人教版(2019)选修性必修2导学案第3章　第2节　第1课时　分子晶体

第二节 分子晶体与共价晶体 第 1 课时 分子晶体 发 展 目 标 体 系 构 建 1.借助分子晶体模型认识分子晶体的结构特点。 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。 一、分子晶体及其结构特点 1．概念 只含分子的晶体。 2．粒子间的作用 分子晶体中相邻的分子间以分子间作用力相互吸引。 3．常见分子晶体及物质类别 物质种类 实例 所有非金属氢化物 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 4.分子晶体的常见堆积方式 分子间作用力 堆积方式 实例 范德华力 分子采用密堆积， 每个分子周围有 12 个紧邻的分子 如 C60、干冰、I2、O2 范德华力、氢键 分子不采用密堆积， 每个分子周围紧邻的分子少于 12 个 如 HF、NH3、冰 二、两种典型的分子晶体的组成和结构 1．冰 (1)水分子之间的主要作用力是氢键，当然也存在范德华力。 (2)氢键有方向性，它的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的 4 个相邻水分 子互相吸引。 2．干冰 (1)干冰中的 CO2 分子间只存在范德华力，不存在氢键。 (2)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。 三、分子晶体的物理性质 1．物理特性 (1)分子晶体的熔、沸点较低，密度较小，硬度较小，较易熔化和挥发。 (2)一般是绝缘体，熔融状态也不导电。 (3)溶解性符合“相似相溶规律”。 2．分子晶体熔、沸点高低的比较规律 (1)分子晶体中分子间作用力越大，物质熔、沸点越高，反之越低。 (2)具有氢键的分子晶体，熔、沸点反常高。 1．判断正误(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。) (1)分子晶体中只存在分子间作用力 (×) (2)分子晶体熔化时共价键断裂 (×) (3)分子晶体中氢键越强，分子越稳定 (×) (4)分子晶体中一定含有分子间作用力，不一定含有化学键 (√) 2．下列各组物质各自形成晶体，均属于分子晶体的化合物是( ) A．NH3、P4、C10H8 B．PCl3、CO2、H2SO4 C．SO2、SiO2、P2O5 D．CCl4、H2O、Na2O2 B [A 中，P4(白磷)为单质，不是化合物；C 中，SiO2 为共价晶体；D 中，Na2O2 是离子化合物、 离子晶体。] 3．(1)CO 能与金属 Fe 形成 Fe(CO)5，该化合物熔点为 253 K，沸点为 376 K，其固体属于________ 晶体。 (2)F2 与其他卤素单质反应可以形成卤素互化物，如 ClF3、BrF3，常温下它们都是易挥发的液体。 ClF3 的熔、沸点比 BrF3 的________(填“高”或“低”)。 (3)下图为 CO2 分子晶体结构的一部分，观察图形。试说明每个 CO2 分子周围有________个与之 紧邻的 CO2 分子；该结构单元平均占有________个 CO2 分子。 [解析] (1)该化合物熔点为 253 K，沸点为 376 K，熔、沸点较低，所以为分子晶体。(2)组成和 结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高，所以 ClF3 的熔、沸点比 BrF3 的低。 [答案] (1) 分子 (2)低 (3)12 4 探究分子晶体结构与物理性质的关系 观察下图冰和干冰的结构，回答下列问题。 (1)已知氢键也有方向性，试分析为什么冬季河水总是从水面上开始结冰？ 提示：由于氢键的方向性，使冰晶体中每个水分子与四面体顶角方向的 4 个分子相互吸引，形 成空隙较大的网状晶体，密度比水小，所以结的冰会浮在水面上。 (2)为什么冰融化为水时，密度增大？ 提示：在冰晶体中，每个分子周围只有 4 个紧邻的水分子，由于水分子之间的主要作用力是氢 键，氢键跟共价键一样具有方向性，即氢键的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方 向的 4 个相邻水分子相互吸引，这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不高，留有相当大的空 隙。当冰刚刚融化为液态水时，热运动使冰的结构部分解体，水分子间的空隙减小，密度反而增大。 (3)为什么干冰的熔沸点比冰低而密度却比冰大？ 提示：由于冰中除了范德华力外还有氢键作用，破坏分子间作用力较难，所以熔沸点比干冰高。 由于水分子间氢键的方向性，导致冰晶体不具有分子密堆积特征，晶体中有相当大的空隙，所以相 同状况下冰体积较大。由于 CO2 分子的相对分子质量＞H2O 分子的相对分子质量，所以干冰的密度 大。 (4)干冰升华过程中破坏共价键吗？ 提示：干冰升华的过程中破坏分子间作用力，不破坏共价键。 1．分子晶体的物理性质 (1)分子晶体具有较低的熔、沸点和较小的硬度。分子晶体熔化时要破坏分子间作用力，由 于分子间作用力很弱，所以分子晶体的熔、沸点一般较低，部分分子晶体易升华(如干冰、碘、红磷、 萘等)，且硬度较小。 (2)分子晶体不导电。分子晶体在固态和熔融状态下均不存在自由移动的离子或自由电子，因而 分子晶体在固态和熔融状态下都不能导电。有些分子晶体的水溶液能导电，如 HI、乙酸等。 (3)分子晶体的溶解性一般符合“相似相溶”规律，即极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易 溶于非极性溶剂。 如：H2O 是极性溶剂，SO2、H2S、HBr 等都是极性分子，它们在水中的溶解度比 N2、O2、CH4 等非极性分子在水中的溶解度大。苯、CCl4 是非极性溶剂，则 Br2、I2 等非极性分子易溶于其中，而 水则不溶于苯和 CCl4 中。 2．分子晶体熔、沸点比较规律 (1)少数主要以氢键作用形成的分子晶体，比一般的分子晶体的熔、沸点高，如含有 H—F、H—O、 H—N 等共价键的分子间可以形成氢键，所以 HF、H2O、NH3、醇、羧酸等物质的熔、沸点相对较 高。 (2)组成与结构相似，分子之间不含氢键而只利用范德华力形成的分子晶体，随着相对分子质量 的增大，物质的熔、沸点逐渐升高。例如，常温下 Cl2 呈气态，Br2 呈液态，而 I2 呈固态；CO2 呈气 态，CS2 呈液态。 (3)相对分子质量相等或相近的极性分子构成的分子晶体，其熔、沸点一般比非极性分子构成的 分子晶体的熔、沸点高，如 CO 的熔、沸点比 N2 的熔、沸点高。 (4)有机物中组成和结构相似且不存在氢键的同分异构体，相对分子质量相同，一般支链越多， 分子间的相互作用力越弱，熔、沸点越低，如熔、沸点：正戊烷＞异戊烷＞新戊烷。 1．某化学兴趣小组在学习分子晶体后，查阅了几种氯化物的熔、沸点，记录如下： NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 CaCl2 熔点/℃ 801 712 190 －68 782 沸点/℃ 1 465 1 418 230 57 1 600 根据这些数据分析，他们认为属于分子晶体的是( ) A．NaCl、MgCl2、CaCl2 B．AlCl3、SiCl4 C．NaCl、CaCl2 D．全部 B [由于由分子构成的晶体，分子与分子之间以分子间作用力相互作用，而分子间作用力较小， 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，表中的 MgCl2、NaCl、CaCl2 熔、沸 点很高，不属于分子晶体，AlCl3、SiCl4 熔、沸点较低，应为分子晶体，所以 B 项正确，A、C、D 三项错误。] 2．下列有关冰和干冰的叙述不正确的是( ) A．干冰和冰都是由分子密堆积形成的晶体 B．冰晶体中每个水分子周围只有 4 个紧邻的水分子 C．干冰比冰的熔点低得多，常压下易升华 D．干冰中只存在范德华力不存在氢键，一个分子周围有 12 个紧邻的分子 A [干冰晶体中 CO2 分子间作用力只是范德华力，分子采取密堆积，一个分子周围有 12 个紧 邻的分子；冰晶体中水分子间除了范德华力之外还存在氢键，由于氢键具有方向性和饱和性，故每 个水分子周围只有 4 个紧邻的水分子，采取非密堆积的方式，空间利用率小，因而密度小。干冰熔 化只需克服范德华力，冰融化需要克服范德华力和氢键，由于氢键作用力比范德华力大，所以干冰 比冰的熔点低得多，而且常压下易升华。] 分子晶体的判断方法 1依据物质的类别判断,部分非金属单质、所有非金属氢化物、部分非金属氧化物、几乎所有 的酸、绝大多数有机物的晶体都是分子晶体。 2依据组成晶体的粒子及粒子间作用判断,组成分子晶体的粒子是分子，粒子间作用是分子间 作用力。 3依据物质的性质判断,分子晶体的硬度小，熔、沸点低，在熔融状态或固体时均不导电。 1．下列有关分子晶体的说法中一定正确的是( ) 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 B [稀有气体元素组成的分子晶体中，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，A 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 之间或者分子之内，B 正确，C 错误；只存在范德华力的分子晶体才采取分子密堆积的方式，D 错 误。] 2．HF 分子晶体、NH3 分子晶体与冰的结构极为相似，在 HF 分子晶体中，与 F 原子距离最近 的 HF 分子有( ) A．3 个 B．4 个 C．5 个 D．12 个 B [根据 HF 分子晶体与冰结构相似可知，每个 HF 分子周围有 4 个 HF 分子与之最近，构成四 面体，故 B 项正确。] 3．下列物质按熔、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 D [对结构和组成相似的分子晶体，其熔、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、沸点反常。所以 A 中应为 HF>HI>HBr>HCl；B 中应为 I2>Br2>Cl2>F2； C 中应为 H2O>H2Te>H2Se>H2S；只有 D 正确。] 4．水分子间可通过一种叫“氢键”的作用(作用力介于化学键与范德华力大小之间)彼此结合而 形成(H2O)n，在冰中 n 值为 5。即每个水分子被其他 4 个水分子包围形成变形四面体，如图所示为 (H2O)5 单元，由无限个这样的四面体通过氢键构成一个庞大的分子晶体，即冰。下列有关叙述正确 的是( ) A．1 mol 冰中含有 4 mol 氢键 B．1 mol 冰中含有 4×5 mol 氢键 C．平均每个水分子只含有 2 个氢键 D．平均每个水分子只含有5 4 个氢键 C [由图可知，每个水分子(处于四面体的中心)与 4 个水分子(处于四面体的四个顶点)形成四个 氢键，因为每个氢键都是由 2 个水分子共同形成的，所以每个水分子形成的氢键数为 4×1 2 ＝2。] 5．(1)比较下列化合物熔、沸点的高低(填“>”或“ ③> ④< ⑤> ⑥>(2)①分子 ②在熔融状态下，试验其是否导电， 若不导电是共价化合物，若导电是离子化合物