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第二节 分子晶体与原子晶体
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一、选择题
1．晶胞是晶体结构中可重复出现的最小的结构单元，C60晶胞结构如下图所示，下列说法正确的是( )
A．C60摩尔质量是720
B．C60与苯互为同素异形体
C．在C60晶胞中有14个C60分子
D．每个C60分子周围与它距离最近等距离的C60分子有12个
解析：选D C60摩尔质量是为720 g·mol—1；苯是C、H化合物；C60晶胞中有4个C60分子。
2．下列关于原子晶体和分子晶体说法不正确的是( )
A．原子晶体硬度通常比分子晶体大
B．原子晶体的熔、沸点较高
C．有些分子晶体的水溶液能导电
D．金刚石、水晶和干冰属于原子晶体
解析：选D 原子晶体中原子间通过共价键结合成立体网状结构，因此硬度大，熔、沸点较高。分子晶体在固态熔融时不导电，但有的溶于水时能导电，如H2SO4等。干冰是二氧化碳晶体，属于分子晶体。
3．如图为冰晶体的结构模型，大球代表O，小球代表H。下列有关说法正确的是( )
A．冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体
B．冰晶体具有空间网状结构，是原子晶体
C．水分子间通过H—O键形成冰晶体
D．冰融化时，水分子之间空隙增大
解析：选A 冰中的水分子是靠氢键结合在一起，氢键不是化学键，而是一种分子间作用力，B、C项错误；H2O分子形成氢键时沿O的四个sp3杂化轨道形成氢键，可以与4个水分子形成氢键，这4个水分子形成空间四面体构型，A项正确；水分子靠氢键连接后，分子间空隙变大，因此融化时，水的体积缩小，D项错误。
4．(2019·临沂高二检测)AB型化合物形成的晶体结构多种多样。如图所示的几种结构所表示的物质最有可能是分子晶体的是( )
A．①③ B．②⑤
C．⑤⑥ D．③④⑤⑥
解析：选B 从各图中可以看出②⑤都不能再以化学键与其他原子结合，所以最有可能是分子晶体。
5．下列说法中错误的是( )
A．干冰与二氧化硅晶体熔化时，所克服的微粒间相互作用不相同
B．C2H5OH与C2H5Br相比，前者的相对分子质量远小于后者，而沸点却远高于后者，其原因是前者的分子间存在氢键
C．非金属单质只能形成分子晶体
D．金刚石熔化时断裂共价键
解析：选C 干冰熔化时破坏范德华力，二氧化硅、金刚石等原子晶体熔化时破坏共价键，A、D项正确；乙醇的分子间易形成氢键，所以尽管乙醇相对分子质量比C2H5Br小，但沸点高于C2H5Br，B项正确；C、Si是非金属元素，但金刚石、晶体硅都是原子晶体，C项不正确。
6．根据下列性质判断，属于原子晶体的物质是( )
A．熔点2 700 ℃，导电性好，延展性强
B．无色晶体，熔点3 550 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂
C．无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800 ℃，熔化时能导电
D．熔点－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电
解析：选B A项中延展性好，C项中能溶于水，都不是原子晶体的特征，A、C项不正确；B项符合原子晶体的特征，B项正确；D项符合分子晶体的特征，D项不正确。
7．下列晶体性质的比较中，正确的是( )
A．熔点：单质硫>磷>晶体硅
B．沸点：NH3>H2O>HF
C．硬度：白磷>冰>二氧化硅
D．熔点：SiI4>SiBr4>SiCl4
解析：选D 硫与磷是分子晶体，晶体硅是原子晶体，晶体硅的熔点远高于硫与磷的熔点，A项错误；氟化氢、水、氨都是分子晶体，其沸点高低与分子间作用力大小有关，因为这三种物质之中都存在氢键，且水分子间氢键最强，氨分子间氢键最弱，故水的沸点最高，氨的最低，B项错误；二氧化硅是原子晶体，硬度大，白磷和冰都是分子晶体，硬度较小，C项错误；卤化硅为分子晶体，它们的组成和结构相似，分子间不存在氢键，故相对分子质量越大，熔点越高，D项正确。
8．下列叙述中，结论(事实)和对应的解释(事实)均不正确的是( )
A．金刚石的熔、沸点高于晶体硅，因为C—C键的键能大于Si—Si键的键能
B．二氧化硅晶体中不存在SiO2分子，因为它含有硅氧四面体的空间网状结构
C．稀有气体的晶体属于原子晶体，因为其组成微粒是原子，不存在分子间作用力
D．立体构型为正四面体结构的分子中，化学键的键角不一定是109°28′，有可能为60°
解析：选C 稀有气体的晶体属于分子晶体，存在分子间作用力，不存在共价键，C项正确。
9．将SiCl4与过量的液氨反应可生成化合物Si(NH2)4。将该化合物在无氧条件下高温灼烧，可得到氮化硅(Si3N4)固体，氮化硅是一种新型耐高温、耐磨材料，在工业上有广泛的应用。下列推断可能正确的是( )
A．SiCl4、Si3N4的晶体类型相同
B．Si3N4晶体是立体网状结构
C．原子晶体C3N4的熔点比Si3N4的低
D．SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂
解析：选B SiCl4是分子晶体，在熔化过程中克服的是分子间作用力，化学键不断裂。Si3N4是原子晶体，其晶体为立体网状结构。根据C、Si的原子半径推知C—N键的键能比Si—N键的键能大，故C3N4的熔点比Si3N4的高。
10．AB型共价化合物晶体，若其原子最外层电子数之和为8，常是具有半导体性质的原子晶体。已知金刚石不导电而导热；锆石(ZrO2)不导电、不导热，却硬似钻石；近期用制耐热器的碳化硅制成了假钻石，则识别它们的可行方法是( )
A．能在玻璃上刻划出痕迹的为金刚石
B．很硬不导电而导热的是金刚石和碳化硅
C．既可导电又可导热的是碳化硅
D．不导电的为锆石
解析：选B 金刚石、SiC、锆石均为原子晶体，但物理性质有差异。
11．磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料。如图为其晶体结构中最小的重复结构单元，其中的每个原子均满足8电子稳定结构。下列有关说法正确的是( )
A．磷化硼晶体的化学式为BP，属于分子晶体
B．磷化硼晶体的熔点高，且熔融状态下能导电
C．磷化硼晶体中每个原子均形成4条共价键
D．磷化硼晶体结构微粒的空间堆积方式与氯化钠相同
解析：选C 晶胞中：P位于顶点和面心，数目为8×＋6×＝4，B位于晶胞内，数目为4，则磷化硼晶体的化学式为BP，由于磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料，属于原子晶体，故A错误；磷化硼晶体是原子晶体，熔点高，但熔融状态下没有自由的离子所以不能导电，故B错误；该晶胞配位数为4，即每个原子均形成4条共价键，故C正确；磷化硼晶体结构微粒的空间堆积方式与氯化钠不相同，磷化硼晶体堆积方式与CuS晶胞类型相同，故D错误。
12．已知C3N4晶体具有比金刚石更大的硬度，且原子间均以单键结合。下列关于该晶体的说法正确的是( )
A．C3N4晶体是分子晶体
B．C3N4晶体中，C—N键的键长比金刚石中的C—C键的键长要长
C．C3N4晶体中每个C原子连接4个N原子，而每个N原子连接3个C原子
D．C3N4晶体微粒间通过离子键相结合
解析：选C 先由性质推测晶体的类型应为原子晶体，原子间以共价键相结合，A、D项错误；N原子半径比C原子半径小，所以C—N键键长比C—C键键长短，B项错误；根据最外层电子数C为4个，N为3个，分别能形成4个和3个共价键，可判断每个C原子连接4个N原子，每个N原子连接3个C原子，C项正确。
二、非选择题
13．(1)Fe(CO)5 常温下呈液态，熔点为－20.5 ℃，沸点为103 ℃，易溶于非极性溶剂，据此可判断 Fe(CO)5 晶体属于________(填晶体类型)。
(2)三氯化铁常温下为固体，熔点为282 ℃，沸点为315 ℃，在300 ℃以上易升华，易溶于水，也易溶于乙醚、丙酮等有机溶剂。据此判断三氯化铁晶体类型为________(填晶体类型)。
(3)已知AlCl3的熔点为190 ℃(2．202×105 Pa)，但它在180 ℃即开始升华。请回答：
①AlCl3固体是________晶体；
②设计一个可靠的实验，判断氯化铝是离子化合物还是共价化合物。你设计的实验是____________________________________________________________
________________________________________________________________。
解析：由于分子间作用力很弱，分子晶体汽化或熔融时，只需克服分子间的作用力，不破坏化学键，所以分子晶体一般具有较低的熔点和沸点，较小的硬度，易升华，有较强的挥发性等特点。由AlCl3的熔点低以及在180 ℃时开始升华，判断AlCl3晶体为分子晶体。若验证一种化合物是共价化合物还是离子化合物，可测其熔融状态下是否导电，若不导电则是共价化合物，若导电则是离子化合物。
答案：(1)分子晶体 (2)分子晶体 (3)①分子 ②在熔融状态下，检验AlCl3是否导电，若不导电则AlCl3是共价化合物
14．水分子间存在一种“氢键”的作用(作用力介于范德华力与化学键之间)，彼此结合而形成(H2O)n。在冰中每个水分子被4个水分子包围形成变形的正四面体，通过“氢键”相互连接成庞大的分子晶体。
(1)1 mol 冰中有__________mol“氢键”。
(2)水蒸气中常含有部分(H2O)2，要确定(H2O)2的存在，可采用的方法是________。
A．把1 L水蒸气冷凝后与足量金属钠反应，测产生氢气的体积
B．把1 L水蒸气通过浓硫酸后，测浓硫酸增重的质量
C．该水蒸气冷凝后，测水的 pH
D．该水蒸气冷凝后，测氢氧原子个数比
(3)水分子可电离生成两种含有相同电子数的粒子，其电离方程式为_________________________。
已知在相同条件下双氧水的沸点明显高于水的沸点，其可能原因是
_________________________________________________________________
________________________________________________________________。
(4)在冰的结构中，每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接。在冰晶体中除氢键外，还存在范德华力(11 kJ/mol)。已知冰的升华热是 51 kJ/mol，则冰晶体中每个氢键的能量是__________kJ/mol。
答案：(1)2 (2)AB (3)H2O＋H2OH3O＋＋OH－ 双氧水分子之间存在更强烈的氢键作用 (4)20
15．硅是一种重要的非金属单质，硅及其化合物的用途非常广泛。根据所学知识回答硅及其化合物的相关问题。
(1)基态硅原子的核外电子排布式为________________________________。
(2)晶体硅的微观结构与金刚石相似，晶体硅中Si—Si键之间的夹角大小约为_________。
(3)请在下框图中补充完成SiO2晶体的结构示意图(部分原子已画出)，并进行必要的标注。
(4)下表列有三种物质(晶体)的熔点：
物质
SiO2
SiCl4
SiF4
熔点/℃
1 710
－70.5
－90.2
简要解释熔点产生差异的原因：
①SiO2和SiCl4： _________________________________________________
________________________________________________________________；
②SiCl4和 SiF4： _________________________________________________
________________________________________________________________。
解析：(2)晶体硅以一个硅原子为中心，与另外4个硅原子形成正四面体结构，所以Si—Si键之间的夹角大小约为109°28′。(3)图中给出的是硅晶体的结构，SiO2晶体相当于在硅晶体结构中的每个Si—Si键中“插入”一个氧原子，所以只要在上述每两个硅原子之间“画”一个半径比硅原子小的原子，再用实线连起来即可。(4)晶体类型不同，其熔点具有很大的差别，一般原子晶体的熔点高，而分子晶体的熔点低。
答案：(1)1s22s22p63s23p2 (2)109°28′ (3)如图所示：
(4)①SiO2是原子晶体，微粒间作用力为共价键。SiCl4是分子晶体，微粒间作用力为范德华力，故SiO2熔点高于SiCl4 ②SiCl4和SiF4均为分子晶体，微粒间作用力为范德华力，结构相似时相对分子质量越大，范德华力越大，故SiCl4熔点高于SiF4
16．单质硼有无定形和结晶形两种，参考下表数据回答问题：
金刚石
晶体硅
晶体硼
熔点/℃
＞3 550
1 410
2 573
沸点/℃
5 100
2 628
2 823
硬度
10
7.0
9.5
(1)晶体硼属于________晶体，理由是_____________________________。
(2)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C—C键的键角均为109°28′，所以金刚石和CH4的晶体类型相同
B．金刚石的熔点高与C—C键的键能无关
C．金刚石中碳原子个数与C—C键键数之比为1∶2
D．金刚石的熔点高，所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却
(3)已知晶体硼的结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图所示)，该结构单元中有20个正三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角上各有一个硼原子。通过观察图形及推算，得出此结构单元是由________个硼原子构成的，其中B—B键的键角为________，该结构单元共含有________个B—B键。
解析：(1)从题表可知，晶体硼的熔、沸点以及硬度都介于晶体硅和金刚石之间，而金刚石和晶体硅均为原子晶体，在元素周期表中B与C相邻、与Si处于对角线位置，则晶体硼也属于原子晶体。
(2)选项A，金刚石是原子晶体，CH4是分子晶体，二者的晶体类型不同；选项B，金刚石熔化过程中C—C键断裂，因C—C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C，金刚石中每个C都参与了4个C—C 键的形成，而每条链对每个C的贡献只有一半，故碳原子个数与C—C键键数之比为1∶＝1∶2；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。
(3)从题图可得出，每个顶角上的硼原子均被5个正三角形所共有，故分摊到每个正三角形的硼原子为个，每个正三角形含有×3个硼原子，每个结构单元含硼
原子数为20××3＝12，而每个B—B键被2个正三角形所共有，故每个结构单元含B—B键的个数为20××3＝30。
答案：(1)原子 晶体硼的熔、沸点高，硬度大 (2)C (3)12 60° 30
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