第04讲 分子晶体氢键的探究（重难点讲义）化学苏教版选择性必修2

第04讲 分子晶体氢键的探究 重难目标 1.能说出范德华力与氢键的含义、影响因素及相对强弱。 2.掌握氢键的形成条件与表示方法，能判断分子间氢键与分子内氢键。 3.能用氢键解释水、氨、氟化氢等物质熔沸点、溶解性、密度的反常现象。 4.能说出分子晶体的结构特点，区分分子密堆积与非密堆积，会比较分子晶体的熔沸点。 考情分析 氢键与分子晶体是解释物质物理性质的核心工具，选择题常考氢键的形成条件与性质影响，结构综合题常要求书写氢键或解释反常现象。具有以下命题特点： 概念判断：范德华力与氢键的区别、氢键是否属于化学键、氢键的表示方法（X—H…Y）。 性质解释：熔沸点反常（H2O＞H2S、HF＞HCl、NH3＞PH3）、冰的密度小于水、氨与乙醇易溶于水，都要落到氢键上作答。 结构辨析：分子密堆积与非密堆积的判断，干冰中CO2分子的配位数，以及分子晶体与共价晶体、离子晶体的性质比较。 一、范德华力 1.范德华力是分子之间普遍存在的相互作用力，比化学键弱得多，约为化学键键能的十分之一到百分之一。它没有方向性和饱和性。 2.影响因素：组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，范德华力越大，物质的熔、沸点越高，如熔沸点F2＜Cl2＜Br2＜I2；相对分子质量相近时，分子的极性越大，范德华力越大，如CO的沸点高于N2。 3.范德华力只影响物质的物理性质（熔点、沸点、溶解度等），不影响化学性质。 二、氢键 1.氢键是除范德华力外的另一种分子间作用力：当氢原子与电负性很大、半径很小的原子（F、O、N）形成共价键后，这个氢原子还能与另一个电负性很大、半径很小且带有孤电子对的原子之间产生较强的相互作用，这种作用叫氢键。 2.形成条件：分子中必须有与F、O、N直接相连的氢原子，同时还要有含孤电子对的F、O、N原子。因此HF、H2O、NH3、醇、羧酸、氨基酸等都能形成氢键，而HCl、H2S、CH4不能。 3.表示方法：氢键用X—H…Y表示，其中X、Y为F、O、N，“—”表示共价键，“…”表示氢键。氢键有方向性和饱和性，强度介于范德华力与化学键之间，属于分子间作用力而不是化学键。 4.分子间氢键与分子内氢键：形成于不同分子之间的是分子间氢键，使熔沸点升高；形成于同一分子内部的是分子内氢键，使分子间作用力减弱、熔沸点降低。邻羟基苯甲醛形成分子内氢键，沸点低于形成分子间氢键的对羟基苯甲醛。 三、氢键对物质性质的影响 1.熔沸点反常：ⅤA、ⅥA、ⅦA族氢化物中，NH3、H2O、HF因分子间存在氢键，熔沸点分别高于同族的PH3、H2S、HCl；同族其余氢化物的熔沸点随相对分子质量增大而升高。 2.溶解性：溶质分子与溶剂分子之间能形成氢键时溶解度增大，NH3极易溶于水、乙醇与水互溶都与氢键有关。 3.冰的密度小于液态水：水结冰时每个水分子通过氢键与周围4个水分子相连，形成有较大空隙的四面体骨架，体积膨胀、密度减小。 4.氢键还会使物质的黏度增大，甘油、浓硫酸黏度较大都与分子间氢键有关。 四、分子晶体的结构与熔沸点比较 1.只含分子的晶体叫分子晶体，构成微粒是分子，分子内是共价键，分子间是范德华力或范德华力与氢键。熔化时只破坏分子间作用力，所以熔沸点低、硬度小，固态和熔融态都不导电。 2.分子密堆积：分子间只存在范德华力时，分子尽可能采取紧密堆积，每个分子周围通常有12个紧邻分子，干冰、I2、C60属于这一类。 3.分子非密堆积：分子间存在氢键时，氢键的方向性使堆积不能达到最紧密，晶体中留有较大空隙，冰、HF、NH3属于这一类。 4.分子晶体熔沸点的比较顺序：先看分子间有无氢键，有氢键的一般较高；再看组成和结构是否相似，相似时相对分子质量越大熔沸点越高；相对分子质量相近时，分子极性越大熔沸点越高。 5.常见的分子晶体：所有非金属氢化物、部分非金属单质（X2、O2、N2、P4、S8、C60）、部分非金属氧化物（CO2、SO2、P4O10）、几乎所有的酸和绝大多数有机物。 题型01 分子间作用力与范德华力 【典例1】分子间作用力 (1)概念：物质分子之间普遍存在的相互作用力，称为__________。 (2)分类：分子间作用力最常见的是__________和__________。 (3)强弱：范德华力_______氢键______化学键。 【对练1】氢键及其对物质性质的影响 (1)概念：氢键是除__________之外的另一种分子间作用力。 (2)形成条件：它是由已经与电负性很______的原子形成共价键的氢原子与另一个电负性很______的原子之间的作用力。 (3)特征： ①氢键是一种分子间作用力，但不同于范德华力，也______化学键。   ②氢键是一种较弱的作用力，比化学键的键能______1～2个数量级，与范德华力数量级______，但比范德华力明显地______。 【对练2】分子晶体 干冰等由分子构成的物质所形成的晶体属于分子晶体(molecular crystal)。分子晶体是分子之间依靠________________按一定规则排列形成的。 题型02 氢键的形成条件与表示 【典例2】氨气溶于水中，大部分NH3与H2O以氢键(用“…”表示)结合形成NH3⋅H2O分子根据氨水的性质可推知NH3⋅H2O的结构式为_________________。 A．    B． C．    D．NH3极易溶于水的原因________ 【对练3】碳是一种非常神奇的元素，它有着像C60、石墨和金刚石等这样结构和性质截然不同的单质，如下图所示，碳还是构成有机物的基本元素。请回答下列问题： (1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，它们互为___________。 (2)石墨属于___________晶体，24g的石墨中含有共价键的数目为___________。 (3)金刚石中碳原子数目与C-C键数目之比为___________。 (4)青蒿素是从植物青蒿中提取的有机物，用于抗疟疾的药物。分子结构如图所示，则青蒿素分子中含有___________个手性碳原子。 (5)(NH4)2SO4中存在的化学键类型有___________ ①离子键 ②极性共价键 ③非极性共价键 ④氢键 (6)一个Cu2O晶胞(见图)中，Cu原子的数目为___________。 【对练4】环状水溶性WPr[5]可以与有机物X形成超分子，如下图所示： 下列说法错误的是 A．X的晶体类型为分子晶体 B．WPr[5]和X通过氢键作用形成超分子 C．WPr[5]能结合一定尺寸范围内X的衍生物 D．WPr[5]·X能在一定条件下释放X 题型03 氢键对物质性质的影响 【典例3】某化合物由原子序数依次增大的短周期主族元素W、X、Y、Z、Q组成(结构如图)。其中X、Y、Z、Q位于同一周期，X的最外层电子数等于内层电子数，Y是有机物分子骨架元素，Z和W能形成使湿润红色石蕊试纸变蓝的气体。下列说法错误的是 A．X的最高价氧化物具有两性 B．Q3的溶解度：H2O>CCl4 C．简单氢化物的沸点：Y<Z<Q D．该化合物可形成分子内氢键 【对练5】避蚊胺(C12H17NO)是一种环境友好的化学驱蚊剂。下列说法正确的是 A．电负性：χ(C)>χ(N) B．原子半径：r(C)>r(O) C．第一电离能：I1(O)>I1(N) D．沸点：NH3>H2O 【对练6】尿素是一种重要的氮肥，其合成过程如下： 2NH3+CO2NH2COONH4+H2O 设NA为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是 A．3.4 g NH3分子中含有的中子数为1.4NA B．常温常压下，4.48 L CO2含σ键数目为0.4NA C．0.1 mol/L NH2COONH4溶液中，NH4+的数目小于0.1NA D．1 mol H2O分子间形成的氢键数目为4NA 题型04 分子晶体的结构与堆积 【典例4】碳的同素异形体 碳的同素异形体 金刚石 石墨 C60 结构 结构模型 结构特点 每个碳原子与相邻的___个碳原子以____键结合，形成____结构 石墨晶体为____结构，每一层内碳原子以____键结合，排列成____形，形成____结构；层间存在____ C60是由___个碳原子形成的____分子；石墨烯是由碳原子构成的___的碳材料 物理性质 颜色状态 无色透明固体 灰黑色固体 — 熔点 很高 很高 较低 导电性 不导电 能导电 不导电 硬度 很硬 较软 较软 化学性质 相似 差异分析 碳原子的成键方式和排列方式不同 相互转化 石墨金刚石 用途 装饰品、切割玻璃、钻头 润滑剂、电极 材料科学、超导体 【对练7】下列有关晶体的说法中正确的是 A．晶体和非晶体均有固定的熔点 B．离子晶体中可能存在共价键 C．金刚石、水晶等共价晶体均能导电 D．干冰升华过程中分子内共价键被破坏 【对练8】以NA表示阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是 ①冰(图1)和干冰(图3)晶体密度不同，是因为二者分子空间结构不同 ②28 g晶体硅(图2)中含有Si-Si键数目为4NA ③干冰晶胞(图3)中，分子的排列有四种不同的取向 ④石墨烯(图4)是碳原子单层片状新材料，具有导电性，12 g石墨烯中含C-C键数目为1.5NA A．①② B．③④ C．②③ D．①③ 题型05 分子晶体性质的综合判断 【典例5】共价晶体 在石英晶体中，硅原子和相邻的氧原子以共价键结合。每个硅原子和相邻的四个氧原子结合，每个氧原子和相邻的两个硅原子结合，向空间伸展，形成彼此连接的空间网状结构，因此石英晶体中不存在________。金刚石晶体中每个碳原子与相邻的四个碳原子也以________结合，形成空间网状结构。像石英、金刚石这样的晶体称为共价晶体。 【对练9】氮氧化铝（AlON）是新型透明高硬度防弹铝材料，属于共价晶体。下列说法不正确的是 A．制备AlON的原料NH3中含非极性键 B．AlON和水晶的化学键类型相同 C．基态铝原子的价电子排布式为3s23p1 D．Al原子的结构示意图为 【对练10】X、Y、Z、M四种主族元素，原子序数依次增大，分别位于三个不同短周期，Y与M同主族，Y与Z核电荷数相差2，Z的原子最外层电子数是内层电子数的3倍。下列说法错误的是 A．原子半径：Y>Z B．热稳定性：YX4>MX4 C． YZ2和MZ2晶体类型相同 D．酸性：X2YZ3>X2MZ3 1．化学与人类生活密切相关。下列叙述正确的是 A．La-Ni合金的氢化物受热不易分解，可以作为储氢合金 B．二氧化硫具有杀菌、抗氧化、防腐作用，可作为食品添加剂用于葡萄酒等食品中 C．碳酸钠具有碱性，可用作治疗胃酸过多的药品 D．聚氯乙烯塑料制品耐腐蚀，可用作食品包装 2．共价键的基本概念 I.键能 (1)概念：气态分子中1mol化学键解离成气态原子所_______的能量称为键能。 (2)条件和单位：键能通常是298.15K、101kPa条件下的标准值，单位为_______。 测定方法：键能通常是298.15K，101kPa条件下的标准值，可以通过实验测定，更多的却是推算获得的。 II.键长 (3)概念：构成化学键的两个原子的_______叫做该化学键的键长。由于分子中的原子始终处于不断振动之中，键长只是振动着的原子处于平衡位置时的_______。 III.键角 (4)概念：在多原子分子中，两个相邻共价键之间的_______称为键角。 (5)意义：键角可反映分子的_______结构，是描述分子空间结构的重要参数，分子的许多性质都与键角有关。多原子分子的_______一定，表明共价键具有_______。 3．超分子特征——分子识别：通过___________匹配实现___________识别。 4．自组装：超分子组装的过程称为分子自组装（Molecular self-assembly)，自组装过程（Self-organization)是使超分子产生___________的过程。 5．下列化学用语或图示表达正确的是 A．中子数为40的硒原子：3474Se B．羟基的电子式： C．CCl4的空间填充模型： D．HCl分子中σ键的形成示意图： 6．下列化学用语或图示表示错误的是 A．HCl分子中σ键的形成： B．px轨道电子云轮廓图： C．HClO的电子式： D．基态钠原子最外层电子排布式：3s1 7．还有一类晶体称为金属晶体。金属晶体有共同的物理特性，如有________，能________和________，有________等。 8．劳动创造美好生活。下列劳动项目与所述化学知识没有关联的是 选项 劳动项目 化学知识 A 药物研发员：研发抗酸药复方氢氧化铝片 Al(OH)3能与酸反应 B 桥梁工程师：用牺牲阳极法对跨海大桥钢管桩进行防护 Fe作电解池阴极被保护 C 铁路工人：利用铝热反应焊接铁轨 铝热反应为放热反应 D 材料分析员：通过X射线衍射实验区分玻璃和水晶 玻璃是非晶体，水晶是晶体 A．A B．B C．C D．D 9．结构决定性质。下列结构不能推测出对应性质的是 选项 结构 性质 A 石墨呈层状结构，层间以范德华力结合 石墨具有类似金属的导电性 B 碘和四氯化碳是非极性分子，水是极性分子 碘易溶于四氯化碳，难溶于水 C 键能：H−F>H−Cl>H−Br 热稳定性：HF>HCl>HBr D 离子液体中的离子半径大 离子液体的熔点较低 A．A B．B C．C D．D 10．N，N-二甲基甲酰胺[HCON(CH3)2]是用途广泛的化工原料。下列说法错误的是 A．稳定性：H2O>NH3 B．最高价氧化物对应水化物的酸性；HNO2>H2CO3 C．离子半径：N3−>O2− D．25℃时在水中的溶解度：NH3>CO2 11．科学家研究利用CaF2晶体释放出的Ca2+和F-脱除硅烷，拓展了金属氟化物材料的生物医学功能。CaF2晶胞如图所示，下列说法错误的是 A．CaF2晶体中，每个F-周围距离相等且最近的F-有6个 B．图中A处原子分数坐标为(0，0，0)，则B处原子分数坐标为 C．若CaF2晶胞的晶胞参数为a pm，则晶胞密度为 D．若脱除硅烷反应速率依赖于晶体提供自由氟离子的能力，则脱硅能力BaF2<CaF2<MgF2 12．CeO2−x晶体因x变化形成空位而导致颜色各异，当0≤x<0.286时，其立方晶胞结构如图。设NA为阿伏加德罗常数的值，已知晶胞参数为a pm。下列说法错误的是 A．当x=0时，Ce的配位数为8 B．若x=0.2，则晶体中Ce3+与Ce4+的数目之比为1∶4 C．晶胞的密度为时，x=0.25 D．空位数不同，吸收的可见光波长不同 13．钙钛矿广泛应用于高温超导和太阳能电池等领域，其晶胞结构如图所示。下列说法错误的是 A．基态钛原子的价层电子排布式为3 d2 4 s2 B．该晶胞的化学式为CaTiO3 C．该晶胞中，与体心最近且相等距离的氧原子数为8 D．高效率钙钛矿太阳能电池，可将太阳能转化为电能 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 第04讲 分子晶体氢键的探究 重难目标 1.能说出范德华力与氢键的含义、影响因素及相对强弱。 2.掌握氢键的形成条件与表示方法，能判断分子间氢键与分子内氢键。 3.能用氢键解释水、氨、氟化氢等物质熔沸点、溶解性、密度的反常现象。 4.能说出分子晶体的结构特点，区分分子密堆积与非密堆积，会比较分子晶体的熔沸点。 考情分析 氢键与分子晶体是解释物质物理性质的核心工具，选择题常考氢键的形成条件与性质影响，结构综合题常要求书写氢键或解释反常现象。具有以下命题特点： 概念判断：范德华力与氢键的区别、氢键是否属于化学键、氢键的表示方法（X—H…Y）。 性质解释：熔沸点反常（H2O＞H2S、HF＞HCl、NH3＞PH3）、冰的密度小于水、氨与乙醇易溶于水，都要落到氢键上作答。 结构辨析：分子密堆积与非密堆积的判断，干冰中CO2分子的配位数，以及分子晶体与共价晶体、离子晶体的性质比较。 一、范德华力 1.范德华力是分子之间普遍存在的相互作用力，比化学键弱得多，约为化学键键能的十分之一到百分之一。它没有方向性和饱和性。 2.影响因素：组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，范德华力越大，物质的熔、沸点越高，如熔沸点F2＜Cl2＜Br2＜I2；相对分子质量相近时，分子的极性越大，范德华力越大，如CO的沸点高于N2。 3.范德华力只影响物质的物理性质（熔点、沸点、溶解度等），不影响化学性质。 二、氢键 1.氢键是除范德华力外的另一种分子间作用力：当氢原子与电负性很大、半径很小的原子（F、O、N）形成共价键后，这个氢原子还能与另一个电负性很大、半径很小且带有孤电子对的原子之间产生较强的相互作用，这种作用叫氢键。 2.形成条件：分子中必须有与F、O、N直接相连的氢原子，同时还要有含孤电子对的F、O、N原子。因此HF、H2O、NH3、醇、羧酸、氨基酸等都能形成氢键，而HCl、H2S、CH4不能。 3.表示方法：氢键用X—H…Y表示，其中X、Y为F、O、N，“—”表示共价键，“…”表示氢键。氢键有方向性和饱和性，强度介于范德华力与化学键之间，属于分子间作用力而不是化学键。 4.分子间氢键与分子内氢键：形成于不同分子之间的是分子间氢键，使熔沸点升高；形成于同一分子内部的是分子内氢键，使分子间作用力减弱、熔沸点降低。邻羟基苯甲醛形成分子内氢键，沸点低于形成分子间氢键的对羟基苯甲醛。 三、氢键对物质性质的影响 1.熔沸点反常：ⅤA、ⅥA、ⅦA族氢化物中，NH3、H2O、HF因分子间存在氢键，熔沸点分别高于同族的PH3、H2S、HCl；同族其余氢化物的熔沸点随相对分子质量增大而升高。 2.溶解性：溶质分子与溶剂分子之间能形成氢键时溶解度增大，NH3极易溶于水、乙醇与水互溶都与氢键有关。 3.冰的密度小于液态水：水结冰时每个水分子通过氢键与周围4个水分子相连，形成有较大空隙的四面体骨架，体积膨胀、密度减小。 4.氢键还会使物质的黏度增大，甘油、浓硫酸黏度较大都与分子间氢键有关。 四、分子晶体的结构与熔沸点比较 1.只含分子的晶体叫分子晶体，构成微粒是分子，分子内是共价键，分子间是范德华力或范德华力与氢键。熔化时只破坏分子间作用力，所以熔沸点低、硬度小，固态和熔融态都不导电。 2.分子密堆积：分子间只存在范德华力时，分子尽可能采取紧密堆积，每个分子周围通常有12个紧邻分子，干冰、I2、C60属于这一类。 3.分子非密堆积：分子间存在氢键时，氢键的方向性使堆积不能达到最紧密，晶体中留有较大空隙，冰、HF、NH3属于这一类。 4.分子晶体熔沸点的比较顺序：先看分子间有无氢键，有氢键的一般较高；再看组成和结构是否相似，相似时相对分子质量越大熔沸点越高；相对分子质量相近时，分子极性越大熔沸点越高。 5.常见的分子晶体：所有非金属氢化物、部分非金属单质（X2、O2、N2、P4、S8、C60）、部分非金属氧化物（CO2、SO2、P4O10）、几乎所有的酸和绝大多数有机物。 题型01 分子间作用力与范德华力 【典例1】分子间作用力 (1)概念：物质分子之间普遍存在的相互作用力，称为__________。 (2)分类：分子间作用力最常见的是__________和__________。 (3)强弱：范德华力_______氢键______化学键。 【答案】(1)分子间作用力 (2) 范德华力 氢键 (3) ＜ ＜ 【解析】（1）根据分子间作用力的基本定义，物质分子之间普遍存在的弱于化学键的相互作用力统称为分子间作用力。 （2）常见分子间作用力共两类：一类是所有分子间都普遍存在的范德华力，另一类是仅存在于含H与N、O、F等电负性大、原子半径小的原子的分子之间的氢键。 （3）三类作用力的强度规律为：化学键是相邻原子间的强烈相互作用，强度最大；氢键属于较强的分子间作用力，强度弱于化学键但远强于范德华力，因此强弱顺序为范德华力<氢键<化学键。 【对练1】氢键及其对物质性质的影响 (1)概念：氢键是除__________之外的另一种分子间作用力。 (2)形成条件：它是由已经与电负性很______的原子形成共价键的氢原子与另一个电负性很______的原子之间的作用力。 (3)特征： ①氢键是一种分子间作用力，但不同于范德华力，也______化学键。   ②氢键是一种较弱的作用力，比化学键的键能______1～2个数量级，与范德华力数量级______，但比范德华力明显地______。 【答案】(1)范德华力 (2) 大 大 (3) 不属于 小 相同 强 【解析】（1）分子间作用力的常见类型为范德华力和氢键，因此氢键是除范德华力之外的另一种分子间作用力。 （2）氢键的形成本质是近乎裸露的氢核与电负性大的原子的静电作用：氢原子首先与电负性很大的原子（如N、O、F）形成共价键，共用电子对强烈偏移使氢核几乎裸露，之后才能与另一个电负性很大的原子产生相互作用。 （3）①化学键是相邻原子间强烈的相互作用，氢键属于分子间作用力，强度远低于化学键，因此不属于化学键； ②化学键键能一般为102kJ·mol−1量级，氢键键能仅为10∼40kJ·mol−1，比化学键小1~2个数量级；范德华力强度一般为2∼20kJ·mol−1，与氢键数量级相同，但氢键的强度明显比范德华力强。 【对练2】分子晶体 干冰等由分子构成的物质所形成的晶体属于分子晶体(molecular crystal)。分子晶体是分子之间依靠________________按一定规则排列形成的。 【答案】 分子间作用力（或范德华力） 【解析】根据分子晶体的定义，分子晶体的构成微粒为分子，分子内部原子间以共价键结合，分子之间依靠分子间作用力（包含范德华力，冰、固态HF等部分分子晶体还存在氢键）相互作用，按一定规则排列形成晶体；题干举例的干冰是CO2的分子晶体，CO2分子间通过范德华力结合，范德华力属于分子间作用力的范畴。 题型02 氢键的形成条件与表示 【典例2】氨气溶于水中，大部分NH3与H2O以氢键(用“…”表示)结合形成NH3⋅H2O分子根据氨水的性质可推知NH3⋅H2O的结构式为_________________。 A．    B． C．    D．NH3极易溶于水的原因________ 【答案】 B NH3与H2O分子间能形成氢键；且两者均为极性分子，符合相似相溶原理；NH3溶于水时能与水发生化学反应，促进了其溶解 【解析】氨水呈弱碱性，其电离方程式为NH3·H2O⇌NH4++OH−。这表明在NH3·H2O分子中，发生断裂的是水分子中的O-H键，即水分子中的氢原子在电离时向氨分子转移。因此，氢键应形成于氨分子中易提供孤电子对的氮原子与水分子中带有部分正电荷的氢原子之间，其结构式为H3N⋯H-O-H，故选B；NH3极易溶于水的原因主要有：NH3分子与H2O分子之间能形成分子间氢键，分子间作用力增强，大大增加了溶解度；NH3和H2O都是极性分子，根据“相似相溶”原理，极性溶质易溶于极性溶剂；NH3溶于水时能与水发生化学反应，促进了其溶解。 【对练3】碳是一种非常神奇的元素，它有着像C60、石墨和金刚石等这样结构和性质截然不同的单质，如下图所示，碳还是构成有机物的基本元素。请回答下列问题： (1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，它们互为___________。 (2)石墨属于___________晶体，24g的石墨中含有共价键的数目为___________。 (3)金刚石中碳原子数目与C-C键数目之比为___________。 (4)青蒿素是从植物青蒿中提取的有机物，用于抗疟疾的药物。分子结构如图所示，则青蒿素分子中含有___________个手性碳原子。 (5)(NH4)2SO4中存在的化学键类型有___________ ①离子键 ②极性共价键 ③非极性共价键 ④氢键 (6)一个Cu2O晶胞(见图)中，Cu原子的数目为___________。 【答案】(1)同素异形体 (2) 混合型 3NA (3)1:2 (4)7 (5)①② (6)4 【解析】（1）金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素组成的不同单质，它们互为同素异形体； （2）石墨属于混合型晶体，24g石墨的物质的量为2mol，而1mol石墨中含1.5mol共价键，24g的石墨中含有共价键的数目为3NA； （3）金刚石中每个C原子形成4个共价键，每条共价键有属于该碳原子，所以根据均摊法，每个碳原子形成个共价键，即晶体中C原子数目与C-C键数目之比为1:2； （4） 手性碳原子连接4个不同的原子或原子团，共含7个手性碳原子：； （5）(NH4)2SO4中，NH4+和SO42−之间以离子键结合；NH4+内N与H、SO42−内S与O均形成极性共价键；不存在同种原子间的非极性键，氢键不属于化学键，因此选①②； （6）Cu2O晶胞中，大球经均摊法计算个数为，小球为4个；根据化学式Cu2O中的原子比例，Cu原子为小球，数目为4。 【对练4】环状水溶性WPr[5]可以与有机物X形成超分子，如下图所示： 下列说法错误的是 A．X的晶体类型为分子晶体 B．WPr[5]和X通过氢键作用形成超分子 C．WPr[5]能结合一定尺寸范围内X的衍生物 D．WPr[5]·X能在一定条件下释放X 【答案】B 【解析】A．X属于共价小分子有机物，构成的晶体为分子晶体，A正确； B．氢键形成需要存在O-H、N-H、F-H这类氢键供体和对应的O、N、F受体，WPr[5]和X的结构中均无活泼氢作为氢键供体，二者是通过空腔的范德华作用等弱相互作用形成超分子，并非氢键作用，B错误； C．WPr[5]的空腔尺寸固定，仅能结合尺寸在其空腔容纳范围内的X的衍生物，C正确； D．WPr[5]和X之间的结合为弱分子间作用力，外界条件改变时超分子可解离，释放出X，D正确； 故选B。 题型03 氢键对物质性质的影响 【典例3】某化合物由原子序数依次增大的短周期主族元素W、X、Y、Z、Q组成(结构如图)。其中X、Y、Z、Q位于同一周期，X的最外层电子数等于内层电子数，Y是有机物分子骨架元素，Z和W能形成使湿润红色石蕊试纸变蓝的气体。下列说法错误的是 A．X的最高价氧化物具有两性 B．Q3的溶解度：H2O>CCl4 C．简单氢化物的沸点：Y<Z<Q D．该化合物可形成分子内氢键 【答案】B 【分析】W、X、Y、Z、Q为原子序数依次增大的短周期主族元素，X的最外层电子数等于内层电子数，则X的核外电子排布式为1s22s2，X为Be元素；W只能形成一条共价键，且W的原子序数最小可知W为H元素；Y是有机物分子骨架元素，则Y为C元素；Z和W能形成使湿润红色石蕊试纸变蓝的气体推出Z为N，X、Y、Z、Q同周期且Y为C，结合化合物结构中Q形成2个共价键、原子序数大小关系及存在Q3的结构，推出Q为O元素；据此分析解答。 【解析】A．X是Be，最高价氧化物BeO既能与强酸反应又能与强碱反应，具有两性，A正确； B．Q是O，O3为弱极性分子，根据相似相溶原理，在非极性溶剂CCl4中溶解度更大，溶解度关系为H2O<CCl4，B错误； C．Y、Z、Q的简单氢化物分别为CH4、NH3、H2O，H2O常温为液态沸点最高，NH3存在分子间氢键沸点高于CH4，故沸点CH4<NH3<H2O，即Y<Z<Q，C正确； D．该化合物中存在N-H键和电负性大的O原子，满足分子内氢键形成条件，D正确； 故选B。 【对练5】避蚊胺(C12H17NO)是一种环境友好的化学驱蚊剂。下列说法正确的是 A．电负性：χ(C)>χ(N) B．原子半径：r(C)>r(O) C．第一电离能：I1(O)>I1(N) D．沸点：NH3>H2O 【答案】B 【解析】A．同周期主族元素从左到右电负性逐渐增大，C、N同周期且N原子序数更大，故χ(N)>χ(C)，A错误； B．同周期主族元素从左到右原子半径逐渐减小，C、O同周期且C原子序数更小，故r(C)>r(O)，B正确； C．N原子2p轨道为半充满的稳定结构，第一电离能大于同周期相邻的O，故I1(N)>I1(O)，C错误； D．常温下H2O为液态、NH3为气态，且H2O分子间氢键数目更多、强度更大，故沸点H2O>NH3，D错误； 故选B。 【对练6】尿素是一种重要的氮肥，其合成过程如下： 2NH3+CO2NH2COONH4+H2O 设NA为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是 A．3.4 g NH3分子中含有的中子数为1.4NA B．常温常压下，4.48 L CO2含σ键数目为0.4NA C．0.1 mol/L NH2COONH4溶液中，NH4+的数目小于0.1NA D．1 mol H2O分子间形成的氢键数目为4NA 【答案】A 【解析】A．3.4 g NH3的物质的量为，每个NH3分子中N含7个中子、H不含中子，故0.2 mol NH3含中子数为0.2×7NA=1.4NA，A正确； B．常温常压下气体摩尔体积不是22.4L/mol，无法计算4.48 L CO2物质的量以及σ键数目，B错误； C．未给出溶液体积，无法计算NH4+的物质的量及数目，C错误； D．每个水分子与相邻4个水分子形成氢键，每个氢键为2个水分子共有，所以1个水分子形成2个氢键，1 mol H2O分子间氢键数目为2NA，D错误； 故选A。 题型04 分子晶体的结构与堆积 【典例4】碳的同素异形体 碳的同素异形体 金刚石 石墨 C60 结构 结构模型 结构特点 每个碳原子与相邻的___个碳原子以____键结合，形成____结构 石墨晶体为____结构，每一层内碳原子以____键结合，排列成____形，形成____结构；层间存在____ C60是由___个碳原子形成的____分子；石墨烯是由碳原子构成的___的碳材料 物理性质 颜色状态 无色透明固体 灰黑色固体 — 熔点 很高 很高 较低 导电性 不导电 能导电 不导电 硬度 很硬 较软 较软 化学性质 相似 差异分析 碳原子的成键方式和排列方式不同 相互转化 石墨金刚石 用途 装饰品、切割玻璃、钻头 润滑剂、电极 材料科学、超导体 【答案】 4 共价 空间网状 层状 共价 平面正六边 平面网状 范德华力（或分子间作用力） 60 球状（或笼状/足球状） 单原子层平面（或二维结构） 【解析】【小题1】金刚石属于原子晶体，根据结构模型可知，每个碳原子与相邻4个碳原子以共价键结合，形成正四面体结构单元并向空间无限延展，构成稳定的空间网状结构； 【小题2】石墨是混合型晶体，根据结构模型可知，整体为层状结构，层内碳原子间以共价键结合，每个碳原子与相邻3个碳原子连接，排列为平面正六边形，构成平面网状结构，层与层之间通过较弱的范德华力结合，层间易发生相对滑动； 【小题3】C60属于分子晶体，每个C60分子由60个碳原子构成，呈足球状笼形结构； 石墨烯是从石墨中剥离得到的单层结构，仅由一层碳原子构成单原子层二维平面结构。 【对练7】下列有关晶体的说法中正确的是 A．晶体和非晶体均有固定的熔点 B．离子晶体中可能存在共价键 C．金刚石、水晶等共价晶体均能导电 D．干冰升华过程中分子内共价键被破坏 【答案】B 【解析】A．晶体具有固定的熔点，非晶体没有固定熔点，A错误； B．离子晶体中除离子键外可能存在共价键，如NaOH晶体中OH−内部存在共价键，B正确； C．金刚石、水晶（SiO2）属于共价晶体，结构中无自由移动的带电粒子，不能导电，C错误； D．干冰属于分子晶体，升华过程中仅破坏分子间作用力，分子内共价键不受影响，D错误； 故选B。 【对练8】以NA表示阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是 ①冰(图1)和干冰(图3)晶体密度不同，是因为二者分子空间结构不同 ②28 g晶体硅(图2)中含有Si-Si键数目为4NA ③干冰晶胞(图3)中，分子的排列有四种不同的取向 ④石墨烯(图4)是碳原子单层片状新材料，具有导电性，12 g石墨烯中含C-C键数目为1.5NA A．①② B．③④ C．②③ D．①③ 【答案】B 【解析】①中冰和干冰密度不同是因为冰中氢键具有方向性，使晶体空隙大、堆积效率低，干冰靠范德华力密堆积，与分子空间结构无关，①错误； ②中28 g晶体硅物质的量为1 mol，每个Si原子形成4个Si-Si键，每个键被2个Si共用，Si-Si键数目为2NA，②错误； ③干冰为面心立方晶胞，晶胞中8个顶点的CO2分子为一种取向，3组对面面心的CO2分子各为一种取向，总计共4种不同的分子排列取向，③正确； ④中12 g石墨烯含1 mol C原子，每个C形成3个C-C键，每个C-C键被2个C共用，因此C-C键数目为1.5NA，且石墨烯为碳原子单层片状结构并且具有导电性，④正确； 正确的为③④，故选B。 题型05 分子晶体性质的综合判断 【典例5】共价晶体 在石英晶体中，硅原子和相邻的氧原子以共价键结合。每个硅原子和相邻的四个氧原子结合，每个氧原子和相邻的两个硅原子结合，向空间伸展，形成彼此连接的空间网状结构，因此石英晶体中不存在________。金刚石晶体中每个碳原子与相邻的四个碳原子也以________结合，形成空间网状结构。像石英、金刚石这样的晶体称为共价晶体。 【答案】 SiO2分子 共价键 【解析】共价晶体的结构特征是原子间通过共价键结合形成三维空间网状结构，不存在独立的小分子；石英的化学式SiO2仅表示晶体中Si原子与O原子的个数比为1:2，不存在单个的SiO2分子；金刚石为共价晶体，其中每个碳原子采取sp3杂化，和相邻的4个碳原子通过共价键结合，形成正四面体结构单元并向空间延伸为网状结构。 【对练9】氮氧化铝（AlON）是新型透明高硬度防弹铝材料，属于共价晶体。下列说法不正确的是 A．制备AlON的原料NH3中含非极性键 B．AlON和水晶的化学键类型相同 C．基态铝原子的价电子排布式为3s23p1 D．Al原子的结构示意图为 【答案】A 【解析】A．NH3分子中仅含N-H极性共价键，不存在非极性键，A错误； B．AlON和水晶（主要成分为SiO2）均为共价晶体，二者都只含极性共价键，化学键类型相同，B正确； C．Al是13号元素，基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p1，价电子排布式为3s23p1，C正确； D．Al原子质子数为13，核外电子分三层排布，各层电子数依次为2、8、3，所给结构示意图正确，D正确； 故选A。 【对练10】X、Y、Z、M四种主族元素，原子序数依次增大，分别位于三个不同短周期，Y与M同主族，Y与Z核电荷数相差2，Z的原子最外层电子数是内层电子数的3倍。下列说法错误的是 A．原子半径：Y>Z B．热稳定性：YX4>MX4 C． YZ2和MZ2晶体类型相同 D．酸性：X2YZ3>X2MZ3 【答案】C 【分析】四种主族元素原子序数依次增大且位于三个不同短周期，故X为H；Z最外层电子数是内层电子数的3倍，内层电子数为2，最外层电子数为6，故Z为O；Y与Z核电荷数相差2，原子序数小于Z，故Y为C；Y与M同主族且原子序数大于O，故M为Si。 【解析】A．同周期主族元素从左到右原子半径逐渐减小，原子半径C>O，A正确； B．非金属性C>Si，元素非金属性越强，简单气态氢化物热稳定性越强，故热稳定性CH4>SiH4，B正确； C．CO2属于分子晶体，SiO2属于共价晶体，二者晶体类型不相同，C错误； D．非金属性C>Si，最高价氧化物对应水化物酸性H2CO3>H2SiO3，D正确； 故选C。 1．化学与人类生活密切相关。下列叙述正确的是 A．La-Ni合金的氢化物受热不易分解，可以作为储氢合金 B．二氧化硫具有杀菌、抗氧化、防腐作用，可作为食品添加剂用于葡萄酒等食品中 C．碳酸钠具有碱性，可用作治疗胃酸过多的药品 D．聚氯乙烯塑料制品耐腐蚀，可用作食品包装 【答案】B 【解析】A．储氢合金是一类能够大量吸收H2，并与H2结合成金属氢化物的材料，金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解放出氢气，A错误； B．食品中添加适量的二氧化硫可以起到漂白、防腐和抗氧化等作用，在葡萄酒酿制过程中，葡萄汁中某些细菌的繁殖会影响发酵，添加适量的二氧化硫可以起到杀菌的作用，二氧化硫又是一种抗氧化剂，能防止葡萄酒中的一些成分被氧化，起到保质作用，并有助于保持葡萄酒的天然果香味，B正确； C．碳酸钠具有碱性但碱性太强，不可作为治疗胃酸的药品，治疗胃酸过多用碳酸氢钠（小苏打）、氢氧化铝等，C错误； D．聚氯乙烯受热分解有毒物质，食品包装禁用，食品包装用聚乙烯，D错误； 故选B。 2．共价键的基本概念 I.键能 (1)概念：气态分子中1mol化学键解离成气态原子所_______的能量称为键能。 (2)条件和单位：键能通常是298.15K、101kPa条件下的标准值，单位为_______。 测定方法：键能通常是298.15K，101kPa条件下的标准值，可以通过实验测定，更多的却是推算获得的。 II.键长 (3)概念：构成化学键的两个原子的_______叫做该化学键的键长。由于分子中的原子始终处于不断振动之中，键长只是振动着的原子处于平衡位置时的_______。 III.键角 (4)概念：在多原子分子中，两个相邻共价键之间的_______称为键角。 (5)意义：键角可反映分子的_______结构，是描述分子空间结构的重要参数，分子的许多性质都与键角有关。多原子分子的_______一定，表明共价键具有_______。 【答案】(1)吸收 (2)kJ·mol-1 (3) 核间距 核间距 (4)夹角 (5) 空间 键角 方向性 【解析】（1）断裂共价键需要从外界吸收能量，属于吸热过程，因此键能定义为气态分子中1mol化学键解离为气态原子所吸收的能量。 （2）键能是断裂每摩尔化学键对应的能量变化，单位为能量单位与物质的量单位的组合，因此常用单位为kJ·mol−1。 （3）键长的定义为构成化学键的两个成键原子的核间距（即两原子核之间的距离）；由于分子中原子始终处于不停振动的状态，原子核间距会随振动发生波动，因此键长特指原子处于平衡位置时的核间距。 （4）键角是描述共价键取向的参数，定义为多原子分子中两个相邻共价键之间的夹角。 （5）键角决定了分子中原子的空间排布，可反映分子的空间结构；特定结构的多原子分子键角为固定值，说明共价键形成时具有固定的取向，体现了共价键的方向性。 3．超分子特征——分子识别：通过___________匹配实现___________识别。 【答案】 尺寸 分子 【解析】超分子的分子识别本质是主体分子和客体分子之间，依靠分子尺寸的匹配，仅能与空间结构适配的特定分子通过非共价分子间作用力结合，因此可实现对目标分子的选择性识别，该特性是超分子自组装过程的重要基础。 4．自组装：超分子组装的过程称为分子自组装（Molecular self-assembly)，自组装过程（Self-organization)是使超分子产生___________的过程。 【答案】高度有序 【解析】分子自组装是超分子形成的核心过程，该过程的本质是让原本分散的分子通过非共价相互作用（比如氢键、范德华力、分子间特异性识别作用）自发排布，形成具有规整空间排布、特定功能的有序聚集结构，这也是超分子区别于普通游离分子体系的核心特征。 5．下列化学用语或图示表达正确的是 A．中子数为40的硒原子：3474Se B．羟基的电子式： C．CCl4的空间填充模型： D．HCl分子中σ键的形成示意图： 【答案】A 【解析】A．硒的质子数为34，质量数=质子数+中子数=34+40=74，核素符号左下角为质子数、左上角为质量数，因此中子数为40的硒原子表示为，A正确； B．羟基是中性基团，氧原子最外层有7个电子，如图，B错误； C．CCl4中氯原子半径大于碳原子半径，空间填充模型中中心碳原子的半径应小于周围氯原子，如图，C错误； D．HCl的σ键是氢的1s球形轨道与氯的3p哑铃形轨道头碰头重叠形成，如图，D错误； 答案选A。 6．下列化学用语或图示表示错误的是 A．HCl分子中σ键的形成： B．px轨道电子云轮廓图： C．HClO的电子式： D．基态钠原子最外层电子排布式：3s1 【答案】C 【解析】 A．HCl分子以共价键的形式结合，σ键的形成：，A正确； B．px轨道的电子云轮廓图为沿x轴延展的纺锤状，B正确； C．HClO分子中H形成1个共价键、O形成2个共价键、Cl形成1个共价键，电子式为，C错误； D．基态钠原子的电子排布式为1s22s22p63s1，其最外层电子排布式为3s1，D正确； 故选C。 7．还有一类晶体称为金属晶体。金属晶体有共同的物理特性，如有________，能________和________，有________等。 【答案】 金属光泽 导电 导热 延展性 【解析】金属晶体由金属阳离子和自由电子通过金属键结合：自由电子可吸收所有频率的可见光并将大部分光反射，因此金属具有金属光泽；外加电场下自由电子可定向移动，因此金属具有导电性；自由电子与金属阳离子碰撞时可传递热量，因此金属具有导热性；金属键无方向性，受外力时金属原子层发生相对滑动但金属键不会断裂，因此金属具有延展性。 8．劳动创造美好生活。下列劳动项目与所述化学知识没有关联的是 选项 劳动项目 化学知识 A 药物研发员：研发抗酸药复方氢氧化铝片 Al(OH)3能与酸反应 B 桥梁工程师：用牺牲阳极法对跨海大桥钢管桩进行防护 Fe作电解池阴极被保护 C 铁路工人：利用铝热反应焊接铁轨 铝热反应为放热反应 D 材料分析员：通过X射线衍射实验区分玻璃和水晶 玻璃是非晶体，水晶是晶体 A．A B．B C．C D．D 【答案】B 【解析】A．研发抗酸药复方氢氧化铝片利用了Al(OH)3能与酸发生中和反应的性质，二者有关联，A正确； B．牺牲阳极法为原电池防护原理，被保护的Fe作原电池正极被保护，并非作电解池阴极，二者无关联，B错误； C．铝热反应为放热反应，反应释放的大量热量可将生成的铁熔融，用于焊接铁轨，二者有关联，C正确； D．晶体具有特征X射线衍射图谱，非晶体没有，玻璃是非晶体，水晶是晶体，可通过X射线衍射实验区分，二者有关联，D正确； 故选B。 9．结构决定性质。下列结构不能推测出对应性质的是 选项 结构 性质 A 石墨呈层状结构，层间以范德华力结合 石墨具有类似金属的导电性 B 碘和四氯化碳是非极性分子，水是极性分子 碘易溶于四氯化碳，难溶于水 C 键能：H−F>H−Cl>H−Br 热稳定性：HF>HCl>HBr D 离子液体中的离子半径大 离子液体的熔点较低 A．A B．B C．C D．D 【答案】A 【解析】A．石墨的导电性源于层内碳原子形成的离域大π键，与层间的范德华力无关，给定结构无法推出对应性质，A符合题意； B．根据相似相溶原理，非极性溶质易溶于非极性溶剂、难溶于极性溶剂，可由分子极性推出碘易溶于四氯化碳、难溶于水的性质，B不符合题意； C．共价分子的热稳定性与共价键键能正相关，键能越大分子热稳定性越强，可由H-F>H-Cl>H-Br的键能顺序推出HF>HCl>HBr的热稳定性顺序，C不符合题意； D．离子化合物的熔点与离子间作用力强弱有关，离子半径越大，离子间作用力越弱，熔点越低，可由离子半径大的结构推出离子液体熔点较低的性质，D不符合题意； 因此答案选A。 10．N，N-二甲基甲酰胺[HCON(CH3)2]是用途广泛的化工原料。下列说法错误的是 A．稳定性：H2O>NH3 B．最高价氧化物对应水化物的酸性；HNO2>H2CO3 C．离子半径：N3−>O2− D．25℃时在水中的溶解度：NH3>CO2 【答案】B 【解析】A．元素非金属性O>N，非金属性越强，简单气态氢化物的稳定性越强，因此稳定性H2O>NH3，故A正确； B．N的最高正价为+5，其最高价氧化物对应水化物为HNO3，HNO2中N为+3价，不属于N的最高价氧化物对应水化物，故B错误； C．N3−与O2−核外电子层结构相同，核电荷数N<O，核电荷数越小对核外电子的吸引作用越弱，离子半径越大，因此离子半径N3−>O2−，故C正确； D．NH3为极性分子，可与水分子形成氢键且能与水发生反应，CO2为非极性分子，与水的相互作用较弱，因此25℃时NH3在水中的溶解度大于CO2，故D正确； 选B。 11．科学家研究利用CaF2晶体释放出的Ca2+和F-脱除硅烷，拓展了金属氟化物材料的生物医学功能。CaF2晶胞如图所示，下列说法错误的是 A．CaF2晶体中，每个F-周围距离相等且最近的F-有6个 B．图中A处原子分数坐标为(0，0，0)，则B处原子分数坐标为 C．若CaF2晶胞的晶胞参数为a pm，则晶胞密度为 D．若脱除硅烷反应速率依赖于晶体提供自由氟离子的能力，则脱硅能力BaF2<CaF2<MgF2 【答案】D 【解析】A．CaF2晶体中，每个F−周围三维坐标轴方向各有1个距离相等且最近的F−，共6个，A正确； B．A处原子分数坐标为(0,0,0)，B位于四面体空隙位置，根据立体几何关系，其分数坐标为，B正确； C．晶胞中Ca2+数目为，F−数目为8，晶胞质量为，晶胞体积为(a×10−10cm)3=a3×10−30cm3，计算得密度，C正确； D．阳离子半径Ba2+>Ca2+>Mg2+，离子键强度BaF2<CaF2<MgF2，晶体提供自由F−的能力BaF2>CaF2>MgF2，故脱硅能力BaF2>CaF2>MgF2，D错误； 故选D。 12．CeO2−x晶体因x变化形成空位而导致颜色各异，当0≤x<0.286时，其立方晶胞结构如图。设NA为阿伏加德罗常数的值，已知晶胞参数为a pm。下列说法错误的是 A．当x=0时，Ce的配位数为8 B．若x=0.2，则晶体中Ce3+与Ce4+的数目之比为1∶4 C．晶胞的密度为时，x=0.25 D．空位数不同，吸收的可见光波长不同 【答案】B 【解析】A．当x=0时，该晶体为萤石型CeO2结构，面心立方堆积的Ce的配位数为8，A正确； B．设Ce3+数目为m，Ce4+数目为n，x=0.2时化学式为CeO1.8，则m+n=1，电荷守恒得3m+4n=2×1.8=3.6，解得m=0.4，n=0.6，二者数目比为2:3，不是1:4，B错误； C．晶胞中Ce共个，O数目为4(2-x)，晶胞质量，晶胞体积V=(a×10−10cm)3=a3×10−30cm3，代入密度公式得，当时，解得x=0.25，C正确； D．空位数不同晶体颜色不同，说明吸收的可见光波长不同，D正确； 故选B。 13．钙钛矿广泛应用于高温超导和太阳能电池等领域，其晶胞结构如图所示。下列说法错误的是 A．基态钛原子的价层电子排布式为3 d2 4 s2 B．该晶胞的化学式为CaTiO3 C．该晶胞中，与体心最近且相等距离的氧原子数为8 D．高效率钙钛矿太阳能电池，可将太阳能转化为电能 【答案】C 【解析】A．Ti为22号元素，基态核外电子排布为[Ar]3d24s2，价层电子包含次外层d电子和最外层s电子，排布式为3d24s2，A正确； B．用均摊法计算晶胞中原子数目：Ti位于顶点，数目为；O位于棱心，数目为；Ca位于体心，完全属于该晶胞，数目为1，故化学式为CaTiO3，B正确； C．体心位置是Ca原子，距离它最近且相等距离的氧原子是位于12条棱的棱心的O原子，个数为12，不是8，C错误； D．太阳能电池的功能是将太阳能转化为电能，D正确； 故选C。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $