高中化學(xué)關(guān)于炭族元素的知識(shí)點(diǎn)詳解(2)
高中化學(xué)的分子晶體和原子晶體的知識(shí)點(diǎn)介紹
(一)分子晶體：
構(gòu)成晶體的微粒間通過(guò)分子間作用力相互作用所形成的晶體，稱(chēng)為分子晶體。分子晶體中存在的微粒是分子，不存在離子。較典型的分子晶體有非金屬氫化物，部分非金屬單質(zhì)，部分非金屬氧化物，幾乎所有的酸，絕大多數(shù)有機(jī)物的晶體等。
分子晶體中存在的相互作用力主要是分子間作用力，它是分子間存在著一種把分子聚集在一起的作用力，叫做分子間作用力，也叫范?曰?力。分子間作用力只影響物質(zhì)的熔沸點(diǎn)、硬度、密度等物理性質(zhì)，分子晶體一般都是絕緣體，熔融狀態(tài)不導(dǎo)電。
對(duì)于某些含有電負(fù)性很大的元素的原子和氫原子的分子，分子間還可以通過(guò)氫鍵相互作用。氫鍵的形成條件：它是由已經(jīng)與電負(fù)性很強(qiáng)的原子形成共價(jià)鍵的氫原子與另一分子中電負(fù)性很強(qiáng)的原子之間的作用力形成，(它不屬于化學(xué)鍵)一般表示為 X?DH…Y。這種靜電吸引作用就是氫鍵。氫鍵同樣只影響物質(zhì)的熔沸點(diǎn)和密度，對(duì)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)沒(méi)有影響
分子晶體的結(jié)構(gòu)特征：
沒(méi)有氫鍵的分子密堆積排列，如CO2等分子晶體，分子間的作用力主要是分子間作用力，以一個(gè)分子為中心，每個(gè)分子周?chē)?2個(gè)緊鄰的分子存在。
如：干冰的晶體結(jié)構(gòu)
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還有一類(lèi)分子晶體，其結(jié)構(gòu)中不僅存在分子間作用力，同時(shí)還存在氫鍵，如：冰。此時(shí)，水分子間的主要作用力是氫鍵，每個(gè)水分子周?chē)挥?個(gè)水分子與之相鄰。稱(chēng)為非密堆積結(jié)構(gòu)。
說(shuō)明：
1、分子晶體的構(gòu)成微粒是分子，分子中各原子一般以共價(jià)鍵相結(jié)合。因此，大多數(shù)共價(jià)化合物所形成的晶體為分子晶體。如：部分非金屬單質(zhì)、非金屬氫化物、部分非金屬氧化物、幾乎所有的酸以及絕大多數(shù)的有機(jī)物等都屬于分子晶體。但并不是所有的分子晶體中都存在共價(jià)鍵，如：由單原子構(gòu)成的稀有氣體分子中就不存在化學(xué)鍵。也不是共價(jià)化合物都是分子晶體，如二氧化硅等物質(zhì)屬于原子晶體。
2、由于構(gòu)成晶體的微粒是分子，因此分子晶體的化學(xué)式可以表示其分子式，即只有分子晶體才存在分子式。
3、分子晶體的微粒間以分子間作用力或氫鍵相結(jié)合，因此，分子晶體具有熔沸點(diǎn)低、硬度密度小，較易熔化和揮發(fā)等物理性質(zhì)。
4、影響分子間作用力的大小的因素有分子的極性和相對(duì)分子質(zhì)量的大小。一般而言，分子的極性越大、相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越強(qiáng)。
5、分子晶體的熔沸點(diǎn)的高低與分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)：在同樣不存在氫鍵時(shí)，組成與結(jié)構(gòu)相似的分子晶體，隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增大，分子間作用力增大，分子晶體的熔沸點(diǎn)增大;對(duì)于分子中存在氫鍵的分子晶體，其熔沸點(diǎn)一般比沒(méi)有氫鍵的分子晶體的熔沸點(diǎn)高，存在分子間氫鍵的分子晶體的熔沸點(diǎn)比存在分子內(nèi)氫鍵的分子晶體的熔沸點(diǎn)高。
6、分子晶體的溶解性與溶劑和溶質(zhì)的極性有關(guān)：一般情況下，極性分子易溶于極性溶劑，非極性分子易溶于非極性溶劑?D?D這就是相似相溶原理。如：HCl、
分 類(lèi)
分子間作用力
氫 鍵
概 念
物質(zhì)分子之間存在的微弱的相互作用(實(shí)質(zhì)上也是靜電作用)
分子中與氫原子形成共價(jià)鍵的非金屬原子，如果吸引電子的能力很強(qiáng)，原子半徑又很小，則使氫原子幾乎成為“裸露”的質(zhì)子，帶部分正電荷，這樣的分子之間，氫核與帶部分負(fù)電荷的非金屬
原子相互吸引，這種靜電作用就是氫鍵
存在范圍
分子間
某些含氫化合物分子間(如：HF、H2O、NH3、
乙醇等)
強(qiáng)度比較
比化學(xué)鍵弱很多
比化學(xué)鍵弱得多，比分子間作用力強(qiáng)
影響強(qiáng)度
的因素
隨著分子的極性與相對(duì)分子質(zhì)量的增大而增大。組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大
形成氫鍵的非金屬原子，其吸引電子的能力越
強(qiáng)、半徑越小，則氫鍵越強(qiáng)
9、干冰的熔沸點(diǎn)比冰低，但密度卻比冰大的原因是：冰中除了范德華力外還有氫鍵作用，破壞分子間作用力較難，所以熔沸點(diǎn)比干冰高。同時(shí)，由于分子間作用力特別是氫鍵的方向性，導(dǎo)致晶體冰中有相當(dāng)大的空隙，所以相同狀況下體積較大。由于CO2分子的相對(duì)分子質(zhì)量>H2O，所以干冰的密度大。
(二)原子晶體：
相鄰原子間以共價(jià)鍵相結(jié)合而形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體稱(chēng)為原子晶體。構(gòu)成原子晶體的微粒是原子，微粒間的相互作用力是共價(jià)鍵，由于共價(jià)鍵的鍵能比分子間作用力要大得多，因此原子晶體具有很高的熔沸點(diǎn)和硬度，一般不導(dǎo)電(硅屬于半導(dǎo)體材料)，一般不溶于溶劑等性質(zhì)。
常見(jiàn)的原子晶體有：金剛石、晶體硅、二氧化硅和碳化硅等。
如金剛石的晶體結(jié)構(gòu)和晶胞、二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu)：
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金剛石的晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)碳原子與四個(gè)碳原子相互結(jié)合形成四個(gè)共價(jià)鍵，形成正四面體型結(jié)構(gòu)，晶體中每個(gè)最小的環(huán)為六元環(huán);另外二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，每個(gè)最小的環(huán)由六個(gè)氧原子和六個(gè)硅原子構(gòu)成，為十二元環(huán)，每個(gè)硅原子結(jié)合四個(gè)氧原子、每個(gè)氧原子結(jié)合二個(gè)硅原子，因此晶體中硅、氧原子的個(gè)數(shù)比為1：2，則二氧化硅的化學(xué)式為SiO2，晶體中每個(gè)硅原子被12個(gè)環(huán)所共有。
說(shuō)明：
2、原子晶體中原子間以共價(jià)鍵相互連接，但并不是存在共價(jià)鍵的晶體就是原子晶體。如：水、干冰等晶體都存在共價(jià)鍵，但它們屬于分子晶體。
3、判斷晶體類(lèi)型的依據(jù)：
(1)看構(gòu)成晶體的微粒種類(lèi)及微粒間的相互作用。
對(duì)分子晶體,構(gòu)成晶體的微粒是分子，微粒間的相互作用是分子間作用力;對(duì)于原子晶體，構(gòu)成晶體的微粒是原子，微粒間的相互作用是共價(jià)鍵。
(2)看物質(zhì)的物理性質(zhì)(如：熔、沸點(diǎn)或硬度)。一般情況下，不同類(lèi)晶體熔點(diǎn)高低順序是原子晶體比分子晶體的熔、沸點(diǎn)高得多，硬度、密度也要大得多。
(3)依據(jù)導(dǎo)電性判斷： 分子晶體為非導(dǎo)體，但部分分子晶體溶于水后能導(dǎo)電; 原子晶體多數(shù)為非導(dǎo)體，但晶體硅、晶體鍺是半導(dǎo)體。
(4)依據(jù)硬度和機(jī)械性能判斷： 原子晶體硬度大，分子晶體硬度小且較脆。
5、CO2、SiO2都屬于第ⅣA族的氧化物，但兩者的熔沸點(diǎn)、硬度等物理性質(zhì)存在較大的差異，但CO2卻比SiO2穩(wěn)定得多：主要是因?yàn)镃O2是分子晶體，SiO2是原子晶體，所以熔化時(shí)CO2是破壞范德華力而SiO2是破壞化學(xué)鍵。所以SiO2熔沸點(diǎn)高。而破壞CO2分子與SiO2時(shí)，都是破壞共價(jià)鍵，而C-O鍵能>Si-O鍵能，所以CO2分子更穩(wěn)定。
(三)過(guò)渡型晶體(混合型晶體)
，化學(xué)性質(zhì)不活潑。具有耐腐蝕性，在空氣或氧氣中可以強(qiáng)熱燃燒生成二氧化碳。石墨可用作潤(rùn)滑劑，并用于制造坩鍋、電極、鉛筆芯等。它既具有金屬晶體的性質(zhì)(導(dǎo)電性)，又具有分子晶體的性質(zhì)(質(zhì)地很軟)，同時(shí)還具備原子晶體的特性(熔沸點(diǎn)高)等。因此化學(xué)上把石墨稱(chēng)為過(guò)渡型晶體(又稱(chēng)混合型晶體)。
石墨晶體是一種層狀結(jié)構(gòu)：層與層之間以分子間作用力相互連接，而同一層內(nèi)各原子間以共價(jià)鍵相互結(jié)合。如圖所示：
所以石墨晶體的質(zhì)地較軟、熔沸點(diǎn)很高。
說(shuō)明：
1、石墨為層狀結(jié)構(gòu)，各層之間以范德華力結(jié)合，容易滑動(dòng)，所以石墨很軟。
2、石墨各層均為平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，碳原子之間存在很強(qiáng)的共價(jià)鍵(大π鍵)，故熔沸點(diǎn)很高。石墨層狀結(jié)構(gòu)中六個(gè)碳原子構(gòu)成平面六元環(huán)，平均每個(gè)環(huán)占有2個(gè)碳原子、三個(gè)碳碳鍵。
3、在金剛石中每個(gè)碳原子與相鄰的四個(gè)碳原子經(jīng)共價(jià)鍵結(jié)合形成正四面體結(jié)構(gòu)，碳原子所有外層電子均參與成鍵，無(wú)自由電子，所以不導(dǎo)電。而石墨晶體中，每個(gè)碳原子以三個(gè)共價(jià)鍵與另外三個(gè)碳原子相連，在同一平面內(nèi)形成正六邊形的環(huán)。這樣每個(gè)碳原子上仍有一個(gè)電子未參與成鍵，電子比較自由，相當(dāng)于金屬中的自由電子，所以石墨能導(dǎo)電。
【典型例題】
例1. 共價(jià)鍵、離子鍵和范德華力是構(gòu)成物質(zhì)粒子間的不同作用方式，下列物質(zhì)中，只含有上述一種作用的是
A. 干冰 B. 氯化鈉 C. 氫氧化鈉 D. 碘
答案：B
例2. 在解釋下列物質(zhì)性質(zhì)的變化規(guī)律與物質(zhì)結(jié)構(gòu)間的因果關(guān)系時(shí)，與鍵能無(wú)關(guān)的變化規(guī)律是
A. HF、HCI、HBr、HI的熱穩(wěn)定性依次減弱
B. NaF、NaCl、NaBr、NaI的熔點(diǎn)依次降低
C. F2、C12、Br2、I2的熔沸點(diǎn)逐漸升高
D. H2S的熔沸點(diǎn)小于H2O的熔沸點(diǎn)
答案：C、D
例3. 2003年美國(guó)《科學(xué)》雜志報(bào)道：在超高壓下，科學(xué)家用激光器將CO2加熱到1800K，成功制得了類(lèi)似石英的CO2原子晶體。下列關(guān)于CO2晶體的敘述中不正確的是
A. 晶體中C、O原子個(gè)數(shù)比為1∶2
B. 該晶體的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高、硬度大
C. 晶體中C?DO?DC鍵角為180°
D. 晶體中C、O原子最外層都滿(mǎn)足8電子結(jié)構(gòu)
答案：C
例4. 在干冰晶體中每個(gè)CO2分子周?chē)o鄰的 CO2分子有___________個(gè)，在晶體中截取一個(gè)最小的正方形;使正方形的四個(gè)頂點(diǎn)都落到CO2分子的中心，則在這個(gè)正方形的平面上有___________個(gè)CO2分子。
答案：12，4
例5. 氮化硅是一種高溫陶瓷材料，它的硬度大、熔點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，工業(yè)上曾普遍采用高純硅與純氮在1300℃反應(yīng)獲得。
(2)已知氮化硅的晶體結(jié)構(gòu)中，原子間都以單鍵相連，且N原子與N原子，Si原子與Si原子不直接相連，同時(shí)每個(gè)原子都滿(mǎn)足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，請(qǐng)寫(xiě)出氮化硅的化學(xué)式_______.
解析：原子晶體具有熔沸點(diǎn)高、硬度大等特點(diǎn)，因此氮化硅晶體屬于原子晶體，所以氮化硅的晶體結(jié)構(gòu)中每個(gè)氮原子周?chē)B接3個(gè)硅原子，而每個(gè)硅原子周?chē)B接4個(gè)氮原子，相互之間通過(guò)共價(jià)鍵相連形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在原子的最外層形成8電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，故氮化硅的化學(xué)式為：Si3N4。四氯化硅和氮?dú)庠跉錃鈿夥毡Ｗo(hù)下生成氮化硅，反應(yīng)方程式為：
3SiCl4 2N2 6H2=Si3N4 12HCl
1. 下列屬于分子晶體的一組物質(zhì)是
A. CaO、NO、CO B. CCl4、H2O2、He
C. CO2、SO2、NaCl D. CH4、O2、Na2O
2. 下列性質(zhì)符合分子晶體的是
A. 熔點(diǎn)1070℃，易溶于水，水溶液能導(dǎo)電
B. 熔點(diǎn)是10.31°，液體不導(dǎo)電，水溶液能導(dǎo)電
C. 熔點(diǎn)97.81℃，質(zhì)軟，能導(dǎo)電，密度是0.97g/cm3
D. 熔點(diǎn)，熔化時(shí)能導(dǎo)電，水溶液也能導(dǎo)電
3. 下列說(shuō)法正確的是
A. 離子化合物中可能含有共價(jià)鍵
B. 分子晶體中的分子內(nèi)不含有共價(jià)鍵
C. 分子晶體中一定有非極性共價(jià)鍵
D. 分子晶體中分子一定緊密堆積
4. 干冰汽化時(shí)，下列所述內(nèi)容發(fā)生變化的是
A. 分子內(nèi)共價(jià)鍵 B. 分子間作用力
C. 分子間距離 D. 分子間的氫鍵
5. 在金剛石的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，含有共價(jià)鍵形成的碳原子環(huán)，其中最小的環(huán)上，碳原子數(shù)是
A. 2個(gè) B. 3個(gè) C. 4個(gè) D. 6個(gè)
6. 在x mol石英晶體中，含有的Si-O鍵數(shù)是
A. x mol B. 2x mol C. 3 x mol D. 4x mol
7. 石墨晶體是層狀結(jié)構(gòu)，在每一層內(nèi);每一個(gè)碳原子都跟其他3個(gè)碳原子相結(jié)合，如圖是其晶體結(jié)構(gòu)的俯視圖，則圖中7個(gè)六元環(huán)完全占有的碳原子數(shù)是
12. 短周期元素X、Y、Z在周期表中位置關(guān)系如圖：
(1)X元素的單質(zhì)分子式是_______，若X核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)相等，X單質(zhì)的摩爾質(zhì)量為_(kāi)______，單質(zhì)是_______晶體。
(2)Z單質(zhì)的晶體類(lèi)型屬于_______，Z的氫化物和最高價(jià)氧化物的濃溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)___________________________。
已知晶體硼結(jié)構(gòu)單元是由硼原子組成的正二十面體，其中有20個(gè)等邊三角形的面和一定數(shù)目的頂點(diǎn)，每個(gè)頂點(diǎn)上各有1個(gè)B原子。通過(guò)觀察圖形及推算，此晶體結(jié)構(gòu)單元由______個(gè)硼原子構(gòu)成。其中B?DB鍵的鍵角為_(kāi)_______。共含有_______個(gè)B?DB鍵。
(3)在一定溫度下，用x射線衍射法測(cè)干冰晶胞(晶體中最小的重復(fù)單位)邊長(zhǎng): a=5.72×1. B 2. B 3. A 4. BC 5. D 6. D 7. D 8. C 9. D 10. A
12. He 4g/mol 分子;分子晶體 3PH3+H3PO4=(PH4)3PO4
14. 12;① > ③ >②;利用ρ=m/V解得ρ=1.56g/mL。
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