分子晶體和共價晶體 課件【知識梳理+點播拓展】高二化學(xué)人教版（2019）選擇性必修2

第二節(jié)分子晶體與共價晶體第三章晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)1.了解分子晶體的結(jié)構(gòu)特點。2.能借助分子晶體模型說明分子晶體中的粒子及粒子間的相互作用，以及范德華力與氫鍵對分子晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響。學(xué)習(xí)目標：3.了解共價晶體的結(jié)構(gòu)特點。4.能借助共價晶體模型說明共價晶體中的粒子及粒子間的相互作用，以及對共價晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響。素養(yǎng)目標：通過分子晶體、共價晶體的分析研究，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”、“證據(jù)推理與模型認知”的學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)習(xí)任務(wù)1：一、分子晶體1.什么是分子晶體只含分子的晶體稱為分子晶體。2.分子晶體中，相鄰分子間靠什么力相互吸引如碘晶體只含I2分子，屬于分子晶體(圖3-11)。碘晶體在分子晶體中，相鄰分子靠分子間作用力(范德華力)相互吸引。3.分子晶體有什么性質(zhì)分子晶體熔點低、硬度小。原因：只需破壞分間作用力，而分子間作用力比化學(xué)鍵弱得多。分子晶體氧氣氮氣白磷水熔點/℃-218.3-210.144.20分子晶體硫化氫甲烷乙酸尿素熔點/℃-85.6-18216.6132.7表3-2某些分子晶體的熔點3.哪些晶體屬于分子晶體①所有非金屬氫化物，如水、硫化氫、氨、氯化氫、甲烷等；典型的分子晶體：②部分非金屬單質(zhì)，如鹵素(X2)、硫(S8)、氧氣(O2)、氮氣(N2)、白磷

(P4)、碳60

(C60

)、稀有氣體等；③部分非金屬氧化物，如CO2、SO2、P4O6、

P4O10等；④幾乎所有的酸，如H2SO4、HNO3、H3PO4⑤絕大多數(shù)有機物，如乙醇，冰醋酸，蔗糖等。注意：SiO2不是分子晶體4.分子晶體結(jié)構(gòu)有什么特點(多數(shù))對于分子間只有范德華力的晶體，若以一個分子為中心，其周圍最多有12個分子，稱為分子密堆積(面心立方體)。①二氧化碳晶體干冰中CO2之間只存在范德華力，一個分周圍有12個緊鄰分子(如圖3-19)。干冰外觀很像冰，密度比冰高，硬度與冰相似，但熔點比冰低得多，常壓下易升華。(面心立方體)圖3-19干冰及其晶胞微觀探析宏觀辨識微觀探析——冰晶體結(jié)構(gòu)探析冰晶體結(jié)構(gòu)可視化冰中一個水分子周圍有4個水分子冰的結(jié)構(gòu)冰融化，分子間的空隙減小圖3-8冰和液態(tài)水的結(jié)構(gòu)對表(虛線表示氫鍵)②冰水分子間的主要作用力是氫鍵(也存在范德華力)，從圖可知，由于氫鍵有方向性和飽和性，每個水分子周圍只有4個緊鄰的水分子，氫鍵的存在迫使在四面體中心的每個水分子與四面體頂角方向的4個相鄰水分子相互吸引。這一排列使冰晶體中的水分子的空間利用率不高，留有相當(dāng)大的空隙，其密度比液態(tài)水小。當(dāng)冰剛剛?cè)诨癁橐簯B(tài)水時，熱運動使冰的結(jié)構(gòu)部分解體，水分子間的空隙減小，密度反而增大，超過4℃時，由于熱運動加劇，分子間的距離加大，密度逐漸減小。

硫化氫和水分子結(jié)構(gòu)相似，但硫化氫晶體中，一個硫化氫分子周圍有12個緊鄰分子，而冰中一個水分子周圍只有4個緊鄰分子，這是為什么？思考與交流

H2S晶體分子之間只存在范德華力，形成以一個分子為中心，其周圍最多有12個分子分子密堆積的面心立方體結(jié)構(gòu)。而冰晶體中水分子間主要是氫鍵，而氫鍵具有方向性和飽和性，所以冰中一個水分子周圍只有4個緊鄰分子。冰的一種常見的晶胞（六方晶胞）取兩塊大小相同的干冰，在一塊干冰中央挖一個小穴，撒入一些鎂粉，用紅熱的鐵棒把鎂點燃，將另一塊干冰蓋上，你會看到鎂粉在干冰內(nèi)_________，像冰燈中裝進一個______一樣，發(fā)出___________。(切勿用手接觸干冰，以免凍傷！)這個實驗不但證明了金屬鎂可以跟二氧化碳____，而且也說明了干冰易_____的特性。

（2Mg+CO2

2MgO+C)資料卡片繼續(xù)燃燒電燈泡耀眼的白光反應(yīng)升華

許多氣體可以與水形成水合物晶體。最早發(fā)現(xiàn)這類水合物晶體的是19世紀初的英國化學(xué)家戴維，他發(fā)現(xiàn)氯可形成化學(xué)式為Cl2·8H20的水合物晶體。20世紀末，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)海底存在大量天然氣水合物晶體。這種晶體的主要氣體成分是甲烷，因而又稱甲烷水合物。它的外形像冰，而且在常溫常壓下會迅速分解釋放出可燃的甲烷，因而又稱“可燃冰”。天然氣水合物—一種潛在的能源科學(xué)?技術(shù)?社會在天然氣水合物晶體中，有甲烷、乙烷、氮氣、氧氣、二氧化碳、硫化氫、稀有氣體等，它們在水合物晶體里是裝在以氫鍵相連的幾個水分子構(gòu)成的籠內(nèi)，因而又稱籠狀化合物（如圖3-20上）。天然氣水合物晶體中的水分子籠是多種多樣的（如圖3-20下）。假設(shè)天然氣水合物的水籠穴里裝的都是甲烷，甲烷水合物的化學(xué)式可表示為8CH4.46H2O，相當(dāng)于

CH4

和

H2O的物質(zhì)的量比為1:5.75。把甲烷水合物從海底提升到海平面，1

m3

固體可釋放164m3(標準狀況)甲烷氣體。海底天然氣水合物的密度與冰的十分接近，為0.92~0.93

g/cm3

，用這個數(shù)據(jù)進行理論推算可知，甲烷分子并沒有完全占據(jù)可被占據(jù)的籠穴，只占據(jù)了70%~90％的籠穴。估計全球的海底和冰川底部藏在天然氣水合物中的天然氣，總量超過煤、石油和天態(tài)氣等化石燃料的總和的兩倍，是巨大的潛在能源。

據(jù)報道，在2017年5月18日，我國南海神狐海域天然氣水合物試采實現(xiàn)連續(xù)超過7天的穩(wěn)定產(chǎn)氣。觀察下表，為什么同為二元氧化物的CO2和SiO2熔沸點差別這么大？觀察與思考物質(zhì)熔點/℃沸點/℃晶體類型CO2-56.2（在527kPa下測得）-78.5SiO217232230分子晶體？二氧化碳晶體(干冰)屬于分子間通過范德華力形成的分子晶體，溶、沸點低。二氧化硅晶體熔、沸點高得很多，它的晶體一定不是分子晶體，那么它屬于什么晶體呢？干冰SiO2學(xué)習(xí)任務(wù)2：二、共價晶體1.什么是共價晶體所有原子都以共價鍵相互結(jié)合形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體共價晶體構(gòu)成粒子：原子共價晶體構(gòu)粒子間作用力：共價鍵(破壞困難)2.共價晶體有什么性質(zhì)①高熔點②高硬度③一般不導(dǎo)電，但晶體硅、鍺是半導(dǎo)體④難溶于一般的溶劑共價晶體中，原子間以較強的共價鍵相結(jié)合，要使物質(zhì)熔化就要克服共價鍵，需要很高的能量。以共價鍵結(jié)合的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)很難被破壞。3.兩種典型共價晶體例析(1)金剛石天然金剛石呈現(xiàn)多面體外形微觀探析宏觀辨識

金剛石的結(jié)構(gòu)

金剛石的晶胞在金剛石中，每個碳原子以四個共價單鍵對稱地與相鄰4個碳原子結(jié)合，鍵角為109。28′，即金剛石中的碳采用sp3雜化軌道形成共價鍵三維骨架結(jié)構(gòu)。在金剛石中，C－C共價鍵鍵長154pm很短，鍵能347.7KJ/mol很大，這一結(jié)構(gòu)使金剛石在所有已知晶體中硬度最大，且熔點(>3500℃)也很高。碳原子數(shù)：8×+6×+4=81812碳原子含共價鍵數(shù)：4×=212(2)

SiO2晶體

SiO2是自然界含量最高的二元氧化物，熔點1713

℃，有多種結(jié)構(gòu)，最常見的是低溫石英。遍布河岸的黃沙、帶狀的石英礦脈、花崗石里的白色晶體以及透明的水晶都低溫石英。黃沙花崗巖石英礦水晶①SiO2在自然界分布是怎樣的②低溫石英的結(jié)構(gòu)是怎樣的在低溫石英的結(jié)構(gòu)中，一個硅原子與四個氧原子通過共價鍵形成硅氧四面體，頂角相連的硅氧四面體形成螺旋上升的長鏈。這一結(jié)構(gòu)決定了它具有手性，被廣泛用作壓電材料，如制作石英手表。③

SiO2有什么用途是制造水泥、玻璃、單晶硅、硅光電池、芯片和光導(dǎo)纖維的原料。圖3-24以這原料制造的高科技產(chǎn)品4.哪些晶體屬于共價晶體如硼（B）、硅（Si）、鍺（Ge）和錫（Sn）等如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)及氮化硅(Si3N4)等①某些單質(zhì)②某些非金屬氧化物近年來Si3N4以為基礎(chǔ)，用Al取代部分Si，用O取代部分N而獲得結(jié)構(gòu)多樣化的陶瓷，用于制作LED發(fā)材料。

(1)怎樣從原子結(jié)構(gòu)的角度理解金剛石，硅和鍺的熔點和硬度依次下降？

(2)“具有共價鍵的晶體叫做共價晶體”，這種說法對嗎？為什么？思考與討論不對，分子晶體中通常也含有共價鍵。如CO2晶體

干冰,只有分子內(nèi)部才通過共價鍵結(jié)合，而分子間通過范德華力結(jié)合成分子晶體；此外，某些離子晶體中也含共價鍵，如NaOH、NH4Cl結(jié)構(gòu)相似的共價晶體，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，晶體熔點越高。原子半徑C

<Si<Ge，鍵長C-C

<Si-Si

<Ge-Ge，鍵能C-C

＞Si-Si

＞Ge-Ge，所以它們的熔點和硬度依次下降。

表3-3某些共價晶體的熔點和硬度

硬度是衡量固體軟硬程度的指標。硬度有不同的標度，最普通的硬度標度是畫痕硬度，即摩氏硬度，以固體互相刻畫時出現(xiàn)刻痕的固體的硬度較低。金剛石不能被任何天然礦物畫出刻痕，因而是最硬的。以金剛石的硬度為10，以另9種天然礦物為代表，可將摩氏硬度分為十度，即：代表物金剛石剛玉黃玉石英正長石磷灰石瑩石方解石石膏滑石硬度10987654321應(yīng)當(dāng)指出，硬度大的物質(zhì)不一定經(jīng)得錘擊，如金剛石硬度大，卻很容易經(jīng)鍾擊而破碎。物質(zhì)經(jīng)受錘擊的性質(zhì)屬于延展性。由于共價晶體中的共價鍵具有方向性，當(dāng)受到大的外力作用時會發(fā)生原了錯位而斷裂。你要是有粒鉆石，切不可用錘子砸喲！

資料卡片共價晶體金剛石氮化硼碳化硅石英硅鍺熔點/℃＞350030002700171014101211摩氏硬度109.59.576.56.0金剛石

人類把天然金剛石當(dāng)作寶石珍藏已有三千余年的歷史。經(jīng)過琢磨的金剛石稱為鉆石，透光度高。純凈的金剛石無色透明，含雜質(zhì)則呈藍、黃、棕、綠、黑等色。用同位素斷代實驗證實，所有的天然金剛石至少已有9.9億歲了，其中許多甚至已達32億歲！天然金剛石是在離地表100~200km深的地幔中形成的。在那里，溫度為900~1300℃，壓力為4.5×109~6.0×109Pa。天然金剛石是火山爆發(fā)帶到地表來的。火山爆發(fā)時形成的巖漿是傳輸金剛石的介質(zhì)，它冷卻形成的巖石即富含金剛石的金伯利巖。在地球表面，石墨比金剛石更穩(wěn)定，但迅速上升到地表的火山巖漿急速冷卻，使金剛石不能轉(zhuǎn)化為石墨。圖3-25是幾幅軟件模擬金伯利巖漿攜帶金剛石上升到地表的動畫截圖。圖3-25中金剛石的大小被大大夸張了，其實，金伯利巖中金剛石的量是極其稀少的。據(jù)統(tǒng)計，平均1000kg金伯利巖中只有5g金剛石，而且其中80％只能用于工業(yè)（如制作鉆頭等），不能用于磨制鉆石，而品質(zhì)上乘的鉆石就更少了?？茖W(xué)?技術(shù)?社會圖3-25火山巖漿把金剛石從地幔深處輸送到地表并冷卻成金伯利巖

人工合成金剛石

(1)高壓合成人工合成金剛石的探索始于19世紀末，直到20世紀50年代，在理論上論證了合成金剛石需要的高壓高溫條件，才逐漸從實驗探索發(fā)展成大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。高壓合成金剛石的原料是廉價的石墨。用高壓釜施加高溫高壓并加入金屬鎳等金屬催化劑，石墨可轉(zhuǎn)化為金剛石（如圖3-26)。此外，也可借爆炸產(chǎn)生的高溫高壓合成，但后者得到的金剛石顆粒細小，只能用作磨料。然而，廉價而大量地合成寶石級的金剛石仍是一個人類尚未攻克的難題。(2)低壓合成20世紀80年代，人們發(fā)現(xiàn)，甲烷等簡單的碳氫化合物跟大量氫氣混合，在微波爐里形成低溫低壓的等離子體在硅等基質(zhì)上沉積，能得到顆粒微小的金剛石的薄膜。近年，已用這種方法獲得了寶石級大鉆石。此法的出現(xiàn)震驚世人，對人類科學(xué)思維取向有深刻的啟示。小結(jié)：晶體類型共價晶體分子晶體構(gòu)成微粒

作用力熔沸點硬度溶解性導(dǎo)電性典型舉例原子分子共價鍵分子間作用力(或氫鍵)很大較小很大較小不溶于任何溶劑部分溶于水不導(dǎo)電，個別為半導(dǎo)體固體和熔化狀態(tài)都不導(dǎo)電，部分溶于水導(dǎo)電金剛石、低溫SiO2晶體冰、干冰