3.2.4 分子晶体（课件）—2024-2025学年高中化学鲁科版（2019）选择性必修二

3.2.4 分子晶体 核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析： 结合冰的低熔点、干冰的易升华等宏观现象，从微观角度解释分子晶体中分子通过范德华力或氢键形成的密堆积与非密堆积结构特点，形成 “宏观现象→微观结构→符号表征” 的思维路径。 2.证据推理与模型认知： 通过分析干冰、冰、碘等典型分子晶体的结构模型，理解分子间作用力（范德华力、氢键）的方向性和饱和性对晶体结构的影响，建立 “微粒间作用力→晶体结构→宏观性质” 的认知模型。能基于晶胞参数推导晶体中分子的排列规律及性质差异​​。 3.科学态度与社会责任： 通过了解分子晶体材料（如干冰用于人工降雨、冰的特殊膨胀性对生态的影响），认识化学在材料科学和环境保护中的作用，增强合理利用物质性质的社会责任感。 学习重难点 学习重点​ 1.分子晶体的概念及结构特征（分子间通过范德华力或氢键结合，密堆积与非密堆积的差异）。​ 2.分子晶体的物理性质（低熔沸点、低硬度、不导电等）与结构的关系。 3.典型分子晶体（如干冰、冰）的晶胞分析及微粒排列规律。 学习难点​ 1.氢键的方向性对冰晶体结构疏松性的影响机制。​ 2.分子晶体熔沸点的比较规律（如相对分子质量、氢键、分子极性的综合作用）。 3.分子晶体与离子晶体、共价晶体的结构与性质对比（如导电性、溶解性的差异）。 新课导入 盐的介入，究竟怎样打破了冰中水分子间的这种平衡，让冰快速 “屈服” 变为液态？这背后隐藏着分子晶体怎样的微观奥秘？接下来，就让我们带着这些疑问，一同深入探索分子晶体的世界 。 分子晶体 1.分子晶体 定义：分子之间通过分子间作用力结合形成的晶体称为分子晶体。 在金属晶体、离子晶体和共价晶体中，原子或离子之间都是通过化学键相互结合的，相应化学键的特点对晶体中微粒的空间排布方式会产生影响。那么，像碘、干冰等这些以分子为基本构成微粒的晶体中，分子会如何排列呢？ 稀有气体形成的分子晶体，构成微粒是单原子分子，晶体中只有分子间作用力，不存在化学键。 构成微粒：分子晶体的构成微粒是分子。 微粒间作用力：分子间作用力（范德华力，部分晶体还有氢键）。 2.常见共价晶体的结构 分子晶体中的粒子及粒子间的相互作用 分子晶体 构成微粒 微粒间作用力 分子内各原子间 分子（稀有气体为原子） 分子间作用力 共价键（稀有气体除外） 1.分子内的原子间以共价键结合（稀有气体除外），作用力较强，主要影响分子晶体的化学性质；而分子间作用力较弱，主要影响分子晶体的熔点、沸点、硬度等物理性质。 2.分子晶体熔化或汽化时只破坏分子间作用力，不破坏分子内的共价键。 2.属于分子晶体的物质的类型 物质类型 举例 所有非金属氢化物 部分非金属单质 部分非金属氧化物 稀有气体 几乎所有的酸 绝大多数有机物 H2O、H2S、NH3、CH4、HX（卤化氢）等 X2（卤素单质）、O2、H2、S8、N2、P4、C60等 CO2、SO2、NO2、P4O6、P4O10等 He、Ne、Ar等 H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SiO3等 苯、四氯化碳、乙醇、冰醋酸、蔗糖等 3.分子晶体的物理性质 某些分子晶体的熔点 分子晶体 氧气 氮气 白磷 水 熔点/℃ -218.3 -210.1 44.2 0 分子晶体 硫化氢 甲烷 乙酸 尿素 熔点/℃ -85.6 -182 16.6 132.7 分析表中数据，结合已学知识，归纳分子晶体的物理性质，并说明原因。 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。 3.分子晶体的物理性质 （1）需要注意的是：对于组成和结构相似又不含氢键的分子晶体来说，相对分子质量越大，分子间作用力越强，熔、沸点较小。 （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电子，因而分子晶体中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、硫酸等。 （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。 4.常见分子晶体的结构 （1）碘晶体 碘晶体结构 微粒间作用力： 范德华力 结构特点： 碘晶体的晶胞是一个长方体，在它的每个顶点和面心上各有1个I2分子。 晶胞中微粒数： 8×(1/8)+6×(1/2)=4 （2）干冰晶体 4.常见分子晶体的结构 干冰晶体结构 x y z 每个CO2分子周围有12个紧邻的CO2分子。 4.常见分子晶体的结构 （1）干冰晶胞是一种面心立方结构，在立方体的顶角各有一个CO2分子，6个面的中心又各有一个CO2分子 （4）每个CO2分子周围等距离且最近的CO2分子有12个 （2）干冰中的CO2分子间只存在范德华力，不存在氢键 （3）每个晶胞中有4个CO2分子，12个原子。 大多数分子晶体的结构有如下特征：如果分子间作用力只是范德华力，若以一个分子为中心，其周围最多可以有12个紧邻的分子，分子晶体的这一特征称为分子密堆积,如碳60 C60的晶胞 （3）冰晶体 4.常见分子晶体的结构 冰的晶体结构 冰中的一个水分子 如图，为冰晶体结构示意图。一个水分周围有几个紧邻的水分子？ 一个水分周围有4个紧邻的水分子。 4.常见分子晶体的结构 原因：水分子之间的主要作用力是氢键(也存在范德华力)，尽管氢键比共价键弱得多，不属于化学键，却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。 氢键具有方向性 4.常见分子晶体的结构 为何干冰的熔沸点比冰低，密度却比冰大？ 冰中水分子之间除了范德华力外还有氢键作用，而干冰中分子间只存在范德华力。冰中水分子之间的作用力强于干冰中二氧化碳分子之间的作用力，所以冰的熔沸点比干冰高。在冰中由于氢键的方向性，一个水分子周围由4个紧邻的水分子，导致晶体中有相当大的空隙，属于分子非密堆积；而干冰中每个CO2周围有12个CO2分子，属于分子密堆积；所以相同状况下冰的体积较大，密度比干冰小。 融化的冰 冰的晶体结构 4.常见分子晶体的结构 5.分子晶体中分子堆积方式 分子密堆积 分子非密堆积 微粒间作用力 空间特点 举例 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数小于12个 范德华力 范德华力和氢键 C60、干冰、I2、O2 HF、NH3、冰 晶体结构的复杂性 1.石墨晶体 石墨的结构特点： 石墨晶体中的二维平面结构 ①石墨晶体中的每个碳原子采取sp2杂化，形成3个sp2杂杂化轨道，分别与相邻的3个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成σ键，6个碳原子在同一平面上形成正六边形的环，伸展形成平面六元并环结构。 ②石墨晶体是层状结构的，层内的碳原子的核间距为142 pm，层间距离为335pm，说明层间没有化学键相连，是靠范德华力维系的。 石墨的层状结构 1.石墨晶体 石墨的结构特点： ③每个碳原子还有1个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道，并含有1个未成对电子，这些2p轨道互相平行，并垂直于碳原子sp2杂化轨道构成的平面。 石墨结构中未参与杂化的p轨道 ④由于所有的p轨道相互平行而且相互重叠，使p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动。因此，石墨有类型金属晶体的导电性，而且，由于相邻原子平面之间相隔较远，电子不能从一个平面跳跃到另一个平面，所以石墨的导电性只能沿石墨平面的方向。 1.石墨晶体 石墨的晶体类型 石墨晶体中的既存在共价键又存在范德华力，同时还存在类似金属键的作用力，兼具共价晶体、分子晶体、金属晶体的特征，因此石墨晶体是一种典型的混合型晶体。 混合型晶体的概念 有一些晶体，晶体内可能同时存在着若干种不同的作用力，具有若干种晶体的结构和性质，这类晶体称为混合型晶体。 导电性 导热性 润滑性 2.黑磷晶体的结构与性质 ①黑磷有正交、简单立方和菱方等三种晶型。 其中，正交晶型的黑磷具有半导体性质，可 用作电学和光学材料。 ②该晶体与石墨相似，具有层状结构。层间 依靠范德华力结合，层内每个磷原子与其他三个磷原子相连，形成二维皱褶蜂巢型结构。因此，正交晶型黑磷晶体属于混合型晶体。二维的单层黑磷又称为磷烯，它具有比石墨烯更大的带隙。 ③磷烯在场效应晶体管、光电子器件、自旋电子学、气体传感器及太阳能电池等方面有着广阔的应用前景。 3.晶体的复杂性 晶体结构复杂性的原因 物质组成的复杂性导致晶体中存在多种不同微粒以及不同微粒间的作用，这也使这类晶体具有重要应用。例如： ①BaTiO3含有一种阴离子和多种阳离子，它是一种重要的压电材料。近年来，一类与BaTiO3结构类似的有机/无机杂化材料在光电材料领域获得突破。该类材料由CH3NH和Pb2＋、Sn2＋等金属阳离子以及Cl－、Br－、I－等卤素阴离子组成，无机组分和有机组分特性的优异组合，使其可作为薄膜太阳能电池材料。 ②Ca5(PO4)3OH含有一种阳离子和多种阴离子，是人体和动物骨骼的主要无机成分。 3.晶体的复杂性 晶体结构复杂性的原因 物质组成的复杂性导致晶体中存在多种 不同微粒以及不同微粒间的作用。 ③Na2SiO3中并不存在单个的简单SiO32-， Si通过共价键与4个O原子相连，形成硅 氧四面体。硅氧四面体通过共用顶角O 原子而连成较大的链状硅酸盐{SiO32-}∞ 单元，再与金属阳离子以离子键相互作用。 3.晶体的复杂性 离子键、共价键、金属键等都是化学键的典型模型，但是，原子之间形成的化学键往往是介于典型模型之间的过渡状态，由于微粒间的作用存在键型过渡，即使组成简单的晶体，也可能是介于离子晶体、共价晶体、分子晶体和金属晶体之间的过渡状态，形成过渡晶体。 共价晶体 分子晶体 离子晶体 金属晶体 四类晶体都有过渡型。偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体接近，因而通常当作离子晶体来处理，如NaO2等。同样，偏向共价晶体的过渡晶体则当作共价晶体来处理，如Al2O3、SiO2等。 随堂测试 1.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、C60、P2O5 D.CCl4、Na2S、H2O2 B 随堂测试 2.医院在进行外科手术时，常用HgCl2稀溶液作为手术刀的消毒剂，已知HgCl2有如下性质：①HgCl2晶体熔点较低；②HgCl2熔融状态下不导电；③HgCl2在水溶液中可发生微弱电离。下列关于HgCl2的叙述中正确的是( ) A.HgCl2晶体属于分子晶体 B.HgCl2属于离子化合物 C.HgCl2属于电解质，且属于强电解质 D.HgCl2属于非电解质 A 随堂测试 3．干冰(CO2)的晶胞结构如下图所示。下列说法不正确的是（ ）  A．干冰晶体属于分子晶体 B．干冰晶胞中，含有4个CO2分子 C．干冰晶体中，每个CO2周围等距且紧 邻的CO2有6个 D．干冰晶体中CO2分子间作用力较小， 常压下易升华 C 谢谢观看 Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.41.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder r0.2.61(gap_fixed:False) $$