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- 2021-07-06 发布
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第二节 分子晶体
学
.
科
.
网
回顾
:
晶体和非晶体的差异
固体
外观
微观结构
自范性
各向异性
熔点
晶体
非晶体
本质区别
鉴别
最科学的方法是用
X—
射线衍射实验
具有规则的几何外形
有
粒子在三维空间周期性有序排列
各向异性
固定
不具有规则的几何外形
没有
粒子排列相对无序
各向同性
不固定
微观粒子在三维空间是否呈现周期性有序排列
立方晶胞
体心:
1
面心:
1/2
棱边:
1/4
顶点:
1/8
晶胞
:描述晶体结构的基本单元
晶胞中原子个数的计算
——
均摊法
下图是
CO
2
分子晶体的晶胞结构示意图,其中有多少个分子?原子? 每个
CO
2
分子相邻的分子有多少个?
碘晶体结构
干冰晶体结构
观察与思考:
下列两种晶体有什么共同点?
NaCl
晶体结构
一、分子晶体
1
、概念:
只含分子的晶体叫分子晶体
2
、组成微粒:
分子
3
、粒子间作用力:
分子内原子间以共价键结合,相邻分子间靠
分子间作用力或氢键
相互吸引
①
有单个分子存在,化学式就是分子式不能使用均摊法
②
分子晶体有时无化学键,例如稀有气体是单原子分子
注意:
例:最近发现一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子,如下图所示,顶角和面心的原子是钛原子,棱的中心和体心的原子是碳原子,它的化学式是
。
解析:由于本题
团簇分子
指的是一个分子的具体结构,
并不是晶体中的最小的一个重复单位
,不能采用均摊法分析,所以只需数出该结构内两种原子的数目就可以了。
Ti
14
C
13
结合表格和已有知识
,
分析
:
分子晶体有哪些物理特性?为什么
?
思考与交流
原因:分子间作用力较弱
4
、物理特性:
(1)
较低的熔点和沸点,易升华;
(3)
一般都是绝缘体,熔融状态也不导电。有些在水溶液中可以导电
.
(2)
较小的硬度;
注
:
①
分子间作用力越大
,
熔沸点越高
(
相对分子质量
,
分子极性
,
氢键
)
②
分子晶体熔化时一般只破坏分子间作用力和氢键
,
不破坏化学键
,
也有例外
,
如
S
8
(4)
符合相似相溶;
干冰
干冰(
CO
2
的晶体)硬度与冰相似,但熔点比冰低,常压下极易升华,用作制冷剂。干冰分子间只存在范德华力不存在氢键,是
分子密堆积
,故密度比冰的高。
5
、典型的分子晶体:
(
1
)所有非金属氢化物:
H
2
O
,
NH
3
,
CH
4
,
HX
(
2
)部分非金属单质
:
X
2
,
O
2
,
S
8
,
P
4
,
C
60
(
3
)部分非金属氧化物
:
CO
2
,
NO
2
,
P
4
O
6
,
(
4
)几乎所有的酸:
H
2
SO
4
,
HNO
3
,
H
3
PO
4
(
5
)绝大多数有机物:
乙醇,冰醋酸, 蔗糖
zxxkw
分子的密堆积
氧(
O
2
)的晶体结构
碳
60
的晶胞
分子的密堆积
(与
CO
2
分子距离最近的
CO
2
分子共有
12
个 )
干冰的晶体结构图
冰中1个水分子周围有4个水分子
冰的结构
氢键具有方向性
分子的非密堆积
6
、分子晶体结构特征
(
1
)密堆积
有分子间氢键
——
氢键具有方向性
,
使晶体中的空间利率不高
,
留有相当大的空隙
.
这种晶体不具有分子密堆积特征。如
:
HF
、
NH
3
、冰(每个水分子周围只有
4
个紧邻的水分子)。
(
2
)非密堆积
只有范德华力,无分子间氢键
——
分子密堆积。这类晶体每个分子周围一般有
12
个紧邻的分子,如:
C
60
、干冰 、
I
2
、
O
2
。
许多气体可以与水形成水合物晶体。最早发现这类水合物晶体的是
19
世纪初的英国化学家戴维,他发现氯可形成化学式为
Cl
2
·
8H
2
0
的水合物晶体。
20
世纪末,科学家发现海底存在大量天然气水合物晶体。这种晶体的主要气体成分是甲烷, 因而又称甲烷水合物。它的外形像冰,而且在常温常压下会迅速分解释放出可燃的甲烷,因而又称
“
可燃冰
”
………
科学视野:天然气水合物
—
一种潜在的能源
小结
:
1
、分子晶体:由分子构成。相邻分子靠分子间作用力相互吸引。
2
、分子晶体特点:低熔点、升华、硬度很小等。
3
、常见分子晶体分类:
(1)
所有非金属氢化物
(2)
部分非金属单质,
(3)
部分非金属氧化物
(4)
几乎所有的酸
(
而碱和盐则是离子晶体
(5)
绝大多数有机物的晶体。
晶体分子结构特征
(1)只有范德华力,无分子间氢键-分子密堆积(每个分子周围有
12
个紧邻的分子,如:
C
60
、干冰 、
I
2
、
O
2
(2)有分子间氢键-不具有分子密堆积特征
(如
:
HF
、
冰、
NH
3
)
1
、下列物质属于分子晶体的化合物是( )
A
、石英
B
、硫磺
C
、干冰
D
、食盐
C
练习
2
、干冰气化时,下列所述内容发生变化的是
A
、分子内共价键
B
、分子间作用力
C
、分子键距离
D
、分子间的氢键
BC
3
、冰醋酸固体中不存在的作用力是( )
A
、离子键
B
、极性键
C
、非极性键
D
、范德华力
A
4
、水分子间存在着氢键的作用,使水分子彼此结合而成(
H
2
O
)
n
。在冰中每个水分子被
4
个水分子包围形成变形的正四面体,通过“氢键”相互连接成庞大的分子晶体,其结构如图:试分析:
①
1mol
冰中有
mol
氢键?
②
H
2
O
的熔沸点比
H
2
S
高还是低?为什么?
③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?
2
氢键
由于氢键的方向性,使冰晶体中每个水分子与四面体顶点的
4
个分子相互吸引,形成空隙较大的网状体,密度比水小,所以结的冰会浮在水面上
zxxkw
回顾
:
1
、分子晶体:由分子构成。
相邻分子靠分子间作用力相互吸引。
2
、分子晶体特点:低熔点、升华、硬度很小等。
3
、常见分子晶体分类:
(1)
所有非金属氢化物
(2)
部分非金属单质,
(3)
部分非金属氧化物
(4)
几乎所有的酸
(
而碱和盐则是离子晶体
(5)
绝大多数有机物的晶体。
晶体分子结构特征
(1)只有范德华力,无分子间氢键-分子密堆积(每个分子周围有
12
个紧邻的分子,如:
C
60
、干冰 、
I
2
、
O
2
(2)有分子间氢键-不具有分子密堆积特征
(如
:
HF
、
冰、
NH
3
)
1996
年诺贝尔化学奖授予对发现
C
60
有重大贡献的三位科学家。
C
60
分子是形如球状的多面体,分子中每个碳原子只跟相邻的
3
个碳原子形成化学键;
C
60
分子只含有
五边形
和
六边形
;碳与碳之间既有单键又有双键,每个碳原子仍然满足四个价键饱和;多面体的顶点数、面数和棱边数的关系,遵循欧拉定理:顶点数
+
面数
-
棱边数
=2
。
请回答:
(1)
一个
C
60
分子中有几个五边形和几个六边形?
(2)
一个
C
60
分子中有多少个
C=C
?
(3)
已知
C
70
分子的结构模型也遵循
C
60
的那些规律,请确定
C
70
分子结构中上述几项参数。
先求棱边数
:
每个顶点伸出三条棱,而每条棱又总是由两个顶点共有,所以
,
每个顶点单独伸出的棱有
3×1/2=1.5
条,
60
个顶点共伸出的棱为
60×1.5=90
条。
依据欧拉定理可写出:
60+x+y-90=2 ①
依据棱边数守恒:
(
5x+6y
)
/2=90 ②
联立①②解得
x=12
,
y=20
解析:
(1)
设
C
60
分子中含有
x
个五边形和
y
个六边形
也可根据顶点数守恒:
5/3x+2y=60 ③
(
2
)设一个
C
60
分子中含的
C-C
单键数和
C=C
双键数分别为
a
、
b
,
则根据棱边守恒有
:
a+b=90 ④
利用价电子守恒:
2a+4b=60 ×4⑤
联立④⑤解得:
a=60
,
b=30
即
C
60
中含的双键数为
30
第二节 原子晶体
思考与交流
比较
CO
2
和
SiO
2
的一些物理性质和结构,试判断
SiO
2
晶体是否属于分子晶体。
物质
干冰
金刚石
熔点
很低
3550℃
沸点
很低
4827℃
二、原子晶体
1
、定义:原子间以共价键相结合而形成的空间网状结构的晶体。
2
、构成微粒:
3
、微粒之间的作用:
4
、气化或熔化时破坏的作用力:
5
、物理性质:
熔沸点高,硬度大,难溶于一般溶剂。
(
共价键键能越大,熔沸点越高,硬度越大
)
原子
共价键
共价键
6
、常见原子晶体
(
1
)某些非金属单质:硼(
B
)、硅(
Si
)、锗(
Ge
)、金刚石(
C
)等
(
2
)某些非金属化合物:
SiC
、
BN
等
(
3
)某些氧化物:
SiO
2
、
Al
2
O
3
等
7
、原子晶体结构
无单个分子,原子间以共价键相连
无分子式,只有化学式;
化学式为原子个数比
109
º28´
金刚石的晶体结构示意图
共价键
zxxkw
金刚石的多面体外形、晶体结构和晶胞示意图
8
、
典型的原子晶体
(1)
金刚石
①每个
C
周围有
个
C
,围成空间
图形
C
的杂化轨道类型是
。
这些正四面体向空间发展,构成一个坚实的,彼此联结的空间网状晶体。
②
C
原子与碳碳键之比为( )
③最小碳环为( )且不共面
④一个
C-C
键被
个环
共用,每个环平均有
个
C-C
键
⑤
一个
C
原子被
个环共用,每个环平均有
个
C
原子
4
正四面体
SP
3
杂化
1
:
2
六元环
6
12
1/2
1
⑥
金刚石是
晶胞,一个晶胞中平均含有
个原子。
面心立方
8
晶体硅结构与金刚石相似,键长不同
180
º
109
º28´
Si
o
二氧化硅的晶体结构示意图
共价键
(
2
)
SiO
2
原子晶体
①
每个
Si
周围有
个
O,
每个
O
周围有
个
Si
②
Si
周围的
Si
围成空间
图形
③
1mol SiO
2
中共价键为( )
mol
④
最小环上有( )个原子
⑤每个
Si
被
个环共用,每个氧被
个环共用
⑥每个最小环平均拥有
个
Si
个
O
原子
4
2
正四面体
4
12
12
6
1/2
1
zxxkw
1
、怎样从原子结构的角度理解金刚石、硅和锗的熔点和硬度依次下降
?
2
.
“
具有共价键的晶体叫做原子晶体
”
。这种说法对吗
?
为什么
?
探究思考
小结
2
:判断晶体类型的方法
1
、依据
组成晶体的微粒和微粒间的作用力
判断:构成原子晶体的微粒是原子,原子间的作用力是共价键,构成分子晶体的微粒是分子,分子之间的作用力是分子间作用力。
2
、依据
物质的分类
判断
3
、依据晶体的
熔点
判断:原子晶体的熔点高,一般在
1000℃
以上,分子晶体的熔点低,常在几百度以下甚至更低
4
、依据
导电性
判断:分子晶体为非导体,部分分子溶于水能导电,原子晶体多为非导体,有些为半导体,如:硅、锗
5
、依据
硬度和机械性能
判断:原子晶体硬度大,分子晶体硬度小
莫氏硬度是表示矿物硬度的一种标准,
1824
年由德国矿物学家莫斯(
Frederich Mohs
)首先提出。确定这一标准的方法是,用棱锥形金刚石钻针刻划所试矿物的表面而产生划痕,用测得的划痕的深度来表示硬度。
资料 莫氏硬度
小结
1
:分子晶体与原子晶体的比较
晶体类型
原子晶体
分子晶体
概念
组成微粒
作用力
熔沸点
硬度
溶解性
导电性
相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构
分子间以分子间作用力结合
原子
分子
共价键
分子间作用力
很大
较小
很大
较小
不溶于任何溶剂
部分溶于水
不导电,个别为半导体
固体和熔化状态都不导电,部分溶于水导电
一种结晶形碳,有天然出产的矿物。铁黑色至深钢灰色。质软具滑腻感,可沾污手指成灰黑色。有金属光泽。六方晶系,成叶片状、鳞片状和致密块状。密度
2.25g/cm3
,化学性质不活泼。具有耐腐蚀性,在空气或氧气中强热可以燃烧生成二氧化碳。石墨可用作润滑剂,并用于制造坩锅、电极、铅笔芯等。
知识拓展-石墨
石墨晶体结构
知识拓展-石墨
石墨
1
、石墨为什么很软?
2
、石墨的熔沸点为什么很高(高于金刚石)?
3
、石墨属于哪类晶体?为什么?
石墨为层状结构,各层之间是范德华力结合,容易滑动,所以石墨很软。
石墨各层均为平面网状结构,碳原子之间存在很强的共价键(大
π
键)
,故熔沸点很高。
石墨为混合键型晶体
。
例、如右图所示,在石墨晶体的层状结构中,每一个最小的碳环完全拥有碳原子数为
___
,每个
C
完全拥有
C
-
C
数为
___
石墨中
C
-
C
夹角为
120
☉
,
C
-
C
键长为
1.42×10
-
10
m
层间距
3.35× 10
-
10
m
2
3
小结:金刚石、石墨的比较
项目
金刚石
石墨
晶体形状
晶体中的键或作用力
由最少碳原子形成环的形状与个数
碳原子成键数
键的平均数
原子的平均数
每个环中
正四面体空间网状
六边形平面层状
共价键
共价键与范德华力
6个原子不同面
6个原子同面
4
3
6*1/2=3
6*1/2=3
6*1/4=3/2
6*1/3=2
3
、
分析下列物质的物理性质,判断其晶体类型:
A
、碳化铝,黄色晶体,熔点
2200℃
,熔融态不导电;
________________
B
、溴化铝,无色晶体,熔点
98 ℃
,熔融态不导电;
________________
C
、五氟化钒,无色晶体,熔点
19.5℃
,易溶于乙醇、氯仿、丙酮中;
_______________
D
、物质
A
,无色晶体,熔融时或溶于水中都能导电
_____________