3.2.1 分子晶体-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修2 （人教版2019，鲁琼）

第二节　分子晶体与共价晶体 第1课时　分子晶体 [核心素养发展目标]　1.能辨识常见的分子晶体，并能从微观角度分析分子晶体中各构成微粒之间的作用和对分子晶体物理性质的影响。2.能利用分子晶体的通性推断常见的分子晶体，理解分子晶体中微粒的堆积模型，并能用均摊法对晶胞进行分析。 一、分子晶体的概念和性质 1．分子晶体的概念 只含分子的晶体称为分子晶体，在分子晶体中，相邻分子靠分子间作用力相互吸引。 2．分子晶体中的粒子及粒子间的相互作用 3．典型的分子晶体与物质类别 物质类别 实例 所有非金属氢化物 如H2O、NH3、CH4等 部分非金属单质 如卤素(X2)、O2、N2、硫(S8)、白磷(P4)、碳60(C60)、稀有气体等 部分非金属氧化物 如CO2、SO2、SO3、P4O6、P4O10等 几乎所有的酸 如H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3、H2SO3等 绝大多数有机物 如乙醇、乙酸、乙酸乙酯等 4.分子晶体的物理性质 (1)分子晶体熔、沸点较低，硬度很小。 (2)分子晶体不导电。 (3)分子晶体的溶解性一般符合“相似相溶”规律。 1．分子晶体熔点较低的原因是什么？ 提示　分子晶体熔化时破坏分子间作用力(氢键、范德华力)，由于分子间作用力较弱，所以分子晶体熔点较低。 2．分子晶体溶于水时，化学键如何变化？ 提示　有的溶于水破坏化学键，如HCl，有的不破坏化学键，如蔗糖、乙醇。 3．影响分子晶体溶解度的因素有哪些？ 提示　“相似相溶”规律、氢键、化学反应等。 1．正误判断 (1)组成分子晶体的微粒是分子，在分子晶体中一定存在共价键和分子间的作用力(　　) (2)分子晶体熔化时一定破坏范德华力，有些分子晶体还会破坏氢键(　　) (3)分子晶体熔化或溶于水均不导电(　　) (4)分子晶体的熔、沸点越高，分子晶体中共价键的键能越大(　　) 答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)× 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、HD、C10H18 B．PCl3、CO2、H2SO4 C．SO2、SiO2、P2O5 D．CCl4、Na2S、H2O2 答案　B 解析　HD属于分子晶体，但为单质，故A错误；PCl3、CO2、H2SO4均属于分子晶体，且为化合物，故B正确；SiO2不是分子晶体，故C错误；Na2S中含有离子键，不属于分子晶体，故D错误。 3．下列属于某分子晶体性质的是(　　) A．组成晶体的微粒是离子 B．能溶于CS2，熔点为112.8 ℃，沸点为444.6 ℃ C．熔点为1 400 ℃，可作半导体材料，难溶于水 D．熔点高，硬度大 答案　B 解析　分子晶体的主要性质有熔、沸点低，硬度小，极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂，固态时和熔化时均不导电。 4．(2023·淄博高二检测)(1)CO能与金属Fe形成化合物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”)。 答案　(1)分子　(2)低　 解析　(1)由化合物熔点为253 K，沸点为376 K可知，其熔、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。 (1)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、绝大多数有机物都是分子晶体。 ②依据组成晶体的粒子及粒子间作用力判断 组成分子晶体的微粒是分子，粒子间的作用力是分子间作用力。 ③依据物质的性质判断 分子晶体的硬度小，熔、沸点低，在熔融状态或固态时均不导电。 (2)分子晶体熔、沸点高低的判断 ①组成和结构相似，不含氢键的分子晶体，相对分子质量越大，范德华力越强，熔、沸点越高，如I2＞Br2＞Cl2＞F2，HI＞HBr＞HCl。 ②组成和结构不相似的分子晶体(相对分子质量接近)，分子的极性越大，熔、沸点越高，如CH3OH＞CH3CH3。 ③含有分子间氢键的分子晶体的熔、沸点反常升高，如H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S。 ④对于有机物中的同分异构体，支链越多，熔、沸点越低，如CH3—CH2—CH2—CH2—CH3＞＞。 ⑤烃、卤代烃、醇、醛、羧酸等有机物，一般随分子中碳原子数的增加，熔、沸点升高，如C2H6＞CH4，C2H5Cl＞CH3Cl，CH3COOH＞HCOOH。 二、典型的分子晶体的结构和性质 1．分子晶体的结构特征 分子密堆积 分子非密堆积 微粒间作用力 范德华力 范德华力和氢键 空间特点 通常每个分子周围有12个紧邻的分子 每个分子周围紧邻的分子小于12个，空间利用率不高 举例 C60、干冰、I2、O2 HF、NH3、冰 2.两种典型的分子晶体的组成和结构 (1)干冰 ①每个晶胞中有4个CO2分子，12个原子。 ②每个CO2分子周围等距离且紧邻的CO2分子数为12。 (2)冰 ①水分子之间主要的作用力是氢键，当然也有范德华力。 ②由于氢键的方向性，使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。 1．常温下，液态水中水分子在不停地做无规则的运动。0 ℃以下，水凝结为冰，其中的水分子排列由杂乱无序变得十分有序。 (1)冰晶体中存在着哪几种微粒间的相互作用？ 提示　共价键、氢键、范德华力。 (2)冰融化成水时破坏的作用力是什么？ 提示　氢键和范德华力。 2．冬季河水结冰后，冰块往往浮在水面，为什么冰的密度比水小呢？ 提示　在冰的晶体中存在分子间氢键，每个水分子周围有4个紧邻的水分子，彼此之间形成四面体形。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，密度减小。 3．(1)为什么干冰的密度比冰大？ (2)为什么冰的熔点比干冰的熔点高得多？ 提示　(1)由于干冰中的CO2之间只存在范德华力，一个分子周围有12个紧邻分子，分子密堆积，密度比冰的大。 (2)水分子存在分子间氢键，CO2之间只存在范德华力。 1．正误判断 (1)干冰和冰都是由分子密堆积形成的晶体(　　) (2)干冰比冰的熔点低很多，常压下易升华(　　) (3)干冰晶体中只存在范德华力，一个分子周围有12个紧邻分子(　　) (4)冰晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的分子，1 mol冰中含有1 mol氢键(　　) 答案　(1)×　(2)√　(3)√　(4)× 2.如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，不是分子晶体 C．水分子间通过H—O形成冰晶体 D．冰晶体融化时，水分子之间的空隙增大 答案　A 解析　B项，冰晶体属于分子晶体；C项，水分子间通过分子间作用力形成晶体；D项，冰融化，氢键部分断裂，空隙减小。 3．下列说法正确的是(　　) A．C60气化和I2升华克服的作用力相同 B．甲酸甲酯和乙酸的分子式相同，它们的熔点相近 C．NaCl和HCl溶于水时，破坏的化学键都是离子键 D．常温下TiCl4是无色透明液体，熔点－23.2 ℃，沸点136.2 ℃，所以TiCl4属于分子晶体 答案　AD 解析　A中C60、I2均为分子晶体，气化或升华时均克服范德华力；B中乙酸分子间可形成氢键，其熔点比甲酸甲酯高；C中HCl溶于水破坏的是共价键。 4.如图为干冰的晶胞结构示意图。 (1)通过观察分析，有____种取向不同的CO2分子。将CO2分子视作质点，设晶胞边长为a pm，则紧邻的两个CO2分子的距离为________ pm。 (2)其密度为________(1 pm＝10－10 cm)。 答案　(1)4　a　(2) g·cm－3 解析　(1)顶角一种取向，三对平行面分别为三种取向，所以共有4种取向。两个紧邻CO2分子的距离为面对角线的一半。(2)ρ＝＝ g·cm－3。 题组一　分子晶体及其性质 1．分子晶体具有某些特征的本质原因是(　　) A．组成晶体的基本微粒是分子 B．熔融时不导电 C．晶体内微粒间以分子间作用力相结合 D．熔点一般比较低 答案　C 解析　分子晶体相对于其他晶体，熔、沸点较低，硬度较小，本质原因是其微粒间以分子间作用力相结合，相对于化学键来说比较弱。 2．下列分子晶体的熔、沸点由高到低的顺序是(　　) ①HCl　②HBr　③HI　④CO　⑤N2　⑥H2 A．①②③④⑤⑥ B．③②①⑤④⑥ C．③②①④⑤⑥ D．⑥⑤④③②① 答案　C 解析　相对分子质量越大，范德华力越大，分子晶体的熔、沸点越高，相对分子质量接近的分子，极性越强，熔、沸点越高。 3．干冰和冰是两种常见的分子晶体，下列关于两种晶体的比较正确的是(　　) A．晶体的熔点：干冰>冰 B．晶体中的空间利用率：干冰>冰 C．晶体中分子间相互作用力相同 D．晶体中键的极性和分子的极性相同 答案　B 解析　A项，冰在0 ℃时是固体，而干冰则为气体，错误；B项，冰的结构中，由于H2O分子间存在氢键且氢键具有方向性，故晶胞中存在空隙，利用率较低，正确；C项，冰中的分子间既有氢键又有范德华力，而干冰中的分子间只有范德华力，错误；D项，CO2和H2O中均存在极性键，由于分子空间结构不同，CO2是非极性分子，H2O是极性分子，错误。 4．SiCl4的分子结构与CCl4的分子结构类似，对其作出如下推断，其中正确的是(　　) ①SiCl4晶体是分子晶体　②常温常压下SiCl4不是气体　③SiCl4的分子是由极性共价键形成的　④SiCl4的熔点高于CCl4的熔点 A．全部 B．只有①② C．只有②③ D．只有① 答案　A 解析　CCl4属于分子晶体，常温常压下为液体，含有共价键。①SiCl4与CCl4结构相似，则SiCl4是分子晶体，正确；②CCl4在常温常压下是液体，SiCl4与CCl4结构相似，且SiCl4的相对分子质量较大，则常温常压下SiCl4不可能是气体，正确；③SiCl4中Si与Cl形成共价键，则SiCl4是由极性共价键形成的分子，正确；④对组成和结构相似的分子晶体来说，相对分子质量越大，熔点越高，则SiCl4的熔点高于CCl4的熔点，正确。 题组二　分子晶体的结构 5．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．正硼酸晶体不属于分子晶体 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．含1 mol H3BO3的晶体中有3 mol氢键 答案　D 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，分子中的硼原子最外层不符合8电子稳定结构；D项，1个H3BO3分子中含有3个氢键。 6．下列说法正确的是(　　) A．范德华力普遍存在于分子之间，如液态水中因范德华力的存在使水分子发生缔合 B．H2SO4为强电解质，硫酸晶体是能导电的 C．冰中1个H2O分子可通过氢键与4个水分子相连，所以冰中H2O分子与氢键的数目之比为1∶4 D．氢键有饱和性和方向性，所以液态水结成冰时体积会变大 答案　D 解析　液态水中因分子间氢键的存在使水分子发生缔合，A不正确；虽然H2SO4为强电解质，但是硫酸晶体是分子晶体，不能导电，B不正确；冰中1个H2O分子可通过氢键与4个水分子相连，两个水分子间只能形成一个氢键，所以冰中H2O分子与氢键的数目之比为1∶2，C不正确；氢键有饱和性和方向性，所以液态水结成冰时，水分子之间的空隙变大，故其体积会变大，D正确。 7．北京2022年冬奥会采用CO2临界直冷技术，实现“水立方”变为“冰立方”。干冰晶胞如图所示。下列说法错误的是(　　) A．冰、干冰晶体类型不同 B．“水立方”变为“冰立方”，密度减小 C．用干冰制冷比用氟利昂制冷环保 D．1个干冰晶胞的质量约为 g 答案　A 解析　冰、干冰都属于分子晶体，A项错误；在冰晶体中，每个水分子周围只有四个紧邻的水分子，由于水分子之间的主要作用力为氢键，而氢键具有饱和性和方向性，所以冰晶体中水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙，使得冰的密度比液态水的小，故“水立方”变为“冰立方”，密度减小，B项正确；氟利昂排放到大气中会破坏臭氧层，干冰不会，C项正确；由干冰的晶胞可知，1个晶胞中含CO2的个数为8×＋6×＝4，则1个干冰晶胞的质量约为 g＝ g，D项正确。 8．碘的晶胞结构示意图如图，下列说法正确的是(　　) A．碘晶体熔化时需克服共价键 B．1个碘晶胞中含有4个碘分子 C．晶体中碘分子的排列有3种不同取向 D．碘晶体中每个I2周围等距且紧邻的I2有6个 答案　B 解析　碘晶体为分子晶体，熔化时需克服分子间作用力，故A错误；1个碘晶胞中8个碘分子位于顶角，6个位于面心，则含有8×＋6×＝4个碘分子，故B正确；由图可知，晶体中碘分子的排列有2种不同取向，故C错误；碘晶体中每个I2周围等距且紧邻的I2有12个，故D错误。 9.如图是甲烷晶体的晶胞结构，图中每个小球代表一个甲烷分子(甲烷分子分别位于立方体的顶角和面心)，下列有关该晶体的说法正确的是(　　) A．该晶体与HI的晶体类型不同 B．该晶体熔化时只需要破坏共价键 C．SiH4分子的稳定性强于甲烷 D．每个顶角上的甲烷分子与它最近且等距的甲烷分子有12个 答案　D 解析　甲烷、HI晶体均属于分子晶体，A项错误；甲烷晶体属于分子晶体，熔化时只需要破坏分子间作用力，不需要破坏共价键，B项错误；C的非金属性比Si强，所以SiH4分子的稳定性弱于甲烷，C项错误；根据晶胞的结构可知，以晶胞中顶角上的甲烷分子为研究对象，与它最近且等距的甲烷分子分布在立方体的3个面心上，每个顶角上的甲烷分子被8个立方体共用，每个面心上的甲烷分子被2个立方体共用，所以每个甲烷分子周围与它最近且等距的甲烷分子有＝12个，D项正确。 10～12题有一个或两个选项符合题目要求。 10．C60分子和C60晶胞示意图如图所示。下列关于C60晶体的说法不正确的是(　　) A．C60晶体可能具有很高的熔、沸点 B．C60晶体可能易溶于四氯化碳中 C．C60晶体的一个晶胞中含有的碳原子数为240 D．C60晶体中每个C60分子与12个C60分子紧邻 答案　A 解析　构成C60晶体的基本微粒是C60分子，因此C60晶体是分子晶体，不可能具有很高的熔、沸点；由于C60是非极性分子，根据“相似相溶”规律，其可能易溶于四氯化碳中；每个C60晶胞中含有的C60分子个数为8×＋6×＝4，因此含有的碳原子数为4×60＝240；如果以晶胞中一个顶角的C60分子为研究对象，则共用这个顶角的三个面的面心的C60分子与其距离最近且相等，有＝12个。 11．下列说法正确的是(　　) A．酸性：H2SO4>H3PO4>H2CO3>H3BO3 B．在25 ℃、101 kPa下，2.24 L丙烯所含非极性键小于0.2NA C．测定SbCl3、SbCl5、SnCl4的水溶液的导电性发现它们都可以导电。结论：SbCl3、SbCl5、SnCl4都是离子化合物 D．第ⅣA族元素氢化物沸点顺序是GeH4>SiH4>CH4，则第ⅤA族元素氢化物沸点顺序是AsH3>PH3>NH3 答案　AB 解析　元素的非金属性越强，其最高价氧化物对应的水化物酸性越强，非金属性：S>P>C>B，故酸性：H2SO4>H3PO4>H2CO3>H3BO3，A正确；25 ℃比标准状况下的温度要高，压强相同，根据pV＝nRT，温度越高，物质的量越小，因此2.24 L丙烯的物质的量小于0.1 mol，故其所含非极性键小于0.2NA，B正确；分子晶体溶于水后也可以发生电离而导电，如氯化氢，故不能根据水溶液是否导电来判断是否为离子化合物，C错误；碳族元素氢化物中都不含氢键，所以其氢化物熔、沸点只与分子间作用力有关，则第ⅣA族氢化物沸点顺序是GeH4>SiH4>CH4，氮族元素中氨气存在分子间氢键，导致其熔、沸点最高，则第ⅤA族元素氢化物沸点顺序是NH3>AsH3>PH3，D错误。 12．有四组同一族元素所形成的不同物质，在101 kPa时测定它们的沸点(℃)如下表所示： 第一组 A－268.8 B－249.5 C－185.8 D－151.7 第二组 F2－187.0 Cl2－33.6 Br2 58.7 I2 184.0 第三组 HF 19.4 HCl－84.0 HBr－67.0 HI－35.3 第四组 H2O 100.0 H2S－60.2 H2Se－42.0 H2Te－1.8 下列判断正确的是(　　) A．第四组物质中H2O的沸点最高，是因为H2O分子中化学键键能最大 B．第三组与第四组相比较，化合物的稳定性：HBr＞H2Se C．第三组物质溶于水后，溶液的酸性：HF＞HCl＞HBr＞HI D．第一组物质是分子晶体，一定含有共价键 答案　B 解析　第四组物质中H2O的沸点最高，是因为H2O分子之间可以形成氢键，A不正确；Se和Br同为第四周期元素，Br的非金属性较强，故氢化物的稳定性：HBr＞H2Se，B正确；第三组物质溶于水后，HF溶液的酸性最弱，C不正确；第一组物质是分子晶体，但分子中不一定含有共价键，如稀有气体，D不正确。 13．据《新科学》杂志报道，科研人员在20 ℃、1个大气压和其他一定的实验条件下，给水施加一个弱电场，水就可以结成冰，称为“热冰”。如图是水和“热冰”微观结构的计算机模拟图。请回答下列问题： (1)以上信息体现了水分子具有________性，水分子中氧原子的杂化方式为________。 (2)参照热冰的图示，以一个水分子为中心，画出水分子间最基本的连接方式(用结构式表示)： ______________________________________________________________________________。 (3)①固体二氧化碳外形似冰，受热气化无液体产生，俗称“干冰”。根据如图干冰的晶胞结构回答： 一个晶胞中有________个二氧化碳分子；在一个二氧化碳分子中所含的化学键类型与数目为 ______________________________________________________________________________。 ②取两块大小相同的干冰，在一块干冰中央挖一个小穴，撒入镁粉，用红热的铁棒引燃后，再盖上另一块干冰，出现的现象为________________________________________________， 发生反应的化学方程式是________________________________________________________。 答案　(1)极　sp3杂化　(2) (3)①4　2个σ键，2个π键　②镁粉在干冰中继续燃烧，发出耀眼的白光，并有黑色物质生成　2Mg＋CO22MgO＋C 14．(1)水分子间存在一种“氢键”(强度介于范德华力与化学键之间)的作用，彼此结合而形成(H2O)n。在冰中每个水分子被4个水分子包围形成四面体，通过氢键相互连接成庞大的分子晶体，其结构示意图如图1： ①1 mol冰中有________mol 氢键。 ②在冰的结构中，每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接。在冰晶体中除氢键外，还存在范德华力(11 kJ·mol－1)。已知冰的升华热是51 kJ·mol－1，则冰晶体中氢键的能量是________kJ ·mol－1。 ③氨气极易溶于水的原因之一也与氢键有关。请判断NH3溶于水后，形成的NH3·H2O的合理结构是________(填图2中的字母)。 (2)图3折线c可以表达出第________族元素氢化物的沸点的变化规律。两位同学对某主族元素氢化物的沸点的变化趋势画出了两条折线a和b，你认为正确的是________(填“a”或“b”)；部分有机物的熔、沸点见下表： 烃 CH4 CH3CH3 CH3(CH2)2CH3 沸点/℃ －164 －88.6 －0.5 硝基苯酚 熔点/℃ 45 96 114 由这些数据你能得出的结论是__________________________________________(至少写2条)。 答案　(1)①2　②20　③b　(2)ⅣA　b　有机物相对分子质量越大，分子间作用力越强，沸点越高；当有机物能形成分子内氢键时，分子间作用力减弱，熔点变低，当分子间能形成氢键时，分子间作用力增强，熔点升高 解析　(1)①根据冰的结构示意图，每个H2O分子通过氢键与4个H2O分子结合，平均每个H2O分子含有氢键数目为4×＝2，故1 mol冰中含2 mol氢键。②冰的升华热是51 kJ·mol－1，水分子间还存在范德华力(11 kJ·mol－1)，1 mol水中含有2 mol氢键，升华热＝范德华力＋氢键，所以冰晶体中氢键的能量是20 kJ·mol－1。③NH3溶于水后，形成NH3·H2O，而NH3·H2O的电离方程式为NH3·H2ONH＋OH－，可知结构中含有铵根离子和氢氧根离子的基本结构，故NH3·H2O的合理结构是b。 (2)折线a和b沸点先小后大，则开始物质的沸点高与氢键有关，而a中原子序数大的氢化物沸点高于含氢键的物质，与事实不符，故a错误，b正确；只有c曲线中的氢化物沸点没有反常升高，则物质间没有氢键，则c为碳族元素氢化物，即折线c可以表达出第ⅣA族元素氢化物的沸点的变化规律。 学科网（北京）股份有限公司 $$