2025春高二化学选择性必修2 （配人教版）第三章 晶体结构与性质 第二节 分子晶体与共价晶体 第2课时 共价晶体

共价晶体第2课时学习目标1.通过认识共价晶体及其结构特点,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粒子之间的作用对共价晶体物理性质的影响。2.通过对典型共价晶体的分析探究,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。任务分项突破『自主梳理』1.共价晶体学习任务1认识共价晶体及其结构特点原子共价键分子共价键三维骨架[示例]共价晶体中都有共价键,但仅含有共价键的

是共价晶体,如CO2、H2O等分子晶体中也含有共价键。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。2.两种典型的共价晶体(1)金刚石。不一定①碳原子采取

杂化,C—C—C夹角为

。②每个碳原子与周围紧邻的

个碳原子以共价键结合,形成共价键三维骨架结构。sp3109°28′4(2)二氧化硅晶体。①存在及结构。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。在低温石英的结构中,顶角相连的

形成螺旋上升的长链,这一结构决定了它具有手性,如图所示。硅氧四面体②用途。用作压电材料(如制作石英手表),还是制造

、

、单晶硅、硅光电池、芯片和

的原料。3.常见共价晶体及物质类别物质种类实例某些

晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等某些

碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)等极少数金属氧化物刚玉(Al2O3)水泥玻璃光导纤维非金属单质非金属化合物『互动探究』材料1金刚石,俗称“金刚钻”,它是一种由碳元素组成的矿物,是石墨的同素异形体,是美丽、透明、折光率高的晶体,也是常见的钻石的原身。材料2纯净的天然二氧化硅晶体,是一种坚硬、脆性、不溶于水的无色透明的固体,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。探究典型共价晶体的结构特点问题1:观察金刚石晶体结构模型,晶体中碳原子个数与C—C的个数之比为多少?晶体中最小碳环是几元环?在上述晶体结构图中画出一个最小的碳环(相应的碳原子涂黑)。提示:晶体中每个碳原子都参与了4个C—C的形成,在每个C—C中的贡献只有一半,故晶体中碳原子个数与C—C的个数之比为1∶2。根据晶体结构,可知最小碳环是六元环。问题2:一个金刚石晶胞中含有几个碳原子?若晶胞的边长为apm,晶胞中两个最近的碳原子之间的距离是多少?问题3:根据材料2的描述,二氧化硅晶体中,每个正四面体占有几个Si,几个O?有没有单个分子?提示:1,2。没有单个分子。问题4:根据材料2的描述,晶体中最小环上有几个O,几个Si?在上述晶体结构图中画出一个最小的环(相应的原子涂黑)。提示:6,6。归纳拓展金刚石(晶体硅)、二氧化硅、碳化硅的晶胞分析①每个顶点和面心均有1个碳原子;②晶胞内部有4个碳原子,每个金刚石晶胞中含有8个碳原子;③硅晶胞结构同金刚石晶胞①相当于在晶体硅结构中每2个硅原子中间插入1个氧原子;②晶胞中有8个硅原子位于立方晶胞的顶点,有6个硅原子位于立方晶胞的面心,还有4个硅原子与16个氧原子在晶胞内构成4个硅氧四面体,均匀排列于晶胞内;③每个SiO2晶胞中含有8个硅原子和16个氧原子①碳、硅原子都采取sp3杂化,C—Si键角为109°28′;②每个硅(碳)原子与周围紧邻的4个碳(硅)原子以共价键结合成正四面体结构,向空间伸展形成空间网状结构;③最小环由6个原子组成且不在同一平面内,其中包括3个碳原子和3个硅原子;④每个SiC晶胞中含有4个碳原子和4个硅原子『题组例练』1.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.共价晶体的熔点与键能和范德华力强弱有关C.共价晶体具有空间网状结构D.共价晶体中不存在独立分子√解析:共价晶体由原子通过共价键结合而成,熔化时需破坏共价键,共价晶体的熔点与键能大小有关,与范德华力的强弱无关,A正确、B不正确;共价晶体由原子通过共价键结合而成,具有空间网状结构,C正确;共价晶体中不存在独立分子,D正确。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.CO2和SiO2晶体类型相同B.SiO2中一个Si周围有4个O,CO2中一个C周围有4个OC.晶体中Si杂化方式为sp3,O杂化方式为spD.晶体中最小环上的原子数为12√解析: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,A错误;SiO2中一个Si周围有4个O,CO2中一个C周围有2个O,B错误;该晶体中每个Si形成4个共价键,每个O形成2个共价键且每个O还含有2个孤电子对,则Si、O的价层电子对数都是4,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正确。3.碳化硅和立方氮化硼的结构与金刚石类似,碳化硅硬度仅次于金刚石,立方氮化硼硬度与金刚石相当,其晶胞结构如图所示。请回答下列问题。(1)碳化硅晶体中,硅原子杂化类型为

,每个硅原子周围与其距离最近的碳原子有

个;设晶胞边长为acm,密度为bg·cm-3,则阿伏加德罗常数可表示为

(用含a、b的式子表示)。

sp34(2)立方氮化硼晶胞中有

个硼原子、

个氮原子,硼原子的杂化类型为

,若晶胞的边长为ccm,则立方氮化硼的密度为

g·cm-3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。

44sp3学习任务2探究共价晶体的物理性质『自主梳理』1.物理性质(1)熔点很

。(2)硬度很

。金刚石是天然存在的最硬的物质。(3)一般

导电。但晶体硅是半导体。(4)不溶于一般溶剂。高大不2.共价晶体熔点和硬度的比较规律结构相似的共价晶体,原子半径越小,键长越

,键能越

,晶体的熔点越高,硬度越大。短大『互动探究』材料金刚石、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154348>350010碳化5晶体硅23422614106.5探究共价晶体的物理性质问题1:使共价晶体熔化,需要破坏的粒子间作用力是什么?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。问题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。问题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C—C>C—Si>Si—Si。归纳拓展共价晶体与分子晶体的比较晶体类型共价晶体分子晶体构成粒子原子分子粒子间作用力共价键分子间作用力结构特点空间网状结构分子密堆积或非密堆积物理性质熔点、沸点高,硬度大,不溶于一般溶剂熔点、沸点低,硬度小,遵守“相似相溶”规律熔化时破坏的作用力共价键范德华力(有时破坏氢键)举例金刚石冰、干冰『题组例练』题点一共价晶体的性质与判断1.在40GPa高压下,用激光器加热到1800K,人们成功制得了类似SiO2结构的共价晶体干冰。下列推断错误的是(

)A.共价晶体干冰的熔点、沸点很高B.共价晶体干冰易升华,可用作制冷材料C.共价晶体干冰的硬度大,可用作耐磨材料D.1mol共价晶体干冰中含4molC—O√解析:题中已经指出制得的干冰是共价晶体,则共价晶体干冰的熔点、沸点高,不易升华,且硬度大,可用作耐磨材料,A、C正确,B错误;共价晶体干冰结构与SiO2结构类似,则1mol共价晶体干冰中含4molC—O,D正确。规律方法判断共价晶体的方法(1)依据构成晶体的粒子和粒子间的作用力判断:构成共价晶体的粒子是原子,粒子间的作用力是共价键。(2)依据晶体的熔点判断:共价晶体的熔点高,常在1000℃以上。(3)依据晶体的导电性判断:共价晶体多数为非导体,但晶体Si、晶体Ge为半导体。(4)依据晶体的硬度和机械性能判断:共价晶体的硬度大。题点二共价晶体的性质比较2.下列晶体性质的比较不正确的是(

)A.沸点:NH3>PH3B.熔点:SiI4>SiBr4>SiCl4C.硬度:白磷>冰>二氧化硅D.硬度:金刚石>碳化硅>晶体硅√解析:A项中NH3分子间存在氢键,故沸点NH3>PH3,正确;B项中三种物质的组成和结构相似,且均为分子晶体,熔点随相对分子质量的增大而升高,正确;C项中白磷和冰都是分子晶体,硬度小,而二氧化硅是共价晶体,硬度大,错误;D项中的三种物质都是共价晶体,由于原子半径C<Si,所以键长C—C<C—Si<Si—Si,故键能C—C>C—Si>Si—Si,而键能越大,共价晶体的硬度越大,正确。3.现有两组物质的熔点数据如下表所示:A组B组金刚石:>3500℃HF:-84℃晶体硅:1410℃HCl:-114℃晶体硼:2300℃HBr:-87℃二氧化硅:1710℃HI:-51℃(1)A组属于

晶体,其熔化时克服的粒子间的作用力是

。(2)B组中HF熔点反常是由于

。

(3)B组晶体不可能具有的性质是

(填序号)。

①硬度小②水溶液能导电③固体能导电④液体状态能导电

共价共价键HF分子间能形成氢键③④解析:A组熔点很高,应是共价晶体,共价晶体熔化时破坏的是共价键。B组是分子晶体,且结构相似,一般相对分子质量越大,熔点越高,HF的相对分子质量最小,但熔点比HCl的高,出现反常的原因是HF分子间存在氢键,HF熔化时除了破坏范德华力,还要破坏氢键,所需能量更多,因而熔点更高。分子晶体在固态和熔融状态下都不导电。思维建模晶体熔点、沸点和硬度的比较方法判断晶体类型→分析作用力强弱→进行性质比较。(1)不同晶体类型:一般来说,共价晶体的熔点、沸点高于分子晶体的,共价晶体的硬度大于分子晶体的。(2)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影响分子晶体熔点、沸点的三要素:氢键、范德华力、极性。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。『知识整合提升』学科素养测评硅是一种重要的非金属单质,硅及其化合物的用途非常广泛。根据所学知识回答硅及其化合物的相关问题。(1)基态硅原子的核外电子排布式为

。

1s22s22p63s23p2(2)晶体硅的微观结构与金刚石的相似,晶体硅中Si—Si之间的夹角大小约为

。

109°28′解析:(2)晶体硅以一个硅原子为中心,与另外四个硅原子形成正四面体结构,所以Si—Si之间的夹角大小约为109°28′。(3)请在图中补充完成SiO2晶体的结构示意图(部分原子已画出),并进行必要的标注。答案:(3)解析:(3)图中给出的是硅晶体的结构,SiO2晶体相当于在硅晶体结构中的每个Si—Si中插入一个氧原子,所以只要在每两个硅原子之间画一个半径比硅原子小的原子,再用实线连起来即可。(4)下表列有三种物质(晶体)的熔点。物质SiO2SiCl4SiF4熔点/℃1710-70.5-90.2简要解释熔点产生差异的原因。①SiO2和SiCl4: