分子晶体和共价晶体 课件【知识梳理+点播拓展】高二化学人教版（2019）选择性必修2

第二节分子晶体与共价晶体第三章晶体结构与性质1.了解分子晶体的结构特点。2.能借助分子晶体模型说明分子晶体中的粒子及粒子间的相互作用，以及范德华力与氢键对分子晶体结构与性质的影响。学习目标：3.了解共价晶体的结构特点。4.能借助共价晶体模型说明共价晶体中的粒子及粒子间的相互作用，以及对共价晶体结构与性质的影响。素养目标：通过分子晶体、共价晶体的分析研究，发展“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”的学科核心素养。学习任务1：一、分子晶体1.什么是分子晶体只含分子的晶体称为分子晶体。2.分子晶体中，相邻分子间靠什么力相互吸引如碘晶体只含I2分子，属于分子晶体(图3-11)。碘晶体在分子晶体中，相邻分子靠分子间作用力(范德华力)相互吸引。3.分子晶体有什么性质分子晶体熔点低、硬度小。原因：只需破坏分间作用力，而分子间作用力比化学键弱得多。分子晶体氧气氮气白磷水熔点/℃-218.3-210.144.20分子晶体硫化氢甲烷乙酸尿素熔点/℃-85.6-18216.6132.7表3-2某些分子晶体的熔点3.哪些晶体属于分子晶体①所有非金属氢化物，如水、硫化氢、氨、氯化氢、甲烷等；典型的分子晶体：②部分非金属单质，如卤素(X2)、硫(S8)、氧气(O2)、氮气(N2)、白磷

(P4)、碳60

(C60

)、稀有气体等；③部分非金属氧化物，如CO2、SO2、P4O6、

P4O10等；④几乎所有的酸，如H2SO4、HNO3、H3PO4⑤绝大多数有机物，如乙醇，冰醋酸，蔗糖等。注意：SiO2不是分子晶体4.分子晶体结构有什么特点(多数)对于分子间只有范德华力的晶体，若以一个分子为中心，其周围最多有12个分子，称为分子密堆积(面心立方体)。①二氧化碳晶体干冰中CO2之间只存在范德华力，一个分周围有12个紧邻分子(如图3-19)。干冰外观很像冰，密度比冰高，硬度与冰相似，但熔点比冰低得多，常压下易升华。(面心立方体)图3-19干冰及其晶胞微观探析宏观辨识微观探析——冰晶体结构探析冰晶体结构可视化冰中一个水分子周围有4个水分子冰的结构冰融化，分子间的空隙减小图3-8冰和液态水的结构对表(虚线表示氢键)②冰水分子间的主要作用力是氢键(也存在范德华力)，从图可知，由于氢键有方向性和饱和性，每个水分子周围只有4个紧邻的水分子，氢键的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引。这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙，其密度比液态水小。当冰刚刚融化为液态水时，热运动使冰的结构部分解体，水分子间的空隙减小，密度反而增大，超过4℃时，由于热运动加剧，分子间的距离加大，密度逐渐减小。

硫化氢和水分子结构相似，但硫化氢晶体中，一个硫化氢分子周围有12个紧邻分子，而冰中一个水分子周围只有4个紧邻分子，这是为什么？思考与交流

H2S晶体分子之间只存在范德华力，形成以一个分子为中心，其周围最多有12个分子分子密堆积的面心立方体结构。而冰晶体中水分子间主要是氢键，而氢键具有方向性和饱和性，所以冰中一个水分子周围只有4个紧邻分子。冰的一种常见的晶胞（六方晶胞）取两块大小相同的干冰，在一块干冰中央挖一个小穴，撒入一些镁粉，用红热的铁棒把镁点燃，将另一块干冰盖上，你会看到镁粉在干冰内_________，像冰灯中装进一个______一样，发出___________。(切勿用手接触干冰，以免冻伤！)这个实验不但证明了金属镁可以跟二氧化碳____，而且也说明了干冰易_____的特性。

（2Mg+CO2

2MgO+C)资料卡片继续燃烧电灯泡耀眼的白光反应升华

许多气体可以与水形成水合物晶体。最早发现这类水合物晶体的是19世纪初的英国化学家戴维，他发现氯可形成化学式为Cl2·8H20的水合物晶体。20世纪末，科学家发现海底存在大量天然气水合物晶体。这种晶体的主要气体成分是甲烷，因而又称甲烷水合物。它的外形像冰，而且在常温常压下会迅速分解释放出可燃的甲烷，因而又称“可燃冰”。天然气水合物—一种潜在的能源科学•技术•社会在天然气水合物晶体中，有甲烷、乙烷、氮气、氧气、二氧化碳、硫化氢、稀有气体等，它们在水合物晶体里是装在以氢键相连的几个水分子构成的笼内，因而又称笼状化合物（如图3-20上）。天然气水合物晶体中的水分子笼是多种多样的（如图3-20下）。假设天然气水合物的水笼穴里装的都是甲烷，甲烷水合物的化学式可表示为8CH4.46H2O，相当于

CH4

和

H2O的物质的量比为1:5.75。把甲烷水合物从海底提升到海平面，1

m3

固体可释放164m3(标准状况)甲烷气体。海底天然气水合物的密度与冰的十分接近，为0.92~0.93

g/cm3

，用这个数据进行理论推算可知，甲烷分子并没有完全占据可被占据的笼穴，只占据了70%~90％的笼穴。估计全球的海底和冰川底部藏在天然气水合物中的天然气，总量超过煤、石油和天态气等化石燃料的总和的两倍，是巨大的潜在能源。

据报道，在2017年5月18日，我国南海神狐海域天然气水合物试采实现连续超过7天的稳定产气。观察下表，为什么同为二元氧化物的CO2和SiO2熔沸点差别这么大？观察与思考物质熔点/℃沸点/℃晶体类型CO2-56.2（在527kPa下测得）-78.5SiO217232230分子晶体？二氧化碳晶体(干冰)属于分子间通过范德华力形成的分子晶体，溶、沸点低。二氧化硅晶体熔、沸点高得很多，它的晶体一定不是分子晶体，那么它属于什么晶体呢？干冰SiO2学习任务2：二、共价晶体1.什么是共价晶体所有原子都以共价键相互结合形成立体网状结构的晶体共价晶体构成粒子：原子共价晶体构粒子间作用力：共价键(破坏困难)2.共价晶体有什么性质①高熔点②高硬度③一般不导电，但晶体硅、锗是半导体④难溶于一般的溶剂共价晶体中，原子间以较强的共价键相结合，要使物质熔化就要克服共价键，需要很高的能量。以共价键结合的立体网状结构很难被破坏。3.两种典型共价晶体例析(1)金刚石天然金刚石呈现多面体外形微观探析宏观辨识

金刚石的结构

金刚石的晶胞在金刚石中，每个碳原子以四个共价单键对称地与相邻4个碳原子结合，键角为109。28′，即金刚石中的碳采用sp3杂化轨道形成共价键三维骨架结构。在金刚石中，C－C共价键键长154pm很短，键能347.7KJ/mol很大，这一结构使金刚石在所有已知晶体中硬度最大，且熔点(>3500℃)也很高。碳原子数：8×+6×+4=81812碳原子含共价键数：4×=212(2)

SiO2晶体

SiO2是自然界含量最高的二元氧化物，熔点1713

℃，有多种结构，最常见的是低温石英。遍布河岸的黄沙、带状的石英矿脉、花岗石里的白色晶体以及透明的水晶都低温石英。黄沙花岗岩石英矿水晶①SiO2在自然界分布是怎样的②低温石英的结构是怎样的在低温石英的结构中，一个硅原子与四个氧原子通过共价键形成硅氧四面体，顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链。这一结构决定了它具有手性，被广泛用作压电材料，如制作石英手表。③

SiO2有什么用途是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。图3-24以这原料制造的高科技产品4.哪些晶体属于共价晶体如硼（B）、硅（Si）、锗（Ge）和锡（Sn）等如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)及氮化硅(Si3N4)等①某些单质②某些非金属氧化物近年来Si3N4以为基础，用Al取代部分Si，用O取代部分N而获得结构多样化的陶瓷，用于制作LED发材料。

(1)怎样从原子结构的角度理解金刚石，硅和锗的熔点和硬度依次下降？

(2)“具有共价键的晶体叫做共价晶体”，这种说法对吗？为什么？思考与讨论不对，分子晶体中通常也含有共价键。如CO2晶体

干冰,只有分子内部才通过共价键结合，而分子间通过范德华力结合成分子晶体；此外，某些离子晶体中也含共价键，如NaOH、NH4Cl结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体熔点越高。原子半径C

<Si<Ge，键长C-C

<Si-Si

<Ge-Ge，键能C-C

＞Si-Si

＞Ge-Ge，所以它们的熔点和硬度依次下降。

表3-3某些共价晶体的熔点和硬度

硬度是衡量固体软硬程度的指标。硬度有不同的标度，最普通的硬度标度是画痕硬度，即摩氏硬度，以固体互相刻画时出现刻痕的固体的硬度较低。金刚石不能被任何天然矿物画出刻痕，因而是最硬的。以金刚石的硬度为10，以另9种天然矿物为代表，可将摩氏硬度分为十度，即：代表物金刚石刚玉黄玉石英正长石磷灰石莹石方解石石膏滑石硬度10987654321应当指出，硬度大的物质不一定经得锤击，如金刚石硬度大，却很容易经锺击而破碎。物质经受锤击的性质属于延展性。由于共价晶体中的共价键具有方向性，当受到大的外力作用时会发生原了错位而断裂。你要是有粒钻石，切不可用锤子砸哟！

资料卡片共价晶体金刚石氮化硼碳化硅石英硅锗熔点/℃＞350030002700171014101211摩氏硬度109.59.576.56.0金刚石

人类把天然金刚石当作宝石珍藏已有三千余年的历史。经过琢磨的金刚石称为钻石，透光度高。纯净的金刚石无色透明，含杂质则呈蓝、黄、棕、绿、黑等色。用同位素断代实验证实，所有的天然金刚石至少已有9.9亿岁了，其中许多甚至已达32亿岁！天然金刚石是在离地表100~200km深的地幔中形成的。在那里，温度为900~1300℃，压力为4.5×109~6.0×109Pa。天然金刚石是火山爆发带到地表来的。火山爆发时形成的岩浆是传输金刚石的介质，它冷却形成的岩石即富含金刚石的金伯利岩。在地球表面，石墨比金刚石更稳定，但迅速上升到地表的火山岩浆急速冷却，使金刚石不能转化为石墨。图3-25是几幅软件模拟金伯利岩浆携带金刚石上升到地表的动画截图。图3-25中金刚石的大小被大大夸张了，其实，金伯利岩中金刚石的量是极其稀少的。据统计，平均1000kg金伯利岩中只有5g金刚石，而且其中80％只能用于工业（如制作钻头等），不能用于磨制钻石，而品质上乘的钻石就更少了。科学•技术•社会图3-25火山岩浆把金刚石从地幔深处输送到地表并冷却成金伯利岩

人工合成金刚石

(1)高压合成人工合成金刚石的探索始于19世纪末，直到20世纪50年代，在理论上论证了合成金刚石需要的高压高温条件，才逐渐从实验探索发展成大规模的工业生产。高压合成金刚石的原料是廉价的石墨。用高压釜施加高温高压并加入金属镍等金属催化剂，石墨可转化为金刚石（如图3-26)。此外，也可借爆炸产生的高温高压合成，但后者得到的金刚石颗粒细小，只能用作磨料。然而，廉价而大量地合成宝石级的金刚石仍是一个人类尚未攻克的难题。(2)低压合成20世纪80年代，人们发现，甲烷等简单的碳氢化合物跟大量氢气混合，在微波炉里形成低温低压的等离子体在硅等基质上沉积，能得到颗粒微小的金刚石的薄膜。近年，已用这种方法获得了宝石级大钻石。此法的出现震惊世人，对人类科学思维取向有深刻的启示。小结：晶体类型共价晶体分子晶体构成微粒

作用力熔沸点硬度溶解性导电性典型举例原子分子共价键分子间作用力(或氢键)很大较小很大较小不溶于任何溶剂部分溶于水不导电，个别为半导体固体和熔化状态都不导电，部分溶于水导电金刚石、低温SiO2晶体冰、干冰