鲁科版选择性必修2第3章第2节第2课时共价晶体分子晶体晶体结构的复杂性课件（47张）

第2课时共价晶体分子晶体晶体结构的复杂性学习目标1.通过金刚石、晶体硅、SiO2晶体的结构模型认识共价晶体的结构特点,能解释共价晶体的性质。2.通过干冰、冰、碘晶体的结构模型,认识由范德华力和氢键形成分子晶体的结构特点的不同,能解释分子晶体的性质。3.通过认识石墨晶体的特殊结构,知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的。任务分项突破课堂小结提升学科素养测评任务分项突破学习任务1共价晶体自主梳理1.定义相邻原子间以

结合而形成的具有

结构的晶体。2.结构特点(1)由于共价键的饱和性与方向性,金刚石晶体中每个碳原子周围排列的碳原子只能有

个。(2)由于

均以

相结合,所以晶体中不存在单个分子。共价键空间立体网状四所有原子间共价键较高3.物理性质(1)由于共价晶体中原子以强的共价键相结合,因此一般熔点

,硬度

。(2)结构相似的共价晶体,原子半径

,共价键键长

,键能越大,晶体的熔点

、硬度

。4.几种典型共价晶体的结构(1)金刚石。①碳原子采取

杂化,C—C键键角为

。②每个碳原子与周围紧邻的四个碳原子以共价键结合成

结构,向空间伸展形成

结构。③最小碳环由

个碳原子组成,且最小环上所有碳原子

同一平面内。较大越小越短越高越大sp3109°28′正四面体空间立体网状六不在>(2)晶体硅。若以硅原子代替金刚石晶体结构中的碳原子,便可得到晶体硅的结构,不同的是Si—Si键键长

C—C键键长。(3)二氧化硅晶体。①若向晶体硅结构中的每个Si—Si键中“插入”一个氧原子,便可得到以硅氧四面体为骨架的二氧化硅晶体的结构。②一个硅原子与四个氧原子形成四个共价键,硅原子位于正四面体的中心,氧原子位于正四面体的顶点,同时每个氧原子被两个硅氧正四面体共用;每个氧原子和两个硅原子形成两个共价键,二氧化硅晶体中硅原子与氧原子个数比为

。1∶2③最小环上有

个原子,包括

个O原子和

个Si原子。1266互动探究共价晶体在工业上多被用作耐磨、耐熔或耐火材料。金刚石、金刚砂都是极重要的磨料;SiO2是应用极广的耐火材料;石英和它的变体,如水晶、紫晶和玛瑙等,是工业上的贵重材料;SiC、Si3N4等是性能良好的高温结构材料。探究共价晶体结构问题1:稀有气体由原子构成,它属于共价晶体吗?提示:不属于。稀有气体虽然由原子构成,但是原子间不存在共价键,并非立体网状结构。问题2:SiO2是二氧化硅的分子式吗?提示:不是。二氧化硅属于共价晶体,没有分子式,SiO2只表示硅原子与氧原子在晶体中的个数比。问题3:共价晶体原子的配位数一般是多少?提示:共价晶体原子配位数一般为4,共价晶体原子不遵守密堆积原理。通常共价晶体中原子采取sp3杂化,形成四面体结构,不断向三维空间延展形成空间立体网状结构。问题4:如何记忆几种常见的共价晶体结构?提示:金刚石作为基本结构模板,采取原子代换插入法。金刚石中C原子全部代换为Si即是晶体硅结构,晶体硅中所有Si—Si键之间插入O原子即是SiO2结构,金刚石中C原子交替代换为Si就是SiC结构。问题5:共价晶体为什么熔点高、硬度大?提示:共价晶体中所有原子间均以共价键结合,熔化或切割时需要破坏键能很大的共价键。归纳拓展常见的共价晶体晶胞结构题组例练D1.(2021·上海闵行区期末)2021年5月15日我国火星探测器“祝融号”在一种比空气还轻的气凝胶材料保护下成功着陆火星。有种气凝胶材料的主要成分为SiO2,有关其描述错误的是(

)A.由原子构成 B.含极性键C.熔点高 D.是极性分子解析:SiO2晶体是Si原子和O原子形成的正四面体网状结构,每个Si原子以sp3杂化和4个O原子形成Si—O极性共价键,属于熔点很高的共价晶体,不是极性分子。2.(2021·辽宁模拟预测)金刚砂与金刚石具有相似的晶体结构,硬度为9,熔点为2830℃,其晶胞结构如图所示。下列说法错误的是(

)A.金刚砂的化学式为SiCB.SiC晶体中碳原子和硅原子均采用sp3杂化C.距离硅原子最近的硅原子数为12D.金刚石的熔点低于2830℃D题后悟道共价晶体熔点比较方法:共价晶体键长越短(原子半径越小)、键能越大,共价键越稳定,物质熔点越高,反之越低。如熔点:金刚石(C—C)>晶体硅(Si—Si)。注意:共价晶体的熔点不一定高于金属晶体和离子晶体。如熔点:MgO(2800℃)>SiO2(1723℃),钨(3410℃)>SiO2(1723℃)。学习任务2分子晶体自主梳理1.概念

之间通过

结合形成的晶体称为分子晶体。2.构成微粒构成微粒是

。特例:稀有气体为原子(或称单原子分子)。3.微粒间的作用微粒间的作用是

。分子分子间作用力分子分子间作用力4.几种典型的分子晶体的结构(1)碘晶体:碘晶体是分子晶体,碘分子内有

,分子间有

。碘晶体的晶胞是一个长方体。长方体的每个顶点上有一个碘分子,每个面上有一个碘分子。(2)干冰:固态CO2称为干冰,干冰是分子晶体,CO2分子内存在

,分子间存在

,CO2的晶胞呈面心立方体形,立方体的每个顶点有一个CO2分子,每个面上也有一个CO2分子。(3)冰晶体:冰晶体是分子晶体,水分子内有

,水分子之间除了

外还有

,冰主要是水分子依靠氢键结合形成的。因为有两个氢原子和两对孤电子对,所以会通过氢键结合

个水分子。共价键分子间作用力分子间作用力O—H共价键范德华力氢键四5.分子晶体熔点、沸点比较分子晶体分子间作用力越大,物质的熔点、沸点越高,反之越低。(1)组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,分子间作用力越强,物质的熔点、沸点越高。如熔点、沸点:CH4<SiH4<GeH4<SnH4。(2)因为分子间作用力:氢键>范德华力,所以存在分子间氢键的物质沸点高于只存在范德华力的物质。如沸点:乙醇>氯乙烷;HF>HCl。互动探究CO2和SiO2的一些物理性质如表所示,通过比较回答下列问题。物质熔点/℃沸点/℃状态(室温)CO2-56.2-78.4气态SiO217232230固态探究分子晶体的结构与性质问题1:碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族,为什么CO2晶体的熔点、沸点很低,而SiO2晶体的熔点、沸点很高?提示:晶体的类型不同造成的。二氧化硅是共价晶体,这类晶体熔点、沸点高,硬度大;而二氧化碳属于分子晶体,这类晶体熔点、沸点低。问题2:干冰和碘易升华的原因是什么?提示:碘和干冰的分子间均以较弱的范德华力结合。问题3:为什么液态水变为冰时,体积膨胀,密度减小?提示:冰晶体主要是水分子依靠氢键结合形成的,因氢键具有一定的方向性,使水分子间的间距比较大,有很多空隙,比较松散。所以水凝固成冰后,体积膨胀,密度减小。归纳拓展四种晶体对比类型

项目

离子晶体共价晶体分子晶体金属晶体构成晶体的微粒阴、阳离子原子分子金属阳离子和自由电子微粒间的作用离子键共价键分子间作用力(范德华力或氢键)金属键作用力强弱(一般地)较强很强弱一般较强,有的较弱确定作用力强弱的一般判断方法离子电荷、半径键长(原子半径)组成和结构相似时比较相对分子质量离子半径、价电子数熔点、沸点较高高低差别较大硬度略硬而脆大较小差别较大导热和导电性不良导体(熔化后或溶于水导电)不良导体不良导体(部分溶于水发生电离后导电)良导体溶解性(水)多数易溶一般不溶相似相溶一般不溶于水,少数与水反应题组例练B1.(2021·河南信阳开学考试)下列物质属于分子晶体的是(

)A.熔点是1070℃,易溶于水,水溶液能导电B.熔点是10.31℃,液态不导电,水溶液能导电C.能溶于水,熔点812.8℃,沸点是1446℃D.熔点是97.80℃,质软、导电,密度是0.97g/cm3解析:熔点是1070℃太高,不可能是分子晶体,另外水溶液能导电也可以是离子晶体,故A错误;熔点是10.31℃,液态不导电说明含有共价键或者没有化学键,但是水溶液能导电说明是共价键断裂,由此确定是分子晶体,故B正确;能溶于水有可能是分子晶体,但是熔点812.8℃,沸点是1446℃太高,不是分子晶体,故C错误;熔点是97.80℃,质软、导电的物质不可能是分子晶体,故D错误。2.(2021·黑龙江绥化期中)下列有关微粒性质的排列顺序错误的是(

)A.GeX4(X表示Cl、Br或I)为分子晶体,熔、沸点:GeCl4<GeBr4<GeI4B.共价键的极性:H2O2>CO2>NOC.还原性:H2O<H2S<H2SeD.中心原子的孤电子对数:BeCl2<H2S<OF2D解析:GeX4(X表示Cl、Br或I)为分子晶体,组成和结构相似且晶体中没有氢键的分子晶体,相对分子质量越大,范德华力越大,熔、沸点越高,因此熔、沸点GeCl4<GeBr4<GeI4,故A正确;两元素电负性差值越大,形成共价键的极性越强,因此共价键的极性H2O2>CO2>NO,故B正确;同主族元素非金属性越弱,对应氢化物的还原性越强,因此还原性H2O<H2S<H2Se,故C正确;BeCl2的中心原子是Be,其孤电子对数是0,H2S的中心原子是S,其孤电子对数是2,OF2的中心原子是O,其孤电子对数是2,因此中心原子的孤电子对数BeCl2<H2S=OF2,故D错误。学习任务3晶体结构的复杂性自主梳理1.石墨晶体石墨晶体具有层状结构,同一层中的每个碳原子用

杂化轨道与邻近的三个碳原子以

相结合,形成无限的

平面网状结构,每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道,并含有一个未成对电子,因此能够形成遍及整个平面的

键。

键具有金属键的性质。石墨晶体中既有

,又有

,同时还存在类似

的作用力,所以称为混合型晶体。sp2共价键六边形大π大π共价键范德华力金属键2.Na2SiO3晶体3.过渡晶体原子之间形成的化学键往往是介于典型模型(

、

、

、

等)之间的过渡状态。由于微粒间的作用存在

,即使组成简单的晶体,也可能是居于

、

、

、

之间的过渡状态,形成过渡晶体。金属键离子键共价键配位键键型过渡金属晶体离子晶体共价晶体分子晶体互动探究石墨不同于金刚石,它的碳原子不像金刚石的碳原子那样呈sp3杂化,而是呈sp2杂化,形成平面六元并环结构(如图①),因此,石墨晶体是层状结构的,层内的碳原子的核间距为142pm,层间距离为335pm(比键长大得多),说明层间没有化学键相连,是靠范德华力维系的(如图②)。探究石墨晶体结构问题1:石墨晶体为什么具有导电性?提示:石墨晶体中每个C原子未参与杂化的轨道中含有1个未成对电子,能形成遍及整个平面的大π键,由于电子可以在整个六边形网状平面上运动,因此石墨沿层平行方向导电。问题2:石墨晶体主要存在哪些作用力?提示:石墨晶体是层状结构,层间存在范德华力;层内C原子采取sp2杂化,通过sp2杂化轨道重叠形成σ型共价键;层内的所有C原子均存在1个未杂化的p轨道,层内所有C原子通过肩并肩方式形成一个大π键,因此大π键具有金属键的性质。问题3:石墨晶体从作用力角度看具有哪些类型的晶体特征?提示:从层间范德华力看,具有分子晶体特征,从层内共价键看,具有共价晶体特征,从大π键角度看,具有金属晶体特征。归纳拓展晶体类型判断思路(1)根据构成晶体粒子种类及粒子间作用力判断。①离子晶体:构成微粒是阴、阳离子,作用力是离子键;②金属晶体:构成微粒是金属阳离子和自由电子,作用力是金属键;③共价晶体:构成微粒是原子,作用力是共价键;④分子晶体:构成微粒是分子,作用力是分子间作用力;⑤混合型晶体:作用力离子键、金属键、共价键、分子间作用力兼而有之。(2)根据物质类别判断:①一般活泼金属氧化物、强碱、多数盐属于离子晶体;②多数非金属单质、非金属氢化物、非金属氧化物、含氧酸和大多数有机物属于分子晶体;③大多数金属单质或合金属于金属晶体;④常见共价晶体有金刚石、晶体硅、SiO2、SiC、Si3N4等。(3)根据晶体特征判断:①熔点、沸点低且不导电的单质或化合物一般为分子晶体;②熔点、沸点较高且熔融或溶液中导电的化合物一般为离子晶体;③熔点、沸点很高,硬度很大,不导电,不溶于一般溶剂的物质通常为共价晶体;④固态及熔融态均可导电的物质(一般为金属)属于金属晶体。题组例练B1.(2021·黑龙江绥化期中)下列有关石墨晶体的说法正确的是(

)①石墨层内作用力为共价键,层间靠范德华力维系

②石墨是混合型晶体③石墨中的C为sp2杂化

④石墨的熔点比金刚石的低⑤石墨中碳原子个数和C—C键个数之比为1∶3⑥石墨和金刚石的硬度相同⑦石墨的导电性只能沿石墨平面的方向A.全部 B.①②③⑦C.仅②③⑦ D.①②⑤⑦解析:①石墨是混合型晶体,石墨层中碳原子靠共价键连接,层与层之间靠范德华力维系,正确;②石墨是混合型晶体,正确;③石墨中同一层中的每个碳原子与相邻的三个碳原子以σ键结合,形成无限的六边形平面网状结构,碳原子的杂化类型为sp2杂化,正确;④石墨中的共价键键长比金刚石中的共价键键长短,具有的能量更多,所以石墨的熔点比金刚石的高,错误;⑤石墨中,一个碳原子上有3个单键,每个单键被2个碳原子共用,所以平均每个碳原子对应1.5个单键,故石墨中碳原子个数和C—C键个数之比为2∶3,错误;⑥石墨质软,金刚石的硬度大,错误;⑦石墨的导电性只能沿石墨平面的方向,正确;综上所述,正确的有①②③⑦,B项符合题意。A解析:金属钠为金属晶体,由钠离子和自由电子通过金属键构成,因此金属钠晶体中存在阳离子,但没有离子键,A正确;金刚石中C原子之间以共价键结合为空间网状结构,属于共价晶体,石墨中C原子之间通过共价键形成六边形平面网状结构,层和层之间有范德华力,属于混合型晶体,B错误;石墨晶体中,同层C原子之间形成共价键,层与层之间有范德华力,有自由电子在层间移动,有类似金属键的作用力,C错误;干冰是分子晶体,CO2分子位于立方体的顶点和面心上,以顶点上的CO2分子为例,与它距离最近的CO2分子分布在与该顶点相连的12个面的面心上,所以干冰晶体中,每个CO2分子周围有12个与之紧邻且等距的CO2分子,D错误。课堂小结提升【知识整合】【易错提醒】1.误认为分子晶体中不含化学键。分子晶体中分子一般通过共价键形成(稀有气体除外),再通过分子间作用力结合形成分子晶体。2.误认为含1molC原子的金刚石含有4molC—C键。由于C—C键是2个C原子共同形成的,所以含1molC原子的金刚石含有2molC—C键。同理1mol冰含2mol氢键。3.误认为晶体只有离子晶体、共价晶体、分子晶体和金属晶体四种类型。大多数晶体实际结构要复杂得多,如石墨属于混合型晶体。4.误认为共价晶体的熔点一定比其他晶体的熔点高。金属晶体熔点差距较大,有些金属熔点比一些分子晶体还低,如固态Hg,而有些金属晶体熔点非常高,如钨的熔点(3410℃)比二氧化硅(1723℃)的还高。学科素养测评键能的大小可以衡量化学键的强弱,也可以用于估算化学反应的反应热(ΔH),化学反应的ΔH等于反应中断裂旧化学键的键能之和与反应中形成新化学键的键能之和的差。参考以下表格的键能数据,回答下列问题。化学键Si—OSi—ClH—HH—ClSi—SiSi—C键能/(kJ·mol-1)460360436431176347(1)比较下列两组物质的熔点高低(填“>”或“<”)。SiC

Si;SiCl4

SiO2。

解析:(1)碳化硅和硅都是共价晶体,其熔点大小和共价键强弱有关系。形成共价键的原子半径越小,共价键越强,碳原子半径小于硅原子的,所以碳化硅的熔点高于硅的。四氯化硅是分子晶体,二氧化硅是共价晶体,所以四氯化硅的熔点小于二氧化硅的。答案:(1)>

<键能的大小可以衡量化学键的强弱,也可以用于估算化学反应的反应热(ΔH),化学反应的ΔH等于反应中断裂旧化学键的键能之和与反应中形成新化学键的键能之和的差。参考以下表格的键能数据,回答下列问题。化学键Si—OSi—ClH—HH—ClSi—SiSi—C键能/(kJ·mol-1)460360436431176347(2)能不能根据键能的数据判断单质Si和化合物SiCl4的熔点高低?

(填“能”或“不能”),原因是

。

解析:(2)由于物质熔点高低由构成物质的微粒间作用力决定,单质Si属于共价晶体,原子间作用力是共价键;SiCl4属于分子晶体,分子间作用力是范德华力,比共价键弱得多。答案:(2)不能物质熔点高低由构成物质的微粒间作用力决定