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高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2第2节 原子结构与元素周期表精品第3课时同步达标检测题
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这是一份高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2第2节 原子结构与元素周期表精品第3课时同步达标检测题，共14页。
第3课时 分子晶体
[核心素养发展目标] 1.了解分子晶体的概念、结构特点及常见的分子晶体。2.能够从范德华力、氢键的特征，分析理解分子晶体的物理特性。3.会比较判断晶体类型。
一、分子晶体
1．概念
分子之间通过分子间作用力结合形成的晶体。
2．结构
3．常见物质类型
类型
实例
部分非金属单质
卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)、稀有气体等
部分非金属氧化物
CO2、P4O6、P4O10、SO2等
非金属氢化物
H2O、NH3、CH4等
几乎所有的酸
HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等
多数有机物的晶体
苯、乙醇等
4.典型的分子晶体
单质碘
干冰
冰
晶胞或结构模型
微粒间作用力
范德华力
范德华力
范德华力和氢键
晶胞中微粒数
4
4
配位数
12
4
5.分子晶体的物理性质
(1)分子晶体由于以比较弱的分子间作用力相结合，因此一般熔点较低，硬度较小。
(2)对组成和结构相似，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，范德华力增大，熔、沸点升高。
(1)分子晶体结构一定遵循紧密堆积原理( )
(2)水是一种非常稳定的化合物，是因为水中存在氢键( )
(3)CO2和SiO2中化学键类型相同，晶体类型也相同( )
(4)分子晶体的状态变化，只需克服分子间作用力，不破坏化学键( )
(5)分子晶体的相对分子质量越大，熔、沸点越高( )
(6)分子晶体中分子间作用力越大，分子越稳定( )
(7)互为同素异形体的单质的晶体类型一定相同( )
(8)冰、液态水、水蒸气中均存在氢键( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)× (7)× (8)×
1．下图为冰晶体的结构模型，大球代表O，小球代表H。下列有关说法正确的是( )
A．冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体
B．冰晶体具有空间网状结构，是共价晶体
C．水分子间通过H—O键形成冰晶体
D．冰融化时，水分子之间空隙增大
答案 A
解析 冰中的水分子是靠氢键结合在一起，氢键不是化学键，而是一种分子间作用力，故B、C两项均错误；水分子形成氢键时沿O的四个sp3杂化轨道方向形成氢键，可以与4个水分子形成氢键，形成空间四面体构型，A项正确；水分子靠氢键连接后，分子间空隙变大，因此融化时，水的体积缩小，D项错误。
2．比较下列化合物熔、沸点的高低(填“>”或“<”)。
CO2________SO2；NH3________PH3；O3________O2；Ne________Ar；CO________N2。
答案 < > > < >
3．已知AlCl3的熔点为190 ℃(2.202×105Pa)，但它在180 ℃即开始升华。请回答：
(1)AlCl3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_______________________________________________________________________________。
答案 (1)分子 (2)在熔融状态下，检测AlCl3是否导电，若不导电则AlCl3是共价化合物
解析 (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。
分子晶体熔、沸点高低的比较
(1)组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高。如O2>N2，HI>HBr>HCl。
(2)相对分子质量相等或相近时，极性分子间的范德华力大，相应晶体的熔、沸点高。如CO>N2。
(3)分子间含有氢键的物质，熔、沸点较高。如H2O>H2Te>H2Se>H2S，HF>HCl，NH3>PH3。
(4)在烷烃的同分异构体中，一般来说，支链数越多，熔、沸点越低。如沸点：正戊烷>异戊烷>新戊烷。
二、晶体结构的复杂性
1．混合型晶体
(一)石墨晶体的结构与性质
(1)结构模型
(2)结构特点
①石墨晶体是层状结构，同层中每个碳原子以sp2杂化轨道与邻近的3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。
②在同一平面的碳原子还各剩下一个未参与杂化的2p轨道，并含有一个未成对电子形成大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。
③层与层之间以范德华力相结合，可以相对滑动，使之具有润滑性。
所以，石墨晶体中存在的作用力有共价键、范德华力、类似金属键的作用力，我们将这类晶体称为混合型晶体。
(3)性质
熔点高、质软、导电。
(4)用途
制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等。
(二)黑磷
黑磷有正交、简单立方和菱方等三种晶型。其中，正交晶型的黑磷具有半导体性质，可用作电学和光学材料。该晶体与石墨相似，具有层状结构，层间依靠范德华力结合在一起，而在层内，每个磷原子与其他三个磷原子相连，形成二维皱褶蜂巢型结构，因此，正交晶型黑磷晶体属于混合型晶体。二维的单层黑磷又称为磷烯，它具有比石墨烯更大的带隙，磷烯在场效应晶体管、光电子器件、自旋电子学、气体传感器及太阳能电池等方面有着广阔的应用前景。
2．晶体结构复杂性的原因
(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的作用，这也使这类晶体具有重要应用。
例如，BaTiO3含有一种阴离子和多种阳离子，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。该类材料由CH3NH和Pb2＋、Sn2＋等金属阳离子以及Cl－、Br－、I－等卤素阴离子组成，无机组分和有机组分特性的优异组合，使其可作为薄膜太阳能电池材料。Ca5(PO4)3OH含有一种阳离子和多种阴离子，是人体和动物骨骼的主要无机成分。
又如，Na2SiO3中并不存在单个的简单SiO，Si通过共价键与4个O原子相连，形成硅氧四面体。硅氧四面体通过共用顶角O原子而连成较大的链状硅酸盐{SiO}∞单元，再与金属阳离子以离子键相互作用。
(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。可以想象，由于微粒间的作用存在键型过渡，即使组成简单的晶体，也可能是居于金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体之间的过渡状态，形成过渡晶体。
(1)石墨属于共价晶体，能导电，也属于电解质( )
(2)石墨中含有范德华力，所以石墨的熔点低( )
(3)石墨的硬度比金刚石大( )
(4)石墨能导电，所以属于金属晶体( )
(5)物质组成的复杂性及微粒间的作用存在键型过渡导致了晶体结构的复杂性( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)√
1．碳元素的单质有多种形式，下图依次是C60、石墨和金刚石的结构图：
回答下列问题：
(1)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化方式分别为________、________。
(2)C60属于________晶体，石墨属于________晶体。
(3)在金刚石晶体中，碳原子数与化学键数之比为____________________________________；
在石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的化学键数为________，该晶体中碳原子数与共价键数之比为________。
(4)石墨晶体中，层内C—C键的键长为142 pm，而金刚石中C—C键的键长为154 pm。推测金刚石的熔点________(填“>”“<”或“＝”)石墨的熔点。
答案 (1)sp3杂化 sp2杂化 (2)分子 混合型 (3)1∶2 3 2∶3 (4) <
解析 (1)金刚石中碳原子与四个碳原子形成4个共价单键(即C原子采取sp3杂化方式)，构成正四面体，石墨中的碳原子采取sp2杂化方式，形成平面六元环结构。(2)C60中构成微粒是分子，所以属于分子晶体；石墨晶体有共价键、金属键和范德华力，所以石墨属于混合型晶体。(3)金刚石晶体中每个碳原子平均拥有的化学键数为4×＝2，则碳原子数与化学键数之比为1∶2。石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的碳原子数和化学键数分别为6×＝2和6×＝3，其比值为2∶3。(4)石墨中的C—C键比金刚石中的C—C键键长短，键能大，故石墨的熔点高于金刚石。
2．在硅酸盐中，SiO四面体[如图(a)]通过共用顶角氧离子可形成岛状、链状、层状、骨架网状四大类结构型式。图(b)为一种无限长单链结构的多硅酸根，其中Si原子的杂化形式为________，Si与O的原子数之比为________，化学式为________。
答案 sp3 1∶3 SiO
解析 由图(a)硅酸盐中的硅酸根(SiO)为正四面体结构，所以中心原子Si原子采取了sp3杂化方式，根据图(b)的一个结构单元中含有1个硅、2＋2×＝3个氧原子，则Si与O的原子数之比为1∶3，化学式为SiO。
四种晶体类型的比较
离子晶体
共价晶体
分子晶体
金属晶体
构成晶体的粒子
阴、阳离子
原子
分子
金属阳离子和自由电子
粒子间的作用
离子键
共价键
分子间作用力(有的有氢键)
金属键
作用力强弱(一般情况下)
较强
很强
弱
较强
确定作用力强弱的一般判断方法
离子所带电荷总数、离子半径
键长(原子半径)
分子间的氢键增大分子间作用力，组成和结构相似时比较相对分子质量
离子半径、离子所带电荷数
熔、沸点
较高
高
低
差别较大(如汞常温下为液态，钨熔点为3 410 ℃)
硬度
硬而脆
大
较小
差别较大
导热和导电性
不良导体(熔化后或溶于水导电)
不良导体或半导体
不良导体(部分溶于水发生电离后导电)
良导体
溶解性
多数易溶
一般不溶
相似相溶
一般不溶于水，少数与水反应
机械加工性
不良
不良
不良
优良
延展性
差
差
差
优良
1．下列物质呈固态时，一定属于分子晶体的是( )
A．非金属单质 B．非金属氧化物
C．含氧酸 D．金属氧化物
答案 C
解析 非金属单质中的金刚石、非金属氧化物中的SiO2均为原子晶体；金属氧化物通常为离子化合物，属于离子晶体。
2．SiCl4的分子结构与CCl4相似，对其进行下列推测，不正确的是( )
A．SiCl4的熔点高于CCl4
B．SiCl4晶体是分子晶体
C．常温、常压下，SiCl4是气体
D．SiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子
答案 C
解析 由于SiCl4具有分子结构，所以属于分子晶体。影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间作用力，在这两种分子中都只有范德华力，SiCl4的相对分子质量大于CCl4的相对分子质量，所以SiCl4的分子间作用力强，熔、沸点比CCl4高。CCl4的分子是正四面体结构，SiCl4与它结构相似，因此也是正四面体结构，是含极性键的非极性分子。
3．甲烷晶体的晶胞结构如图所示，下列说法正确的是( )
A．甲烷晶胞中的球只代表1个C原子
B．晶体中1个CH4分子中有12个紧邻的CH4分子
C．甲烷晶体熔化时需克服共价键
D．1个CH4晶胞中含有8个CH4分子
答案 B
解析 题图所示的甲烷晶胞中的球代表的是1个甲烷分子，并不是1个C原子，A错误；甲烷晶体是分子晶体，熔化时克服范德华力，C错误；甲烷晶胞属于面心立方晶胞，该晶胞中甲烷分子的个数为8×＋6×＝4，D错误。
4．根据下列性质判断所描述的物质可能属于分子晶体的是( )
A．熔点为1 070 ℃，易溶于水，水溶液能导电
B．熔点为1 128 ℃，沸点为4 446 ℃，硬度很大
C．熔点为10.31 ℃，液态不导电，水溶液能导电
D．熔点为97.81 ℃，质软，导电，密度为0.97 g·cm－3
答案 C
解析 A项，熔点为1 070 ℃，熔点高，不符合分子晶体的特点，故A错误；B项，熔点为1 128 ℃，沸点为4 446 ℃，硬度很大，属于离子晶体或共价晶体或金属晶体的特点，分子晶体分子间只存在分子间作用力，熔、沸点低，故B错误；C项，熔点为10.31 ℃，熔点低，符合分子晶体的熔点特点，液态不导电，只存在分子，水溶液能导电，溶于水后，分子被水分子离解成自由移动的离子，如CH3COOHCH3COO－＋H＋，有自由移动的离子，就能导电，故C正确；D项，熔点为97.81 ℃，质软、导电、密度为0.97 g·cm－3，是金属钠的物理性质，金属钠属于金属晶体，故D错误。
5．经研究发现，有一种磷分子具有链状结构，其组成可以表示为，有关它的叙述中，正确的是( )
①它易溶于水 ②它与白磷互为同素异形体 ③它的相对分子质量是白磷的8倍 ④其分子中具有不饱和键 ⑤在其分子中每个磷原子以非极性键与另外3个磷原子结合
A．①③⑤ B．①②③
C．②③⑤ D．②③④
答案 C
解析 由结构可知该磷分子为非极性分子，据相似相溶原理可知，它不易溶于水，①不正确；该磷分子中只有单键，没有不饱和键，排除④，故答案为C。
6．请回答下列问题：
(1)下列有关石墨晶体的说法正确的是________(填字母，下同)。
a．由于石墨晶体导电，所以它是金属晶体
b．由于石墨的熔点很高，所以它是共价晶体
c．由于石墨质软，所以它是分子晶体
d．石墨晶体是一种混合型晶体
(2)据报道，科研人员应用电子计算机模拟出来类似C60的物质N60，试推测下列有关N60的说法正确的是________。
a．N60易溶于水
b．N60是一种分子晶体，有较高的熔点和硬度
c．N60的熔点高于N2
d．N60的稳定性比N2强
(3)苯胺()的晶体类型是________。苯胺与甲苯()的相对分子质量相近，但苯胺的熔点(－5.9 ℃)、沸点(184.4 ℃)分别高于甲苯的熔点(－95.0 ℃)、沸点(110.6 ℃)，原因是______________________________________________________________。
答案 (1)d (2)c (3)分子晶体 苯胺分子之间存在氢键
解析 (1)石墨晶体中存在共价键、范德华力、大π键，故为混合型晶体。(2)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，如硬度较小和熔、沸点较低。分子晶体的相对分子质量越大，熔、沸点越高。单质一般是非极性分子，难溶于水等极性溶剂，因此a、b项错误，c项正确；N2分子以N≡N键结合，N60分子中只存在N—N键，而N≡N键比N—N键牢固得多，所以d项错误。(3)大多数有机物都是分子晶体，除了一部分有机酸盐和有机碱盐是离子晶体。苯胺比甲苯的熔、沸点都高，同一种晶体类型熔、沸点不同首先要考虑的就是是否有氢键，苯胺中存在电负性较强的N，所以可以形成氢键，因此比甲苯的熔、沸点高。
一、单项选择题
1．下列晶体由原子直接构成，且属于分子晶体的是( )
A．固态氢 B．固态氖
C．磷 D．三氧化硫
答案 B
解析 固态氢由H2分子构成，磷由磷分子构成，三氧化硫由SO3分子构成，只有固态氖直接由Ne原子构成。
2．下列固体的化学式能真实表示物质分子组成的是( )
A．NaOH B．CO2
C．CsCl D．SiO2
答案 B
解析 NaOH和CsCl固体均为离子晶体，在晶体中只存在阴、阳离子，其化学式表示的是构成晶体的离子个数比；SiO2为共价晶体，在晶体中只存在原子，其化学式表示的是构成晶体的原子个数比。
3．某化学兴趣小组在学习了分子晶体后，查阅了几种氯化物的熔、沸点，记录如下：
氯化物
NaCl
MgCl2
AlCl3
SiCl4
CaCl2
熔点/℃
801
712
190
－68
782
沸点/℃
1 465
1 418
178
57
1 600
根据表中数据分析，属于分子晶体的是( )
A．NaCl、MgCl2、CaCl2 B．AlCl3、SiCl4
C．NaCl、CaCl2 D．全部
答案 B
解析 分子晶体中，分子与分子之间以分子间作用力相结合，而分子间作用力较弱，克服分子间作用力所需能量较低，故分子晶体的熔、沸点较低。表中NaCl、MgCl2、CaCl2的熔、沸点较高，不属于分子晶体、AlCl3、SiCl4的熔、沸点较低，应为分子晶体，所以B项正确，A、C、D项错误。
4．(2019·合肥六中月考)AB型化合物形成的晶体结构多种多样。下图所示的几种结构所表示的物质最有可能是分子晶体的是( )
A．①③ B．②⑤
C．⑤⑥ D．③④⑤⑥
答案 B
解析 从各图中可以看出②⑤都不能再以化学键与其他原子结合，所以最有可能是分子晶体。
5．H2O和H2S的熔、沸点差别很大的根本原因是( )
A．二者的相对分子质量不同
B．二者分子中化学键的键能不同
C．H2O与H2S分子之间虽然都存在范德华力，但H2O分子间还存在氢键
D．H2O分子之间的分子间作用力比H2S分子间的大
答案 C
解析 H2O和H2S均为分子晶体，熔、沸点差别很大的根本原因是H2O分子间存在氢键，C项正确。
6．干冰、碘易升华是由于( )
A．干冰、碘是非极性分子
B．键能小
C．化学性质不活泼
D．分子间的作用力较弱
答案 D
解析 干冰和碘均属于分子晶体，升华时只需要克服较弱的分子间作用力。
7．下列物质按熔点、沸点由高到低顺序排列，正确的一组是( )
A．HF、HCl、HBr、HI
B．F2、Cl2、Br2、I2
C．H2O、H2S、H2Se、H2Te
D．CI4、CBr4、CCl4、CF4
答案 D
解析 对结构相似的分子晶体，其熔点、沸点随着相对分子质量的增大而升高，但HF、H2O分子之间都存在氢键，熔点、沸点反常。所以A中应为HF>HI>HBr>HCl；B中应为F2H2Te>H2Se>H2S；只有D正确。
8．相比于其他晶体，分子晶体熔、沸点较低，硬度较小的本质原因是( )
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．分子间存在氢键
答案 C
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。
9．当SO3晶体熔化时，下述各项发生变化的是( )
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
答案 D
解析 当SO3晶体熔化时，分子间作用力被破坏，故选D项。
二、不定项选择题
10．已知在冰中每个水分子和周围的4个水分子形成4个氢键。如图为冰的晶胞(晶体中的最小重复单元)结构，下列有关说法中不正确的是( )
A．每个晶胞中含有2个水分子
B．每个晶胞中含有8个氢键
C．该晶胞构成的冰晶体中存在的作用力有范德华力、氢键和极性键
D．与每个水分子等距离且最近的水分子有8个
答案 B
解析 晶胞中顶点上的分子数目＝×8＝1，中心的分子数目＝1，故晶胞中有2个水分子；每个H2O分子与周围的4个分子形成氢键，而每个氢键为2个分子所有，则1个H2O分子形成2个氢键，晶胞中有2个水分子，则含有4个氢键。
11．(2019·河北衡水中学月考)正硼酸(H3BO3)是一种片层状结构的白色晶体，层内的H3BO3分子通过氢键相连(如图所示)。下列有关说法正确的是( )
A．正硼酸晶体属于分子晶体
B．H3BO3分子的稳定性与氢键有关
C．分子中硼原子最外层为8电子稳定结构
D．1 mol H3BO3晶体中有3 mol氢键
答案 AD
解析 A项，正硼酸晶体属于分子晶体；B项，H3BO3分子的稳定性与分子内部的共价键有关，与分子间氢键无关；C项，分子中的硼原子、氢原子均不符合最外层8电子稳定结构；D项，1 mol H3BO3晶体中含有3 mol氢键。
12.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2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
答案 BD
解析 每个碳原子形成3个σ键，采取sp2杂化，故A正确，B错误；每个碳原子平均含有×3＝个σ键，所以碳原子数与σ键键数之比为2∶3，故C正确；石墨片层之间的碳以范德华力结合而不是共价键，故D错误。
13.中学教材上介绍的干冰晶体是面心立方结构(如图所示)，即每8个CO2构成1个立方体，且有6个CO2分子各占据1个面心，则在每个CO2周围距离为a(其中a为立方体棱长)的CO2有( )
A．4个 B．8个 C．12个 D．6个
答案 C
解析 分析题图可知，一个晶胞中与顶点的CO2分子距离为a的CO2分子有3个，分别位于该顶点相邻的面心上，而每个面为2个晶胞所共有，故晶体中每个CO2分子周围相距a的CO2分子共有8×3×＝12个，C正确。
三、非选择题
14．有下列几种晶体：A.无色水晶，B.冰醋酸，C.白磷，D.金刚石，E.干冰。
(1)属于分子晶体的是________________________________________________(填序号，下同)。
(2)属于共价晶体的化合物是________。
(3)直接由原子构成的晶体是________。
(4)受热熔化时化学键不发生变化的晶体是________，受热熔化时需克服共价键的晶体是_______________________________________________________________________________。
(5)晶体中存在氢键的是________。
答案 (1)BCE (2)A (3)AD (4)BCE AD (5)B
解析 本题解题的关键是弄清分子晶体与共价晶体的区别。根据构成晶体的微粒不同，可知分子晶体由分子构成，共价晶体中无分子。属于分子晶体的有B、C、E；属于共价晶体的有A、D，其中化合物只有A；分子晶体熔化时，一般不破坏化学键；共价晶体熔化时，破坏化学键，CH3COOH分子中存在—OH，分子间能形成氢键。
15．(2019·天津高二检测)C60、金刚石和石墨的结构模型如图所示(石墨仅表示其中的一层结构)：
(1)C60、金刚石和石墨三者的关系互为________。
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________(填“共价”或“分子”)晶体，C60分子中含有双键和单键，推测C60跟F2________(填“能”或“否”)发生加成反应。C60固体与金刚石熔点更高的是________，原因是_________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(3)硅晶体的结构跟金刚石相似，但其最高价氧化物的物理性质差别较大，是因为SiO2是________晶体，CO2是________晶体。
(4)石墨层状结构中，平均每个正六边形拥有的碳原子个数是________。层与层以________结合，所以石墨是非常好的润滑剂。
答案 (1)B (2)分子 能 金刚石 C60是分子晶体，熔化时需克服分子间作用力，金刚石是共价晶体，熔化时需克服共价键 (3)共价 分子 (4)2 范德华力
解析 (1)C60、金刚石和石墨三者都是碳元素形成的不同单质，所以它们互为同素异形体。
(2)C60晶体中存在不饱和的碳碳双键，在一定条件下能与F2发生加成反应。C60是分子晶体，熔化时需克服分子间作用力，金刚石是共价晶体，熔化时克服共价键，所以金刚石熔点更高。
(4)因为每个碳原子被3个正六边形共用，所以平均每个正六边形拥有的碳原子个数是6×＝2。
第3课时 分子晶体
[核心素养发展目标] 1.了解分子晶体的概念、结构特点及常见的分子晶体。2.能够从范德华力、氢键的特征，分析理解分子晶体的物理特性。3.会比较判断晶体类型。
一、分子晶体
1．概念
分子之间通过分子间作用力结合形成的晶体。
2．结构
3．常见物质类型
类型
实例
部分非金属单质
卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)、稀有气体等
部分非金属氧化物
CO2、P4O6、P4O10、SO2等
非金属氢化物
H2O、NH3、CH4等
几乎所有的酸
HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等
多数有机物的晶体
苯、乙醇等
4.典型的分子晶体
单质碘
干冰
冰
晶胞或结构模型
微粒间作用力
范德华力
范德华力
范德华力和氢键
晶胞中微粒数
4
4
配位数
12
4
5.分子晶体的物理性质
(1)分子晶体由于以比较弱的分子间作用力相结合，因此一般熔点较低，硬度较小。
(2)对组成和结构相似，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，范德华力增大，熔、沸点升高。
(1)分子晶体结构一定遵循紧密堆积原理( )
(2)水是一种非常稳定的化合物，是因为水中存在氢键( )
(3)CO2和SiO2中化学键类型相同，晶体类型也相同( )
(4)分子晶体的状态变化，只需克服分子间作用力，不破坏化学键( )
(5)分子晶体的相对分子质量越大，熔、沸点越高( )
(6)分子晶体中分子间作用力越大，分子越稳定( )
(7)互为同素异形体的单质的晶体类型一定相同( )
(8)冰、液态水、水蒸气中均存在氢键( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)× (7)× (8)×
1．下图为冰晶体的结构模型，大球代表O，小球代表H。下列有关说法正确的是( )
A．冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体
B．冰晶体具有空间网状结构，是共价晶体
C．水分子间通过H—O键形成冰晶体
D．冰融化时，水分子之间空隙增大
答案 A
解析 冰中的水分子是靠氢键结合在一起，氢键不是化学键，而是一种分子间作用力，故B、C两项均错误；水分子形成氢键时沿O的四个sp3杂化轨道方向形成氢键，可以与4个水分子形成氢键，形成空间四面体构型，A项正确；水分子靠氢键连接后，分子间空隙变大，因此融化时，水的体积缩小，D项错误。
2．比较下列化合物熔、沸点的高低(填“>”或“<”)。
CO2________SO2；NH3________PH3；O3________O2；Ne________Ar；CO________N2。
答案 < > > < >
3．已知AlCl3的熔点为190 ℃(2.202×105Pa)，但它在180 ℃即开始升华。请回答：
(1)AlCl3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_______________________________________________________________________________。
答案 (1)分子 (2)在熔融状态下，检测AlCl3是否导电，若不导电则AlCl3是共价化合物
解析 (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。
分子晶体熔、沸点高低的比较
(1)组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高。如O2>N2，HI>HBr>HCl。
(2)相对分子质量相等或相近时，极性分子间的范德华力大，相应晶体的熔、沸点高。如CO>N2。
(3)分子间含有氢键的物质，熔、沸点较高。如H2O>H2Te>H2Se>H2S，HF>HCl，NH3>PH3。
(4)在烷烃的同分异构体中，一般来说，支链数越多，熔、沸点越低。如沸点：正戊烷>异戊烷>新戊烷。
二、晶体结构的复杂性
1．混合型晶体
(一)石墨晶体的结构与性质
(1)结构模型
(2)结构特点
①石墨晶体是层状结构，同层中每个碳原子以sp2杂化轨道与邻近的3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。
②在同一平面的碳原子还各剩下一个未参与杂化的2p轨道，并含有一个未成对电子形成大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。
③层与层之间以范德华力相结合，可以相对滑动，使之具有润滑性。
所以，石墨晶体中存在的作用力有共价键、范德华力、类似金属键的作用力，我们将这类晶体称为混合型晶体。
(3)性质
熔点高、质软、导电。
(4)用途
制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等。
(二)黑磷
黑磷有正交、简单立方和菱方等三种晶型。其中，正交晶型的黑磷具有半导体性质，可用作电学和光学材料。该晶体与石墨相似，具有层状结构，层间依靠范德华力结合在一起，而在层内，每个磷原子与其他三个磷原子相连，形成二维皱褶蜂巢型结构，因此，正交晶型黑磷晶体属于混合型晶体。二维的单层黑磷又称为磷烯，它具有比石墨烯更大的带隙，磷烯在场效应晶体管、光电子器件、自旋电子学、气体传感器及太阳能电池等方面有着广阔的应用前景。
2．晶体结构复杂性的原因
(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的作用，这也使这类晶体具有重要应用。
例如，BaTiO3含有一种阴离子和多种阳离子，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。该类材料由CH3NH和Pb2＋、Sn2＋等金属阳离子以及Cl－、Br－、I－等卤素阴离子组成，无机组分和有机组分特性的优异组合，使其可作为薄膜太阳能电池材料。Ca5(PO4)3OH含有一种阳离子和多种阴离子，是人体和动物骨骼的主要无机成分。
又如，Na2SiO3中并不存在单个的简单SiO，Si通过共价键与4个O原子相连，形成硅氧四面体。硅氧四面体通过共用顶角O原子而连成较大的链状硅酸盐{SiO}∞单元，再与金属阳离子以离子键相互作用。
(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。可以想象，由于微粒间的作用存在键型过渡，即使组成简单的晶体，也可能是居于金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体之间的过渡状态，形成过渡晶体。
(1)石墨属于共价晶体，能导电，也属于电解质( )
(2)石墨中含有范德华力，所以石墨的熔点低( )
(3)石墨的硬度比金刚石大( )
(4)石墨能导电，所以属于金属晶体( )
(5)物质组成的复杂性及微粒间的作用存在键型过渡导致了晶体结构的复杂性( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)√
1．碳元素的单质有多种形式，下图依次是C60、石墨和金刚石的结构图：
回答下列问题：
(1)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化方式分别为________、________。
(2)C60属于________晶体，石墨属于________晶体。
(3)在金刚石晶体中，碳原子数与化学键数之比为____________________________________；
在石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的化学键数为________，该晶体中碳原子数与共价键数之比为________。
(4)石墨晶体中，层内C—C键的键长为142 pm，而金刚石中C—C键的键长为154 pm。推测金刚石的熔点________(填“>”“<”或“＝”)石墨的熔点。
答案 (1)sp3杂化 sp2杂化 (2)分子 混合型 (3)1∶2 3 2∶3 (4) <
解析 (1)金刚石中碳原子与四个碳原子形成4个共价单键(即C原子采取sp3杂化方式)，构成正四面体，石墨中的碳原子采取sp2杂化方式，形成平面六元环结构。(2)C60中构成微粒是分子，所以属于分子晶体；石墨晶体有共价键、金属键和范德华力，所以石墨属于混合型晶体。(3)金刚石晶体中每个碳原子平均拥有的化学键数为4×＝2，则碳原子数与化学键数之比为1∶2。石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的碳原子数和化学键数分别为6×＝2和6×＝3，其比值为2∶3。(4)石墨中的C—C键比金刚石中的C—C键键长短，键能大，故石墨的熔点高于金刚石。
2．在硅酸盐中，SiO四面体[如图(a)]通过共用顶角氧离子可形成岛状、链状、层状、骨架网状四大类结构型式。图(b)为一种无限长单链结构的多硅酸根，其中Si原子的杂化形式为________，Si与O的原子数之比为________，化学式为________。
答案 sp3 1∶3 SiO
解析 由图(a)硅酸盐中的硅酸根(SiO)为正四面体结构，所以中心原子Si原子采取了sp3杂化方式，根据图(b)的一个结构单元中含有1个硅、2＋2×＝3个氧原子，则Si与O的原子数之比为1∶3，化学式为SiO。
四种晶体类型的比较
离子晶体
共价晶体
分子晶体
金属晶体
构成晶体的粒子
阴、阳离子
原子
分子
金属阳离子和自由电子
粒子间的作用
离子键
共价键
分子间作用力(有的有氢键)
金属键
作用力强弱(一般情况下)
较强
很强
弱
较强
确定作用力强弱的一般判断方法
离子所带电荷总数、离子半径
键长(原子半径)
分子间的氢键增大分子间作用力，组成和结构相似时比较相对分子质量
离子半径、离子所带电荷数
熔、沸点
较高
高
低
差别较大(如汞常温下为液态，钨熔点为3 410 ℃)
硬度
硬而脆
大
较小
差别较大
导热和导电性
不良导体(熔化后或溶于水导电)
不良导体或半导体
不良导体(部分溶于水发生电离后导电)
良导体
溶解性
多数易溶
一般不溶
相似相溶
一般不溶于水，少数与水反应
机械加工性
不良
不良
不良
优良
延展性
差
差
差
优良
1．下列物质呈固态时，一定属于分子晶体的是( )
A．非金属单质 B．非金属氧化物
C．含氧酸 D．金属氧化物
答案 C
解析 非金属单质中的金刚石、非金属氧化物中的SiO2均为原子晶体；金属氧化物通常为离子化合物，属于离子晶体。
2．SiCl4的分子结构与CCl4相似，对其进行下列推测，不正确的是( )
A．SiCl4的熔点高于CCl4
B．SiCl4晶体是分子晶体
C．常温、常压下，SiCl4是气体
D．SiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子
答案 C
解析 由于SiCl4具有分子结构，所以属于分子晶体。影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间作用力，在这两种分子中都只有范德华力，SiCl4的相对分子质量大于CCl4的相对分子质量，所以SiCl4的分子间作用力强，熔、沸点比CCl4高。CCl4的分子是正四面体结构，SiCl4与它结构相似，因此也是正四面体结构，是含极性键的非极性分子。
3．甲烷晶体的晶胞结构如图所示，下列说法正确的是( )
A．甲烷晶胞中的球只代表1个C原子
B．晶体中1个CH4分子中有12个紧邻的CH4分子
C．甲烷晶体熔化时需克服共价键
D．1个CH4晶胞中含有8个CH4分子
答案 B
解析 题图所示的甲烷晶胞中的球代表的是1个甲烷分子，并不是1个C原子，A错误；甲烷晶体是分子晶体，熔化时克服范德华力，C错误；甲烷晶胞属于面心立方晶胞，该晶胞中甲烷分子的个数为8×＋6×＝4，D错误。
4．根据下列性质判断所描述的物质可能属于分子晶体的是( )
A．熔点为1 070 ℃，易溶于水，水溶液能导电
B．熔点为1 128 ℃，沸点为4 446 ℃，硬度很大
C．熔点为10.31 ℃，液态不导电，水溶液能导电
D．熔点为97.81 ℃，质软，导电，密度为0.97 g·cm－3
答案 C
解析 A项，熔点为1 070 ℃，熔点高，不符合分子晶体的特点，故A错误；B项，熔点为1 128 ℃，沸点为4 446 ℃，硬度很大，属于离子晶体或共价晶体或金属晶体的特点，分子晶体分子间只存在分子间作用力，熔、沸点低，故B错误；C项，熔点为10.31 ℃，熔点低，符合分子晶体的熔点特点，液态不导电，只存在分子，水溶液能导电，溶于水后，分子被水分子离解成自由移动的离子，如CH3COOHCH3COO－＋H＋，有自由移动的离子，就能导电，故C正确；D项，熔点为97.81 ℃，质软、导电、密度为0.97 g·cm－3，是金属钠的物理性质，金属钠属于金属晶体，故D错误。
5．经研究发现，有一种磷分子具有链状结构，其组成可以表示为，有关它的叙述中，正确的是( )
①它易溶于水 ②它与白磷互为同素异形体 ③它的相对分子质量是白磷的8倍 ④其分子中具有不饱和键 ⑤在其分子中每个磷原子以非极性键与另外3个磷原子结合
A．①③⑤ B．①②③
C．②③⑤ D．②③④
答案 C
解析 由结构可知该磷分子为非极性分子，据相似相溶原理可知，它不易溶于水，①不正确；该磷分子中只有单键，没有不饱和键，排除④，故答案为C。
6．请回答下列问题：
(1)下列有关石墨晶体的说法正确的是________(填字母，下同)。
a．由于石墨晶体导电，所以它是金属晶体
b．由于石墨的熔点很高，所以它是共价晶体
c．由于石墨质软，所以它是分子晶体
d．石墨晶体是一种混合型晶体
(2)据报道，科研人员应用电子计算机模拟出来类似C60的物质N60，试推测下列有关N60的说法正确的是________。
a．N60易溶于水
b．N60是一种分子晶体，有较高的熔点和硬度
c．N60的熔点高于N2
d．N60的稳定性比N2强
(3)苯胺()的晶体类型是________。苯胺与甲苯()的相对分子质量相近，但苯胺的熔点(－5.9 ℃)、沸点(184.4 ℃)分别高于甲苯的熔点(－95.0 ℃)、沸点(110.6 ℃)，原因是______________________________________________________________。
答案 (1)d (2)c (3)分子晶体 苯胺分子之间存在氢键
解析 (1)石墨晶体中存在共价键、范德华力、大π键，故为混合型晶体。(2)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，如硬度较小和熔、沸点较低。分子晶体的相对分子质量越大，熔、沸点越高。单质一般是非极性分子，难溶于水等极性溶剂，因此a、b项错误，c项正确；N2分子以N≡N键结合，N60分子中只存在N—N键，而N≡N键比N—N键牢固得多，所以d项错误。(3)大多数有机物都是分子晶体，除了一部分有机酸盐和有机碱盐是离子晶体。苯胺比甲苯的熔、沸点都高，同一种晶体类型熔、沸点不同首先要考虑的就是是否有氢键，苯胺中存在电负性较强的N，所以可以形成氢键，因此比甲苯的熔、沸点高。
一、单项选择题
1．下列晶体由原子直接构成，且属于分子晶体的是( )
A．固态氢 B．固态氖
C．磷 D．三氧化硫
答案 B
解析 固态氢由H2分子构成，磷由磷分子构成，三氧化硫由SO3分子构成，只有固态氖直接由Ne原子构成。
2．下列固体的化学式能真实表示物质分子组成的是( )
A．NaOH B．CO2
C．CsCl D．SiO2
答案 B
解析 NaOH和CsCl固体均为离子晶体，在晶体中只存在阴、阳离子，其化学式表示的是构成晶体的离子个数比；SiO2为共价晶体，在晶体中只存在原子，其化学式表示的是构成晶体的原子个数比。
3．某化学兴趣小组在学习了分子晶体后，查阅了几种氯化物的熔、沸点，记录如下：
氯化物
NaCl
MgCl2
AlCl3
SiCl4
CaCl2
熔点/℃
801
712
190
－68
782
沸点/℃
1 465
1 418
178
57
1 600
根据表中数据分析，属于分子晶体的是( )
A．NaCl、MgCl2、CaCl2 B．AlCl3、SiCl4
C．NaCl、CaCl2 D．全部
答案 B
解析 分子晶体中，分子与分子之间以分子间作用力相结合，而分子间作用力较弱，克服分子间作用力所需能量较低，故分子晶体的熔、沸点较低。表中NaCl、MgCl2、CaCl2的熔、沸点较高，不属于分子晶体、AlCl3、SiCl4的熔、沸点较低，应为分子晶体，所以B项正确，A、C、D项错误。
4．(2019·合肥六中月考)AB型化合物形成的晶体结构多种多样。下图所示的几种结构所表示的物质最有可能是分子晶体的是( )
A．①③ B．②⑤
C．⑤⑥ D．③④⑤⑥
答案 B
解析 从各图中可以看出②⑤都不能再以化学键与其他原子结合，所以最有可能是分子晶体。
5．H2O和H2S的熔、沸点差别很大的根本原因是( )
A．二者的相对分子质量不同
B．二者分子中化学键的键能不同
C．H2O与H2S分子之间虽然都存在范德华力，但H2O分子间还存在氢键
D．H2O分子之间的分子间作用力比H2S分子间的大
答案 C
解析 H2O和H2S均为分子晶体，熔、沸点差别很大的根本原因是H2O分子间存在氢键，C项正确。
6．干冰、碘易升华是由于( )
A．干冰、碘是非极性分子
B．键能小
C．化学性质不活泼
D．分子间的作用力较弱
答案 D
解析 干冰和碘均属于分子晶体，升华时只需要克服较弱的分子间作用力。
7．下列物质按熔点、沸点由高到低顺序排列，正确的一组是( )
A．HF、HCl、HBr、HI
B．F2、Cl2、Br2、I2
C．H2O、H2S、H2Se、H2Te
D．CI4、CBr4、CCl4、CF4
答案 D
解析 对结构相似的分子晶体，其熔点、沸点随着相对分子质量的增大而升高，但HF、H2O分子之间都存在氢键，熔点、沸点反常。所以A中应为HF>HI>HBr>HCl；B中应为F2
8．相比于其他晶体，分子晶体熔、沸点较低，硬度较小的本质原因是( )
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．分子间存在氢键
答案 C
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。
9．当SO3晶体熔化时，下述各项发生变化的是( )
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
答案 D
解析 当SO3晶体熔化时，分子间作用力被破坏，故选D项。
二、不定项选择题
10．已知在冰中每个水分子和周围的4个水分子形成4个氢键。如图为冰的晶胞(晶体中的最小重复单元)结构，下列有关说法中不正确的是( )
A．每个晶胞中含有2个水分子
B．每个晶胞中含有8个氢键
C．该晶胞构成的冰晶体中存在的作用力有范德华力、氢键和极性键
D．与每个水分子等距离且最近的水分子有8个
答案 B
解析 晶胞中顶点上的分子数目＝×8＝1，中心的分子数目＝1，故晶胞中有2个水分子；每个H2O分子与周围的4个分子形成氢键，而每个氢键为2个分子所有，则1个H2O分子形成2个氢键，晶胞中有2个水分子，则含有4个氢键。
11．(2019·河北衡水中学月考)正硼酸(H3BO3)是一种片层状结构的白色晶体，层内的H3BO3分子通过氢键相连(如图所示)。下列有关说法正确的是( )
A．正硼酸晶体属于分子晶体
B．H3BO3分子的稳定性与氢键有关
C．分子中硼原子最外层为8电子稳定结构
D．1 mol H3BO3晶体中有3 mol氢键
答案 AD
解析 A项，正硼酸晶体属于分子晶体；B项，H3BO3分子的稳定性与分子内部的共价键有关，与分子间氢键无关；C项，分子中的硼原子、氢原子均不符合最外层8电子稳定结构；D项，1 mol H3BO3晶体中含有3 mol氢键。
12.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2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
答案 BD
解析 每个碳原子形成3个σ键，采取sp2杂化，故A正确，B错误；每个碳原子平均含有×3＝个σ键，所以碳原子数与σ键键数之比为2∶3，故C正确；石墨片层之间的碳以范德华力结合而不是共价键，故D错误。
13.中学教材上介绍的干冰晶体是面心立方结构(如图所示)，即每8个CO2构成1个立方体，且有6个CO2分子各占据1个面心，则在每个CO2周围距离为a(其中a为立方体棱长)的CO2有( )
A．4个 B．8个 C．12个 D．6个
答案 C
解析 分析题图可知，一个晶胞中与顶点的CO2分子距离为a的CO2分子有3个，分别位于该顶点相邻的面心上，而每个面为2个晶胞所共有，故晶体中每个CO2分子周围相距a的CO2分子共有8×3×＝12个，C正确。
三、非选择题
14．有下列几种晶体：A.无色水晶，B.冰醋酸，C.白磷，D.金刚石，E.干冰。
(1)属于分子晶体的是________________________________________________(填序号，下同)。
(2)属于共价晶体的化合物是________。
(3)直接由原子构成的晶体是________。
(4)受热熔化时化学键不发生变化的晶体是________，受热熔化时需克服共价键的晶体是_______________________________________________________________________________。
(5)晶体中存在氢键的是________。
答案 (1)BCE (2)A (3)AD (4)BCE AD (5)B
解析 本题解题的关键是弄清分子晶体与共价晶体的区别。根据构成晶体的微粒不同，可知分子晶体由分子构成，共价晶体中无分子。属于分子晶体的有B、C、E；属于共价晶体的有A、D，其中化合物只有A；分子晶体熔化时，一般不破坏化学键；共价晶体熔化时，破坏化学键，CH3COOH分子中存在—OH，分子间能形成氢键。
15．(2019·天津高二检测)C60、金刚石和石墨的结构模型如图所示(石墨仅表示其中的一层结构)：
(1)C60、金刚石和石墨三者的关系互为________。
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________(填“共价”或“分子”)晶体，C60分子中含有双键和单键，推测C60跟F2________(填“能”或“否”)发生加成反应。C60固体与金刚石熔点更高的是________，原因是_________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(3)硅晶体的结构跟金刚石相似，但其最高价氧化物的物理性质差别较大，是因为SiO2是________晶体，CO2是________晶体。
(4)石墨层状结构中，平均每个正六边形拥有的碳原子个数是________。层与层以________结合，所以石墨是非常好的润滑剂。
答案 (1)B (2)分子 能 金刚石 C60是分子晶体，熔化时需克服分子间作用力，金刚石是共价晶体，熔化时需克服共价键 (3)共价 分子 (4)2 范德华力
解析 (1)C60、金刚石和石墨三者都是碳元素形成的不同单质，所以它们互为同素异形体。
(2)C60晶体中存在不饱和的碳碳双键，在一定条件下能与F2发生加成反应。C60是分子晶体，熔化时需克服分子间作用力，金刚石是共价晶体，熔化时克服共价键，所以金刚石熔点更高。
(4)因为每个碳原子被3个正六边形共用，所以平均每个正六边形拥有的碳原子个数是6×＝2。
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