《共價晶體　分子晶體　晶體結構的復雜性》參考教案

學而優(yōu)，教有方17/17第2課時共價晶體分子晶體晶體結構的復雜性發(fā)展目標體系構建1.通過金剛石、晶體硅、SiO2晶體的結構模型認識共價晶體的結構特點，能解釋共價晶體的性質。2.通過干冰、冰、碘晶體的結構模型，認識由范德華力和氫鍵形成分子晶體的結構特點的不同，能解釋分子晶體的性質。3.通過認識石墨晶體的特殊結構，知道介于典型晶體之間的過渡晶體及混合型晶體是普遍存在的。一、共價晶體1．共價晶體的概念及特點(1)概念相鄰原子間以共價鍵結合而形成的具有空間立體網狀結構的晶體稱為共價晶體。(2)特點共價晶體的熔點很高，硬度很大。對結構相似的共價晶體來說，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，晶體的熔點就越高。共價晶體中的原子服從緊密堆積排列嗎？說明理由。2．幾種共價晶體的結構(1)金剛石的晶體結構在晶體中，碳原子以sp3雜化軌道與周圍4個碳原子以共價鍵相結合，C—C鍵間的夾角為109°28′。因為中心原子周圍排列的原子的數(shù)目是有限的，所以這種比較松散的排列與金屬晶體和離子晶體中的緊密堆積排列有很大的不同。(2)SiC晶體的結構SiC晶體的結構類似于金剛石晶體結構，其中碳原子和硅原子的位置是交替的，所以在整個晶體中硅原子與碳原子個數(shù)比為1∶1。(3)SiO2晶體的結構水晶是由Si和O構成的空間立體網狀的二氧化硅晶體，一個硅原子與四個氧原子形成四個共價鍵，每個氧原子與兩個硅原子形成兩個共價鍵，從而形成以硅氧四面體為骨架的結構，且只存在Si—O鍵。二氧化硅晶體中硅原子和氧原子個數(shù)比為1∶2，不存在單個分子，可以把整個晶體看成巨型分子。二、分子晶體1．分子之間通過分子間作用力結合形成的晶體稱為分子晶體。非金屬單質、非金屬的氧化物和氫化物等無機物以及多數(shù)有機化合物形成的晶體大都屬于分子晶體。2．性質(1)分子晶體在熔化時，破壞的只是分子間作用力，所以只需要外界提供較少的能量。因此，分子晶體的熔點通常較低，硬度也較小，有較強的揮發(fā)性。(2)對組成和結構相似且晶體中沒有氫鍵的分子晶體來說，隨著相對分子質量的增大，分子間作用力增強，熔點升高。(3)一般來說，分子間作用力無方向性，也使得分子在堆積時，會盡可能利用空間并采取緊密堆積方式，但是，分子的形狀、分子的極性以及分子之間是否存在氫鍵等，都會影響分子的堆積方式。3．幾種常見的分子晶體(1)碘晶體碘晶體的晶胞是一個長方體，碘分子除了占據(jù)長方體的每個頂點外，在每個面上還有一個碘分子。(2)干冰干冰晶胞呈立方體型，其中二氧化碳分子因分子之間的相互作用，在晶胞中呈現(xiàn)有規(guī)律的排列(如圖所示)。干冰的結構模型(晶胞)(3)冰晶體冰晶體主要是水分子依靠氫鍵而形成的。由于氫鍵具有一定的方向性，中央的水分子與周圍四個水分子結合，邊緣的四個水分子也按照同樣的規(guī)律再與其他水分子結合，每個氧原子周圍都有四個氫原子。這種排列類似于蜂巢結構，比較松散。因此水由液態(tài)變成固態(tài)時，密度變小。三、晶體結構的復雜性1．石墨晶體石墨晶體具有層狀結構，同一層中的每個碳原子用sp2雜化軌道與鄰近的三個碳原子以共價鍵相結合，形成無限的六邊形平面網狀結構，每個碳原子還有一個與碳環(huán)平面垂直的未參與雜化的2p軌道，并含有一個未成對電子，因此能夠形成遍及整個平面的大π鍵。大π鍵具有金屬鍵的性質。石墨晶體中既有共價鍵，又有范德華力，同時還有金屬鍵的特性，所以稱為混合型晶體。(1)石墨晶體為什么具有導電性？(2)稀有氣體由單原子構成，它屬于共價晶體嗎？2．Na2SiO3晶體在Na2SiO3固體中并不存在單個的簡單SiOeq\o\al(2－,3)，Si通過共價鍵與4個O原子相連，形成硅氧四面體。硅氧四面體通過共用頂角O原子而連成較大的鏈狀硅酸鹽{SiOeq\o\al(2－,3)}∞單元(如圖所示)，帶負電的鏈狀硅酸鹽{SiOeq\o\al(2－,3)}∞單元與金屬陽離子以離子鍵相互作用。3．過渡晶體原子之間形成的化學鍵往往是介于典型模型(金屬鍵、離子鍵、共價鍵、配位鍵)之間的過渡狀態(tài)。由于微粒間的作用存在鍵型過渡，即使組成簡單的晶體，也可能是居于金屬晶體、離子晶體、共價晶體、分子晶體之間的過渡狀態(tài)，形成過渡晶體。1．判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)金剛石的晶胞構型為正四面體。 ()(2)二氧化硅的分子式是SiO2。 ()(3)通常情況下，分子晶體的熔、沸點比較低，原子晶體的熔、沸點比較高。 ()(4)水是一種非常穩(wěn)定的化合物，這是由于水中存在氫鍵。 ()2．下列說法中正確的是()A．冰融化時，分子中H—O鍵發(fā)生斷裂B．共價晶體中，共價鍵越強，共價晶體的熔點越高C．分子晶體中，共價鍵鍵能越大，該分子晶體的熔、沸點一定越高D．稀有氣體形成的晶體屬于共價晶體3．分子晶體具有的本質特征是()A．組成晶體的基本構成微粒是分子B．熔融時不導電C．晶體內微粒間以分子間作用力相結合，這種作用很弱D．熔點一般比共價晶體低共價晶體的結構特點及常見共價晶體的結構(素養(yǎng)養(yǎng)成——宏觀辨識與微觀探析)水晶是一種古老的寶石，晶體完好時呈六棱柱鉆頭形，它的成分是二氧化硅。水晶的結構可以看成是硅晶體中每個Si—Si鍵中“插入”一個氧原子形成的。1．在水晶中“Si—O—Si”鍵是否是直線型？2．在SiO2晶體中，1molSiO2含幾摩爾“Si—O”鍵？1．共價晶體的結構特征(1)構成共價晶體的基本微粒：原子。晶體中不存在單個分子，共價晶體的化學式僅僅表示物質中的原子個數(shù)關系，不是分子式。(2)形成共價晶體的作用力：共價鍵。在共價晶體中只存在共價鍵(極性鍵或非極性鍵)，沒有分子間作用力和其他相互作用。(3)共價晶體中的原子以共價鍵相結合，共價鍵有方向性和飽和性，因此在共價晶體中，每個原子周圍的其他原子的數(shù)目是一定的，原子之間的相對位置也是確定的，彼此連接形成穩(wěn)定的空間立體網狀結構。原子的堆積不遵循緊密堆積原則。2．金剛石和二氧化硅結構金剛石(1)每個碳與相鄰4個碳以共價鍵結合，形成正四面體結構(2)鍵角均為109°28′(3)最小碳環(huán)由6個C組成且六個原子不在同一平面內(4)每個C參與4條C—C鍵的形成，C原子數(shù)與C—C鍵個數(shù)之比為1∶2(5)每個晶胞含8個CSiO2(1)每個Si與4個O以共價鍵結合，形成正四面體結構(2)每個正四面體占有1個Si,4個“eq\f(1,2)O”，n(Si)∶n(O)＝1∶2(3)最小環(huán)上有12個原子，即6個O,6個Si微點撥：(1)若把金剛石中的碳原子換成硅原子，便可得到晶體硅的結構，跟金剛石不同的是，硅晶體中Si—Si鍵的鍵長大于金剛石晶體中C—C鍵的鍵長。(2)碳化硅晶體的結構類似于金剛石晶體的結構，其中碳原子和硅原子的位置是交替的，每個碳原子結合4個硅原子，同時每個硅原子結合4個碳原子，所以在整個晶體中硅與碳的原子個數(shù)比是1∶1，碳化硅的化學式是SiC。碳化硅晶體中的Si—C鍵的鍵長小于硅晶體中Si—Si鍵的鍵長，大于金剛石晶體中C—C鍵的鍵長。(3)SiO2晶體結構相當于將金剛石中的C原子全都改換為Si原子，同時在每兩個Si原子中心連線的中間增添一個O原子，在晶體中只存在Si—O鍵，不存在Si—Si鍵和O—O鍵。【例1】我們可以將SiO2的晶體結構想象為在晶體硅的Si—Si鍵之間插入O原子。根據(jù)SiO2晶體結構圖，下列說法不正確的是()A．石英晶體中每個Si原子通過Si—O極性鍵與4個O原子作用B．每個O原子也通過Si—O極性鍵與2個Si原子作用C．石英晶體中Si原子與O原子的原子個數(shù)比為1∶2，可用“SiO2”來表示石英的組成D．在晶體中存在石英分子，故石英的分子式為SiO21．根據(jù)下列物質的性質，判斷其屬于共價晶體的是()A．熔點2700℃，導電性強，延展性強B．無色晶體，熔點3550℃，不導電，質硬，難溶于水和有機溶劑C．無色晶體，能溶于水，質硬而脆，熔點為800℃，熔化時能導電D．熔點－56.6℃，微溶于水，硬度小，固態(tài)或液態(tài)時不導電2.二氧化硅是立體的網狀結構，其晶體模型如圖所示，請認真觀察該晶體模型后回答以下問題：(1)二氧化硅晶體中最小環(huán)為________元環(huán)。(2)每個硅原子為________個最小環(huán)共有；每個最小環(huán)中有________個硅原子，________個氧原子。(3)每個最小環(huán)平均擁有________個硅原子，________個氧原子。(4)1molSiO2中含有________molSi—O鍵。四種晶體比較(素養(yǎng)養(yǎng)成——證據(jù)推理與模型認知)類型項目離子晶體共價晶體分子晶體金屬晶體構成晶體的微粒陰、陽離子原子分子金屬陽離子和自由電子微粒間的作用離子鍵共價鍵分子間作用力(范德華力或氫鍵)金屬鍵作用力強弱(一般地)較強很強弱一般較強，有的較弱確定作用力強弱的一般判斷方法離子電荷、半徑鍵長(原子半徑)組成和結構相似時比較相對分子質量離子半徑、價電子數(shù)熔、沸點較高高低差別較大(汞常溫下為液態(tài)，鎢熔點為3410℃)硬度略硬而脆大較小差別較大導熱和導電性不良導體(熔化后或溶于水導電)不良導體不良導體(部分溶于水發(fā)生電離后導電)良導體溶解性(水)多數(shù)易溶一般不溶相似相溶一般不溶于水，少數(shù)與水反應組成微粒堆積方式非等徑圓球緊密堆積不服從緊密堆積原理緊密堆積(與分子形狀有關且分子間不存在氫鍵)等徑圓球緊密堆積(A1、A2、A3)【例2】下列分子晶體，關于熔點、沸點高低的敘述中，正確的是()A．Cl2>I2B．SiCl4<CCl4C．NH3>PH3D．C(CH3)4>CH3CH2CH2CH2CH3判斷分子晶體的熔點、沸點高低時，主要從以下兩個方面去考慮：一是有無氫鍵，有氫鍵的分子晶體熔點、沸點較高；二是看分子間作用力，主要是結構相似的情況下，看物質的相對分子質量大小，相對分子質量大者，其分子間作用力強，對應晶體的熔點、沸點高。1．下列表述不正確的是()A．熔點：CF4<CCl4<CBr4<CI4B．硬度：金剛石>碳化硅>晶體硅C．晶格能：NaF>NaCl>NaBr>NaID．熔點：Na>Mg>Al2．下列物質的性質變化規(guī)律與化學鍵的強弱無關的是()A．鈉、鎂、鋁的熔點和沸點逐漸升高，硬度逐漸增大B．金剛石的硬度大于晶體硅的硬度，其熔點也高于晶體硅的熔點C．KF、KCl、KBr、KI的熔點依次降低D．CF4、SiF4、GeF4的熔點和沸點逐漸升高石墨不同于金剛石，它的碳原子不像金剛石的碳原子那樣呈sp3雜化，而是呈sp2雜化，形成平面六元并環(huán)結構(如下圖①)，因此，石墨晶體是層狀結構的，層內的碳原子的核間距為142pm，層間距離為335pm(比鍵長大得多)說明層間沒有化學鍵相連，是靠范德華力維系的(如圖②)①石墨晶體中的二維平面結構②石墨的層狀結構1．金剛石與石墨的熔點均很高，那么二者熔點是否相同？若不相同，哪種更高一些？為什么？2．觀察冰的晶體結構，思考下列問題：(1)冰晶體中微粒間的作用力有哪幾種？(2)冰晶體的結構特點如何？冰中水分子的排列是否采取緊密堆積的方式？為什么？(3)由水變?yōu)楸?，水的密度如何變化？為什么？通過本情境素材中對不同晶體的作用力分析，明確各類晶體物理性質與形成晶體的作用力間的關系，提升了“證據(jù)推理與模型認知”的化學學科素養(yǎng)。1．關于金剛石的下列說法中，錯誤的是()A．晶體中不存在獨立的分子B．碳原子間以共價鍵相結合C．是硬度最大的物質之一D．化學性質穩(wěn)定，即使在高溫下也不會與氧氣發(fā)生反應2．SiCl4的分子結構與CCl4的相似，下列對SiCl4的推測不正確的是()A．SiCl4晶體是分子晶體B．常溫、常壓下SiCl4是氣體C．SiCl4的分子是由極性鍵形成的非極性分子D．SiCl4為正四面體結構3．(素養(yǎng)題)氮化鋁(AlN)常用作砂輪及高溫爐襯材料，熔融狀態(tài)下不導電，可知它屬于()A．離子晶體 B．共價晶體C．分子晶體 D．無法判斷4．當SO3晶體熔化時，下述各項發(fā)生變化的是()A．化學鍵B．硫與氧的原子個數(shù)之比C．分子構型D．分子間作用力5．單質硼有無定形和晶體兩種，參考下表數(shù)據(jù)：金剛石晶體硅晶體硼熔點/℃335014152573沸點/℃482726282823摩氏硬度107.09.5(1)晶體硼的晶體類型屬于________，理由是_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)已知晶體硼的結構單元是由硼原子組成的正二十面體，如圖所示，其中有20個等邊三角形的面和一定數(shù)目的頂點，每個頂點各有一個硼原子。通過觀察圖形及推算，得出此基本結構單元由________個硼原子構成，其中B—B鍵的鍵角為________，共含有________個B—B鍵。微專題4不同結構物質的熔、沸點比較物質沸點高低是由構成物質質點間作用力大小決定的。物質質點間作用力包括分子間作用力和各種化學鍵。以下是常見的幾種比較物質沸點高低的方法。1．根據(jù)物質狀態(tài)判斷即物質沸點高低按常溫下的狀態(tài)：固體＞液體＞氣體。如：NaCl＞H2O＞CO2。2．根據(jù)物質不同結構特點判斷(1)共價晶體：共價晶體間鍵長越短、鍵能越大，共價鍵越穩(wěn)定，物質熔、沸點越高，反之越低。如：金剛石(C—C)＞晶體硅(Si—Si)。(2)離子晶體：離子晶體中陰、陽離子半徑越小，電荷數(shù)越多，則離子鍵越強，熔、沸點越高，反之越低。如KCl＞KBr。(3)分子晶體：分子晶體分子間作用力越大，物質的熔、沸點越高，反之越低。①組成和結構相似的分子晶體，相對分子質量越大，分子間作用力越強，物質的熔、沸點越高。如：CH4＜SiH4＜GeH4＜SnH4。②因為氫鍵＞范德華力，所以存在分子間氫鍵的物質沸點高于只存在范德華力的物質。如：乙醇＞氯乙烷；HF＞HCl。1．下列說法錯誤的是()A．鹵族元素的氫化物中HF的沸點最高，是由于HF分子間存在氫鍵B．鄰羥基苯甲醛的熔、沸點比對羥基苯甲醛的熔、沸點低C．H2O的沸點比HF的沸點高，是由于水中氫鍵的鍵能大D．氨氣極易溶于水與氨氣分子和水分子間形成氫鍵有關2．(雙選)下列關于金屬晶體的敘述正確的是()A．常溫下，金屬單質都以金屬晶體形式存在B．金屬陽離子與自由電子之間的強烈作用，在一定外力作用下，不因形變而消失C．鈣的熔、沸點高于鉀D．溫度越高，金屬的導電性越好3．美國《科學》雜志曾報道：在40GPa的高壓下，用激光加熱到1800K，人們成功制得了共價晶體CO2，下列對該物質的推斷一定不正確的是()A．該共價晶體中含有極性鍵B．該共價晶體易汽化，可用作制冷材料C．該共價晶體有很高的熔點、沸點D．該共價晶體硬度大，可用作耐磨材料4．某化學興趣小組在學習分子晶體后，查閱了幾種氯化物的熔點，記錄如下：NaClMgCl2AlCl3SiCl4CaCl2熔點/℃801712190－68782根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析，他們認為屬于分子晶體的是()A．NaCl、MgCl2、CaCl2 B．AlCl3、SiCl4C．NaCl、CaCl2 D．全部5．現(xiàn)有幾組物質的熔點(℃)數(shù)據(jù)：A組B組C組D組金剛石：3550Li：181HF：－83NaCl硅晶體：1410Na：98HCl：－115KCl硼晶體：2300K：64HBr：－89RbCl二氧化硅：1732Rb：39HI：－51MgO：2800據(jù)此回答下列問題：(1)由表格可知，A組熔點普遍偏高，據(jù)此回答：①A組屬于________晶體，其熔化時克服的粒子間的作用力是________。②硅的熔點低于二氧化硅，是由于_____________________________________________________________________________________________。③硼晶體的硬度與硅晶體相對比：____________________________________________________________________________________________。(2)B組晶體中存在的作用力是________，其共同的物理性質是________(填序號)。①有金屬光澤②導電性③導熱性④延展性(3)C組中HF熔點反常是由于__________________________。(4)D組晶體可能具有的性質是________(填序號)。①硬度?、谒芤耗軐щ姠酃腆w能導電④熔融狀態(tài)能導電(5)D組晶體中NaCl、KCl、RbCl的熔點由高到低的順序為________________，MgO晶體的熔點高于三者，其原因解釋為____________________________________________________________________________。

參考答案提示：不服從。由于共價鍵具有方向性和飽和性，共價晶體中每個原子周圍排列的原子的數(shù)目是有限的，故原子的排列不服從緊密堆積方式。(1)提示：石墨晶體中每個C原子未參與雜化的軌道中含有1個未成對電子，能形成遍及整個平面的大π鍵，由于電子可以在整個六邊形網狀平面上運動，因此石墨沿層平行方向導電。(2)提示：不是，它屬于分子晶體。1．××√×2．B[冰屬于分子晶體，冰晶體中存在分子間作用力，所以冰融化時克服分子間作用力，共價鍵不變，A錯誤；共價晶體中共價鍵的強弱決定其熔點的高低，所以共價晶體中共價鍵越強，共價晶體的熔點越高，B正確；分子晶體的熔點和沸點與分子間作用力有關，與分子內的共價鍵的鍵能強弱無太大關系，C錯誤；稀有氣體分子是單原子分子，形成的晶體為分子晶體，D錯誤。]3．C[分子晶體相對于其他晶體來說，熔、沸點較低，硬度較小，導致這些性質特征的本質原因是基本構成微粒間的相互作用——范德華力及氫鍵相對于化學鍵來說是極其微弱的。]1．提示：不是，“Si—O—Si”鍵呈V形。2．提示：4mol。【例1】D[由題圖可知每個硅原子與四個氧原子相連，而每個氧原子與兩個硅原子相連，在晶體中Si原子與O原子的個數(shù)比為1∶2，“SiO2”僅表示石英的組成，不存在單個的SiO2分子，故D錯誤。]1．B[共價晶體一般不導電，沒有延展性，A項錯誤；共價晶體難溶于水，C項錯誤；共價晶體一般熔點很高，硬度很大，D項錯誤。]2.[解析](1)SiO2晶體中Si原子的排列方式和金剛石晶體中碳原子的排列方式是相同的。在金剛石晶體中，每個最小環(huán)上有6個碳原子，因此SiO2晶體中每個最小環(huán)上有6個Si原子，另外六邊形的每條邊上都插入了1個氧原子，所以最小環(huán)為12元環(huán)。(2)據(jù)圖可知，每個硅原子周圍有四條邊，而每條邊又被6個環(huán)所共有，同時由于每個環(huán)上有兩條邊是同一個硅原子周圍的，因此還要除以2以剔除重復。所以最終計算式為eq\f(4×6,2)＝12。(3)由于每個硅原子被12個環(huán)共有，因此每個環(huán)只占有該硅原子的eq\f(1,12)，又因為每個最小環(huán)上有6個硅原子，所以每個最小環(huán)平均擁有的硅原子數(shù)為6×eq\f(1,12)＝eq\f(1,2)。又因為SiO2晶體是由硅原子和氧原子按1∶2的比例所組成，因此氧原子的數(shù)目為eq\f(1,2)×2＝1。(4)據(jù)圖可知，1個Si原子周圍有4條Si—O鍵，無共用，所以1molSiO2中有4molSi—O鍵。[答案](1)12(2)1266(3)eq\f(1,2)1(4)4【例2】C[A、B項屬于無氫鍵存在的分子結構相似的情況，相對分子質量大的熔點、沸點高；C選項屬于分子結構相似的情況，但存在氫鍵的熔點、沸點高；D項屬于相對分子質量相同，但分子結構不同的情況，支鏈多的熔點、沸點低。]1．D[A項中均為分子晶體，其熔點和分子間作用力有關，分子間作用力越大，熔點越高，對組成和結構相似的分子晶體而言，相對分子質量越大，分子間作用力越大，A項正確。B項中均為共價晶體，形成共價鍵的原子半徑越小，共價鍵越強，硬度越大，B項正確。C項中均為離子晶體，形成離子晶體的離子半徑越小，離子所帶電荷越多，離子鍵越強，晶格能越大，離子半徑：F－<Cl－<Br－<I－，晶格能：NaF>NaCl>NaBr>NaI，C項正確。D項中均為金屬晶體，形成金屬鍵的金屬陽離子半徑越小，所帶電荷越多，金屬鍵越強，金屬晶體的熔點就越高，離子半徑：Na＋>Mg2＋>Al3＋，熔點：Al>Mg>Na，D項錯誤。]2．D[A項，鈉、鎂、鋁的熔點和沸點逐漸升高，硬度逐漸增大，這是因為它們所含的金屬鍵逐漸增強，與化學鍵的強弱有關；B項，金剛石的硬度大于晶體硅的硬度，其熔點也高于晶體硅的熔點，這是因為C—C鍵的鍵長比Si—Si鍵的鍵長短，C—C鍵的鍵能比Si—Si鍵的鍵能大，與化學鍵的強弱有關；C項，KF、KCl、KBr、KI的熔點依次降低，這是因為它們所含的離子鍵的強度逐漸減弱，與化學鍵的強弱有關；D項，CF4、SiF4、GeF4的熔點和沸點逐漸升高，這是因為分子間作用力隨相對分子質量的增大而增大，與化學鍵的強弱無關。]1．提示：不相同。石墨熔點高于金剛石。金剛石中C原子雜化方式為sp3雜化，C原子之間存在σ鍵，而石墨中C原子雜化方式為sp2雜化，C原子之間存在σ鍵和π鍵，石墨中化學鍵的鍵能大，故熔點高。2．提示：(1)范德華力和氫鍵。(2)冰晶體主要是水分子依靠氫鍵而形成的。因氫鍵具有一定的方向性，故冰中水分子不能采取緊密堆積方式。(3)密度減?。灰虮兴肿拥拈g距較大，分子的排列比較松散。1．D[金剛石在高溫下與O2反應生成CO2。]2．B[由于SiCl4的分子結構與CCl4的相似，所以SiCl4屬于分子晶體。CCl4分子是正四面體結構，SiCl4與其結構相似，因此也是正四面體結構，是含極性鍵的非極性分子。]3．B[熔融狀態(tài)下不導電的化合物必定是共價化合物，又因為具有耐高溫的性能，所以必定是共價晶體。]4．D[當SO3晶體熔化時，分子間作用力被破壞，故