内容正文:
第二节 分子晶体与共价晶体
题型01 分子晶体的结构和性质
题型02 常见的分子晶体
题型03 分子晶体的性质与应用
题型04 共价晶体的结构
题型05 典型的共价晶体
题型06 共价晶体的判断
题型07 共价晶体的性质
题型01 分子晶体的结构和性质
核心定义:分子晶体是由分子构成,粒子间以 (或 )结合形成的晶体,晶体中不存在离子键或共价键直接连接的粒子网络,分子是晶体的基本结构单元。
结构特征:分子晶体的结构具有松散性,粒子间作用力(范德华力、氢键)远弱于化学键,晶体内部存在分子间隙;分子间排列多遵循紧密堆积原则,部分含氢键的分子晶体(如冰)因氢键方向性,排列相对疏松。
核心性质规律:分子晶体的 ,易升华、易挥发, ,多数不导电(熔融态、固态均不导电),部分极性分子晶体(如HCl)溶于水后可导电,本质是分子电离产生自由移动离子。
结构与性质的关联:分子晶体的性质由粒子间作用力强弱决定,范德华力(或氢键)越强,熔沸点越高、硬度越大;分子的极性、相对分子质量越大,粒子间作用力越强,晶体性质越稳定。
【解题必备】1、分子晶体的结构特征——堆积方式
分子密堆积
分子非密堆积
作用力
只有分子间作用力,无氢键
有分子间氢键,它具有方向性
空间特点
每个分子周围一般有12个紧邻的分子
空间利用率不高,留有相当大的空隙
堆积方式
分子看作球时,层与层间球心对空隙
分子看作球时,层与层间球心对球心
举例
C60、干冰、I2、O2
HF、NH3、冰
2、分子晶体中存在的相互作用力主要是 ,分子间作用力只影响物质的熔沸点、硬度、密度等物理性质,分子晶体一般都是绝缘体,熔融状态 导电。
3.分子晶体的熔沸点的高低与分子的结构有关:在同样不存在氢键时,组成与结构相似的分子晶体,随着相对分子质量的 ,分子间作用力增大,分子晶体的熔沸点增大;对于分子中存在氢键的分子晶体,其熔沸点一般比没有氢键的分子晶体的熔沸点 ,存在分子间氢键的分子晶体的熔沸点比存在分子内氢键的分子晶体的熔沸点高。
4.分子晶体的溶解性与溶剂和溶质的极性有关:一般情况下,极性分子易溶于 溶剂,非极性分子易溶于 溶剂——这就是相似相溶原理。如:HCl、等分子晶体易溶于水,而溴和碘等分子则易溶于汽油和四氯化碳等非极性溶剂。
5.分子间作用力不具有方向性和饱和性,而氢键具有方向性和饱和性。所以,不存在氢键的分子晶体可以以 的方式排列,而存在氢键的分子晶体则必须在一定的方向上堆砌排列。由于水中存在 ,所以水在凝结成冰时,体积增大,密度减小。
【典例1】(25-26高三上·天津·阶段检测)下列关于水的说法不正确的是
A.是含极性键的极性分子
B.水分子是形结构
C.水分子电离过程可表示为
D.在冰的晶体中,每个水分子周围有12个紧邻的水分子
【变式1-1】(24-25高二下·天津武清·阶段检测)下列说法正确的是
A.N元素的电负性比P元素的大,可推断分子的极性比的大
B.卤素单质、卤素氢化物、卤素碳化物(即)的熔、沸点均随着相对分子质量的增大而升高
C.N元素的电负性比P元素的大,可推断分子的键角比的大
D.干冰晶体中的配位数为8
【变式1-2】(1)(25-26高二下·天津静海·阶段检测)在C60晶胞中,1个分子周围有12个紧邻分子。(____)
【变式1-3】(2)(25-26高三上·天津静海·阶段检测)分子晶体中一定存在分子间作用力和共价键。( )
Ø题型02 常见的分子晶体
1.常见分子晶体主要包括三类—— (如H₂、O₂、I₂、S₈)、 (如CO₂、H₂O、NH₃、CH₄、冰醋酸)、部分有机物晶体(如苯、乙醇、蔗糖)。判断标准:构成晶体的粒子为分子,粒子间作用力仅为 或 ,不存在共价键形成的 ,这是区分分子晶体与其他晶体的核心依据。
2.分子晶体的构成微粒是分子,分子中各原子一般以共价键相结合,但并不是所有的分子晶体中都存在共价键,如:由单原子构成的稀有气体分子中就不存在化学键。
3.由于构成晶体的微粒是分子,因此分子晶体的化学式可以表示其分子式,即只有分子晶体才存在分子式。
【解题必备】多数非金属单质晶体为分子晶体(金刚石、石墨除外),其结构中分子以范德华力结合;共价化合物中,除共价晶体(如SiO₂、SiC)外,多数为分子晶体;有机物晶体中,多数小分子有机物形成分子晶体。
【典例2】(25-26高二下·天津武清·阶段检测 节选)根据所学内容填空:
已知GaCl3晶体熔点为77.9℃,沸点为201.3℃,则GaCl3晶体类型为___________。
【变式2-1】(24-25高二下·天津河西·期中)分析下表数据:
分子
Ar
CO
HI
HBr
范德华力()
8.50
8.75
26.00
23.11
键能
298.70
366
下列推测正确的是
A.沸点: B.沸点:
C.熔点: D.熔点:二氧化硫>二氧化硅
【变式2-2】(24-25高二上·天津·阶段练习)甲烷晶体的晶胞结构如图所示,下列说法正确的是
A.甲烷晶体中存在分子间氢键 B.甲烷晶体熔化时需破坏共价键
C.1个晶胞中含有8个分子 D.1个分子周围有12个紧邻的分子
Ø题型03 分子晶体的性质与应用
1.分子晶体的微粒间以分子间作用力或氢键相结合,因此,分子晶体具有熔沸点低、硬度密度小,较易熔化和挥发等物理性质。
2.影响分子间作用力的大小的因素有分子的极性和相对分子质量的大小。一般而言,分子的极性越大、相对分子质量越大,分子间作用力越强。
3.分子晶体的熔沸点的高低与分子的结构有关:在同样不存在氢键时,组成与结构相似的分子晶体,随着相对分子质量的增大,分子间作用力增大,分子晶体的熔沸点增大;对于分子中存在氢键的分子晶体,其熔沸点一般比没有氢键的分子晶体的熔沸点高,存在分子间氢键的分子晶体的熔沸点比存在分子内氢键的分子晶体的熔沸点高。
4.分子晶体的溶解性与溶剂和溶质的极性有关:一般情况下,极性分子易溶于极性溶剂,非极性分子易溶于非极性溶剂——这就是相似相溶原理。如:HCl、等分子晶体易溶于水,而溴和碘等分子则易溶于汽油和四氯化碳等非极性溶剂。
5.分子间作用力不具有方向性和饱和性,而氢键具有方向性和饱和性。所以,不存在氢键的分子晶体可以以紧密堆砌的方式排列,而存在氢键的分子晶体则必须在一定的方向上堆砌排列。由于水中存在氢键,所以水在凝结成冰时,体积增大,密度减小。
【典例3】(25-26高二下·天津·阶段检测 节选)的沸点比的___________(填“高”或“低”),原因是___________。
【变式3-1】(24-25高二下·天津武清·阶段检测)干冰广泛用于舞台、剧场、影视、晚会等制作云海效果,全国及全世界用干冰制作特效的经典剧目不计其数。如图为干冰的晶胞结构示意图。
(1)一个晶胞中有___________个二氧化碳分子;
(2)在干冰中撒入镁粉,用红热的铁棒引燃后,再盖上另一块干冰,反应的化学方程式是___________。
(3)干冰的熔点低,常压下极易升华,在工业上的一个重要用途是___________。
(4)将 分子视作质点,设晶胞边长为a pm,其密度ρ为___________(1 pm = 10-12m)。
【变式3-2】(24-25高二下·天津·期中)34Se和S均属于VIA族元素。下列关于 Se及其化合物性质不正确的是
A.第一电离能: B.原子半径:Se<As
C.酸性: D.沸点:
Ø题型04 共价晶体的结构
核心定义: 又称 ,是原子间通过 直接结合,形成 的晶体,晶体中不存在独立分子,原子是晶体的基本结构单元。
结构特点:
(1)由于共价键的饱和性和方向性,使每个中心原子周围排列的原子数目是固定的。
(2)由于所有原子间均以共价键相结合,所以晶体中不存在单个分子。
【解答要点】共价晶体具有不同的结构,对结构相似的共价晶体来说,原子半径越小,键长越短,键能越大,熔点越高,硬度越大。以金刚石、硅、锗为例,同主族从碳元素到锗元素,原子核外电子层数增多,原子半径依次增大,C—C键、Si—Si键、Ge—Ge键的键长依次变长,键能依次减小,故金刚石、硅、锗的熔点和硬度依次下降。
【典例4】(24-25高二下·天津静海·阶段检测)碳和硅是中学常见元素,其单质及化合物有独特的性质和用途。回答问题:
(1)基态碳原子的轨道表示式为___________,CO2属于___________分子(填“极性”或“非极性”);
(2)30克SiO2晶体(如图)中含有的Si-O键数目为___________NA;
(3)碳元素能形成多种单质,如:金刚石、石墨、C60等:
①C60是分子晶体,分子间排列呈现___________状态。(填“密堆积”或“非密堆积”)
②石墨是一种混合晶型,结构中具有的作用力有___________。
a.共价键 b.范德华力 c.氢键 d.金属键 e.离子键
③金刚石晶胞结构如图所示,每个晶胞中实际拥有___________个C,碳原子的配位数为___________。
(4)碳化硅(SiC)晶体结构类似金刚石,其中C原子和Si原子的位置是交替的。假设其碳化硅晶胞的边长为a nm,阿伏加德罗常数为NA,则晶体的密度可以表示为___________g/cm3。
【变式4-1】(24-25高二下·天津西青·期末)硼单质及其化合物有重要的应用。硼晶体熔点为2 076 ℃,可形成多种卤化物。BF3可与NH3反应生成NH3BF3。BCl3可与H2反应生成乙硼烷B2H6(标准燃烧热为2 165 kJ·mol-1),其分子中一个硼与周围的四个氢形成正四面体,结构式为,具有还原性。乙硼烷易水解生成H3BO3与H2,H3BO3是一种一元弱酸,可作吸水剂。乙硼烷可与NH3反应生成氨硼烷(BH3NH3),其在一定条件下可以脱氢,最终得到氮化硼。乙硼烷也可与NaH反应生成NaBH4,是一种常用的还原剂。下列说法正确的是
A.硼晶体为分子晶体 B.氨硼烷与乙烷分子中价电子数相同,原子数也相同
C.乙硼烷与乙烷分子结构相似 D.NaBH4晶体中存在离子键、共价键、氢键
【变式4-2】(24-25高二下·天津南开·期末)一定条件下,、都能与形成笼状结构(如下图所示)的水合物晶体,与形成的水合物晶体俗称“可燃冰”。下列说法正确的是
A.、空间结构呈形
B.、、的晶体类型为分子晶体
C.可燃冰的笼状结构中甲烷分子与水分子形成共价键
D.、、分子中各原子最外层均形成8电子稳定结构
【变式4-3】(24-25高二下·天津·期末)我国通过嫦娥号系列探测器对月球进行了一定程度的探索。下列说法正确的是
A.嫦娥六号在月球上展开一幅由玄武岩纤维制作的国旗,该材料属于合成高分子材料
B.月球上用于可控核聚变的储量据估算有500万吨,核能属于不可再生能源
C.嫦娥六号返回器的天线透波窗具有耐热冲击性能,制作天线透波窗的材料是分子晶体
D.月壤中发现三方和三斜两种纳米矿物,这两种矿物的晶体结构相同
Ø题型05 典型的共价晶体
常见的共价晶体
物质种类
实例
某些非金属单质
晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等
某些化合物
碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)等
某些非金属氧化物
二氧化硅(SiO2)等
极少数金属氧化物
刚玉(ɑ-Al2O3)
【解题必备】
共价晶体的性质①熔点很高。②硬度很大:共价键三维骨架结构决定了共价晶体的硬度,如金刚石是天然存在的最硬的物质。③一般不导电,但晶体硅、锗是半导体。④难溶于一般的溶剂。
【典例5】(25-26高三上·天津东丽·开学考试)材料一:铜(Cu)因其优异的导电性、导热性和延展性,在高精电子工业中广泛应用,如集成电路、印刷电路板(PCB)、导电薄膜等。
材料二:镓(Ga)、锗(Ge)、锑(Sb)及其化合物在半导体、光电材料和芯片制造等领域具有重要应用。
根据上述材料,结合它们的结构与性质,回答下列问题:
(1)铜元素位于周期表的______区,其价电子式为____________________________。
(2)铜在高中化学中常被利用来催化氧化乙醇:,其中乙醇和乙醛的沸点分别为78.3℃和20.8℃,沸点差异较大的原因是___________________________________________。分子中碳原子的杂化方式为____________。
(3)砷化镓(GaAs)是重要的第三代半导体材料,其晶体熔点为1238℃,沸点为2303℃,则该晶体类型为____________。
(4)锗与碳同主族,在制备高纯锗时用作中间体,其分子的空间构型为_________,属于________(填“极性”或“非极性”)分子。
【变式5-1】(2026·天津·二模 节选)氮化铝是一种极有前途的电子绝缘基片材料,化学稳定性好,耐高温、酸、碱,抗冲击能力强,其晶胞结构如图所示。
③氮化铝属于___________晶体,空心球(原子)半径大于黑心球(原子)半径,黑心球代表的是___________(写名称)原子。
【变式5-2】(25-26高三上·天津东丽·开学考试 节选)锑化铟(InSb)是一种红外探测材料,其晶胞结构与ZnS类似(如图)。若晶胞参数为,密度为,则阿伏加德罗常数的表达式为____________(用含a、的式子表示)。
【变式5-3】(24-25高二下·天津南开·期末)下表列出的是某些晶体的熔点和硬度。
晶体
金刚石
石英
碳化硅
硅
石墨
熔点/℃
3550
1710
x
1412
3850
硬度
10
7
9.5
6.5
1
由表中数据判断,下列说法正确的是
A.构成共价晶体的原子种类越多,晶体的熔点越高
B.构成共价晶体的原子的半径越大,晶体的硬度越大
C.碳化硅的熔点介于1412℃与3550℃之间
D.表中晶体微粒间作用力均为共价键
Ø题型06 共价晶体的判断
共价晶体的判断
1.依据构成晶体的微粒种类和微粒间的作用力判断:构成共价晶体的微粒是原子,微粒间的作用力是共价键。
2.依据晶体的熔点判断:共价晶体的熔点高,常在1 000 ℃以上。
3.依据晶体的导电性判断:共价晶体多数为非导体,但晶体Si、晶体Ge为半导体。
4.依据晶体的硬度和机械性能判断:共价晶体硬度大。
5.依据物质的分类判断:常见的单质类共价晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等;常见的化合物类共价晶体有碳化硅、二氧化硅等。
6.根据溶解性判断:共价晶体一般不溶于任何溶剂。
【典例6】(25-26高二下·天津蓟州·期中)下列说法正确的是
A.共价晶体中,共价键越强熔点越高
B.晶胞是晶体中最小的平行六面体
C.固体SiO2一定是晶体
D.碘晶体升华时破坏了共价键
【变式6-1】(24-25高二下·天津·期末)下列晶体的熔点最低的是
A. B.生铁 C.晶体硅 D.蔗糖
【变式6-2】(24-25高二下·天津北辰·阶段练习)工业上常用反应制备粗硅,若碳过量还会生成SiC,下列说法不正确的是
A.相对分子质量:C60>SiO2>SiC,因此熔沸点:C60>SiO2>SiC
B.中的化合价为价,中C的化合价为价,因此还原性强于
C.Si原子间难形成双键而C原子间可以,是因为的原子半径大于C,难形成键
D.键能:Si-H<C-H,Si-Si<C-C,因此硅烷的种类和数量远不如烷烃的多
Ø题型07 共价晶体的性质
共价晶体的性质①熔点很高。②硬度很大:共价键三维骨架结构决定了共价晶体的硬度,如金刚石是天然存在的最硬的物质。③一般不导电,但晶体硅、锗是半导体。④难溶于一般的溶剂。
【典例7】(25-26高二下·天津·期中)下列推测正确的是
A.沸点:CO>N2 B.沸点:HCl>HF
C.熔点:C60>NaCl D.熔点:二氧化硫>二氧化硅
【变式7-1】(25-26高二下·天津北辰·期末)下列性质的比较中,正确的是
A.热稳定性:H2O<H2S B.碱性:NH3>CH3NH2
C.硬度:金刚石<碳化硅 D.沸点:对羟基苯甲酸>邻羟基苯甲酸
【变式7-2】(25-26高三上·天津滨海新区·阶段检测)NA是阿伏加德罗常数的值。下列说法正确的是
A.28g晶体Si中Si-Si键数目为4NA
B.1molSiO2中有Si-O键为2NA
C.一定条件下,32g SO2与足量O2反应,转移的电子数为NA
D.18g重水(D2O)中含有的质子数为9NA
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【典例1】D
举一反三》
【变式1-1】C
【变式1-2】正确
【变式1-3】错误
>题型02共价晶体的结构和性质
典例精讲
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举一反三》
【变式21】A
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【变式22】D
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分子晶体的性质与应用
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【典例3】高二者均为分子晶体,$H4相对分子质量更大,分子间范德华力更强,沸点更高
举一反三
【变式3-1】(1)4
点燃
2Mg+CO,2Mg0+C
(2)
3)作制冷剂(或人工降雨)
1.76×10
-g/cm3
176×1030
(4)
aN
(或
a'Ng/cm
【变式32】A
>题型04
共价晶体的结构
典例精讲
【典例4)(1)
1s
2s
2p
非极性
(2)2
3)
密堆积
abd
8
4
1.6×1023
(4)NAa3
举一反三
【变式41】B
【变式42】B
【变式43】B
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>题型05典型的共价晶体
典例精讲
【典例5】(1)
ds
3d4s
(2)
乙醇分子间存在氢键,而乙醛分子间只有范德华力
(3)共价晶体
4)
正四面体
非极性
举一反三
【变式51】共价晶体(或原子晶体)
氮
【变式52)C
【变式53】C
>题型06共价晶体的判断
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【典例6】A
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【变式61】D
【变式6-2】A
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【典例7)A
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【变式7-2】D
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题型01 分子晶体的结构和性质
题型02 常见的分子晶体
题型03 分子晶体的性质与应用
题型04 共价晶体的结构
题型05 典型的共价晶体
题型06 共价晶体的判断
题型07 共价晶体的性质
题型01 分子晶体的结构和性质
核心定义:分子晶体是由分子构成,粒子间以范德华力(或氢键)结合形成的晶体,晶体中不存在离子键或共价键直接连接的粒子网络,分子是晶体的基本结构单元。
结构特征:分子晶体的结构具有松散性,粒子间作用力(范德华力、氢键)远弱于化学键,晶体内部存在分子间隙;分子间排列多遵循紧密堆积原则,部分含氢键的分子晶体(如冰)因氢键方向性,排列相对疏松。
核心性质规律:分子晶体的熔沸点较低,易升华、易挥发,硬度较小,多数不导电(熔融态、固态均不导电),部分极性分子晶体(如HCl)溶于水后可导电,本质是分子电离产生自由移动离子。
结构与性质的关联:分子晶体的性质由粒子间作用力强弱决定,范德华力(或氢键)越强,熔沸点越高、硬度越大;分子的极性、相对分子质量越大,粒子间作用力越强,晶体性质越稳定。
【解题必备】1、分子晶体的结构特征——堆积方式
分子密堆积
分子非密堆积
作用力
只有分子间作用力,无氢键
有分子间氢键,它具有方向性
空间特点
每个分子周围一般有12个紧邻的分子
空间利用率不高,留有相当大的空隙
堆积方式
分子看作球时,层与层间球心对空隙
分子看作球时,层与层间球心对球心
举例
C60、干冰、I2、O2
HF、NH3、冰
2、分子晶体中存在的相互作用力主要是分子间作用力,分子间作用力只影响物质的熔沸点、硬度、密度等物理性质,分子晶体一般都是绝缘体,熔融状态不导电。
【典例1】(25-26高三上·天津·阶段检测)下列关于水的说法不正确的是
A.是含极性键的极性分子
B.水分子是形结构
C.水分子电离过程可表示为
D.在冰的晶体中,每个水分子周围有12个紧邻的水分子
【答案】D
【详解】A.中的键是不同非金属原子形成的极性键,且分子空间结构不对称,正、负电中心不重合,属于极性分子,A正确;
B.水分子中心原子的价层电子对数为4,其中含2对孤电子对,分子空间结构为形,B正确;
C.水的电离本质是质子转移过程,1个水分子给出质子、1个水分子接受质子,生成和,该电离方程式书写正确,C正确;
D.冰晶体中水分子依靠氢键结合,氢键具有方向性,每个水分子周围仅存在4个紧邻的水分子,不是12个,D错误;
故选D。
【变式1-1】(24-25高二下·天津武清·阶段检测)下列说法正确的是
A.N元素的电负性比P元素的大,可推断分子的极性比的大
B.卤素单质、卤素氢化物、卤素碳化物(即)的熔、沸点均随着相对分子质量的增大而升高
C.N元素的电负性比P元素的大,可推断分子的键角比的大
D.干冰晶体中的配位数为8
【答案】C
【详解】A.N的电负性比P大,N和Cl的电负性差值小于P和Cl的电负性差值,因此分子的极性比的小,A错误;
B.卤素氢化物中的HF分子间存在氢键,熔沸点高于其他卤素氢化物,并不随相对分子质量增大而升高,B错误;
C.N的电负性大于P,中中心N原子对成键电子对的吸引力更强,成键电子对间排斥力更大,因此的键角比的大,C正确;
D.干冰晶体为面心立方堆积,的配位数为12,D错误。
故答案为C。
【变式1-2】(1)(25-26高二下·天津静海·阶段检测)在C60晶胞中,1个分子周围有12个紧邻分子。(____)
【答案】正确
【详解】晶体属于分子晶体,其晶胞采取面心立方最密堆积结构,面心立方最密堆积的配位数(即微粒周围紧邻且等距的同种微粒数目)为12,因此,1个分子周围有12个紧邻分子,题干表述符合事实,答案为正确。
【变式1-3】(2)(25-26高三上·天津静海·阶段检测)分子晶体中一定存在分子间作用力和共价键。( )
【答案】错误
【详解】分子晶体的构成微粒为分子,分子间必然存在分子间作用力。若构成分子晶体的微粒为单原子分子,如稀有气体形成的晶体,其组成微粒间仅存在分子间作用力,不存在共价键。因此分子晶体中一定存在共价键的表述错误。
Ø题型02 常见的分子晶体
1.常见分子晶体主要包括三类——非金属单质(如H₂、O₂、I₂、S₈)、共价化合物(如CO₂、H₂O、NH₃、CH₄、冰醋酸)、部分有机物晶体(如苯、乙醇、蔗糖)。判断标准:构成晶体的粒子为分子,粒子间作用力仅为范德华力或氢键,不存在共价键形成的空间网状结构,这是区分分子晶体与其他晶体的核心依据。
2.分子晶体的构成微粒是分子,分子中各原子一般以共价键相结合,但并不是所有的分子晶体中都存在共价键,如:由单原子构成的稀有气体分子中就不存在化学键。
3.由于构成晶体的微粒是分子,因此分子晶体的化学式可以表示其分子式,即只有分子晶体才存在分子式。
【解题必备】多数非金属单质晶体为分子晶体(金刚石、石墨除外),其结构中分子以范德华力结合;共价化合物中,除共价晶体(如SiO₂、SiC)外,多数为分子晶体;有机物晶体中,多数小分子有机物形成分子晶体。
【典例2】(25-26高二下·天津武清·阶段检测 节选)根据所学内容填空:
已知GaCl3晶体熔点为77.9℃,沸点为201.3℃,则GaCl3晶体类型为___________。
【答案】分子晶体
【详解】熔沸点较低,符合分子晶体熔沸点低的特征,因此属于分子晶体。
【变式2-1】(24-25高二下·天津河西·期中)分析下表数据:
分子
Ar
CO
HI
HBr
范德华力()
8.50
8.75
26.00
23.11
键能
298.70
366
下列推测正确的是
A.沸点: B.沸点:
C.熔点: D.熔点:二氧化硫>二氧化硅
【答案】A
【详解】A.CO为极性分子,N2为非极性分子,CO的范德华力(含偶极作用)强于N2,因此沸点更高,A正确;
B.HF分子间存在氢键,其作用远强于HCl的范德华力,故HCl沸点低于HF,B错误;
C.C60为分子晶体,NaCl为离子晶体,离子晶体熔点显著高于分子晶体,C错误;
D.SiO2为共价晶体,SO2为分子晶体,共价晶体熔点远高于分子晶体,D错误;
故选A。
【变式2-2】(24-25高二上·天津·阶段练习)甲烷晶体的晶胞结构如图所示,下列说法正确的是
A.甲烷晶体中存在分子间氢键 B.甲烷晶体熔化时需破坏共价键
C.1个晶胞中含有8个分子 D.1个分子周围有12个紧邻的分子
【答案】D
【详解】A.甲烷分子中不存在电负性较大的原子,不能形成分子间氢键,A错误;
B.甲烷晶体是分子晶体,熔化时克服分子间作用力,没有破坏共价键,B错误;
C.1个晶胞中,有8个分子位于顶点处,被8个晶胞分摊;6个分子位于面心,被2个晶胞分摊,所以1个晶胞中含有的分子数:,C错误;
D.以晶胞顶点的分子为例,这个晶胞中周围距离最近的分子有位于面心的3个分子,通过此顶点分子的晶胞有8个,而每个面心的分子被重复了2次,所以每个分子周围距离最近且相等的有个,D正确。
Ø题型03 分子晶体的性质与应用
1.分子晶体的微粒间以分子间作用力或氢键相结合,因此,分子晶体具有熔沸点低、硬度密度小,较易熔化和挥发等物理性质。
2.影响分子间作用力的大小的因素有分子的极性和相对分子质量的大小。一般而言,分子的极性越大、相对分子质量越大,分子间作用力越强。
3.分子晶体的熔沸点的高低与分子的结构有关:在同样不存在氢键时,组成与结构相似的分子晶体,随着相对分子质量的增大,分子间作用力增大,分子晶体的熔沸点增大;对于分子中存在氢键的分子晶体,其熔沸点一般比没有氢键的分子晶体的熔沸点高,存在分子间氢键的分子晶体的熔沸点比存在分子内氢键的分子晶体的熔沸点高。
4.分子晶体的溶解性与溶剂和溶质的极性有关:一般情况下,极性分子易溶于极性溶剂,非极性分子易溶于非极性溶剂——这就是相似相溶原理。如:HCl、等分子晶体易溶于水,而溴和碘等分子则易溶于汽油和四氯化碳等非极性溶剂。
5.分子间作用力不具有方向性和饱和性,而氢键具有方向性和饱和性。所以,不存在氢键的分子晶体可以以紧密堆砌的方式排列,而存在氢键的分子晶体则必须在一定的方向上堆砌排列。由于水中存在氢键,所以水在凝结成冰时,体积增大,密度减小。
【典例3】(25-26高二下·天津·阶段检测 节选)的沸点比的___________(填“高”或“低”),原因是___________。
【答案】高 二者均为分子晶体,SiH4相对分子质量更大,分子间范德华力更强,沸点更高
【详解】和均为分子晶体,分子晶体沸点由分子间范德华力决定,相对分子质量越大,范德华力越强,沸点越高,因此沸点更高。
【变式3-1】(24-25高二下·天津武清·阶段检测)干冰广泛用于舞台、剧场、影视、晚会等制作云海效果,全国及全世界用干冰制作特效的经典剧目不计其数。如图为干冰的晶胞结构示意图。
(1)一个晶胞中有___________个二氧化碳分子;
(2)在干冰中撒入镁粉,用红热的铁棒引燃后,再盖上另一块干冰,反应的化学方程式是___________。
(3)干冰的熔点低,常压下极易升华,在工业上的一个重要用途是___________。
(4)将 分子视作质点,设晶胞边长为a pm,其密度ρ为___________(1 pm = 10-12m)。
【答案】(1)4
(2)
(3)作制冷剂(或人工降雨)
(4) (或 )
【详解】(1)观察干冰的晶胞结构示意图可知,二氧化碳分子位于晶胞的8个顶点和6个面心。根据均摊法,一个晶胞中含有的二氧化碳分子数为 个。
(2)镁粉在二氧化碳中燃烧会发生置换反应,生成氧化镁和单质碳。用红热的铁棒引燃提供了反应所需的温度,反应的化学方程式为 。
(3)干冰在常压下极易升华,升华过程中会吸收大量的热,使周围环境温度迅速降低,因此在工业上的一个重要用途是作制冷剂,也可用于人工降雨。
(4)一个晶胞中含有4个 分子,其摩尔质量为 ,则一个晶胞的质量 。晶胞的边长为 ,晶胞的体积 。根据密度公式 ,可得晶胞的密度 。
【变式3-2】(24-25高二下·天津·期中)34Se和S均属于VIA族元素。下列关于 Se及其化合物性质不正确的是
A.第一电离能: B.原子半径:Se<As
C.酸性: D.沸点:
【答案】A
【详解】A.同周期元素,从左到右第一电离能呈增大趋势,砷原子的4p轨道为稳定的半充满结构,元素的第一电离能大于相邻元素,则砷元素的第一电离能大于硒元素,故A错误;
B.同周期元素,从左到右原子半径依次减小,则硒原子的原子半径小于砷原子,故B正确;
C.同主族元素,从上到下非金属性依次减弱,最高价氧化物对应水化物的酸性依次减弱,则硫酸的酸性强于硒酸,故C正确;
D.硫化氢和硒化氢都属于分子晶体,硒化氢的相对分子质量大于硫化氢,分子间作用力大于硫化氢,沸点高于硫化氢,故D正确;
故选A。
Ø题型04 共价晶体的结构
核心定义:共价晶体又称原子晶体,是原子间通过共价键直接结合,形成空间网状结构的晶体,晶体中不存在独立分子,原子是晶体的基本结构单元。
结构特点:
(1)由于共价键的饱和性和方向性,使每个中心原子周围排列的原子数目是固定的。
(2)由于所有原子间均以共价键相结合,所以晶体中不存在单个分子。
【解答要点】共价晶体具有不同的结构,对结构相似的共价晶体来说,原子半径越小,键长越短,键能越大,熔点越高,硬度越大。以金刚石、硅、锗为例,同主族从碳元素到锗元素,原子核外电子层数增多,原子半径依次增大,C—C键、Si—Si键、Ge—Ge键的键长依次变长,键能依次减小,故金刚石、硅、锗的熔点和硬度依次下降。
【典例4】(24-25高二下·天津静海·阶段检测)碳和硅是中学常见元素,其单质及化合物有独特的性质和用途。回答问题:
(1)基态碳原子的轨道表示式为___________,CO2属于___________分子(填“极性”或“非极性”);
(2)30克SiO2晶体(如图)中含有的Si-O键数目为___________NA;
(3)碳元素能形成多种单质,如:金刚石、石墨、C60等:
①C60是分子晶体,分子间排列呈现___________状态。(填“密堆积”或“非密堆积”)
②石墨是一种混合晶型,结构中具有的作用力有___________。
a.共价键 b.范德华力 c.氢键 d.金属键 e.离子键
③金刚石晶胞结构如图所示,每个晶胞中实际拥有___________个C,碳原子的配位数为___________。
(4)碳化硅(SiC)晶体结构类似金刚石,其中C原子和Si原子的位置是交替的。假设其碳化硅晶胞的边长为a nm,阿伏加德罗常数为NA,则晶体的密度可以表示为___________g/cm3。
【答案】(1) 非极性
(2)2
(3) 密堆积 abd 8 4
(4)
【详解】(1)
已知C是6号元素,故基态碳原子的轨道表示式为,CO2是对称的直线形分子,所以属于非极性分子,故答案为:;非极性;
(2)由题干SiO2晶体的结构图可知,每个Si与周围的4个O形成4个Si-O键,则30克SiO2晶体中含有的Si-O键数目为=2NA,故答案为:2;
(3)①C60是分子晶体,分子之间以分子间作用力相结合,其分子排列呈现密堆积状态,故答案为:密堆积;
②石墨是一种混合晶型,结构中具有的作用力有C-C共价键、层与层之间的范德华力,还有类似于金属晶体中的自由电子,故石墨中还存在金属键,故答案为:abd;
③根据金刚石晶胞结构可知,每个晶胞中实际拥有8个C,每个碳原子与周围紧邻的4个碳原子形成四面体结构,即碳原子的配位数为4,故答案为:8;4;
(4)碳化硅(SiC)晶体结构类似金刚石,其中C原子和Si原子的位置是交替的,由金刚石的结构可知,每个SiC晶胞中含有4个C、4个Si,即一个晶胞的质量为:=g,假设其碳化硅晶胞的边长为a nm,阿伏加德罗常数为NA,一个晶胞的体积为:V=(a×10-7)3cm3,则晶体的密度可以表示为==g/cm3,故答案为:。
【变式4-1】(24-25高二下·天津西青·期末)硼单质及其化合物有重要的应用。硼晶体熔点为2 076 ℃,可形成多种卤化物。BF3可与NH3反应生成NH3BF3。BCl3可与H2反应生成乙硼烷B2H6(标准燃烧热为2 165 kJ·mol-1),其分子中一个硼与周围的四个氢形成正四面体,结构式为,具有还原性。乙硼烷易水解生成H3BO3与H2,H3BO3是一种一元弱酸,可作吸水剂。乙硼烷可与NH3反应生成氨硼烷(BH3NH3),其在一定条件下可以脱氢,最终得到氮化硼。乙硼烷也可与NaH反应生成NaBH4,是一种常用的还原剂。下列说法正确的是
A.硼晶体为分子晶体 B.氨硼烷与乙烷分子中价电子数相同,原子数也相同
C.乙硼烷与乙烷分子结构相似 D.NaBH4晶体中存在离子键、共价键、氢键
【答案】B
【详解】A.硼晶体熔点为2076℃,熔点很高,应该为共价晶体,A错误;
B.由结构可知,氨硼烷中一个硼与周围的四个氢形成正四面体,且化学式分别为B2H6、C2H6,氨硼烷与乙烷分子中价电子数均为8,原子数均为8,B正确;
C.乙烷结构为,两者结构不同,C错误;
D.NaBH4晶体中钠离子和中存在离子键、中存在硼氢共价键,但是不存在氢键,D错误;
故选B。
【变式4-2】(24-25高二下·天津南开·期末)一定条件下,、都能与形成笼状结构(如下图所示)的水合物晶体,与形成的水合物晶体俗称“可燃冰”。下列说法正确的是
A.、空间结构呈形
B.、、的晶体类型为分子晶体
C.可燃冰的笼状结构中甲烷分子与水分子形成共价键
D.、、分子中各原子最外层均形成8电子稳定结构
【答案】B
【详解】A.根据价电子对互斥理论分子中的价电子对由2个键和2对孤电子对构成,分子呈V形,分子中的价电子对由2个键构成,分子呈直线形,A错误;
B.、、均是由分子组成的,形成的晶体是分子晶体,B正确;
C.可燃冰的笼状结构中甲烷分子与水分子形成的是范德华力,共价键是物质内部形成的键,C错误;
D.、、分子中除H原子外各原子最外层均形成8电子稳定结构,D错误;
故选B。
【变式4-3】(24-25高二下·天津·期末)我国通过嫦娥号系列探测器对月球进行了一定程度的探索。下列说法正确的是
A.嫦娥六号在月球上展开一幅由玄武岩纤维制作的国旗,该材料属于合成高分子材料
B.月球上用于可控核聚变的储量据估算有500万吨,核能属于不可再生能源
C.嫦娥六号返回器的天线透波窗具有耐热冲击性能,制作天线透波窗的材料是分子晶体
D.月壤中发现三方和三斜两种纳米矿物,这两种矿物的晶体结构相同
【答案】B
【详解】A.玄武岩纤维是无机非金属材料,不属于合成高分子材料,A错误;
B.3He是核聚变燃料,虽然月球储量丰富,但因燃料有限且无法短期再生,属于不可再生能源,B正确;
C.天线透波窗材料主要成分是SiO2,是共价晶体,不是非分子晶体,C错误;
D.三方Ti2O和三斜Ti2O是两种不同矿物,晶体结构不同,D错误;
故选B。
Ø题型05 典型的共价晶体
常见的共价晶体
物质种类
实例
某些非金属单质
晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等
某些化合物
碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)等
某些非金属氧化物
二氧化硅(SiO2)等
极少数金属氧化物
刚玉(ɑ-Al2O3)
【解题必备】
共价晶体的性质①熔点很高。②硬度很大:共价键三维骨架结构决定了共价晶体的硬度,如金刚石是天然存在的最硬的物质。③一般不导电,但晶体硅、锗是半导体。④难溶于一般的溶剂。
【典例5】(25-26高三上·天津东丽·开学考试)材料一:铜(Cu)因其优异的导电性、导热性和延展性,在高精电子工业中广泛应用,如集成电路、印刷电路板(PCB)、导电薄膜等。
材料二:镓(Ga)、锗(Ge)、锑(Sb)及其化合物在半导体、光电材料和芯片制造等领域具有重要应用。
根据上述材料,结合它们的结构与性质,回答下列问题:
(1)铜元素位于周期表的______区,其价电子式为____________________________。
(2)铜在高中化学中常被利用来催化氧化乙醇:,其中乙醇和乙醛的沸点分别为78.3℃和20.8℃,沸点差异较大的原因是___________________________________________。分子中碳原子的杂化方式为____________。
(3)砷化镓(GaAs)是重要的第三代半导体材料,其晶体熔点为1238℃,沸点为2303℃,则该晶体类型为____________。
(4)锗与碳同主族,在制备高纯锗时用作中间体,其分子的空间构型为_________,属于________(填“极性”或“非极性”)分子。
【答案】(1) ds
(2) 乙醇分子间存在氢键,而乙醛分子间只有范德华力 、
(3) 共价晶体
(4) 正四面体 非极性
【分析】本题以芯片半导体材料为情境,围绕 Cu、Ga、Ge、Sb 等元素,综合考查物质结构与性质模块,包含周期表分区、价电子排布、分子间作用力、杂化类型、晶体类型、分子空间结构、晶胞密度计算,层层递进,覆盖原子结构、分子结构、晶体结构,据此分析;
【详解】(1)铜是29号元素,基态原子的核外电子排布式为,其价电子排布式为,最后一个电子填入d轨道,且d轨道全满、s轨道半满,位于元素周期表的ds区;
(2)乙醇分子中含有羟基,分子间能够形成氢键,而乙醛分子间不能形成氢键,只有范德华力。由于氢键的作用力远大于范德华力,因此乙醇的沸点显著高于乙醛。在分子中,甲基上的碳原子形成4个键,无孤电子对,采用杂化;醛基上的碳原子形成3个键(1个双键和2个单键),无孤电子对,采用杂化。
(3)砷化镓(GaAs)的熔点为1238℃,沸点为2303℃,具有很高的熔沸点,符合共价晶体(原子晶体)的物理特征,故该晶体类型为共价晶体;
(4)锗(Ge)与碳同主族,价电子数为4。在中,中心原子Ge的价层电子对数为,且没有孤电子对,因此其空间构型为正四面体;由于其空间结构高度对称,正负电荷中心重合,属于非极性分子;
【变式5-1】(2026·天津·二模 节选)氮化铝是一种极有前途的电子绝缘基片材料,化学稳定性好,耐高温、酸、碱,抗冲击能力强,其晶胞结构如图所示。
③氮化铝属于___________晶体,空心球(原子)半径大于黑心球(原子)半径,黑心球代表的是___________(写名称)原子。
【答案】共价晶体(或原子晶体) 氮
【详解】AlN具有耐高温、硬度大、化学稳定性好的特点,属于原子晶体(或共价晶体);原子半径:Al的原子半径大于N,因此空心球为Al,黑心球为N;故黑心球为氮原子。
【变式5-2】(24-25高二下·天津南开·期末)下表列出的是某些晶体的熔点和硬度。
晶体
金刚石
石英
碳化硅
硅
石墨
熔点/℃
3550
1710
x
1412
3850
硬度
10
7
9.5
6.5
1
由表中数据判断,下列说法正确的是
A.构成共价晶体的原子种类越多,晶体的熔点越高
B.构成共价晶体的原子的半径越大,晶体的硬度越大
C.碳化硅的熔点介于1412℃与3550℃之间
D.表中晶体微粒间作用力均为共价键
【答案】C
【详解】A.金刚石(原子)熔点高于石英(和原子),但原子种类更少,说明原子种类多不一定熔点高,A错误;
B.原子半径越大,键长增加,键能减弱,硬度应降低。如(半径大)硬度低于(金刚石),B错误;
C.碳化硅()的键强介于和之间,熔点应高于硅(1412℃)而低于金刚石(3550℃),C正确;
D.石墨层间为范德华力,并非全为共价键,D错误;
综上,答案是C。
【变式5-3】(24-25高二下·天津南开·开学考试)几种物质的熔点和沸点的数据如下表(的熔点在条件下测定)。下列有关判断错误的是
NaCl
单质M
熔点
801
712
194
2300
沸点
1465
1412
180
57.6
2500
A.除去NaCl固体中可以用加热升华的方法 B.单质M可能是共价晶体
C.熔沸点低是因为键键能小 D.离子键强度
【答案】C
【详解】A.AlCl3的沸点(180℃)低于熔点(194℃),说明其在常压下易升华,而NaCl的熔点(801℃)较高,加热时AlCl3升华而NaCl不升华,可用此方法分离,A正确;
B.单质M的熔沸点(2300℃、2500℃)远高于离子晶体,符合共价晶体(如金刚石)的特性,B正确;
C.SiCl4熔沸点低是因为其为分子晶体,分子间作用力(范德华力)弱,而非Si-Cl键键能小,C错误;
D.NaCl的熔点(801℃)高于MgCl2(712℃),但Mg2+电荷更高、半径更小,理论上MgCl2离子键应更强,数据与理论矛盾,可能因结构差异导致,但根据题目数据直接判断,D正确;
故选C。
Ø题型06 共价晶体的判断
共价晶体的判断
1.依据构成晶体的微粒种类和微粒间的作用力判断:构成共价晶体的微粒是原子,微粒间的作用力是共价键。
2.依据晶体的熔点判断:共价晶体的熔点高,常在1 000 ℃以上。
3.依据晶体的导电性判断:共价晶体多数为非导体,但晶体Si、晶体Ge为半导体。
4.依据晶体的硬度和机械性能判断:共价晶体硬度大。
5.依据物质的分类判断:常见的单质类共价晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等;常见的化合物类共价晶体有碳化硅、二氧化硅等。
6.根据溶解性判断:共价晶体一般不溶于任何溶剂。
【典例6】(25-26高二下·天津蓟州·期中)下列说法正确的是
A.共价晶体中,共价键越强熔点越高
B.晶胞是晶体中最小的平行六面体
C.固体SiO2一定是晶体
D.碘晶体升华时破坏了共价键
【答案】A
【详解】A.共价晶体的熔点由共价键键能决定,共价键越强,键能越大,熔化时破坏共价键所需的能量越高,熔点越高,A正确;
B.晶胞是晶体中能够完整反映晶体结构特征的最小重复单元,通常多采用平行六面体形式,并非所有晶胞都是平行六面体,也不是最小的平行六面体,B错误;
C.固体存在晶体(如水晶)和无定形(如石英玻璃)两种类型,不一定是晶体,C错误;
D.碘晶体属于分子晶体,升华时仅破坏分子间作用力,分子内的I-I共价键没有被破坏,D错误。
故答案选A。
【变式6-1】(24-25高二下·天津·期末)下列晶体的熔点最低的是
A. B.生铁 C.晶体硅 D.蔗糖
【答案】D
【详解】蔗糖为分子晶体,晶体硅为共价晶体,氧化镁为离子晶体,生铁为铁合金,属于金属晶体,则蔗糖熔点最低;
故选D。
【变式6-2】(24-25高二下·天津北辰·阶段练习)工业上常用反应制备粗硅,若碳过量还会生成SiC,下列说法不正确的是
A.相对分子质量:C60>SiO2>SiC,因此熔沸点:C60>SiO2>SiC
B.中的化合价为价,中C的化合价为价,因此还原性强于
C.Si原子间难形成双键而C原子间可以,是因为的原子半径大于C,难形成键
D.键能:Si-H<C-H,Si-Si<C-C,因此硅烷的种类和数量远不如烷烃的多
【答案】A
【详解】A.C60形成分子晶体,SiO2、SiC形成共价晶体,分子晶体的熔沸点远小于共价晶体,对于SiO2、SiC,由于Si-O键长小于Si-C键长,所以熔沸点:SiO2>SiC,从而得出熔沸点: SiO2>SiC>C60,A不正确;
B.中的化合价为价,中C的化合价为价,则表明Si的非金属性小于C,因此还原性强于,B正确;
C.Si的原子半径大于C,Si-Siσ键的键长较长,p-p轨道重叠的程度很小,则Si原子间难以形成键,C正确;
D.键能:Si-H<C-H,Si-Si<C-C,则C-C、C-H较强,形成的烷烃稳定,而硅烷中Si-Si、Si-H的键能较低,易断裂,导致长链硅烷难以生成,碳还能形成双键、三键、链状、环状结构,而硅不能,因此硅烷的种类和数量远不如烷烃的多,D正确;
故选A。
Ø题型07 共价晶体的性质
共价晶体的性质①熔点很高。②硬度很大:共价键三维骨架结构决定了共价晶体的硬度,如金刚石是天然存在的最硬的物质。③一般不导电,但晶体硅、锗是半导体。④难溶于一般的溶剂。
【典例7】(25-26高二下·天津·期中)下列推测正确的是
A.沸点:CO>N2 B.沸点:HCl>HF
C.熔点:C60>NaCl D.熔点:二氧化硫>二氧化硅
【答案】A
【详解】A.CO和均为分子晶体,二者相对分子质量相等,CO为极性分子,为非极性分子,极性分子的范德华力更强,因此沸点,A正确;
B.HF分子间存在氢键,氢键作用力强于范德华力,因此沸点HF>HCl,B错误;
C.属于分子晶体,NaCl属于离子晶体,离子晶体熔点普遍高于分子晶体,因此熔点,C错误;
D.二氧化硫属于分子晶体,二氧化硅属于共价晶体,共价晶体熔点远高于分子晶体,因此熔点二氧化硅>二氧化硫,D错误。故选A。
【变式7-1】(25-26高二下·天津北辰·期末)下列性质的比较中,正确的是
A.热稳定性:H2O<H2S B.碱性:NH3>CH3NH2
C.硬度:金刚石<碳化硅 D.沸点:对羟基苯甲酸>邻羟基苯甲酸
【答案】D
【详解】A.同主族元素非金属性随原子序数增大而减弱,非金属性,非金属性越强其简单气态氢化物热稳定性越强,故热稳定性,A错误;
B.甲基为给电子基团,会使中原子的电子云密度高于中原子,更易结合,故碱性,B错误;
C.金刚石和碳化硅均为共价晶体,共价晶体的硬度与共价键键能正相关,键长,故键能,硬度金刚石>碳化硅,C错误;
D.邻羟基苯甲酸可形成分子内氢键,减弱分子间作用力,沸点较低;对羟基苯甲酸形成分子间氢键,分子间作用力更强,沸点更高,故沸点对羟基苯甲酸>邻羟基苯甲酸,D正确;
故选D。
【变式7-2】(25-26高三上·天津滨海新区·阶段检测)NA是阿伏加德罗常数的值。下列说法正确的是
A.28g晶体Si中Si-Si键数目为4NA
B.1molSiO2中有Si-O键为2NA
C.一定条件下,32g SO2与足量O2反应,转移的电子数为NA
D.18g重水(D2O)中含有的质子数为9NA
【答案】D
【详解】A.28g晶体的物质的量为,晶体中每个原子形成4个键,每个键被2个原子共用,故1mol晶体中键数目为,A错误;
B.晶体中每个原子形成4个键,不存在共用情况,故1mol中键数目为,B错误;
C.32g的物质的量为,与生成的反应为可逆反应,反应物无法完全转化,故转移电子数小于,C错误;
D.18g重水的物质的量为,每个分子含有10个质子,故含有的质子数为,D正确。
故选D。
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