高中 化学 选择性必修2 第三章 晶体结构与性质《第二节 第2课时 共价晶体》教学设计

第2课时共价晶体[课程标准]1.能结合金刚石和晶体硅的晶体结构描述共价晶体中微粒排列的周期性规律。2.借助金刚石和晶体硅等的模型认识共价晶体的结构特点，并能说明共价晶体中的微粒及微粒间的相互作用。任务一共价晶体的结构和性质材料1：部分共价晶体的物理性质：共价晶体金刚石氮化硼碳化硅石英硅锗熔点/℃>350030002700171014101211硬度109.59.576.56.0材料2：根据量子力学计算，氮化碳有五种结构，其中一种β­氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料，其二维晶体结构如图所示。问题1：由材料1表中数据可知，共价晶体的熔点普遍较高、硬度较大，为什么？问题2：根据表中数据，金刚石、硅和锗的熔点和硬度均依次降低，如何解释？问题3：由材料2推测氮化碳所属的晶体类型是什么？问题4：根据图示推测氮化碳结构是什么样的？其中碳和氮的价态是多少？化学式是什么？提示：问题1：共价晶体中原子间是通过较强的共价键相互作用的，并且形成三维骨架结构，所以普遍熔点较高、硬度较大。问题2：三者的组成元素为同主族元素，形成的晶体结构相似，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，硬度越大。问题3：根据β­氮化碳硬度超过金刚石晶体判断，氮化碳属于共价晶体。问题4：分析氮化碳二维晶体结构可知，每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连。氮的非金属性大于碳的非金属性，氮化碳中碳显＋4价，氮显－3价，其化学式为C3N4。1．共价晶体(1)共价晶体定义：所有原子都以共价键相互结合形成共价三维骨架结构的晶体叫共价晶体。(2)共价晶体的结构特点说明：①空间结构：整块晶体是一个三维的共价键网状结构，不存在单个的小分子，是一个“巨分子”，不存在单个的分子，因此，共价晶体的化学式不表示其实际组成，只表示其组成的原子个数比。②共价晶体熔化时被破坏的作用力是共价键。③共价晶体中只有共价键，但含有共价键的晶体不一定是共价晶体。如CO2、H2O等分子晶体中也含有共价键。2．常见的共价晶体物质种类实例某些非金属单质晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等某些化合物碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)等某些非金属氧化物二氧化硅(SiO2)等极少数金属氧化物刚玉(α­Al2O3)3.共价晶体的物理性质(1)共价晶体的物理性质①熔点很高：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。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。②硬度很大：共价键三维骨架结构决定了共价晶体的硬度，如金刚石是天然存在的最硬的物质。③一般不导电，但晶体硅、锗是半导体。④难溶于一般的溶剂。(2)共价晶体熔、沸点的比较①规律：一般原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。②原因：原子半径越小，则化学键的键长越短，化学键就越强，键就越牢固，破坏化学键需要的能量就越多，键能越大，故晶体的熔点就越高。③实例：在金刚石、碳化硅、晶体硅中，原子半径：C<Si，则键长：C—C<C—Si<Si—Si，故键能：C—C>C—Si>Si—Si，故熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。1．正误判断，错误的说明原因。(1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体。答案：错误，由原子直接构成的晶体不一定是共价晶体，也可以是分子晶体。(2)具有共价键的晶体一定是共价晶体。答案：错误，可以是分子晶体。(3)SiO2和干冰都是同一主族元素的氧化物，二者晶体类型相同。答案：错误，SiO2是共价晶体而干冰是分子晶体。(4)共价晶体由于硬度及熔、沸点都较高，故常温时都不与其他物质反应。答案：错误，共价晶体常温时有些可以与其他物质反应。2．单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据：金刚石晶体硅晶体硼熔点/℃355014152573沸点/℃482726282823摩氏硬度107.09.5晶体硼的晶体类型属于__________，理由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案：共价晶体晶体硼熔、沸点和硬度介于金刚石和晶体硅之间，而金刚石、晶体硅都是共价晶体(或熔沸点都很高，硬度大)解析：晶体硼熔、沸点和硬度介于金刚石和晶体硅之间，而金刚石、晶体硅都是共价晶体，因此晶体硼也是共价晶体。任务二典型的共价晶体材料1：金刚石的晶体结构模型如下图。材料2：纯净的天然二氧化硅晶体，是一种坚硬、脆性、不溶的无色透明的固体，常用于制造光学仪器等。二氧化硅晶体中，硅原子位于正四面体的中心，四个氧原子位于正四面体的四个顶角上，许多个这样的四面体又通过顶角的氧原子相连，每个氧原子为两个四面体共有，即每个氧原子与两个硅原子相结合。问题1：分析共价晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同？问题2：分析金刚石的晶体结构模型，最小的环有多少个原子？问题3：根据材料2的描述，每个正四面体占有几个Si原子、几个O原子？有没有单个分子？提示：问题1：①构成微粒不同，共价晶体中只存在原子，没有分子。②微粒间的相互作用不同，共价晶体中原子之间通过共价键结合，分子晶体中分子之间的作用是分子间作用力。问题2：金刚石最小环上有6个原子。问题3：1、2。没有单个分子。1．金刚石(1)碳原子采取sp3杂化，C—C—C夹角为109°28′。(2)每个碳原子与周围紧邻的4个碳原子结合，形成共价键三维骨架结构。(3)最小碳环由6个碳原子组成，且最小环上有4个碳原子在同一平面内；每个碳原子被12个六元环共用。2．二氧化硅晶体(1)二氧化硅的结构二氧化硅是自然界含量最高的固态二元氧化物，有多种结构，最常见的是低温石英(α­SiO2)。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(左、右型)。①Si原子采取sp3杂化，正四面体内O—Si—O键角为109°28′。②每个Si原子与4个O原子形成4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2个硅氧正四面体共用；每个O原子和2个Si原子形成2个共价键，晶体中Si原子与O原子个数比为1∶2。③最小环上有12个原子，包括6个O原子和6个Si原子。(2)二氧化硅的用途二氧化硅是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。1．正误判断，错误的说明原因。(1)金刚石晶体中，每个碳原子与周围4个碳原子形成4个共价键的平面结构。答案：错误，金刚石晶体中，每个碳原子与周围4个碳原子形成4个共价键的立体结构。(2)金刚石晶体结构中碳原子的杂化类型是sp3。答案：正确。(3)金刚石晶体中的C原子与C—C共价键数目之比为1∶4。答案：错误，碳原子的个数与C—C键数目比为1∶2。(4)二氧化硅晶体中的Si原子与Si—O共价键的数目之比为1∶4。答案：正确。2．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。(2)已知晶胞参数为apm，则金刚石的密度为________g·cm－3。(3)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为________pm。(4)碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？答案：(1)8(2)eq\f(12×8,NA(a×10－10)3)(3)eq\f(\r(3),4)a(4)2r＝eq\f(\r(3),4)apm，即r＝eq\f(\r(3),8)apm。1．科学家成功地制成了一种新型的碳氧化合物，该化合物晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为空间网状的无限伸展结构。下列对该晶体叙述错误的是()A．晶体的熔、沸点高，硬度大B．该物质的化学式为CO2C．晶体中C原子数与C—O化学键数之比为1∶6D．晶体的空间最小环由12个原子构成答案：C解析：A项，该化合物晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为空间网状的无限伸展结构，所以是共价晶体，熔、沸点高，硬度大，故A正确；B项，晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合，每个氧原子和2个碳原子以共价单键相结合，所以碳氧原子个数比为1∶2，则其化学式为CO2，故B正确；C项，该晶体中，每个碳原子含有4个C—O共价键，所以C原子与C—O化学键数目之比为1∶4，故C错误；D项，该晶体的空间最小环是由6个碳原子和6个氧原子构成的12元环，故D正确。2．下列事实能说明刚玉(Al2O3)是一种共价晶体的是()①Al2O3是两性氧化物②硬度很大③它的熔点为2045℃④几乎不溶于水⑤自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石A.①②③ B．②③④C．④⑤ D．②⑤答案：B解析：①指的是Al2O3的分类，⑤指的是刚玉的种类，这两项都无法说明Al2O3是一种共价晶体。3．(1)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—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∶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(2)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键。答案：(1)C(2)1260°30解析：(1)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，而每个C对每条键的贡献只有一半，故碳原子个数与C—C键键数之比为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4×\f(1,2)))∶4＝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。(2)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×eq\f(1,2)×3＝30。课时测评18共价晶体(本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！)题点一共价晶体的组成1．下列物质属于共价晶体的是()A．SO2 B．SiO2C．HNO3 D．葡萄糖答案：B解析：A.SO2属于分子晶体，故A不符合题意；B.二氧化硅是由原子构成的，通过共价键形成空间网状结构，属于共价晶体，故B符合题意；C.硝酸分子为平面共价分子，属于分子晶体，故C不符合题意；D.葡萄糖是共价化合物，是通过分子间作用力形成的分子晶体，故D不符合题意；答案选B。2．直接由原子构成的一组物质是()A.水、二氧化碳、金刚石B．单质碘、干冰、白磷(P4)C．氯化钠、金刚石、二氧化硅晶体D．硅晶体、金刚石、二氧化硅晶体答案：D解析：A.水、二氧化碳为分子晶体，是由分子构成的，故A错误；B.单质碘、干冰、白磷(P4)为分子晶体，是由分子构成的，故B错误；C.氯化钠由离子构成，故C错误；D.二氧化硅、金刚石、硅晶体均为共价晶体，均直接由原子构成，故D正确。3．下列各组晶体物质中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是()①SiO2和SO3②晶体硼和HCl③CO2和SO2④晶体硅和金刚石⑤晶体氖和晶体氮⑥硫黄和碘A.①②③ B．④⑤⑥C．③④⑥ D．①③⑤答案：C解析：属于分子晶体的有SO3、HCl、CO2、SO2、晶体氖、晶体氮、硫黄和碘；属于共价晶体的有SiO2、晶体硼、晶体硅和金刚石。此外，晶体氖是由稀有气体分子组成，稀有气体为单原子分子，原子间不存在化学键。题点二共价晶体的性质4．下表是某些共价晶体的熔点和硬度，分析表中的数据，下列叙述正确的是()共价晶体金刚石氮化硼碳化硅石英硅锗熔点/℃390030002700171014101211硬度109.59.576.56.0①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小，晶体的硬度越大④构成共价晶体的原子半径越大，共价键的键能越大A．①② B．③④C．②③ D．②④答案：C解析：①共价晶体的熔点与共价键键能大小有关，跟原子种类多少无关，①错误；②共价晶体的熔点与共价键键能大小有关，键能大小与原子半径关系是半径越小，键能越大，表中原子半径：C<Si，熔点：金刚石>碳化硅>硅，②正确；③从表中数据可看出原子半径：C<Si，硬度：金刚石>碳化硅>硅，③正确；④构成共价晶体的原子半径越小，共价键的键能越大，④错误；综上分析可得正确组合为②③；答案选C。5．据下列性质判断，属于共价晶体的物质是()A．熔点2700℃，导电性好，延展性强B．无色晶体，熔点3550℃，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答案：B解析：A项中导电性好，不是共价晶体的特征，因为共价晶体中原子与原子之间以共价键结合，而共价键有一定的方向性，使共价晶体的质硬而脆，A项错误，B项符合共价晶体的特征，C项应该是离子晶体，D项不符合共价晶体的特征。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。下列有关说法正确的是()A.磷化硼的化学式为B2PB．磷化硼晶体的熔点高，且熔融状态下能导电C．磷化硼晶体属于共价晶体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位于晶胞的顶点和面心，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，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。由磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料可知磷化硼晶体属于共价晶体，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。题点三共价晶体的结构7．我国科学家合成了富集11B的非碳导热材料立方氮化硼晶体，该晶体是硬度仅次于金刚石的超硬材料，具有金刚石的许多优良特性，立方氮化硼晶体的晶胞结构如图。下列说法错误的是()A．11B和10B互为同位素B．N原子周围等距且最近的B原子数为8C．该晶胞中含有4个B原子，4个N原子D．立方氮化硼晶体属于共价晶体答案：B解析：A.11B和10B的质子数相同、中子数不同，互为同位素，故A正确；B.由晶胞结构可知，位于顶点的硼原子与位于体对角线上的氮原子的距离最近，所以N原子周围等距且最近的硼原子数为4，故B错误；C.由晶胞结构可知，位于顶点和面心的硼原子的个数为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，位于体内的氮原子个数为4，故C正确；D.由立方氮化硼晶体是硬度仅次于金刚石的超硬材料，具有金刚石的许多优良特性可知，该晶体属于共价晶体，故D正确；故选B。8.Al2O3在一定条件下可转化为硬度、熔点都很高的氮化铝晶体，氮化铝的晶胞如图所示。下列说法正确的是()A．氮化铝属于分子晶体B．氮化铝可用于制造切割金属的刀具C．1个氮化铝晶胞中含有9个Al原子D．氮化铝晶体中Al的配位数为2答案：B解析：A.硬度高、熔点高一般不会是分子晶体，描述错误，A不符合题意；B.硬度高、熔点高正好适合做在高温环境下切割金属的道具材料，描述正确，B符合题意；C.根据晶胞结构，顶点和体心有Al原子，故晶胞含有Al原子个数为8×eq\f(1,8)＋1＝2，描述错误，C不符合题意；D.由晶胞体心的Al原子周围的N原子个数可知，Al原子的配位数应是4，描述错误，D不符合题意；综上，本题选B。9．下面关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是()A．1molSiO2晶体中Si—O键为2molB．二氧化硅晶体的分子式是SiO2C．晶体中Si、O原子最外电子层都满足8电子结构D．最小的环上，有3个Si原子和3个O原子答案：C解析：A.每个Si原子形成四个共价键，则1molSiO2晶体中含4molSi—O键，故A错误；B.由二氧化硅晶体结构图可知，每个硅原子周围连有四个氧原子，每个氧原子周围连有2个硅原子，则Si、O原子个数比为1∶2，不存在分子，故B错误；C.在晶体中硅原子周围有4个共用电子对，氧原子有2个共用电子对，而氧原子最外层就是6个电子，这样两种原子都满足8电子结构，故C正确；D.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，故D错误。故选C。10．下图所示的几种碳单质，关于它们的说法错误的是()A．四种碳单质互为同素异形体，其中石墨和碳纳米管均可导电B．金刚石晶体中每个C原子被6个六元环所共用C．12g石墨晶体中含有的六元环的数目为0.5NAD．C60晶体中每个C60分子周围与它最近且等距的C60分子有12个答案：B解析：A.四种物质均为碳的单质，且结构不同，属于同素异形体，且石墨和碳纳米管均可导电，故A正确；B.由晶体结构可知金刚石晶体任意两个相邻的C—C键参加2个六元环的形成，每个C原子可形成4个C—C键，则每个C原子被12个六元环共用，故B错误；C.由石墨晶体结构可知，每个C原子与3个C原子形成C—C键，则每个环中含2个C原子，12g石墨晶体中含有的六元环的数目为0.5NA，故C正确；D.C60晶胞为立方最密堆积，每个C60分子周围与它最近且等距的C60分子有12个，故D正确；故选B。11．下列关于共价晶体、分子晶体的叙述中，不正确的是()A．在SiO2晶体中，1个硅原子和4个氧原子形成4个共价键B．混合型晶体石墨的熔点高于金刚石C．HI的相对分子质量大于HF，所以HI的沸点高于HFD．金刚石为网状结构，由共价键形成的碳原子环中，最小环上最多4个碳原子共面答案：C解析：A.在SiO2晶体中，1个硅原子和4个氧原子形成4个共价键，A项正确；B.石墨中的碳碳键的键长小于金刚石中的碳碳键的键长，且石墨熔化时不仅要克服共价键，还要破坏分子间作用力，故熔点大于金刚石，B项正确；C.虽然HI的相对分子质量大于HF，但是由于HF分子之间可以形成氢键，所以HF的沸点高于HI，C项错误；D.金刚石为网状结构，由共价键形成的碳原子环中，最小环上有6个碳原子，最多4个碳原子共面，D项正确；答案选C。12．C60、金刚石和石墨的结构模型如下图所示(石墨仅表示出其中一层结构)。(1)C60、金刚石和石墨三者的关系互为________(填字母)。A．同分异构体 B．同素异形体C．同系物 D．同位素(2)固态时，C60属于________晶体。(3)石墨层状结构中，平均每个正六边形占有的碳原子数是________个。(4)BN晶体有多种结构，其中立方氮化硼具有金刚石型结构(如图)。①该晶体的最小环中含有________个B原子；N原子的配位数为________。②已知立方氮化硼晶体内存在配位键，则其晶体中配位键与普通共价键数目之比为________。原子坐标参数可表示晶胞内部各原子的相对位置，图中a处B原子的坐标参数为(0，0，0)，则距离该B原子最近的N原子的坐标参数为________。答案：(1)B(2)分子(3)2(4)①34②1∶3eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4)，\f(1,4)，\f(1,4)))解析：(1)同种元素的不同单质互称同素异形体，C60、金刚石和石墨是碳元素的不同单质，属于同素异形体，答案选B；(2)C60构成微粒是分子，一个分子中含有60个碳原子，所以属于分子晶体；(3)石墨层状结构中，每个碳原子被三个正六边形共用，所以平均每个正六边形占有的碳原子数＝6×eq\f(1,3)＝2；(4)①该晶体的最小环中含有3个B原子，3个N原子，N原子周围距离最近的B原子有4个，N原子的配位数为4；②立方氮化硼的结构与金刚石相似，硬度大，属于共价晶体，硼原子的价电子数为3，形成4个共价键，有1个配位键，3个普通共价键，配位键与普通共价键数目之比为1∶3；a处B原子的坐标参数为(0，0，0)，距离该B原子最近的N原子连线处于晶胞对角线上，且二者距离为体对角线的eq\f(1,4)，则该N原子到各坐标平面距离均等于晶胞棱长的eq\f(1,4)，距离该B原子最近的N原子的坐标参数为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4)，\f(1,4)，\f(1,4)))。13．氮化硼晶体的结