2024年高中化学新教材同步选择性必修第二册 第3章　第2节　第2课时　共价晶体

第2课时共价晶体[核心素养发展目标]1.能辨识常见的共价晶体，并能从微观角度分析共价晶体中各构成微粒之间的作用对共价晶体物理性质的影响。2.能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体，并能利用均摊法对晶胞进行分析。一、共价晶体的概念及性质1．共价晶体的概念晶体中相邻原子间都以共价键结合，整个晶体是一个共价键三维骨架结构，叫作共价晶体。2．构成微粒及微粒间作用力3．常见的共价晶体与物质类别物质类别实例某些非金属单质晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等某些非金属化合物碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等某些氧化物二氧化硅(SiO2)等4.共价晶体的物理性质熔、沸点很高。(1)共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时必须破坏共价键，而破坏它们需要很高的温度，所以共价晶体具有很高的熔点。(2)结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。1．“具有共价键的晶体叫做共价晶体”。这种说法对吗？为什么？提示此说法不对。“具有共价键”并不是判定共价晶体的唯一条件，大部分分子晶体中也有共价键，如冰和干冰晶体都是分子晶体，但H2O和CO2中存在共价键。对共价晶体的认识除了要求“具有共价键”外，还要求形成晶体的粒子是原子。2．金刚石、碳化硅、晶体硅均具有相似的结构，下表列出了它们的键长、键能、熔点和硬度的数据。晶体键长/pm键能/(kJ·mol－1)熔点/℃硬度金刚石154347.7>350010碳化5晶体硅23522614106.5(1)使共价晶体熔化，需要破坏粒子间的作用力是什么？使金刚石、碳化硅、晶体硅熔化分别破坏的这种具体的作用力又是什么？提示使共价晶体熔化，需要破坏共价键。使金刚石、碳化硅、晶体硅熔化分别破坏的是C—C、C—Si、Si—Si。(2)共价晶体的熔点和硬度等物理性质与共价晶体中共价键的键长、键能之间存在什么关系？提示结构相似的共价晶体，其原子间形成共价键的键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高，硬度就越大。(3)如果不提供上述表格中的数据，根据元素周期表，你能判断金刚石、碳化硅、晶体硅的键长、键能、熔点和硬度的相对大小吗？说出你的判断方法。提示能。根据元素周期表，碳和硅为同一主族元素，原子半径：C＜Si，因此键长大小顺序为C—C＜C—Si＜Si—Si，键能大小顺序为C—C＞C—Si＞Si—Si，熔点和硬度大小顺序为金刚石>碳化硅>晶体硅。1．正误判断(1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体()(2)共价晶体在固态或熔化时均不导电()(3)共价晶体由于硬度及熔、沸点都较高，故常温时不与其他物质反应()(4)二氧化硅和干冰虽然是同一主族的氧化物，但属于不同的晶体类型()答案(1)×(2)×(3)×(4)√2．下列有关共价晶体的叙述错误的是()A．共价晶体中只存在共价键B．共价晶体具有三维骨架结构C．共价晶体中不存在独立的分子D．共价晶体熔化时不破坏共价键答案D解析共价晶体中原子间是通过共价键连接的，熔化时需要破坏共价键，D项错误。3．金刚石是典型的共价晶体，下列关于金刚石的说法错误的是()A．晶体中不存在独立的分子B．碳原子间以共价键相结合C．是自然界中硬度最大的物质D．化学性质稳定，即使在高温下也不会与氧气发生反应答案D解析在金刚石中，碳原子之间以共价键结合形成三维骨架结构，不存在分子；由于碳的原子半径比较小，碳与碳之间的共价键键能很高，所以金刚石的硬度很大，故A、B、C项正确；由于金刚石是碳的单质，高温下可以在空气或氧气中燃烧生成CO2或CO，故D项错误。4．下列物质的晶体直接由原子构成的一组是()①CO2②SiO2③晶体Si④白磷⑤氨基乙酸⑥固态HeA．①②③④⑤⑥ B．②③④⑥C．②③⑥ D．①②⑤⑥答案C解析CO2、白磷、氨基乙酸属于分子晶体，其晶体由分子构成；固态He为单质，属于单原子的分子晶体；SiO2、晶体Si属于共价晶体，其晶体直接由原子构成。晶体熔、沸点和硬度的比较方法(1)先判断晶体类型。主要依据构成晶体的微粒及其微粒间的作用力。对于不同类型的晶体，一般来说，共价晶体的熔、沸点、硬度高于分子晶体。(2)对于同一类型的晶体①共价晶体的熔点高低、硬度大小取决于共价键的强弱。原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越强，熔点越高。②分子晶体的熔、沸点高低取决于分子间作用力，分子间作用力与相对分子质量有关，同时还要考虑分子极性及是否存在氢键。二、常见共价晶体结构分析1．金刚石晶体(1)在金刚石晶体中，每个碳原子以四个共价单键对称地与相邻的4个碳原子结合，C—C—C夹角为109°28′，即金刚石中的碳采取sp3杂化轨道形成共价键三维骨架结构。(2)晶体中最小的碳环由6个碳原子组成，且不在同一平面内，最多有4个碳原子在同一平面。(3)每个C形成4个C—C，每个C—C占有2个C，即C原子与C—C数目之比为1∶2。(4)每个C原子被12个六元环共用，1个碳环占有的碳原子为0.5个。2．二氧化硅(1)二氧化硅晶体①1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个O原子和2个Si原子相结合。②1molSiO2中含4molSi—O。③最小环由6个Si原子和6个O原子组成。④每个Si原子被12个12元环共用，每个O原子被6个12元环共用。(2)低温石英低温石英的结构中有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。1.金刚石晶胞结构如图所示，回答下列问题。(1)一个金刚石晶胞中含有________个碳原子。提示8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＋4＝8(2)已知晶胞参数为apm，则金刚石的密度为________g·cm－3。提示eq\f(12×8,NAa×10－103)(3)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为____pm。提示eq\f(\r(3),4)a(4)碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？提示2r＝eq\f(\r(3),4)apm，即r＝eq\f(\r(3),8)apm。2．依据金刚石的结构判断12g金刚石晶体中含C—C共价键的数目是多少？提示依据均摊法可知，金刚石中每个碳原子形成4个共价键，其中碳原子数与C—C共价键数之比是1∶2，故12g金刚石中含有的C—C数目是2NA。3．二氧化硅晶体中硅原子与和硅原子直接相连的氧原子构成的空间结构是什么？提示二氧化硅晶体中Si原子与其周围相连的4个氧原子形成正四面体结构。4．二氧化硅晶体中Si原子与Si—O数目之比是多少？60gSiO2晶体中含Si—O的数目是多少？提示SiO2晶体中Si原子与Si—O数目之比为1∶4；60gSiO2晶体中含Si—O的数目为4NA。1．下列关于SiO2晶体结构的叙述正确的是()A．存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶角B．最小的环为3个Si原子和3个O原子组成的六元环C．最小的环上实际占有的Si原子和O原子个数之比为1∶1D．最小的环为6个Si原子和6个O原子组成的十二元环答案D解析二氧化硅晶体中存在四面体结构单元，每个硅原子能形成4个共价键，每个氧原子能形成2个共价键，Si处于中心，O处于4个顶角，A错误；最小的环为6个Si原子和6个O原子组成的十二元环，每个环实际占有的硅原子数为6×eq\f(1,12)＝eq\f(1,2)、氧原子数为6×eq\f(1,6)＝1，故最小的环上实际占有的Si原子和O原子个数之比为1∶2，B、C错误，D正确。2．设NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法正确的是()A．28g晶体硅中含有Si—Si的个数为2NAB．124g白磷(P4)晶体中含有P—P的个数为4NAC．40g碳化硅中含有C—Si的个数为4NAD．SiO2晶体中1mol硅原子可与氧原子形成2NA个共价键(Si—O)答案A解析晶体硅中每个硅原子与周围4个原子形成4个共价键，依据“均摊法”，1个硅原子分得的共价键数为4×eq\f(1,2)＝2，A正确；白磷为正四面体结构，每个P4分子中含有6个P—P，B错误；SiO2晶体中每个硅原子与周围4个氧原子形成4个Si—O，D错误。3．氮化铝属类金刚石氮化物、六方晶系，最高可稳定到2200℃，硬度大，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料，氮化铝晶胞结构如图所示。下列有关描述错误的是()A．AlN是共价晶体B．Al的配位数为4C．AlN属于离子化合物D．与每个铝原子距离相等且最近的铝原子共有12个答案C解析氮化铝属类金刚石氮化物，所以AlN是共价晶体，A项正确；每个黑球周围有4个白球，每个白球周围有4个黑球，故Al、N的配位数都为4，B项正确；AlN属于共价化合物，C项错误；以顶角的铝原子为研究对象，与之距离最近的铝原子位于面心上，每个顶角上的铝原子为8个晶胞共用，每个面上的铝原子为2个晶胞共用，故与每个铝原子距离相等且最近的铝原子共有eq\f(8×3,2)＝12个，D项正确。4．单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答问题：金刚石晶体硅晶体硼熔点/℃＞350014102573沸点/℃510023552823硬度106.59.5(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________(填字母)。A．金刚石中C—C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的键能无关C．金刚石中碳原子个数与C—C数之比为1∶2D．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的键角为________，该结构单元共含有________个B—B。答案(1)共价晶体硼的熔、沸点高，硬度大(2)C(3)1260°30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共价晶体，在元素周期表中B与C相邻，与Si处于对角线位置，则晶体硼属于共价晶体。(2)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，金刚石熔化过程中C—C断裂，因C—C的键能大，断裂时需要的能量多，故金刚石的熔点很高与C—C键能有关；选项C，金刚石中每个C形成4个C—C，每个C—C占有2个C，故碳原子个数与C—C数之比为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，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eq\f(1,5)个，每个正三角形含有eq\f(1,5)×3个硼原子，每个结构单元含硼原子数为20×eq\f(1,5)×3＝12，而每个B—B被2个正三角形所共有，故每个结构单元含B—B的个数为20×eq\f(1,2)×3＝30。题组一共价晶体及其性质1．下列关于共价晶体的说法错误的是()A．共价晶体熔点高低取决于共价键的强弱B．共价晶体中所有原子之间以共价键结合成三维骨架结构C．共价晶体中的共价键具有方向性D．共价晶体中必有共价键，不存在分子间作用力答案C2．(2022·北京房山区高二期中)下列我国科研成果所涉及材料中，是共价晶体的是()A.4.03米大口径碳化硅反射镜B.2022年冬奥会聚氨酯速滑服C.能屏蔽电磁波的碳包覆银纳米线D.“玉兔二号”钛合金筛网轮答案A解析碳化硅是由碳原子和硅原子形成的共价晶体，故A正确；聚氨酯是有机合成高分子材料，不是共价晶体，故B错误。3．下列排序不正确的是()A．硬度：金刚石>碳化硅>晶体硅B．熔点：SiC>SiO2>Si>GeC．沸点：HF>HBr>HClD．硬度：白磷>冰>二氧化硅答案D解析二氧化硅为共价晶体，硬度比分子晶体白磷、冰的大。题组二共价晶体的晶体结构4．下列关于SiO2和CO2的描述不正确的是()A．SiO2为共价晶体，CO2为分子晶体B．两者中心原子采取的杂化方式不同C．SiO2和CO2都是非极性分子D．SiO2晶体的熔点比CO2晶体高答案C解析二氧化硅晶体中每个硅原子周围有4个氧原子，则硅原子的杂化方式为sp3，二氧化碳分子中碳原子的价层电子对数为2，孤电子对数为0，碳原子的杂化方式为sp，故B正确；二氧化硅是硅原子和氧原子形成的共价晶体，晶体中不存在分子，故C错误；共价晶体的熔、沸点高于分子晶体，则二氧化硅晶体的熔点高于二氧化碳晶体，故D正确。5.单质硅的晶体结构如图所示。下列关于单质硅晶体的说法不正确的是()A．是一种三维骨架结构的晶体B．晶体中每个硅原子与4个硅原子相连C．晶体中最小环上的原子数目为8D．晶体中最小环上的原子数目为6答案C解析单质硅是一种三维骨架结构的共价晶体，A正确；晶体中每个硅原子与4个硅原子相连，B正确；根据单质硅的晶体结构可判断晶体中最小环上的原子数目为6，C错误、D正确。6.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单元，其中每个原子最外层均满足8电子稳定结构。下列有关说法正确的是()A．磷化硼的化学式为BP，其晶体属于分子晶体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参与形成4个共价键D．磷化硼晶体在熔化时需克服范德华力答案C解析由磷化硼的晶胞结构可知，P位于顶角和面心，数目为eq\f(1,8)×8＋6×eq\f(1,2)＝4，B位于晶胞内，数目为4，故磷化硼的化学式为BP，磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料，所以磷化硼晶体属于共价晶体，A项错误；磷化硼属于共价化合物，熔融状态下不能导电，B项错误；由磷化硼晶胞结构可知，磷化硼晶体中每个原子均参与形成4个共价键，C项正确；磷化硼晶体为共价晶体，熔化时需克服共价键，D项错误。7.如图所示是某共价晶体A的空间结构的一个单元，A与某物质B反应生成C，其实质是在每个A—A中插入一个B原子，则C物质的化学式为()A．ABB．A5B4C．AB2D．A2B5答案C解析由图可知，每个A原子形成4个键，每个A—A中插入一个B原子，每个B原子形成2个键，故C物质中每个A原子形成4个A—B，每个B原子形成2个A—B，则A、B原子个数比为1∶2，所以其化学式是AB2。8．最近我国科学家预测并合成了新型碳材料：T-碳。可以看做金刚石结构中的一个碳原子被四个碳原子构成的正四面体单元替代(如图所示，所有小球代表碳原子)。下列说法不正确的是()A．T-碳与金刚石互为同位素B．T-碳与金刚石晶体中所含化学键类型相同C．T-碳与金刚石中碳原子采取的杂化方式相同D．T-碳与金刚石晶体类型相同，熔化时均需破坏共价键答案A解析T-碳是由C元素组成的单质，与金刚石互为同素异形体，A选项错误；T-碳晶体和金刚石晶体中含有的化学键均是共价键，B选项正确；T-碳与金刚石中的碳原子均采取sp3杂化，C选项正确；T-碳可以看作金刚石结构中的一个碳原子被四个碳原子构成的正四面体结构单元替代，属于共价晶体，两者熔化时均需破坏共价键，D选项正确。9．Ge、GaAs、CdTe、CdSe等均为重要的半导体材料，在电子、材料等领域应用广泛。其中CdSe的一种晶体为闪锌矿型结构，晶胞结构如图所示，已知A的原子坐标参数为(eq\f(1,4)，eq\f(1,4)，eq\f(1,4))。下列说法不正确的是()A．Se基态原子价层电子排布式为3d104s24p4B．B的原子坐标参数为(eq\f(1,4)，eq\f(3,4)，eq\f(3,4))C．晶胞中，与Cd原子距离最近且相等的Cd原子有12个D．第四周期主族元素中第一电离能介于Ga、As之间的有3种答案A解析Se是34号元素，基态原子核外有34个电子，其基态原子价层电子排布为4s24p4，A错误；由晶胞结构示意图可知，A、B原子分别位于两条体对角线上，根据相对位置分析，B的原子坐标参数为(eq\f(1,4)，eq\f(3,4)，eq\f(3,4))，B正确；晶胞中，Cd原子位于晶胞的顶角和面心，以顶角的Cd原子为中心，每个晶胞有3个Cd原子距离最近且相等，每个顶角属于8个晶胞，且每个面上的Cd原子属于2个晶胞，故与Cd原子距离最近且相等的原子有12个，C正确；同周期元素第一电离能从左到右有增大趋势，但第ⅡA族、第ⅤA族元素反常，Ga、As分别是第ⅢA、ⅤA族元素，因此第四周期主族元素中的第一电离能介于Ga、As之间的元素有Ca、Ge、Se,D正确。10．已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于C3N4晶体的说法不正确的是()A．该晶体属于共价晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固B．该晶体中每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子C．该晶体与金刚石相似，碳原子个数与碳氮键个数之比为1∶2D．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子稳定结构答案C解析C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，则该晶体属于共价晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固，A正确；C的最外层有4个电子，因此一个碳原子连接4个N原子，N的最外层有5个电子，因此一个N原子连接3个C原子，B、D正确；根据以上分析可知该晶体中碳原子个数与碳氮键个数之比为1∶4，C错误。11．根据下列性质判断，属于共价晶体的物质是()A．熔点为2700℃，导电性好，延展性强B．无色晶体，熔点为3500℃，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．熔点为－56.6℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电答案B解析共价晶体的熔点高，一般不导电，A不正确；无色晶体，熔点为3500℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂，符合共价晶体的性质特点，B正确；无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800℃，熔化时能导电，不符合共价晶体的性质，C不正确；熔点为－56.6℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电，符合分子晶体的性质，D不正确。12．金刚石是由碳原子所形成的正四面体结构向空间无限延伸而得到的具有三维骨架结构的共价晶体。在立方体中，若一碳原子位于立方体体心，则与它直接相邻的四个碳原子位于该立方体互不相邻的四个顶角上(如图中的小立方体)。请问，图中与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数为多少，它们分别位于大立方体的什么位置()A．12，大立方体的12条棱的中点B．8，大立方体的8个顶角C．6，大立方体的6个面的中心D．14，大立方体的8个顶角和6个面的中心答案A解析与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子分别位于大立方体的12条棱的中点，共12个。如图所示：13．硅是制作光伏电池的关键材料。在Si晶体中掺杂不同种类的元素，可形成多电子的n型或缺电子的p型半导体。n型和p型半导体相互叠加形成p-n结，此时自由电子发生扩散运动，在交界面处形成电场。下列说法正确的是()A．1molSi晶体中含有的Si—Si数目为4NAB．若在Si晶体中掺入P元素，可得n型半导体C．p-n结中，n型一侧带负电，p型一侧带正电D．光伏电池的能量转化形式：光能→化学能→电能答案B解析硅晶体中，一个硅原子与4个硅原子形成4个Si—Si，一个Si—Si为2个硅原子共用，平均1molSi晶体中含有的Si—Si数目为2NA，故A错误；若在Si晶体中掺入P元素，P最外层是5个电子，可形成多电子的n型半导体，故B正确；光伏电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，能量转化形式为光能→电能，故D错误。14．(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apm，阿伏加德罗常数的值为NA，则金刚砂的密度表达式为________________________________________。(2)硅的某种单质的晶胞结构如图乙所示。GaN晶体晶胞结构与该硅晶体相似。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ρg·cm－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离为__________________cm(用代数式表示即可)。答案(1)共价晶体12eq\f(4×40,a×10－103NA)g·cm－3(2)4正四面体形eq\f(\r(3),4)×eq\r(3,\f(224,ρ·NA))解析(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5，硬度大，属于共价晶体；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8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，Si原子个数为4，晶胞边长为a×10－10cm，V＝(a×10－10cm)3，ρ＝eq