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(共43張PPT)
第三章 晶體結構與性質
第二節 分子晶體與共價晶體
教學目標
1、教學目標
1) 知道分子晶體的結構特點，能借助分子晶體模型說明分子晶體中的粒子及粒子間的相互作用，以及范德華力與氫鍵對分子晶體結構與性質的影響。
2) 知道共價晶體的結構特點，認識金剛石晶體中碳原子的三維骨架結構，能借助共價晶體模型說明共價晶體中粒子間的相互作用。
3) 能結合具體實例，說出分子晶體、共價晶體的粒子間相互作用與其性質(熔點、硬度等)的關系。
教學目標
2、教學重點和難點
1) 重點：分子晶體、共價晶體的結構特點與性質之間的關系，氫鍵對分子晶體結構與性質的影響。
2) 難點：分子晶體、共價晶體的結構特點，氫鍵對冰的結構和性質的影響。
溫故知新
晶體中的粒子可以是分子、原子或離子；粒子間的相互作用可以是共價鍵、離子鍵、金屬鍵或分子間作用力。
根據晶體中的粒子間的相互作用及排列方式，可把晶體分為分子晶體、共價晶體、離子晶體和金屬晶體。
NaCl
Cu
金剛石
冰
一、分子晶體
觀察干冰的晶體結構，填寫下表
觀察思考
干冰晶體
構成微粒
微粒間作用力 分子間
分子內
分子
范德華力
共價鍵
1、概念：只含分子的晶體稱為分子晶體。
一、分子晶體
下列晶體中，哪些是分子晶體呢？
觀察思考
NaCl、H2O、NH3、Si、Cl2、P4、SiO2、CO2、SO3
H2SO4、H3PO4、HCl、 CH3CH2Br、 CH3CH2OH
2、典型的分子晶體
(1)所有非金屬氫化物：
H2O、NH3、CH4、HX等
(2)部分非金屬單質:
X2、S8、P4、C60、稀有氣體等
(3)部分非金屬氧化物:
CO2、SO3、NO2、P4O10等
(4)幾乎所有的酸：
H2SO4、HNO3、H3PO4等
(5)絕大多數有機物：
乙醇、乙酸、蔗糖等
一、分子晶體
觀察思考
1、所有的分子晶體內部都只有范德華力嗎？
2、稀有氣體的晶體是否含有共價鍵？
1、有的分子晶體分子間還存在氫鍵(如冰晶體)
2、稀有氣體是單原子分子，不存在共價鍵
一、分子晶體
3、分子晶體的物理性質
觀察思考
表3-2 某些分子晶體的熔點
分子晶體 氧氣 氮氣 白磷 水
熔點/℃ 218.3 210.1 44.2 0
分子晶體 硫化氫 甲烷 乙酸 尿素
熔點/℃ 85.6 182.5 16.7 132.7
結合表格和已有知識，分析分子晶體有哪些物理特性？為什么
(1)分子晶體具有較低的熔點
原因：分子晶體熔化時一般只破壞范德華力、氫鍵，不破壞化學鍵。范德華力、氫鍵相對化學鍵較弱。
一、分子晶體
3、分子晶體的物理性質
(1)分子晶體具有較低的熔點
(2)分子晶體硬度小
(分子間作用力較弱，容易被克服)
(3)分子晶體不導電：構成分子晶體的微粒都是分子，在熔融狀態下沒有產生自由移動的離子。
(4)分子晶體的溶解性一般符合“相似相溶”規律
一、分子晶體
4、分子晶體的微粒堆積方式——干冰晶體
干冰晶胞
觀察思考
1、每個干冰晶胞中有____個CO2分子
2、每個CO2分子周圍等距緊鄰的CO2分子有____個
4
拓展：等徑圓球的堆積模型
將晶體中的微粒(分子、原子、離子)看作剛性小球，在空間中由于相互作用(范德華力、氫鍵、共價結合、離子性結合等)而進行堆積。
等徑圓球的二維模型
等徑圓球的三維模型
拓展：等徑圓球的堆積模型
非密置層放置
密置層放置
配位數：
配位數：
1
2
3
4
4
1
2
3
4
5
6
6
等徑圓球的二維模型
拓展：等徑圓球的堆積模型
等徑圓球的三維模型 (非密置層堆積)
簡單立方堆積
晶胞
配位數：
6
1
2
3
4
5
6
拓展：等徑圓球的堆積模型
等徑圓球的三維模型 (非密置層堆積)
體心立方
晶胞
配位數：
8
拓展：等徑圓球的堆積模型
等徑圓球的三維模型 (密置層堆積)
密置層中小球圍成兩種空穴( 和 )
拓展：等徑圓球的堆積模型
A層密置層中小球圍
成兩種空穴 ( 和 )
B層密置層只能蓋住其
中一種空穴 ( 和 )
B層蓋住 空穴(露出 空穴)
B層蓋住 空穴 (露出 空穴)
拓展：等徑圓球的堆積模型
選擇B層蓋住 空穴(露出 空穴)的AB層繼續討論
第三層與A層對齊，
仍露出 空穴。
得到…ABA…堆積
第三層蓋住A層的
露出 空穴。
得到…ABC…堆積
A
B
A
C
B
A
配位數：12
一、分子晶體
一、分子晶體
4、分子晶體的微粒堆積方式——干冰晶體
干冰晶胞
觀察思考
1、每個干冰晶胞中有____個CO2分子
2、每個CO2分子周圍等距緊鄰的CO2分子有____個
4
12
分子密堆積
一、分子晶體
4、分子晶體的微粒堆積方式
密堆積
微粒間作用力
空間 特點
舉例
范德華力
通常每個分子周圍
最多有12個緊鄰的分子
如：C60、干冰 、I2、O2
C60的晶胞
一、分子晶體
冰晶體中，每個水分子周圍有多少個緊鄰的水分子？和干冰晶體一樣嗎？若不一樣，可能的原因是什么？
觀察思考
冰的結構
1
2
3
4
(1)每個H2O周圍只有4個緊鄰的H2O
(2)因為水分子間存在氫鍵，氫鍵具有方向性，每個H2O都與4個相鄰的H2O相互吸引，構成四面體，屬于非密堆積。
一、分子晶體
4、分子晶體的微粒堆積方式
非密堆積 密堆積
微粒間作用力
空間 特點
舉例
范德華力
通常每個分子周圍
最多有12個緊鄰的分子
如：C60、干冰 、I2、O2
范德華力、氫鍵
每個分子周圍緊鄰的分子數小于12
如：HF 、NH3、冰
一、分子晶體
冰晶體中1 mol H2O最多有______mol 氫鍵
觀察思考
冰的結構
1
2
3
4
2
一、分子晶體
4、分子晶體的微粒堆積方式——冰晶體 (非密堆積)
觀察思考
冬季河水結冰后，冰塊往往浮在水面，為什么冰的密度比水小呢？
冰的結構
冰融化，分子間的空隙減小
由于氫鍵的方向性，使冰晶體中每個H2O與四面體頂角方向的4個相鄰H2O相互吸引，形成空隙較大的網狀體。冰融化后，分子間的空隙減小。所以冰的密度比水小，冰會浮在水面上。
一、分子晶體
4、分子晶體的微粒堆積方式——冰晶體 (非密堆積)
觀察思考
為什么水在4℃時的密度最大？
大量氫鍵
非密堆積
空隙大
密度小
氫鍵減少
部分解體
空隙減小
密度增大
熱運動加劇
分子間距加大
密度減小
冰 水約 4 ℃ 水超過 4 ℃
一、分子晶體
思考討論
硫化氫和水分子結構相似，但硫化氫晶體中，一個硫化氫分子周圍有12個緊鄰分子，而冰中一個水分子周圍只有4個緊鄰分子，為什么？
硫化氫晶體中分子之間只有范德華力，范德華力無飽和性與方向性，能夠形成分子密堆積。因此，一個硫化氫分子周圍有12分緊鄰分子。
而冰晶體中水分子間存在氫鍵，氫鍵具有方向性，這迫使在四面體中心的每個水分子與四面體頂角方向的四個相鄰水分子形成氫鍵。因此，冰中一個水分子周圍只有4個緊鄰分子。
課堂檢測
練、一種甲烷水合物晶體中，平均每46個分子構成8個水分子籠，每個水分子籠可容納1個甲烷分子或水分子，若這8個分子籠中有6個容納的是甲烷分子，另外2個被水分子填充，這種可燃冰的平均分子組成是( )
A. CH4·5H2O B. CH4·6H2O
C. CH4·7H2O D. CH4·8H2O
導入新課
思考與交流
比較CO2和金剛石的一些物理性質和結構，試判斷金剛石晶體是否屬于分子晶體？
化學式 狀態 (室溫) 熔點/℃
CO2 氣態 78.5
金剛石 固態 ＞3500
干冰晶胞
金剛石晶體結構和晶胞示意圖
二、共價晶體
1、概念：
相鄰原子間以共價鍵相結合而形成的具有空間立體網狀結構的晶體。
共價晶體
構成微粒
微粒間作用力
原子
共價鍵
練、關于共價晶體的敘述錯誤的是( )
A. 共價晶體中，只存在共價鍵
B. 共價晶體具有空間網狀結構
C. 共價晶體中不存在獨立的分子
D. 共價晶體熔化時不破壞共價鍵
二、共價晶體
2、共價晶體的類別
思考與交流
除了金剛石，還有哪些物質屬于共價晶體呢？讓我們沿著元素周期表一起尋找。
(1)某些單質：以碳為中心
同主族向下：硅(Si)、鍺(Ge)、灰錫(Sn)等
同周期向左、向右：硼(B)
(2)某些非金屬化合物：二氧化硅(SiO2)、
金剛砂(SiC)、氮化硅(Si3N4)等
二、共價晶體
3、共價晶體的結構——金剛石的晶體結構
二、共價晶體
3、共價晶體的結構——金剛石的晶體結構
金剛石晶胞示意圖
金剛石的晶體結構
(1)每個碳與相鄰____個碳以______鍵結合，
形成_________結構；鍵角為_______，碳原子采取了____雜化。
(2)最小碳環由__個C組成且不在同一平面內，
每個C被___個最小環共用，每個環平均擁有___個C，平均擁有_____個C C鍵。
(3)1mol金剛石中含有C C共價鍵數 ____mol。
4
共價
正四面體
109o28′
sp3
6
金剛石晶胞中的均攤問題
金剛石結構中最小的環狀結構為六元環，以標記為O的碳原子為著眼點，通過該碳原子的bOc“V形”可以形成兩個六元環；而通過O碳原子的“V形”共有6個(aOb、aOc、aOd、 bOd、cOd)。
結論：金剛石中六元環結構與碳原子數目比為 2 : 1
因此通過O碳原子的六元環共6×2=12個，(即:一個O碳原子為12個六元環共用)一個六元環對環上任意一個碳原子的占有為1/12，一個六元環實際享有6×1/12 ═ 0.5個碳原子
金剛石晶胞中的均攤問題
以標記為aO的C C為著眼點，通過該C C的“V形”共有3個(aOb、aOc、aOd)。
因此通過aOC－C鍵的六元環共3×2=6個，(即:一根aOC－C鍵為6個六元環共用)一個六元環對環上任意一根C C鍵的占有為1/6，一個六元環實際享有6×1/6 ＝1根C C鍵
結論：金剛石中六元環結構與C C鍵數目比為 1 : 1
在金剛石晶胞中：
六元環結構 : 碳原子數目 : C C鍵數目＝2 : 1 : 2
歸納總結
二、共價晶體
3、共價晶體的結構——金剛石的晶體結構
金剛石的晶體結構
(1)每個碳與相鄰____個碳以______鍵結合，
形成_________結構；鍵角為_______，碳原子采取了____雜化。
(2)最小碳環由__個C組成且不在同一平面內，
每個C被___個最小環共用；每個環平均擁有_____個C，每個環平均擁有____個C C鍵。
(3)1mol金剛石中含有C C共價鍵數 ____mol。
4
共價
正四面體
109o28′
sp3
6
12
1/2
1
2
在金剛石晶胞中：
六元環結構 : 碳原子數目 : C C鍵數目＝2 : 1 : 2
歸納總結
金剛石模型的演變(等電子體原理)
1、與碳同族單質(如Si、Ge)都具有與金剛石相似的結構
2、第ⅣA族相鄰元素間也可形成相似結構的晶體(如SiC)
3、與第ⅣA族同周期的元素間根據等電子體原理，如：BN、GaAs等也可形成與金剛石結構相似的晶體。
金剛石 晶體硅 SiC GaAs
金剛石模型的衍生(方石英SiO2)
晶體硅的晶胞中，在Si Si鍵之間插入O原子，即得到方石英的晶胞(最常見的SiO2晶胞)。
二、共價晶體
3、共價晶體的結構——二氧化硅的晶體結構
(1)晶體中每個硅原子與____個氧原子以共價鍵結合，形成 ________結構；每個正四面體占有____個Si，___個O。故該晶體中硅、氧原子個數比為______。
(2)最小環上有 ___個原子(__個Si和__個O) 1 mol SiO2晶體中含____ mol Si O鍵
4
正四面體
1
2
1 : 2
12
6
6
4
在金剛石晶胞中：
六元環結構 : 碳原子數目 : C C鍵數目＝2 : 1 : 2
歸納總結
二、共價晶體
練、下列說法正確的是( )
A．124 g P4含有的P P鍵的個數為6NA
B．12 g 石墨中含有的C C鍵的個數為2NA
C．12 g 金剛石中含有的C C鍵的個數為1.5NA
D．60 g SiO2中含Si O鍵的個數為2NA
A
二、共價晶體
表3 3 某些共價晶體的熔點和硬度
原子晶體 金剛石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 鍺
熔點/oC ＞3550 3000 2700 1710 1410 1211
硬 度 10 9.5 9.5 7 6.5 6.0
4、共價晶體的性質
(1)熔點高：
原子間以較強的共價鍵相結合，要使物質熔化需要克服共價鍵，需要很高的能量。
結論：結構相似的共價晶體，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，晶體的熔點越高。
(2)硬度大、一般不導電，但晶體硅、鍺是半導體
高考真題中的晶體沸點問題
[2021浙江卷] 已知3種共價晶體的熔點數據如下表：金剛石熔點比晶體硅熔點高的原因是 。
金剛石 碳化硅 晶體硅
熔點/℃ ＞3550 2600 1415
二者均為共價晶體，金剛石的C C鍵長短，鍵能大
分子晶體和共價晶體的判斷方法
1、依據構成晶體的微粒和微粒間的作用力判斷
晶體 構成粒子 粒子間作用力
分子晶體
共價晶體
分子(稀有氣體為原子)
原子
分子間作用力
共價鍵
2、依據物理性質判斷
分子晶體 共價晶體
熔、沸點
揮發性
硬度
低(常在幾百攝氏度以下)
部分有
高(一般高于1000℃)
無
小而脆
大
分子晶體和共價晶體的判斷方法
3、依據物質的分類判斷
分子晶體 共價晶體
所有非金屬氫化物
部分非金屬單質
部分非金屬氧化物
幾乎所有的酸
絕大多數有機物
B、Si、Ge、金剛石等單質
SiC、SiO2、BN、 AlN、Si3N4等化合物

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