第3章 微专题5 分子晶体、共价晶体的比较与应用学案

微专题5　分子晶体、共价晶体的比较与应用

1．共价晶体和分子晶体的比较

2.判断分子晶体和共价晶体的方法

(1)依据构成晶体的微粒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；构成分子晶体的微粒是分子，微粒间的作用力是分子间作用力。

(2)依据晶体的熔点判断

共价晶体的熔点高，常在1 000 ℃以上，而分子晶体的熔点低，常在数百度以下甚至温度更低。

(3)依据晶体的硬度与机械性能判断

共价晶体的硬度大，分子晶体的硬度小且较脆。

(4)依据导电性判断

分子晶体为非导体，但部分溶于水后能导电；共价晶体多数为非导体，但晶体硅、锗是半导体。

(5)记忆常见的共价晶体、分子晶体

常见的共价晶体有：①单质：金刚石、晶体硅、晶体硼、晶体锗等；②化合物：SiO2、SiC、BN、AlN、Si3N4等。除共价晶体外的绝大多数非金属单质、气态氢化物、非金属氧化物、酸、绝大多数有机物(有机盐除外)都属于分子晶体。

1．下列各组晶体物质中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是(　　)

①SiO2和SO3　②晶体硼和HCl　③CO2和SO2　④晶体硅和金刚石　⑤晶体氖和晶体氮　⑥硫黄和碘

A．①②③   B．④⑤⑥

C．③④⑥   D．①③⑤

答案　C

解析　属于分子晶体的有SO3、HCl、CO2、SO2、晶体氖、晶体氮、硫黄和碘。属于共价晶体的有SiO2、晶体硼、晶体硅和金刚石。但晶体氖是由稀有气体分子组成，稀有气体为单原子分子，分子间不存在化学键。

2．下列晶体熔、沸点由高到低的顺序正确的是(　　)

①SiC　②Si　③HCl　④HBr　⑤HI　⑥CO　⑦N2　⑧H2

A．①②③④⑤⑥⑦⑧   B．①②⑤④③⑥⑦⑧

C．①②⑤④③⑦⑥⑧   D．⑥⑤④③②①⑦⑧

答案　B

解析　SiC和Si为共价晶体，熔、沸点高，因为SiC晶体中Si—C比Si晶体中Si—Si更牢固，则SiC的熔、沸点大于Si的熔、沸点，剩余晶体均为分子晶体，熔、沸点低于共价晶体，结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，范德华力就越大，熔、沸点越高，相对分子质量相同的分子晶体，极性分子的熔、沸点大于非极性分子的熔、沸点，所以熔、沸点由高到低的顺序正确的是①②⑤④③⑥⑦⑧，故B项正确。

3．现有以下8种晶体：

A．干冰　B．CS2　C．金刚石　D．SiC　E．晶体硅　F．水晶　G．冰　H．晶体氩

(1)属于分子晶体，且分子的空间结构为直线形的是________________(填字母，下同)。

(2)通过非极性键形成的共价晶体是________；晶体内不含化学键的是________。

(3)直接由原子构成的晶体是________。

(4)受热熔化时，化学键发生变化的是________，干冰的熔点比冰的熔点低得多，原因是________________________________________________________________________。

(5)金刚石、SiC、晶体硅都是同主族元素组成的晶体，它们的熔点高低顺序为______>_______>

_______(用名称填空)，其原因是___________________________________________________。

答案　(1)AB　(2)CE　H　(3)CDEFH　(4)CDEF　干冰中CO2分子之间只存在范德华力，冰中H2O分子之间存在范德华力和氢键，且氢键的强度比范德华力大　(5)金刚石　碳化硅　晶体硅　金刚石、碳化硅、晶体硅都是共价晶体，键长：C—C<C—Si<Si—Si，则共价键强度：C—C>C—Si>Si—Si

解析　(1)A、B、G、H属于分子晶体，其中CO2、CS2为直线形分子，H2O为V形分子，Ar属于单原子分子。(2)非极性键形成的共价晶体应为单质，有金刚石和晶体硅，题述物质中只有晶体氩不含化学键。(3)直接由原子构成的晶体为共价晶体和由稀有气体组成的分子晶体。(4)受热熔化时，分子晶体只是破坏分子间的作用力，而不会破坏分子内的化学键；共价晶体会破坏其中的共价键，干冰和冰均为分子晶体，但是冰中水分子间存在氢键，使熔点升高。(5)金刚石、SiC和晶体硅都是共价晶体，共价晶体的熔点取决于共价键的键能。由于原子半径Si>C，故键长：Si—Si>Si—C>C—C，所以键能的大小顺序为C—C>Si—C>Si—Si，所以三种晶体的熔点高低顺序：金刚石>碳化硅>晶体硅。

4．现有两组物质的熔点数据如表所示：

根据表中数据回答下列问题。

(1)A组属于________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是_________________________

____________________________________________。

(2)B组中HF熔点反常是由于________。

(3)B组晶体不可能具有的性质是________(填序号)。

①硬度小　②水溶液能导电　③固体能导电　④液体状态能导电

答案　(1)共价　共价键　(2)HF分子间能形成氢键，熔化时需要消耗更多的能量　(3)③④

解析　A组熔点很高，应是共价晶体，共价晶体熔化时破坏的是共价键；B组是分子晶体，且结构相似，一般是相对分子质量越大，熔点越高；HF的相对分子质量最小，但熔点比HCl高，出现反常的原因是HF分子间存在氢键，HF熔化时除了破坏分子间作用力，还要破坏氢键，所需能量更高，因而熔点更高。分子晶体在固态和熔化状态时都不导电。

5．通常人们把断开(或形成)1 mol某化学键所吸收(或放出)的能量看成该化学键的键能。键能的大小可以衡量化学键的强弱，也可以估算化学反应的反应热(ΔH)。化学反应的ΔH等于反应中断裂旧化学键的键能之和与反应中形成新化学键的键能之和的差。

请回答下列问题：

(1)比较下列两组物质的熔点高低(填“>”或“<”)

SiCl4________ SiO2; Si________ SiC。

(2)如图每个“”表示硅晶体中的一个硅原子，每个硅原子与Si—Si数目之比为________，属于________晶体。

答案　(1)<　<　(2)1∶2　共价

解析　(1)键长短，键能大，熔点高。(2)每个硅原子形成四个共价键，而一个共价键由两个硅原子形成，所以每个硅原子与Si—Si数目之比为1∶(×4)＝1∶2。

6．硼(B)及其化合物在化学中有重要的地位。请回答下列问题：

(1)Ga与B同主族，Ga的基态原子核外电子排布式为___________________________。B与同周期相邻两元素第一电离能由大到小的顺序是________________。

(2)硼酸(H3BO3)是白色片状晶体(层状结构如图)，有滑腻感，在冷水中溶解度很小，加热时溶解度增大。

①硼酸中B原子的杂化轨道类型为________ 。

②硼酸晶体中存在的作用力有范德华力和__________________________________________ 。

③加热时，硼酸的溶解度增大，主要原因是____________________________。

④硼酸是一元弱酸，在水中电离时硼酸结合水电离出的H＋而呈酸性。写出硼酸的电离方程式： _______________________________________________________________________________。

(3)立方氮化硼是一种新型陶瓷材料，结构和形体都类似金刚石，是现在所知的几乎最硬的物质，化学式为BN，则立方氮化硼中B原子的杂化轨道类型为________；1 mol立方氮化硼中B—N的物质的量为________。

答案　(1)1s22s22p63s23p63d104s24p1(或[Ar] 3d104s24p1)　C＞Be＞B　(2)①sp2　②氢键、共价键　③加热破坏了硼酸分子之间的氢键　④H3BO3＋H2O[B(OH)4]－＋ H＋　(3)sp3　4 mol

解析　(1)Ga的基态原子核外电子排布式：1s22s22p63p63d104s24p1或[Ar]3d104s24p1；同周期元素第一电离能从左到右有增大的趋势，但第ⅡA、第ⅤA出现反常，故第一电离能：C＞Be＞B。(2)①B原子的杂化轨道类型为sp2杂化；②硼酸晶体中除了范德华力还有共价键和氢键；③加热时，硼酸的溶解度增大，是由于加热破坏了硼酸分子之间的氢键；④硼酸的电离方程式为H3BO3＋H2O[B(OH)4]－＋H＋。(3)B原子的杂化轨道类型为sp3杂化；立方氮化硼结构和形体都类似金刚石，故晶胞中含有4个B原子和4个N原子，故1 mol立方氮化硼中含有4 mol B—N。

7．回答下列问题：

(1)氮化碳和氮化硅晶体结构相似，是新型的非金属高温陶瓷材料，它们的硬度大、熔点高，化学性质稳定。

氮化硅的硬度________(填“大于”或“小于”)氮化碳的硬度，原因是___________________

_______________________________________________________________________________。

(2)第ⅢA、ⅤA族元素组成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的新型半导体材料，其晶体结构与单晶硅相似。

①在GaN晶体中，每个Ga原子与________个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为________________，GaN属于________晶体。

②三种新型半导体材料的熔点由高到低的顺序为____________________________________。

答案　(1)小于　氮化硅和氮化碳均为共价晶体，氮化硅中N—Si键的键长比氮化碳中C—N键的键长长，键能小

(2)①4　正四面体　共价　②GaN＞GaP＞GaAs

解析　(1)氮化硅和氮化碳均为共价晶体。氮化硅中N—Si键的键长比氮化碳中C—N键的键长长，键能小，所以氮化硅硬度比氮化碳小。

(2)①GaN与单晶硅结构相似，所以每个Ga原子与4个N原子形成共价键，每个N原子与4个Ga原子形成共价键。与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为正四面体结构，GaN与晶体硅都是共价晶体。②原子半径越小，共价键越强，晶体的熔点越高。

8．纳米技术制成的金属燃料、非金属固体燃料、氢气等已应用到社会生活和高科技领域。

(1)A和B的单质单位质量的燃烧热大，可用作燃料。已知A和B为短周期元素，其原子的第一至第四电离能如下表所示：

①某同学根据上述信息，推断B的核外电子排布如右图所示，该同学所画的电子排布图违背了________。

②根据价层电子对互斥理论，预测A和氯元素形成的简单分子空间结构为________。

(2)氢气作为一种清洁能源，必须解决它的储存问题，C60可用作储氢材料。

①已知金刚石中C—C的键长为154.45 pm，C60中C—C的键长为145～140 pm，有同学据此认为C60的熔点高于金刚石，你认为是否正确并阐述理由：____________________________

_______________________________________________________________________________。

②科学家把C60和K掺杂在一起制造了一种富勒烯化合物，其晶胞如图所示，该物质在低温时是一种超导体。该物质的K原子和C60分子的个数之比为________。

③继C60后，科学家又合成了Si60、N60，C、Si、N原子的电负性由大到小的顺序是________。Si60分子中每个硅原子只跟相邻的3个硅原子形成共价键，且每个硅原子最外层都满足8电子稳定结构，则Si60分子中π键的数目为______________。

答案　(1)①能量最低原理　②直线形　(2)①不正确。C60为分子晶体，熔化时破坏的是分子间作用力，无需破坏共价键，而分子间作用力较弱，所需能量较低，故C60的熔点低于金刚石的熔点　②3∶1　③N>C>Si　30

解析　(1)①从图上看，3p轨道上的1个电子应排布在3s轨道上，且自旋方向相反，该同学所画的电子排布图违背了能量最低原理。②从A的第一至第四电离能看，A的第三电离能发生突变，因此A最外层有2个电子，且A的第一电离能比B大，则A为Be，B为Mg。则A和氯元素形成的简单分子为BeCl2，则分子中价层电子对数为2＋＝2，因此为直线形，中心原子的杂化方式为sp杂化。(2)①结构决定性质，对于物质熔、沸点的分析应从物质的晶体类型来分析。C60属于分子晶体，熔化时破坏的是分子间作用力，无需破坏共价键，而分子间作用力较弱，所需能量较低，故C60的熔点低于金刚石的熔点。②晶胞中的K原子在面上，对晶胞的贡献为，每个晶胞中含有K原子的个数为12×＝6个；C60在晶胞的顶角和中心，因此每个晶胞中C60的分子数是1＋8×＝2个，因此K原子和C60分子的个数之比为6∶2＝3∶1。③同一周期元素电负性自左向右呈增大趋势，同一主族元素电负性自上向下逐渐减小，因此电负性由大到小的顺序为N>C>Si。根据题意可知每个Si原子形成4个共价键，其中3个σ键，1个π键，每个化学键为两个原子形成，则π键为化学键总数的，60个原子可形成化学键总数为 ＝120个，因此π键数为＝30个。