分子晶體和原子晶體【本講教育信息】一. 教學內(nèi)容：分子晶體和原子晶體二、教學目標使學生了解分子晶體的組成粒子、結構模型和結構特點及其性質的一般特點；了解晶體類型與性質的關系；理解分子間作用力和氫鍵對物質物理性質的影響；知道一些常見的屬于分子晶體的物質類別。掌握原子晶體的概念，能夠區(qū)分原子晶體和分子晶體；了解金剛石等典型原子晶體的結構特征；能描述原子晶體的結構與性質的關系。三、教學重點、難點 分子晶體的組成粒子、結構模型和結構特點及其性質的一般特點，分子間作用力和氫鍵對物質物理性質的影響。 原子晶體的結構與性質的關系，原子晶體與分子晶體的判斷。四、教學過程：（一）分子晶體：構成晶體的微粒間通過分子間作用力相互作用所形成的晶體，稱為分子晶體。分子晶體中存在的微粒是分子，不存在離子。較典型的分子晶體有非金屬氫化物，部分非金屬單質，部分非金屬氧化物，幾乎所有的酸，絕大多數(shù)有機物的晶體等。分子晶體中存在的相互作用力主要是分子間作用力，它是分子間存在著一種把分子聚集在一起的作用力，叫做分子間作用力，也叫范徳華力。分子間作用力只影響物質的熔沸點、硬度、密度等物理性質，分子晶體一般都是絕緣體，熔融狀態(tài)不導電。對于某些含有電負性很大的元素的原子和氫原子的分子，分子間還可以通過氫鍵相互作用。氫鍵的形成條件：它是由已經(jīng)與電負性很強的原子形成共價鍵的氫原子與另一分子中電負性很強的原子之間的作用力形成，（它不屬于化學鍵）一般表示為 XHY。這種靜電吸引作用就是氫鍵。氫鍵同樣只影響物質的熔沸點和密度，對物質的化學性質沒有影響分子晶體的結構特征：沒有氫鍵的分子密堆積排列，如CO2等分子晶體，分子間的作用力主要是分子間作用力，以一個分子為中心，每個分子周圍有12個緊鄰的分子存在。如：干冰的晶體結構還有一類分子晶體，其結構中不僅存在分子間作用力，同時還存在氫鍵，如：冰。此時，水分子間的主要作用力是氫鍵，每個水分子周圍只有4個水分子與之相鄰。稱為非密堆積結構。如圖，冰的晶體結構：說明：1、分子晶體的構成微粒是分子，分子中各原子一般以共價鍵相結合。因此，大多數(shù)共價化合物所形成的晶體為分子晶體。如：部分非金屬單質、非金屬氫化物、部分非金屬氧化物、幾乎所有的酸以及絕大多數(shù)的有機物等都屬于分子晶體。但并不是所有的分子晶體中都存在共價鍵，如：由單原子構成的稀有氣體分子中就不存在化學鍵。也不是共價化合物都是分子晶體，如二氧化硅等物質屬于原子晶體。 2、由于構成晶體的微粒是分子，因此分子晶體的化學式可以表示其分子式，即只有分子晶體才存在分子式。3、分子晶體的微粒間以分子間作用力或氫鍵相結合，因此，分子晶體具有熔沸點低、硬度密度小，較易熔化和揮發(fā)等物理性質。4、影響分子間作用力的大小的因素有分子的極性和相對分子質量的大小。一般而言，分子的極性越大、相對分子質量越大，分子間作用力越強。5、分子晶體的熔沸點的高低與分子的結構有關：在同樣不存在氫鍵時，組成與結構相似的分子晶體，隨著相對分子質量的增大，分子間作用力增大，分子晶體的熔沸點增大；對于分子中存在氫鍵的分子晶體，其熔沸點一般比沒有氫鍵的分子晶體的熔沸點高，存在分子間氫鍵的分子晶體的熔沸點比存在分子內(nèi)氫鍵的分子晶體的熔沸點高。6、分子晶體的溶解性與溶劑和溶質的極性有關：一般情況下，極性分子易溶于極性溶劑，非極性分子易溶于非極性溶劑這就是相似相溶原理。如：HCl、等分子晶體易溶于水，而溴和碘等分子則易溶于汽油和四氯化碳等非極性溶劑。7、分子間作用力不具有方向性和飽和性，而氫鍵具有方向性和飽和性。所以，不存在氫鍵的分子晶體可以以緊密堆砌的方式排列，而存在氫鍵的分子晶體則必須在一定的方向上堆砌排列。由于水中存在氫鍵，所以水在凝結成冰時，體積增大，密度減小。8、氫鍵與分子間作用力的比較：分 類分子間作用力氫 鍵概 念物質分子之間存在的微弱的相互作用（實質上也是靜電作用）分子中與氫原子形成共價鍵的非金屬原子，如果吸引電子的能力很強，原子半徑又很小，則使氫原子幾乎成為“裸露”的質子，帶部分正電荷，這樣的分子之間，氫核與帶部分負電荷的非金屬原子相互吸引，這種靜電作用就是氫鍵存在范圍分子間某些含氫化合物分子間（如：HF、H2O、NH3、乙醇等）強度比較比化學鍵弱很多比化學鍵弱得多，比分子間作用力強影響強度的因素隨著分子的極性與相對分子質量的增大而增大。組成和結構相似的物質，相對分子質量越大，分子間作用力越大形成氫鍵的非金屬原子，其吸引電子的能力越強、半徑越小，則氫鍵越強9、干冰的熔沸點比冰低，但密度卻比冰大的原因是：冰中除了范德華力外還有氫鍵作用，破壞分子間作用力較難，所以熔沸點比干冰高。同時，由于分子間作用力特別是氫鍵的方向性，導致晶體冰中有相當大的空隙，所以相同狀況下體積較大。由于CO2分子的相對分子質量>H2O，所以干冰的密度大。（二）原子晶體：相鄰原子間以共價鍵相結合而形成的空間網(wǎng)狀結構的晶體稱為原子晶體。構成原子晶體的微粒是原子，微粒間的相互作用力是共價鍵，由于共價鍵的鍵能比分子間作用力要大得多，因此原子晶體具有很高的熔沸點和硬度，一般不導電（硅屬于半導體材料），一般不溶于溶劑等性質。常見的原子晶體有：金剛石、晶體硅、二氧化硅和碳化硅等。如金剛石的晶體結構和晶胞、二氧化硅的晶體結構：金剛石的晶體結構中，每個碳原子與四個碳原子相互結合形成四個共價鍵，形成正四面體型結構，晶體中每個最小的環(huán)為六元環(huán)；另外二氧化硅晶體結構與金剛石相似，每個最小的環(huán)由六個氧原子和六個硅原子構成，為十二元環(huán)，每個硅原子結合四個氧原子、每個氧原子結合二個硅原子，因此晶體中硅、氧原子的個數(shù)比為1：2，則二氧化硅的化學式為SiO2，晶體中每個硅原子被12個環(huán)所共有。說明：1、原子晶體的構成微粒是原子，原子間通過共價鍵相互結合，因此原子晶體的物理性質與分子晶體有明顯的不同，有熔沸點高，硬度、密度大等特點。原子晶體中不存在分子，其化學式表示晶體中各組成微粒的原子個數(shù)比，這一點也與分子晶體不同。2、原子晶體中原子間以共價鍵相互連接，但并不是存在共價鍵的晶體就是原子晶體。如：水、干冰等晶體都存在共價鍵，但它們屬于分子晶體。3、判斷晶體類型的依據(jù)：（1）看構成晶體的微粒種類及微粒間的相互作用。對分子晶體,構成晶體的微粒是分子，微粒間的相互作用是分子間作用力；對于原子晶體，構成晶體的微粒是原子，微粒間的相互作用是共價鍵。（2）看物質的物理性質（如：熔、沸點或硬度）。一般情況下，不同類晶體熔點高低順序是原子晶體比分子晶體的熔、沸點高得多，硬度、密度也要大得多。（3）依據(jù)導電性判斷：分子晶體為非導體，但部分分子晶體溶于水后能導電；原子晶體多數(shù)為非導體，但晶體硅、晶體鍺是半導體。（4）依據(jù)硬度和機械性能判斷：原子晶體硬度大，分子晶體硬度小且較脆。4、比較晶體的熔沸點的高低，首先要比較晶體的類型。分子晶體的熔沸點比較其分子的極性、相對分子質量以及能不能形成氫鍵。而原子晶體熔沸點的高低與其內(nèi)部結構有著密切關系：對結構相似的原子晶體而言，原子半徑越小、鍵長越短、鍵能越大，晶體的熔沸點越高。5、CO2、SiO2都屬于第A族的氧化物，但兩者的熔沸點、硬度等物理性質存在較大的差異，但CO2卻比SiO2穩(wěn)定得多：主要是因為CO2是分子晶體，SiO2是原子晶體，所以熔化時CO2是破壞范德華力而SiO2是破壞化學鍵。所以SiO2熔沸點高。而破壞CO2分子與SiO2時，都是破壞共價鍵，而C-O鍵能>Si-O鍵能，所以CO2分子更穩(wěn)定。（三）過渡型晶體（混合型晶體）石墨是一種結晶形碳，有天然出產(chǎn)的礦物。鐵黑色至深鋼灰色。質軟具滑膩感，可沾污手指成灰黑色。有金屬光澤。六方晶系，成葉片狀、鱗片狀和致密塊狀。密度2.25g/，化學性質不活潑。具有耐腐蝕性，在空氣或氧氣中可以強熱燃燒生成二氧化碳。石墨可用作潤滑劑，并用于制造坩鍋、電極、鉛筆芯等。它既具有金屬晶體的性質（導電性），又具有分子晶體的性質（質地很軟），同時還具備原子晶體的特性（熔沸點高）等。因此化學上把石墨稱為過渡型晶體（又稱混合型晶體）。石墨晶體是一種層狀結構：層與層之間以分子間作用力相互連接，而同一層內(nèi)各原子間以共價鍵相互結合。如圖所示：所以石墨晶體的質地較軟、熔沸點很高。說明：1、石墨為層狀結構，各層之間以范德華力結合，容易滑動，所以石墨很軟。2、石墨各層均為平面網(wǎng)狀結構，碳原子之間存在很強的共價鍵（大鍵），故熔沸點很高。石墨層狀結構中六個碳原子構成平面六元環(huán)，平均每個環(huán)占有2個碳原子、三個碳碳鍵。3、在金剛石中每個碳原子與相鄰的四個碳原子經(jīng)共價鍵結合形成正四面體結構，碳原子所有外層電子均參與成鍵，無自由電子，所以不導電。而石墨晶體中，每個碳原子以三個共價鍵與另外三個碳原子相連，在同一平面內(nèi)形成正六邊形的環(huán)。這樣每個碳原子上仍有一個電子未參與成鍵，電子比較自由，相當于金屬中的自由電子，所以石墨能導電?！镜湫屠}】例1. 共價鍵、離子鍵和范德華力是構成物質粒子間的不同作用方式，下列物質中，只含有上述一種作用的是 A. 干冰B. 氯化鈉C. 氫氧化鈉D. 碘 解析：干冰是分子晶體，分子內(nèi)存在共價鍵，分子間存在范德華力。NaCl是離子晶體只存在離子鍵。 NaOH是離子晶體，不僅存在離子鍵，還存在HO間共價鍵。 碘也是分子晶體，分子內(nèi)存在共價鍵，分子間存在分子間作用力。故只有B符合題意。答案：B例2. 在解釋下列物質性質的變化規(guī)律與物質結構間的因果關系時，與鍵能無關的變化規(guī)律是 A. HF、HCI、HBr、HI的熱穩(wěn)定性依次減弱B. NaF、NaCl、NaBr、NaI的熔點依次降低C. F2、C12、Br2、I2的熔沸點逐漸升高 D. H2S的熔沸點小于H2O的熔沸點解析：HF、HCl、HBr、HI熱穩(wěn)定性依次減弱是它們的共價鍵鍵能逐漸減小的原因，與鍵能有關。NaF、 NaCl、NaBr、NaI的熔點依次降低是它們的離子鍵能隨離子半徑增大逐漸減小的原因。F2、C12、Br2、I2為分子晶體，結構相似，熔、沸點高低由相對分子質量決定，它們的相對分子質量逐漸增大，因此分子間的作用力也逐漸增大，熔沸點逐漸升高。H2S與H2O的熔沸點高低由分子間作用力及分子的極性是否存在氫鍵決定，同時，水分子間還可以形成氫鍵，而H2S分子間不能形成氫鍵。故選C、D。 答案：C、D 例3. 2003年美國科學雜志報道：在超高壓下，科學家用激光器將CO2加熱到1800K，成功制得了類似石英的CO2原子晶體。下列關于CO2晶體的敘述中不正確的是 A. 晶體中C、O原子個數(shù)比為12 B. 該晶體的熔點、沸點高、硬度大 C. 晶體中COC鍵角為180 D. 晶體中C、O原子最外層都滿足8電子結構解析：CO2原子晶體的結構與SiO2相似，每個碳原子周圍連接4個氧原子，每個氧原子連接2個碳原子，所以晶體中碳氧原子的個數(shù)比為1：2，碳原子位于正四面體的中心，OCO的鍵角為10928，晶體中每個C、O原子最外層均達到8電子穩(wěn)定結構。同時原子晶體具有熔沸點高、硬度大等性質特點。故本題選C答案：C例4. 在干冰晶體中每個CO2分子周圍緊鄰的 CO2分子有_個，在晶體中截取一個最小的正方形；使正方形的四個頂點都落到CO2分子的中心，則在這個正方形的平面上有_個CO2分子。解析：此題要求對干冰的晶體模型十分熟悉。以右下角CO2分子研究對象：與其緊鄰的為面心上的3個CO2分子，而CO2分子被8個這樣的立方體所共有，故有38=24。又考慮到面心上的 CO2被2個這樣的立方體共有，故24/2=12個。由CO2晶體模型分析得出，符合題意的最小正方形即模型的對角面的一半，不難看出有4個CO2分子。 答案：12，4例5. 氮化硅是一種高溫陶瓷材料，它的硬度大、熔點高、化學性質穩(wěn)定，工業(yè)上曾普遍采用高純硅與純氮在1300反應獲得。（1）氮化硅晶體屬于_晶體。（2）已知氮化硅的晶體結構中，原子間都以單鍵相連，且N原子與N原子，Si原子與Si原子不直接相連，同時每個原子都滿足8電子穩(wěn)定結構，請寫出氮化硅的化學式_.（3）現(xiàn)用四氯化硅和氮氣在氫氣氣氛保護下，加強熱發(fā)生反應，可得到較高純度的氮化硅。反應的化學方程式為_.解析：原子晶體具有熔沸點高、硬度大等特點，因此氮化硅晶體屬于原子晶體，所以氮化硅的晶體結構中每個氮原子周圍連接3個硅原子，而每個硅原子周圍連接4個氮原子，相互之間通過共價鍵相連形成立體網(wǎng)狀結構，在原子的最外層形成8電子的穩(wěn)定結構，故氮化硅的化學式為：Si3N4。四氯化硅和氮氣在氫氣氣氛保護下生成氮化硅，反應方程式為：3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl答案：原子、Si3N4、3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl