2024-2025学年新教材高中化学第3章不同聚集状态的物质与性质第2节几种简单的晶体结构模型第2课时共价晶体与分子晶体课件鲁科版选择性必修2

第2节几种简单的晶体结构模型第2课时共价晶体与分子晶体素养目标学习要点1.能用共价键与分子间作用力分别解释共价晶体与分子晶体的物理性质,培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。2.能够描述金刚石、二氧化硅等共价晶体的结构与性质的关系,形成证据推理与模型认知的化学核心素养。3.通过了解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,培养变化观念与平衡思想的化学核心素养。两种晶体:共价晶体、分子晶体复杂晶体:过渡晶体、混合型晶体知识点一共价晶体基础落实•必备知识全过关知识点一共价晶体1.共价晶体(1)概念:相邻原子间以

结合而形成的具有

结构的晶体。

(2)构成微粒及微粒间作用共价晶体的构成微粒为

,相邻原子间作用力为

。

共价键空间立体网状原子共价键2.常见共价晶体及物质类别(1)某些非金属单质:如晶体硼、晶体硅、金刚石等。(2)某些非金属化合物:如二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等。

锗是优良的半导体材料(3)晶体锗(Ge):锗的化学性质介于金属和非金属之间,且锗原子之间以共价键相连,类似于金刚石的结构。3.典型共价晶体的结构分析(1)金刚石晶体金刚石晶体结构图①碳原子采取

杂化,键角为

;

②每个碳原子与周围紧邻的4个碳原子以共价键结合成

结构,向空间伸展形成空间立体网状结构;

③最小碳环由

个碳原子组成,每个碳原子被

个六元环共用。

sp3109°28'正四面体612(2)二氧化硅晶体SiO2晶体结构图①Si原子采取

杂化,正四面体内O—Si—O键角为

;

②每个Si原子与

个O原子形成

个共价键,Si原子位于正四面体的中心,O原子位于正四面体的顶点,同时每个O原子被

个硅氧正四面体共用,晶体中Si原子与O原子个数比为

;

③最小环上有

个原子,包括

个O原子和

个Si原子;

④1molSiO2晶体中含Si—O键数目为

。

sp3109°28'4421∶212664NA(3)碳化硅晶体

都采用sp3杂化碳化硅晶体与金刚石结构相似,其空间结构中碳原子和硅原子交替排列。整个晶体中碳原子和硅原子个数之比为

。SiC晶胞中有

个Si原子位于立方晶胞的顶点,有

个Si原子位于立方晶胞的面心,晶胞内部有

个C原子,内部的C在晶胞的体对角线长的

处,即填充在硅构成的

空隙里,上层下层各

个。每个SiC晶胞中含有

个Si原子和

个C原子。

1∶1864正四面体2444.共价晶体的物理性质由于共价晶体中原子间以强的

相结合,且形成

结构,使得共价晶体的熔点一般很高,硬度一般很大,并且难以溶于任何溶剂。

往往脆性也较大5.共价晶体的结构特征(1)在共价晶体中,各原子均以共价键结合,因为共价键有方向性和饱和性,所以中心原子周围的原子数目是有限的,原子不采取密堆积方式。(2)共价晶体的构成微粒是原子,不存在单个分子,其化学式仅表示晶体中所含原子的个数比。(3)空间结构:空间网状结构。共价键立体网状名师点拨在金刚石晶体中,由于共价键的饱和性与方向性,使每个碳原子周围排列的碳原子只有4个,且这4个碳原子形成正四面体结构。归纳总结共价晶体的熔点和硬度比较对于结构相似的共价晶体来说,原子半径越小,共价键的键长越短,键能越大,晶体的稳定性越强,熔点越高,硬度越大。辨析比较金刚石与二氧化硅晶胞比较(1)金刚石的晶胞晶胞的每个顶点均有1个C原子,晶胞内部有4个C原子,内部的C在晶胞的体对角线长的

处,每个金刚石晶胞中含有8个C原子。(2)二氧化硅的晶胞SiO2晶胞中有8个Si原子位于立方晶胞的顶点,有6个Si原子位于立方晶胞的面心,还有4个Si原子与16个O原子在晶胞内构成4个硅氧四面体。每个SiO2晶胞中含有8个Si原子和16个O原子。深度思考观察金刚石和二氧化硅的结构模型讨论:1

mol

C组成的金刚石中含有多少摩尔C—C键?金刚石晶体中C原子数目与C—C键数目之比为多少?1

mol

SiO2晶体中含有多少摩尔Si—O键?提示

在金刚石晶体中,1个碳原子与周围4个碳原子形成4个C—C键,而每2个碳原子之间形成一个共价键,所以1

mol

C形成的C—C键的物质的量为4×mol=2

mol。金刚石晶体中碳原子数与C—C键数目之比为1∶2。SiO2晶体结构相当于将金刚石中的C原子全都换为Si原子,同时在Si—Si键中间插入一个O原子,所以1

mol

SiO2晶体中含有4

mol

Si—O键。正误判断(1)凡是由原子构成的晶体都是共价晶体。(

)提示

金属晶体也是由原子构成的晶体。(2)含有共价键的晶体不一定是共价晶体。(

)(3)二氧化硅晶体的化学式为SiO2,也可以表示其分子式。(

)提示

二氧化硅晶体为共价晶体,没有分子式,SiO2只表示晶体中Si与O原子比例为1∶2。(4)硬度很大、熔点很高的晶体可能是共价晶体。(

)(5)1

mol金刚石晶体中含有4

mol

C—C键。(

)提示

1

mol金刚石晶体中含有2

mol

C—C键。×√×√×重难突破•能力素养全提升探究角度1

共价晶体及其性质例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空间网状结构C.共价晶体中存在独立的“分子”D.共价晶体中必有共价键,不存在分子间作用力C解析

共价晶体中所有原子之间以共价键结合成空间网状结构,不存在独立的分子,也不存在分子间作用力。[对点训练1]下表是某些共价晶体的熔点和硬度,分析表中的数据,判断下列叙述正确的是(

)①构成共价晶体的原子种类越多,晶体的熔点越高②构成共价晶体的原子间的共价键的键能越大,晶体的熔点越高③构成共价晶体的原子半径越大,晶体的硬度越大④构成共价晶体的原子半径越小,晶体的硬度越大A.①②

B.③④

C.①③

D.②④D解析

共价晶体的熔点和硬度等物理性质取决于晶体内的共价键,构成共价晶体的原子半径越小,键长越短,键能越大,对应共价晶体的熔点越高,硬度越大。探究角度2

共价晶体的结构例2二氧化硅晶体是空间立体网状结构,如图所示,下列说法正确的是(

)A.n(Si)∶n(O)∶n(Si—O键)=1∶2∶4B.CO2和SiO2是等电子体,晶体类型相同C.晶体中Si原子杂化方式为sp3,O原子杂化方式为spD.晶体中最小环上的原子数为6A解析

根据图知,该晶体中每个Si原子连接4个O原子、每个O原子连接2个Si原子,则Si、O原子个数之比为2∶4=1∶2,每个Si原子对应4个硅氧键,则n(Si)∶n(O)∶n(Si—O键)=1∶2∶4,A正确;CO2晶体是由分子构成的,SiO2晶体是由原子构成的,则前者为分子晶体、后者为共价晶体,晶体类型不同,B错误;该晶体中每个Si原子形成4个共价键,每个O原子形成2个共价键且每个O原子还含有2对孤电子对,则Si、O原子的价电子对数都是4,则Si、O原子都采用sp3杂化,C错误;由二氧化硅晶体结构图可知,晶体中最小环上含有6个硅原子和6个氧原子,所以最小环上的原子数为12,D错误。易错提醒

针对二氧化硅的晶体结构的易错点:①认为氧原子与它连接的两个硅原子在同一直线上;②认为只有硅原子的原子轨道杂化,氧原子的原子轨道不杂化;③认为1

mol二氧化硅晶体中存在2

mol

Si—O键。[对点训练2]金刚石晶胞的结构如图所示,立方BN的结构与金刚石相似,在BN晶体中,B原子周围最近的N原子所构成的空间结构为

,一个BN晶胞中N原子数目为

。

正四面体4解析

在BN晶体中B原子与N原子交替出现,故每个B原子周围有4个N原子,每个N原子周围也有4个B原子,形成正四面体结构;在金刚石晶胞中共有碳原子个数为8×+6×+4=8,故在BN晶胞中B原子和N原子各4个。名师点拨

在BN晶体中,每个B原子通过4个B—N键与N原子连接成正四面体结构,其中一个B—N键属于配位键,由N原子提供孤电子对,B原子提供空轨道。该配位键与其余3个共价键的键参数完全相同。知识点二分子晶体基础落实•必备知识全过关知识点二分子晶体1.概念

之间通过

结合形成的晶体称为分子晶体。

分子分子间作用力2.常见物质类型

类型实例大部分

卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)、稀有气体等

固态时为分子晶体大部分

CO2、P4O6、P4O10、SO2等_____________________H2O、NH3、CH4等几乎所有的酸HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等多数

苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等

乙酸钠等有机盐为离子晶体非金属单质非金属氧化物非金属氢化物有机化合物3.典型的分子晶体(1)碘晶体碘晶体的晶胞是一个长方体,在它的每个顶点和面上各有1个I2分子,每个晶胞中有

个I2分子。I2分子之间以

相结合。

4范德华力(2)干冰晶体干冰的晶胞为立方体,在它的每个顶点和面上各有1个CO2分子,每个晶胞中有

个CO2分子。干冰晶体中分子之间通过

相结合。4范德华力(3)冰晶体水分子之间的主要作用力是

,当然也存在

。

具有一定的方向性,它的存在迫使每个水分子与周围

个水分子结合。

氢键范德华力氢键4(4)苯甲酸晶体苯甲酸晶体微观结构如图在苯甲酸晶体中,苯甲酸分子排列形成层状结构,同一平面内分子之间通过

相互作用连接,平面之间的分子依靠

维系。

氢键范德华力4.分子晶体的物理性质(1)分子晶体由于以比较弱的

相结合,因此一般熔点较低,硬度较小。

(2)对组成和结构

,晶体中又不含氢键的分子晶体来说,随着相对分子质量的增大,范德华力

,熔点

。相对分子质量相等或相近的分子晶体,极性分子间的范德华力大,相应晶体的熔、沸点高。如CO>N2。

(3)分子晶体的溶解性一般符合“相似相溶”原理,即极性分子易溶于极性溶剂,非极性分子易溶于非极性溶剂。(4)分子晶体不导电。分子晶体在固态和熔融状态下均不导电。有些分子晶体的水溶液能导电,如HI、乙酸等。

主要指可溶的酸,因其属于电解质分子间作用力相似增强升高名师点拨分子晶体的构成微粒为分子,分子间以分子间作用力相结合,这里分子间作用力可以是范德华力,也可以是氢键。辨析比较干冰晶胞与碘晶胞比较(1)干冰晶胞为面心立方最密堆积,每个CO2分子周围与之最近且等距离的CO2分子个数为12,即CO2的配位数为12。干冰晶体中CO2的排列有4种不同的取向。晶胞中8个顶点上的CO2分子是一种取向,3套平行面上CO2分子各是一种取向。(2)碘晶体的晶胞为长方体,碘分子的排列有2种不同的取向。晶胞中8个顶点和左右面心上的I2是一种取向,上下面心和前后面心上的I2是一种取向。不同取向的碘分子以4为配位数交替配位形成层结构。深度思考(1)分子晶体结构是否一定遵循紧密堆积原理?(2)冰晶体的密度为什么比液态水小?提示

由于范德华力没有方向性和饱和性,故分子间不存在氢键的分子晶体一般遵循紧密堆积原理,例如干冰、稀有气体等;氢键有方向性和饱和性,分子间存在氢键的分子晶体不遵循紧密堆积原理,例如冰晶体。提示

冰晶体主要是水分子依靠氢键结合形成的。由于氢键具有一定的方向性,每个水分子都与周围四个水分子依靠氢键结合,形成许多四面体结构。在这种排列中,分子的间距比较大,有很多空隙,因此,液态水变成冰晶体时密度会变小。(3)金属化合物一定不属于分子晶体吗?提示

AlCl3、BeCl2等一些金属化合物都属于分子晶体。

正误判断(1)分子晶体的状态变化,只需克服分子间作用力,不破坏化学键。(

)(2)分子晶体的相对分子质量越大,熔、沸点越高。(

)提示

对于组成和结构相似又不含氢键的分子晶体来说,相对分子质量越大,熔、沸点越高。(3)分子晶体中分子间作用力越大,分子越稳定。(

)提示

分子的稳定性取决于化学键的键能,与分子间作用力无关。(4)互为同素异形体的单质的晶体类型一定相同。(

)提示

比如金刚石属于共价晶体,C60属于分子晶体。(5)分子晶体在熔融状态或溶于水均不导电。(

)提示

酸分子晶体在溶于水时可以导电。√××××重难突破•能力素养全提升探究角度

分子晶体的性质与结构例题

下列说法正确的是(

)A.范德华力普遍存在于分子之间,如液态水中因范德华力的存在使水分子发生缔合B.H2SO4为强电解质,硫酸晶体是能导电的C.冰中1个H2O分子可通过氢键与4个水分子相连,所以冰中H2O分子与氢键的数目之比为1∶4D.氢键有饱和性和方向性,所以液态水结成冰时体积会变大D解析

液态水中因分子间氢键的存在使水分子发生缔合,A不正确;虽然H2SO4为强电解质,但是硫酸晶体是分子晶体,晶体中不存在自由移动的离子,不能导电,B不正确;冰中1个H2O分子可通过氢键与4个水分子相连,但是每两个水分子共用1个氢键,所以冰中H2O分子与氢键的数目之比为1∶2,C不正确;氢键有饱和性和方向性,所以液态水结成冰时,水分子之间的空隙变大,故其体积会变大,D正确。[对点训练](2023南京高二期末)冰的晶胞结构如图所示。下列相关说法不正确的是(

)A.硫化氢晶体结构和冰相似B.冰晶体中,相邻的水分子均以氢键结合C.若晶胞中z方向上的两个氧原子最短距离为d,则冰晶胞中的氢键键长为dD.冰晶体中分子间氢键存在方向性、饱和性,晶体有较大空隙,因此密度比液态水小A解析

硫化氢分子间不存在氢键,采用紧密堆积,冰中水分子间存在氢键,因此两者结构不相似,故A错误;在冰晶体中,每个水分子与四个相邻水分子通过氢键相结合,故B正确;氢键键长可以表示为通过氢键相连的两个氧原子的核间距,z方向上距离最近的两个O原子所在的水分子通过氢键相连,故C正确;在冰晶体中,由于氢键有方向性和饱和性,迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶点方向的4个相邻水分子相互作用,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,故D正确。知识点三晶体结构的复杂性基础落实•必备知识全过关知识点三晶体结构的复杂性1.混合型晶体——石墨晶体的结构与性质(1)结构模型(2)结构特点①石墨晶体具有

结构,同一层中的每个碳原子以

杂化轨道与邻近的

个碳原子以

相结合,形成无限的

平面网状结构,键角为120°。

②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,因此能形成遍及整个平面的

键,具有

的性质,这就是石墨沿层的平行方向导电性强的原因。

③层与层之间以

相结合,可以相对滑动,使之具有润滑性。

④石墨晶体中存在的作用力有

、

、类似

的作用力,我们将这类晶体称为

晶体。

层状sp23共价键六边形大π金属键范德华力共价键范德华力金属键混合型(3)性质熔点高、质软、有良好的导电性。(4)用途制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等。2.晶体结构复杂性的原因(1)物质组成的复杂性导致晶体中存在多种不同微粒以及不同的微粒间作用。例如,BaTiO3含有一种阴离子和多种阳离子,Ca5(PO4)3OH含有一种阳离子和多种阴离子。(2)金属键、离子键、共价键、配位键等都是化学键的典型模型,但是,原子之间形成的化学键往往是介于典型模型之间的过渡状态。由于微粒间的作用存在键型过渡,即使组成简单的晶体,也可能是居于金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体之间的过渡状态,形成过渡晶体。(3)金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体等都是典型的晶体结构模型,大多数实际晶体结构要复杂得多,都是过渡晶体或混合型晶体。辨析比较石墨与金刚石结构比较(1)石墨是层状结构,就一个片层而言,每1个碳原子会与其周围的3个碳原子通过强烈的相互作用紧密结合,紧密结合的两个碳原子之间的距离约为0.142

nm。在石墨中层与层之间相距为0.335

nm,层层距离大且为范德华力,故石墨质地很软,有滑腻感。(2)金刚石的结构模型是每个碳原子都与周围的4个碳原子通过强烈的相互作用紧密结合。紧密结合的两个碳原子之间的距离约为0.154

nm,从而形成致密的三维结构,正是这种致密的结构,使得金刚石成为天然存在的最坚硬的物质。(3)由于金刚石中的C—C键的键长大于石墨中C—C键的键长,石墨中的C—C键键能大于金刚石,故石墨熔点高于金刚石。正误判断(1)石墨属于共价晶体,能导电,也属于电解质。(

)提示

石墨是混合型晶体,不属于电解质。(2)石墨中含有范德华力,所以石墨的熔点低。(

)提示

石墨的熔点很高。(3)石墨的硬度比金刚石大。(

)提示

石墨质地很软。(4)石墨能导电,所以属于金属晶体。(

)提示

石墨是混合型晶体。(5)物质组成的复杂性及微粒间的作用存在键型过渡导致了晶体结构的复杂性。(

)××××√重难突破•能力素养全提升探究角度

晶体结构的复杂性例题

石墨晶体是层状结构(如图),下列有关石墨晶体的说法正确的一组是(

)①石墨层与层间靠范德华力维系②石墨中的C为sp2杂化③石墨的熔、沸点都比金刚石低④石墨和金刚石的硬度相同⑤石墨层内导电性和层间导电性不同A.全对

B.①②③C.①②⑤ D.②③④C解析

③不正确,石墨的熔点比金刚石高;④不正确,石墨质软,金刚石的硬度大。[对点训练]磷及其化合物在电池、催化等领域有重要应用。黑磷与石墨类似,也具有层状结构(如图1)。为大幅度提高锂电池的充电速率,科学家最近研发了黑磷—石墨复合材料,其单层结构俯视图如图2所示。下列说法正确的是(

)A.黑磷中P—P键的键能完全相同B.黑磷与石墨都属于混合型晶体C.由石墨与黑磷制备该复合材料的过程,未发生化学反应D.复合材料单层中,P原子与C原子之间的作用力属于范德华力B解析

据图1可知黑磷中P—P键的键长不完全相等,所以键能不完全相同,故A错误;黑磷与石墨类似,每一层原子之间由共价键组成六元环结构,层与层之间存在范德华力,所以为混合型晶体,故B正确;由石墨与黑磷制备该复合材料的过程中,P—P键和C—C键断裂,形成P—C键,发生了化学反应,故C错误;复合材料单层中,P原子与C原子之间的作用力为共价键,故D错误。学以致用·随堂检测全达标123456题组1共价晶体1.根据下列性质判断,下列中可能属于共价晶体的物质是(

)A.熔点700℃,质软,导电性好,延展性强B.无色晶体,熔点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B123456解析

共价晶体的熔点高,但不能导电,因此熔点700

℃,导电性好,延展性强,应该是金属晶体,A错误;无色晶体,熔点3

500

℃,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800

℃,熔化时能导电,符合离子晶体的性质,属于离子晶体,C错误;熔点-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,属于分子晶体,D错误。1234562.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键数目之比为1∶4D.金刚石中最小的碳环上平均拥有

个碳原子D123456解析

金刚石是共价晶体,CH4是分子晶体,二者的晶体类型不同,A错误;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,B错误;金刚石中碳原子个数与C—C键数目之比为1∶2,C错误;金刚石中每个碳原子为12个碳环共用,最小的碳环上有6个碳原子,故最小碳环上平均拥有的碳原子数为

,D正确。1234563.回答下列问题:(1)氮化碳和氮化硅晶体结构相似,是新型的非金属高温陶瓷材料,它们的硬度大、熔点高,化学性质稳定。①氮化硅的硬度

(填“大于”或“小于”)氮化碳的硬度,原因是

。②已知氮化硅的晶体结构中,原子间都以单键相连,且氮原子与氮原子不直接相连、硅原子与硅原子不直接相连,同时每个原子都满足8电子稳定结构,请写出氮化硅的化学式:

。

小于氮化硅和氮化碳均为共价晶体,氮化硅中N—Si键的键长比氮化碳中C—N键的键长长,键能小Si3N4123456(2)ⅢA族、ⅤA族元素组成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的新型半导体材料,其晶体结构与单晶硅相似。①在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

,GaN属于

晶体。

②三种新型半导体材料的熔点由高到低的顺序为

。

4正四面体形共价GaN>GaP>GaAs123456解析

(1)②由题意知氮化硅晶体中每个Si原子连接4个N原子,每个N原子连接3个Si原子,Si和N原子均达到8电子稳定结构,其化学式为Si3N4。(2)①GaN与单晶硅结构相似,所以每个Ga原子与4个N原子形成共价键,每个N原子与4个Ga原子形成共价键,与同一个Ga原子相连的N原子构成正四面体形结构,GaN与晶体硅结构相似,属于共价晶体;②原子半径越小,共价键越强,共价晶体的熔点越高,则三种新型半导体材料的熔点由高到低的顺序为GaN>GaP>GaAs。123456