气的键能大，所以氮气的沸点比氧气的高
D．硫与氖晶体均是由单原子构成的分子晶体
解析：A、SiO2中Si与O形成共价键，CO2中C与O形成共价键，所以二者都是共价化合物，但是SiO2形成的是原子晶体，CO2形成分子晶体，A错误。B、所有化学反应过程都是反应物中化学键断裂后，重新组合生成产物，B正确。C、N2与O2的晶体都是分子晶体，二者沸点的高低取决于分子间作用力的相对大小，与分子中共价键的键能无关，C错误。D、硫原子最外层没有达到稳定结构，所以晶体中必然是通过某种形式构成稳定的分子，再通过分子间作用力形成晶体，D错误。正确答案B。
7．下列性质适合于分子晶体的是( C )
①熔点1 070℃，易溶于水，水溶液导电
②熔点10.31℃，液态不导电，水溶液导电
③能溶于CS2，熔点112.8℃，沸点444.6℃
④熔点97.81℃，质软、导电，密度为0.97 g·cm－3
A．①② B．①③
C．②③ D．②④
解析：分子晶体熔点较低，①中物质熔点高，不是分子晶体，④是金属钠的性质。
8．美国《科学》杂志曾报道：在40 GPa的高压下，用激光加热到1800 K，人们成功制得了原子晶体CO2，下列对该物质的推断一定不正确的是( B )
A．该原子晶体中含有极性键
B．该原子晶体易气化，可用作制冷材料
C．该原子晶体有很高的熔点
D．该原子晶体硬度大，可用作耐磨材料
解析：CO2由固态时形成的分子晶体变为原子晶体，其成键情况也发生了变化，但化学键依然为极性共价键，故A正确。CO2原子晶体具有高硬度、高熔点等特点，故C、D选项正确，B项错误。
9．下列各组物质发生状态变化时，所克服的微粒间的相互作用，属于同种类型的是( C )
A．金刚石和硫的熔化 B．食盐和石蜡的熔化
C．碘和干冰的升华 D．二氧化硅和氧化钠的熔化
解析：金刚石是原子晶体，熔化时克服共价键，硫是分子晶体，熔化时克服范德华力；食盐是离子化合物，熔化时克服离子键，石蜡是非晶体，没有固定的熔沸点，熔化时克服范德华力；碘和干冰均为分子晶体，升华时克服的都是范德华力；二氧化硅是原子晶体，熔化时克服共价键，氧化钠是离子化合物，熔化时克服离子键。
二、非选择题
10．(1)如图为干冰的晶胞结构，观察图形，确定在干冰中每个CO2分子周围有__12____个与之紧邻且等距离的CO2分子。
在干冰中撒入镁粉，用红热的铁棒引燃后，再盖上另一块干冰，出现的现象为__镁粉在干冰中继续燃烧，发出耀眼的白光，并有黑色物质生成____，反应的化学方程式是__2Mg＋CO22MgO＋C____。
(2)下列三种晶体①CO2，②CS2，③SiO2的熔点由高到低的顺序是__③____>__②____>__①____(用序号填空)，其原因是__SiO2是原子晶体，CO2、CS2是分子晶体，所以SiO2熔点最高；CO2和CS2组成和结构相似，且CS2的相对分子质量大于CO2的相对分子质量，所以CS2的熔点高于CO2____。
解析：(1)以晶胞中的任意一个顶点为坐标原点，以通过该顶点的三条棱边为坐标轴建立起一个三维直角坐标系，在坐标原点的周围可以无隙并置8个晶胞，这样在每一个坐标轴上都可以看到有两个与坐标原点上的CO2分子等距离的CO2分子，但是这些CO2分子与坐标原点上的CO2分子的距离并不是最近的。与坐标原点上的CO2分子最近的CO2分子应该是每一个晶胞的面心上的，其距离应是前者的，每个CO2分子周围共有12个这样的CO2分子。
(2)一般来说，原子晶体的熔点高于分子晶体的熔点，因为原子晶体熔化时要破坏共价键，而分子晶体熔化时只是克服分子间作用力，分子间作用力比共价键弱得多。如果同为分子晶体，当分子的组成和结构相似时，相对分子质量越大，分子间作用力越大，熔、沸点越高。
11．(2018·黑龙江哈尔滨高三模拟)Ⅰ.下列有关晶体结构或性质的描述中正确的是__AD____。
A．C60分子间只有范德华力，该晶体的晶胞为面心立方结构，属于分子密堆积
B．因金属性K>Na，故金属钾的熔点高于金属钠
C．金刚石与石墨晶体中，碳原子和C－C键的比值相同
D．要使离子晶体由固态变成液态或气态，需要较多的能量破坏这些较强的离子键
Ⅱ.硼及其化合物应用广泛。回答下列问题：
(1)基态B原子的价电子轨道表达式为______，其第一电离能位于同周期元素的第__7____位(按照由大到小顺序)。
(2)常温常压下硼酸(H3BO3)晶体结构为层状，其二维平面结构如图a。
图a中原子的杂化方式有__sp2、sp3____。从氢键的角度解释硼酸在冷水中的溶解度小而加热时溶解度增大：__硼酸分子间通过氢键缔合，加热时部分氢键被破坏____。
(3)立方氮化硼(BN)是特殊的耐磨和切削材料，其晶胞结构与金刚石相似，如图b所示。
①1 mol BN晶体中，共价键的个数为__4NA＝4×6.02×1023____。硼原子和氮原予所连接的最小环为__六____元环。
②晶胞有两个基本要素：原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置。如图b所示，其中原子坐标参数X为(0,0,0)，Y原子的坐标参数为(1/2,0,1/2)，则Z原子的坐标参数为__(，，)____。晶胞参数，描述晶胞的大小和形状。己知最近的两个B原子的距离a nm，阿伏加德罗常数值为NA，则立方氮化硼的密度d＝______g·cm－3。(列出计算式即可)
解析：Ⅰ.A、C60分子间只有范德华力，该晶体的晶胞为面心立方结构，属于分子密堆积，故A正确；B．因金属性K>Na，故金属钾的熔点低于金属钠，故B错误；C．金刚石中每个碳原子形成四个C—C键，每个碳碳键由两个碳原子共用；对于1单位碳原子，C—C数＝1*4/2=2,所以金钢石晶体中碳原子个数与C—C键数之比1：2；石墨中，石墨是平面六边结构，每个碳与其他三个碳形成三个共价键，每个键被两个碳原子共用，一个碳原子占有1/2键，(碳原子与其他三个碳原子形成三个共价键)1/2*3=3/2，所以碳原子与碳-碳键比1：3/2=2：3，金刚石与石墨晶体中，碳原子和C—C键的比值不相同，故C错误；D.要使离子晶体由固态变成液态或气态，需要较多的能量破坏这些较强的离子键，故D正确；故选AD。Ⅱ.(1)基态B原子的价电子轨道表达式为 ，其第一电离能位于同周期元素的第7位，比Be小；(2)图a中原子的杂化方式有B是sp2，O是sp3，从氢键的角度解释硼酸在冷水中的溶解度小而加热时溶解度增大：硼酸分子间通过氢键缔合，加热时部分氢键被破坏；(3)①1 mol BN晶体中，共价键的个数为4NA＝4×6.02×1023，硼原子和氮原子所连接的最小环为六元环。Z原子的坐标参数为：(，，)；立方氮化硼的密度d＝。
能 力 提 升
一、选择题
1．支持固态氨是分子晶体的事实是( C )
A．氮原子不能形成阳离子
B．铵离子不能单独存在
C．常温下，氨是气态物质
D．氨极易溶于水
2．目前，科学界拟合成一种“二重构造”的球形分子，即把“足球形”的C60熔进“足球形”的Si60分子中，外面的硅原子与里面的碳原子以共价键结合。下列关于这种分子的说法中不正确的是( C )
A．是一种新型化合物
B．晶体属于分子晶体
C．是两种单质组成的混合物
D．相对分子质量为2400
解析：根据题意可知硅原子与碳原子之间形成了Si—C键，因此形成的是一种新的化合物而不是混合物，故A正确，C错误。因为题意中明确提到“二重构造”的球形分子，说明所形成的为分子晶体，且分子式为Si60C60，所以相对分子质量为2400。故B、D皆正确。
3．现代无机化学对硫－氮化合物的研究是最为活跃的领域之一。其中如图是已经合成的最著名的硫－氮化合物的分子结构。下列说法正确的是( B )
A．该物质的分子式为SN
B．该物质的分子中既有极性键又有非极性键
C．该物质具有很高的熔、沸点
D．该物质与化合物S2N2互为同素异形体
解析：题中图示表示是一种分子(不是晶胞)，故该化合物为分子晶体，分子式为S4N4。从分子结构图上可知，分子中存在N—S极性键和S—S非极性键。
4．目前，世界上已合成了几百种有机超导体，TCNQ就是其中之一。TCNQ的分子结构如下图所示。下列关于TCNQ的说法中错误的是( B )
A．分子中所有的氮原子在同一平面内
B．属于原子晶体
C．化学式为C12H4N4
D．该物质难溶于水
解析：在C===C键中，C原子的杂化轨道为sp2杂化轨道，在C≡N键中C原子的杂化轨道为sp杂化轨道，sp2杂化轨道为平面三角形，sp杂化轨道为直线形，故TCNQ分子中所有的原子都在同一平面内，当然分子中所有的氮原子都在同一平面内，A正确；题干中讲TCNQ是分子，所以它所形成的晶体为分子晶体，B不正确；由分子结构知其化学式为C12H4N4，C正确；TCNQ分子的对称性很好，是非极性分子，难溶于极性溶剂水中，D正确。
5．最近，美国科学家成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的原子晶体，下列关于CO2的原子晶体说法正确的是( D )
A．CO2的原子晶体和分子晶体互为同素异形体
B．在一定条件下，CO2的原子晶体转化为分子晶体是物理变化
C．CO2的原子晶体和分子晶体具有相同的物理性质
D．在CO2的原子晶体中，每个碳原子周围结合4个氧原子，每个氧原子与2个碳原子相结合
解析：同素异形体的研究对象是单质；CO2的不同晶体类型之间的转变过程中，化学键发生了改变，故为化学变化；CO2的不同晶体具有不同的物理性质；CO2的原子晶体结构类似于SiO2，故每个碳原子结合4个氧原子，每个氧原子结合2个碳原子。
6．已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于C3N4晶体的说法错误的是( D )
A．该晶体属于原子晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固
B．该晶体中每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子
C．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构
D．该晶体与金刚石相似，都是原子间以非极性键形成空间网状结构
解析：C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度是因为N—C键比C—C键的键能大，C3N4晶体原子间以N—C极性键形成空间网状结构，故D项说法错误。
7．有X、Y、Z、W、M五种短周期元素，其中X、Y、Z、W同周期，Z、M同主族；X＋与M2－具有相同的电子层结构；离子半径：Z2－>W－；Y的单质晶体熔点高、硬度大，是一种重要的半导体材料。下列说法中，正确的是( D )
A．X、M两种元素只能形成X2M型化合物
B．由于W、Z、M元素的氢化物相对分子质量依次减小，所以其沸点依次降低
C．元素Y、Z、W的单质晶体属于同种类型的晶体
D．元素W和M的某些单质可作为水处理中的消毒剂
解析：X＋与M2－具有相同的电子层结构且均属于短周期元素，可推知X为钠元素，M为氧元素，由此可知Z为硫元素；X、Y、Z、W属于同周期元素，由离子半径：Z2－>W－，可推知W为氯元素；Y的单质晶体熔点高、硬度大，是一种重要的半导体材料，不难判断，Y为硅元素。Na与O两种元素可形成Na2O和Na2O2两种化合物，故A项错误；虽然HCl、H2S、H2O的相对分子质量依次减小，但因H2O分子间存在氢键，沸点高于HCl和H2S，故B项错误；单质Si属于原子晶体，单质S和Cl2属于分子晶体，故C项错误；O3和Cl2都具有强氧化性，可作为水处理的消毒剂，故D项正确。
二、非选择题
8．(2018·吉林实验中学一模)(1)GaF3的熔点高于1 000 ℃，GaCl3的熔点为77.9 ℃，其原因是__GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体____。
(2)GaAs的熔点为1 238 ℃，密度为ρ g·cm－3，其晶胞结构如图所示。该晶体的类型为__原子晶体____，Ga与As以__共价____键键合。Ga和As的摩尔质量分别为MGa g·mol－1和MAs g·mol－1，原子半径分别为rGa pm和rAs pm，阿伏加德罗常数值为NA，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为__×100%____。
解析：(1)GaF3的熔点高于1 000℃，GaCl3的熔点为77.9℃，其原因是GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体，离子晶体的熔点高；
(2)GaAs的熔点为1 238℃，熔点较高，以共价键结合形成属于原子晶体，密度为ρ g·cm－3，根据均摊法计算，As：8×＋6×＝4，Ga：4×1＝4，故其晶胞中原子所占的体积V1＝4×π(r＋r)×10－30，晶胞的体积V2＝，故GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为将V1、V2带入计算得百分率＝×100%＝。
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