1、第3章不同聚集状态的物质与性质第2节几种简单的晶体结构模型第2课时共价晶体与分子晶体课后篇素养形成夯实基础轻松达标1.(2020江苏启东中学高二检测)干冰、碘易升华是由于()A.干冰分子、碘分子是非极性分子B.键能小C.化学性质不活泼D.分子间的作用力较弱答案D解析干冰和碘均属于分子晶体,升华时只需要克服较弱的分子间作用力。2.(2020云南昭通永善第二中学高二期末)科学家发现的一种新分子具有空心的类似足球的结构,分子式为C60,下列说法正确的是()A.C60是一种新型的化合物B.C60和石墨都是碳的同素异形体C.C60中虽然没有化学键,但其固体为分子晶体D.C60的相对分子质量为720 gm
2、ol-1答案B解析C60是单质,故A不正确;C60和石墨是碳的同素异形体,故B正确;C60中存在共价键,是分子晶体,故C不正确;C60的相对分子质量是720,故D不正确。3.(2020江苏前黄高级中学高二检测)金刚石具有硬度大、熔点高等特点,大量用于制造钻头、金属切割刀具等。其结构如图所示,下列判断正确的是()A.金刚石中CC键的键角均为10928,所以金刚石和CH4的晶体类型相同B.金刚石的熔点高与CC键的键能无关C.金刚石中碳原子个数与CC键数目之比为12D.金刚石的熔点高,所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却答案C解析选项A,金刚石是共价晶体,CH4是分子晶体,二者的晶体类型不同;选项B,
3、金刚石熔化过程中CC键断裂,因CC键的键能大,断裂时需要的能量多,故金刚石的熔点很高;选项D,金刚石的熔点高,但在打孔过程中会产生很高的温度,如不浇水冷却钻头,会导致钻头熔化。4.(2020四川绵阳南山中学高二检测)SiCl4的分子结构与CCl4相似,对其进行下列推测,不正确的是()A.SiCl4晶体是分子晶体B.常温、常压下SiCl4是气体C.SiCl4分子是由极性键形成的非极性分子D.SiCl4的熔点高于CCl4答案B解析由于SiCl4具有分子结构,所以属于分子晶体。影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间作用力的大小,在SiCl4分子间、CCl4分子间只有范德华力,SiCl4的相对分子质量大于
4、CCl4的相对分子质量,所以SiCl4的分子间作用力大,熔、沸点比CCl4高。在常温、常压下SiCl4是液体。CCl4分子是正四面体结构,SiCl4与CCl4的分子结构相似,也是正四面体结构,故SiCl4是含极性键的非极性分子。5.(2020山东潍坊二中高二月考)二氧化硅晶体是空间立体网状结构,如图所示。下列关于二氧化硅晶体的说法中正确的是()A.1 mol SiO2晶体中含2 mol SiO键B.二氧化硅晶体的分子式是SiO2C.晶体中Si、O原子最外电子层都满足8电子结构D.晶体中最小环上的原子数为8答案C解析A选项错误,SiO2晶体中,1个硅原子与周围4个氧原子形成SiO键,所以1 mo
5、l SiO2晶体中含4 mol SiO键;B选项错误,晶体中1个硅原子与周围4个氧原子形成共价键,1个氧原子与周围2个硅原子形成共价键,SiO2表示晶体中Si、O原子个数比为12,并不是分子式;C选项正确,1个硅原子分别与4个氧原子形成4对共用电子对,1个氧原子分别与2个硅原子形成2对共用电子对,所以Si、O原子最外电子层都满足8电子结构;D选项错误,SiO2晶体中最小环上的原子数为12,其中6个为硅原子,6个为氧原子。6.(2020辽宁育才中学高二检测)下列物质按熔、沸点由高到低顺序排列正确的一组是()A.HF、HCl、HBr、HIB.F2、Cl2、Br2、I2C.H2O、H2S、H2Se、
6、H2TeD.CI4、CBr4、CCl4、CF4答案D解析对于结构和组成相似的分子晶体,其熔、沸点随着相对分子质量的增大而升高,但HF分子、H2O分子之间都存在氢键,熔、沸点反常。所以A中应为HFHIHBrHCl;B中应为I2Br2Cl2F2;C中应为H2OH2TeH2SeH2S;只有D正确。7.1999年美国科学杂志报道:在40 GPa高压下,用激光器加热到1 800 K,人们成功制得了共价晶体干冰,下列推断中不正确的是()A.共价晶体干冰有很高的熔点、沸点,有很大的硬度B.共价晶体干冰易汽化,可用作制冷材料C.共价晶体干冰的硬度大,可用作耐磨材料D.每摩尔共价晶体干冰中含4 mol CO键答
7、案B解析既然干冰是共价晶体,所以可类比共价晶体SiO2,具有熔点高、硬度大、耐磨等性质。每摩尔SiO2中有4 mol SiO键,所以D项也正确。8.(2020辽宁大连二十四中高二检测)(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5,其晶胞结构如图甲所示,则金刚砂晶体类型为;在SiC中,每个C原子周围最近的C原子数目为;若晶胞的边长为a pm,则金刚砂的密度表达式为。(2)硅的某种单质的晶胞如图乙所示。GaN晶体与该硅晶体相似。则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。若该硅晶体的密度为 gcm-3,阿伏加德罗常数的值为NA,则晶体中最近的两个硅原子之间的距
8、离为(用代数式表示即可) cm。答案(1)共价晶体12440 gmol-1(a10-10cm)36.021023mol-1(2)4正四面体343224NA解析(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5,硬度大,属于共价晶体;在SiC中,每个碳原子周围最近的碳原子数目为12;该晶胞中C原子个数为818+612=4,Si原子个数为4,晶胞边长为a10-10 cm,体积V=(a10-10 cm)3,=mV=440 gmol-1(a10-10cm)36.021023mol-1。(2)类比图乙的晶体结构可知,在GaN晶体中,每个Ga原子与4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正四面体。一
9、个晶体Si的晶胞中含有Si原子的数目是818+612+4=8,根据晶胞的密度 gcm-3=mV可知,V=288NA cm3=224NA cm3,晶胞的边长a=3V=3224NA cm,在晶胞中最近的两个Si原子之间的距离为晶胞体对角线长的14,即343224NA cm。提升能力跨越等级1.(2020北京第四中学高二检测)如图为冰的一种骨架形式,依此为单位向空间延伸,请问该冰中的每个水分子具有的氢键个数为()A.2B.4C.8D.12答案A解析每个水分子与四个方向的其他四个水分子形成氢键,因此每个水分子具有的氢键个数为412=2。2.(2020江苏靖江高级高二检测)干冰晶体的晶胞是面心立方结构,
10、如图所示,即每8个CO2分子构成立方体,且在6个面的中心又各占据1个CO2分子,在每个CO2周围距离22a(其中a为立方体棱长)的CO2有()A.4个B.8个C.12个D.6个答案C解析如图在任意一个立方体顶点的CO2分子周围距离22a的CO2分子为每个相邻面心上的CO2分子,共有8(312)=12个。3.在硼酸B(OH)3分子中,每个B原子与3个羟基相连,其晶体具有与石墨相似的层状结构。则分子中B原子杂化轨道的类型及同层分子间的主要作用力分别是()A.sp,范德华力B.sp2,范德华力C.sp2,氢键D.sp3,氢键答案C解析石墨晶体中C原子为sp2杂化,层与层之间以范德华力结合,硼酸B(O
11、H)3分子中,B原子也为sp2杂化,但由于B(OH)3中每个B原子与3个羟基相连,羟基间能形成氢键,故同层分子间的主要作用力为氢键。4.(双选)(2020江苏徐州第一中学高二月考)晶胞是晶体结构中可重复出现的基本的结构单元,C60晶胞结构如下图所示,下列说法正确的是()A.C60的摩尔质量是720B.C60与苯互为同素异形体C.一个C60晶胞中有4个C60分子D.每个C60分子周围与它距离最近且相等的C60分子有12个答案CD解析C60的相对分子质量是1260=720,所以摩尔质量为720 gmol-1,选项A错误;由同种元素形成的不同种单质互为同素异形体,而苯是由碳、氢元素形成的化合物,选项
12、B错误;C60分子构成的晶胞为面心立方晶胞,根据均摊法可知,在一个C60晶胞中含有C60分子的个数为818+612=4,选项C正确;根据晶胞的结构可知,以晶胞中任意顶点上的C60分子为研究对象,与它距离最近且相等的C60分子分布在立方体的面心上,每个顶点上的C60分子被8个立方体共用,有12个面与之相连,所以每个C60分子周围与它距离最近且相等的C60分子有12个,选项D正确。5.(双选)(2020海南华侨中学高二检测)氮化硼(BN)晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相,与石墨相似,具有层状结构,可作高温润滑剂;立方相氮化硼是超硬材料,有优异的耐磨性。它们的晶体结构如图所示,下列关
13、于这两种晶体的说法正确的是()A.六方相氮化硼与石墨一样可以导电B.立方相氮化硼只含有键C.两种晶体均为分子晶体D.六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间构型为三角形答案BD解析A项,六方相氮化硼晶体中没有可以自由移动的电子或离子,所以不导电,错误;B项,立方相氮化硼中只含有键,正确;C项,立方相氮化硼是共价晶体,错误;D项,由六方相氮化硼的晶体结构可知,层内每个硼原子与相邻3个氮原子构成三角形,正确。6.请回答下列问题:(1)下列物质变化,只与范德华力有关的是。a.干冰熔化b.乙酸汽化c.石英熔融d.溶于水e.碘溶于四氯化碳(2)某石蕊分子结构如下图所示:石蕊分子所含元素中,基
14、态原子2p轨道有两个未成对电子的是(填元素符号);由其中两种元素形成的三角锥构型的一价阳离子是(填化学式)。该石蕊易溶解于水,分析可能的原因是。(3)已知:Cu2+的核外电子排布式为;X难溶于水、易溶于有机溶剂,其晶体类型为;M中所含元素的电负性由大到小顺序为,N原子以轨道与O原子形成键。上述反应中断裂和生成的化学键有(填序号)。a.离子键b.配位键c.金属键d.范德华力e.共价键(4)白磷(P4)是磷的一种单质,它属于分子晶体,其晶胞结构如下图。已知该晶体的密度为 gcm-3,晶胞的边长为a cm,则阿伏加德罗常数为(用含、a的式子表示) mol-1。答案(1)ae(2)C、OCH3+、H3
15、O+该石蕊分子中含有OH和NH2,均能与H2O分子间形成氢键;由结构知,该分子为极性分子,根据相似相溶原理,易溶于极性溶剂水(3)1s22s22p63s23p63d9或Ar3d9分子晶体ONCHsp2杂化be(4)496a3解析(1)干冰熔化只破坏范德华力;乙酸汽化破坏范德华力和氢键;石英熔融破坏共价键;分子间不存在氢键,溶于水破坏范德华力,但与水分子间形成氢键;碘溶于四氯化碳只破坏范德华力,故只有a、e符合要求。(2)2p轨道有两个未成对电子的原子价电子排布式为2s22p2、2s22p4,故为C和O。C和H形成CH3+,H和O形成H3O+,N和H形成NH4+,其中CH3+和H3O+为三角锥形
16、,NH4+为正四面体形。从与H2O分子间能否形成氢键及“相似相溶”两个角度解答。(3)由X难溶于水、易溶于有机溶剂可知,其为分子晶体。分子中N原子形成3个键和1个键,故N原子杂化类型为sp2杂化;同周期由左向右,元素电负性增大,电负性:ONC,由H与非金属元素C形成的化合物中H表现出正价可推知,电负性:CH。该反应中断裂苯环上连接的OH中的OH键及OH中氢原子与氮原子之间的氢键,形成CuO、CuN配位键,故选b、e。(4)每个白磷晶胞中含有P4的个数为818+612=4,每个晶胞质量为4431 gmol-1NA,体积为a3 cm3,故496 gmol-1NAa3cm3= gcm-3,NA=49
17、6a3 mol-1。7.请回答下列问题:(1)31Ga基态原子的核外电子排布式是。某种半导体材料由Ga和As两种元素组成,该半导体材料的化学式是,其晶体结构类型可能为。(2)C、N元素形成的新材料具有如下图所示结构,该晶体的化学式为。该晶体硬度将超过目前世界上最硬的金刚石,其原因是。(3)Al2O3在一定条件下可制得AlN,其晶体结构如图所示,该晶体属于晶体。(4)下图是氮化镓的晶胞结构:氮化镓中镓原子的杂化方式为,氮原子的配位数为。(5)立方相氮化硼结构与金刚石相似,硬度与金刚石相当,晶胞边长为a cm,立方相氮化硼晶胞中含有个氮原子、个硼原子。答案(1)1s22s22p63s23p63d1
18、04s24p1或Ar3d104s24p1GaAs共价晶体(2)C3N4C3N4与金刚石都是共价晶体,CN键键长比CC键键长短,键能大(3)共价(4)sp34(5)44解析(1)Ga与Al同主族,位于第4周期A族,从而可得其电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p1。由于Ga和As组成的物质是半导体材料,不是离子化合物,Ga最外层有3个电子,As最外层有5个电子,两者以共价键形成GaAs,属于共价晶体。(2)该晶胞中含C原子数=818+412=3,N原子数为4,故该晶体化学式为C3N4。由于CN键键长比CC键键长短,键能大,所以金刚石硬度比C3N4硬度小。(4)每个Ga原子与
19、4个N原子形成共价键,这4个N原子构成正四面体结构;每个N原子与4个Ga原子形成共价键,这4个Ga原子构成正四面体结构,所以氮化镓中镓原子的杂化方式为sp3杂化,氮原子的配位数为4。(5)金刚石晶胞是立方体结构,其中每个顶点各有1个碳原子,每个面心各有1个碳原子,立方体内部还有4个碳原子,如图所示。所以金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数=818+612+4=8,因此一个立方相氮化硼晶胞中应该含有4个N原子和4个B原子。贴近生活拓展创新在我国南海300500 m海底深处沉积物中存在着大量的“可燃冰”,其主要成分为甲烷水合物。请回答下列问题:(1)甲烷晶体的晶胞结构如图所示,下列说法正确的是(填字母
20、序号)。甲烷晶胞A.甲烷晶胞中的小球只代表一个C原子B.晶体中1个CH4分子有12个紧邻的CH4分子C.CH4熔化时需克服共价键D.1个CH4晶胞中含有8个CH4分子E.CH4是非极性分子(2)水在不同的温度和压强条件下可以形成多种不同结构的晶体,冰晶体结构有多种。其中冰-的晶体结构如下图所示。水分子的空间构型是形,水分子能与H+形成配位键,其原因是在氧原子上有,应用价电子对互斥理论推测H3O+的形状为。上述冰晶体中每个水分子与周围个水分子以氢键结合。实验测得冰中氢键的作用能为18.5 kJmol-1,而冰的熔化热为5.0 kJmol-1,这说明。冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞(其晶
21、胞结构如图,其中空心球所示原子位于立方体的顶点或面心,实心球所示原子位于立方体内)类似。每个冰晶胞平均占有个水分子,冰晶胞与金刚石晶胞微粒排列方式相似的原因是。(3)氨气极易溶于水的原因之一是与氢键有关。请判断:NH3溶于水后,形成的NH3H2O的合理结构是(填字母)。答案(1)BE(2)角孤电子对三角锥形4冰熔化为液态水时只是破坏了一部分氢键,液态水中仍存在氢键8水中的O原子和金刚石中的C原子都为sp3杂化,每个水分子可与相邻的4个水分子形成氢键,且氢键和共价键都具有方向性(3)b解析(1)CH4是分子晶体,熔化时克服范德华力。晶胞中的小球代表的是一个甲烷分子,并不是一个C原子。以该甲烷晶胞
22、分析,位于顶点的任意一个甲烷分子与其距离最近的甲烷分子有3个而这3个甲烷分子在面上,故与1个甲烷分子紧邻的甲烷分子有3812=12(个)。甲烷晶胞属于面心立方晶胞,该晶胞中甲烷分子的个数为818+612=4。CH4分子为正四面体结构,C原子位于正四面体的中心,结构对称,CH4是非极性分子。(2)水分子中O原子的价电子对数=6+22=4,孤电子对数为2,所以水分子为角形分子,H2O分子能与H+形成配位键,其原因是H2O中O原子上有孤电子对,H+有空轨道。H3O+价电子对数为6+3-12=4,孤电子对数为1,故H3O+为三角锥形。观察图示晶体结构可知,每个水分子与周围4个水分子以氢键结合。冰中氢键的作用能为18.5 kJmol-1,而冰熔化热为5.0 kJmol-1,说明冰熔化为液态水时只是破坏了一部分氢键,并且液态水中仍存在氢键。每个冰晶胞平均含有的水分子数为4+612+818=8。H2O分子中的O原子形成2个键,含有的孤电子对数为2,金刚石中每个C原子形成4个键且没有孤电子对,所以水中的O和金刚石中的C都是sp3杂化,且水分子间的氢键具有方向性,每个水分子只可以与相邻的4个水分子形成氢键,导致冰晶胞与金刚石晶胞中微粒的排列方式相似。(3)由电离方程式NH3H2ONH4+OH-,可知b图符合NH3H2O的结构。
