高中化學關(guān)于炭族元素的知識點詳解(2)
高中化學的分子晶體和原子晶體的知識點介紹
(一)分子晶體：
構(gòu)成晶體的微粒間通過分子間作用力相互作用所形成的晶體，稱為分子晶體。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、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)不導電。
對于某些含有電負性很大的元素的原子和氫原子的分子，分子間還可以通過氫鍵相互作用。氫鍵的形成條件：它是由已經(jīng)與電負性很強的原子形成共價鍵的氫原子與另一分子中電負性很強的原子之間的作用力形成，(它不屬于化學鍵)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)的熔沸點和密度，對物質(zhì)的化學性質(zhì)沒有影響
分子晶體的結(jié)構(gòu)特征：
沒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，以一個分子為中心，每個分子周圍有12個緊鄰的分子存在。
如：干冰的晶體結(jié)構(gòu)
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還有一類分子晶體，其結(jié)構(gòu)中不僅存在分子間作用力，同時還存在氫鍵，如：冰。此時，水分子間的主要作用力是氫鍵，每個水分子周圍只有4個水分子與之相鄰。稱為非密堆積結(jié)構(gòu)。
說明：
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鍵相結(jié)合。因此，大多數(shù)共價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鍵，如：由單原子構(gòu)成的稀有氣體分子中就不存在化學鍵。也不是共價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分子質(zhì)量的大小。一般而言，分子的極性越大、相對分子質(zhì)量越大，分子間作用力越強。
5、分子晶體的熔沸點的高低與分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)：在同樣不存在氫鍵時，組成與結(jié)構(gòu)相似的分子晶體，隨著相對分子質(zhì)量的增大，分子間作用力增大，分子晶體的熔沸點增大;對于分子中存在氫鍵的分子晶體，其熔沸點一般比沒有氫鍵的分子晶體的熔沸點高，存在分子間氫鍵的分子晶體的熔沸點比存在分子內(nèi)氫鍵的分子晶體的熔沸點高。
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
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(實質(zhì)上也是靜電作用)
分子中與氫原子形成共價鍵的非金屬原子，如果吸引電子的能力很強，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)
強度比較
比化學鍵弱很多
比化學鍵弱得多，比分子間作用力強
影響強度
的因素
隨著分子的極性與相對分子質(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、半徑越小，則氫鍵越強
9、干冰的熔沸點比冰低，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，所以熔沸點比干冰高。同時，由于分子間作用力特別是氫鍵的方向性，導致晶體冰中有相當大的空隙，所以相同狀況下體積較大。由于CO2分子的相對分子質(zhì)量>H2O，所以干冰的密度大。
(二)原子晶體：
相鄰原子間以共價鍵相結(jié)合而形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體稱為原子晶體。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鍵，由于共價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和硬度，一般不導電(硅屬于半導體材料)，一般不溶于溶劑等性質(zhì)。
常見的原子晶體有：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，每個碳原子與四個碳原子相互結(jié)合形成四個共價鍵，形成正四面體型結(jié)構(gòu)，晶體中每個最小的環(huán)為六元環(huán);另外二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，每個最小的環(huán)由六個氧原子和六個硅原子構(gòu)成，為十二元環(huán)，每個硅原子結(jié)合四個氧原子、每個氧原子結(jié)合二個硅原子，因此晶體中硅、氧原子的個數(shù)比為1：2，則二氧化硅的化學式為SiO2，晶體中每個硅原子被12個環(huán)所共有。
說明：
2、原子晶體中原子間以共價鍵相互連接，但并不是存在共價鍵的晶體就是原子晶體。如：水、干冰等晶體都存在共價鍵，但它們屬于分子晶體。
3、判斷晶體類型的依據(jù)：
(1)看構(gòu)成晶體的微粒種類及微粒間的相互作用。
對分子晶體,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鍵。
(2)看物質(zhì)的物理性質(zhì)(如：熔、沸點或硬度)。一般情況下，不同類晶體熔點高低順序是原子晶體比分子晶體的熔、沸點高得多，硬度、密度也要大得多。
(3)依據(jù)導電性判斷： 分子晶體為非導體，但部分分子晶體溶于水后能導電; 原子晶體多數(shù)為非導體，但晶體硅、晶體鍺是半導體。
(4)依據(jù)硬度和機械性能判斷： 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、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：主要是因為CO2是分子晶體，SiO2是原子晶體，所以熔化時CO2是破壞范德華力而SiO2是破壞化學鍵。所以SiO2熔沸點高。而破壞CO2分子與SiO2時，都是破壞共價鍵，而C-O鍵能>Si-O鍵能，所以CO2分子更穩(wěn)定。
(三)過渡型晶體(混合型晶體)
，化學性質(zhì)不活潑。具有耐腐蝕性，在空氣或氧氣中可以強熱燃燒生成二氧化碳。石墨可用作潤滑劑，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)(導電性)，又具有分子晶體的性質(zhì)(質(zhì)地很軟)，同時還具備原子晶體的特性(熔沸點高)等。因此化學上把石墨稱為過渡型晶體(又稱混合型晶體)。
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、熔沸點很高。
說明：
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，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的共價鍵(大π鍵)，故熔沸點很高。石墨層狀結(jié)構(gòu)中六個碳原子構(gòu)成平面六元環(huán)，平均每個環(huán)占有2個碳原子、三個碳碳鍵。
3、在金剛石中每個碳原子與相鄰的四個碳原子經(jīng)共價鍵結(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，無自由電子，所以不導電。而石墨晶體中，每個碳原子以三個共價鍵與另外三個碳原子相連，在同一平面內(nèi)形成正六邊形的環(huán)。這樣每個碳原子上仍有一個電子未參與成鍵，電子比較自由，相當于金屬中的自由電子，所以石墨能導電。
【典型例題】
例1. 共價鍵、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，與鍵能無關(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的熔點依次降低
C. F2、C12、Br2、I2的熔沸點逐漸升高
D. H2S的熔沸點小于H2O的熔沸點
答案：C、D
例3. 2003年美國《科學》雜志報道：在超高壓下，科學家用激光器將CO2加熱到1800K，成功制得了類似石英的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原子個數(shù)比為1∶2
B. 該晶體的熔點、沸點高、硬度大
C. 晶體中C?DO?DC鍵角為180°
D. 晶體中C、O原子最外層都滿足8電子結(jié)構(gòu)
答案：C
例4. 在干冰晶體中每個CO2分子周圍緊鄰的 CO2分子有___________個，在晶體中截取一個最小的正方形;使正方形的四個頂點都落到CO2分子的中心，則在這個正方形的平面上有___________個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、熔點高、化學性質(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，同時每個原子都滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，請寫出氮化硅的化學式_______.
解析：原子晶體具有熔沸點高、硬度大等特點，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)中每個氮原子周圍連接3個硅原子，而每個硅原子周圍連接4個氮原子，相互之間通過共價鍵相連形成立體網(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)，故氮化硅的化學式為：Si3N4。四氯化硅和氮氣在氫氣氣氛保護下生成氮化硅，反應方程式為：
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1070℃，易溶于水，水溶液能導電
B. 熔點是10.31°，液體不導電，水溶液能導電
C. 熔點97.81℃，質(zhì)軟，能導電，密度是0.97g/cm3
D. 熔點，熔化時能導電，水溶液也能導電
3. 下列說法正確的是
A. 離子化合物中可能含有共價鍵
B. 分子晶體中的分子內(nèi)不含有共價鍵
C. 分子晶體中一定有非極性共價鍵
D. 分子晶體中分子一定緊密堆積
4. 干冰汽化時，下列所述內(nèi)容發(fā)生變化的是
A. 分子內(nèi)共價鍵 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 B. 3個 C. 4個 D. 6個
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);每一個碳原子都跟其他3個碳原子相結(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_______，單質(zhì)是_______晶體。
(2)Z單質(zhì)的晶體類型屬于_______，Z的氫化物和最高價氧化物的濃溶液反應的化學方程式為____________________________。
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個等邊三角形的面和一定數(shù)目的頂點，每個頂點上各有1個B原子。通過觀察圖形及推算，此晶體結(jié)構(gòu)單元由______個硼原子構(gòu)成。其中B?DB鍵的鍵角為________。共含有_______個B?DB鍵。
(3)在一定溫度下，用x射線衍射法測干冰晶胞(晶體中最小的重復單位)邊長: 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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