第三章 晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 學(xué)案3 共價晶體

第三章晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

第二節(jié)分子晶體與共價晶體

第2課時共價晶體學(xué)習(xí)目標(biāo)1．能結(jié)合金剛石和晶體硅的晶體結(jié)構(gòu)描述晶體中微粒排列的周期性規(guī)律。2．借助金剛石和晶體硅等的模型認(rèn)識晶體的結(jié)構(gòu)特點，并能說明晶體中的微粒及微粒間的相互作用。核心素養(yǎng)宏觀辨識與微觀探析：能辨識常見的共價晶體，并能從微觀角度分析共價晶體中各構(gòu)成微粒之間的作用和對分子晶體物理性質(zhì)的影響。證據(jù)推理與模型認(rèn)知：能利用共價晶體的通性推斷常見的共價晶體，理解共價晶體中微粒的堆積模型，并能利用均攤法對晶胞進(jìn)行分析。知識梳理一、共價晶體的概念與性質(zhì)1．概念相鄰原子間以相結(jié)合形成共價鍵三維骨架結(jié)構(gòu)的晶體。2．構(gòu)成微粒及作用力3．物理性質(zhì)共價晶體中，由于各原子均以強的共價鍵相結(jié)合，因此，一般熔點，硬度難溶于常見溶劑，一般導(dǎo)電。結(jié)構(gòu)相似的共價晶體，原子半徑越小，鍵長，鍵能越大，晶體的熔點。4．常見共價晶體及物質(zhì)類別某些單質(zhì)：如、、鍺(Ge)、硼(B)和灰錫(Sn)等。某些非金屬化合物：如、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。⑶極少數(shù)金屬氧化物，如剛玉(aAl2O3)等。歸納?總結(jié)1．不同類型晶體熔、沸點的高低比較不同類型的晶體，熔、沸點的高低順序為共價晶體〉分子晶體，原因是共價晶體的熔、沸點與共價鍵的大小有關(guān)，而分子晶體的熔、沸點與分子間的作用力有關(guān)。2．共價晶體熔、沸點的高低比較共價晶體的熔、沸點高低取決于共價鍵的鍵能。一般來說，鍵長越短、鍵能越大，共價鍵越穩(wěn)定，物質(zhì)的熔、沸點越高。若未告知鍵長和鍵能的數(shù)據(jù)時，可以通過比較原子半徑的大小來確定共價鍵的強弱。如比較金剛石(C—C)、晶體硅(Si—Si)、碳化硅(Si—C),其中原子半徑：Si＞C,則熔點：金剛石＞碳化硅＞晶體硅。［名師點撥］共價晶體中不存在單個的分子，因此共價晶體的化學(xué)式不表示其實際組成，只表示其組成的原子個數(shù)比。共價晶體熔化時破壞的作用力是共價鍵。共價晶體中只有共價鍵，但含有共價鍵的晶體不一定是共價晶體，如12、S8等分子晶體中也含有共價鍵。由原子構(gòu)成的晶體不一定是共價晶體，如由稀有氣體構(gòu)成的晶體屬于分子晶體，共價晶體中不存在范德華力。鞏固?練習(xí)1．下列關(guān)于金剛石的說法中，錯誤的是()晶體中不存在獨立的分子碳原子間以共價鍵相結(jié)合是天然存在的硬度最大的物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在高溫下也不與氧氣發(fā)生反應(yīng)TOC\o"1-5"\h\z2．下列晶體屬于共價晶體的是()晶體碘B.晶體硅C.干冰D.冰下表是某些共價晶體的熔點和硬度，分析表中的數(shù)據(jù)，判斷下列敘述正確的是()共價晶體金剛石氮化硼碳化硅石英硅鍺熔點/°c>350030002700171014101211

硬度109.59.576.56.0構(gòu)成共價晶體的原子種類越多，晶體的熔點越高構(gòu)成共價晶體的原子間的共價鍵的鍵能越大，晶體的熔點越高構(gòu)成共價晶體的原子半徑越大，晶體的硬度越大構(gòu)成共價晶體的原子半徑越小，晶體的硬度越大①②B.③④C.①③D.②④二、認(rèn)識典型的共價晶體的晶胞結(jié)構(gòu)情境?探究［素材一］金剛石是典型的共價晶體，天然的金剛石經(jīng)常呈現(xiàn)規(guī)則多面體的外形(見下圖)。金剛石的蚩血怵外刑、冊怵結(jié)陶網(wǎng)陽胞示意圖金剛石的蚩血怵外刑、冊怵結(jié)陶網(wǎng)陽胞示意圖［素材二］SiO2是另一種典型的共價晶體。它是自然界含量最高的固態(tài)二元氧化物，熔點1713°C,有多種結(jié)構(gòu)，最常見的是低溫石英(aSiO2)。遍布海灘河岸的黃沙、帶狀的石英礦脈、花崗石里的白色晶體以及透明的水晶都是低溫石英。其結(jié)構(gòu)如圖。［思考交流［思考交流］分析金剛石、二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu)模型，判斷共價晶體的化學(xué)式是否可以代表其分子式?金剛石晶體中每個碳原子與幾個碳原子相結(jié)合？這些碳原子之間形成的空間結(jié)構(gòu)是什么？碳原子的雜化軌道類型是什么？

金剛石晶體中碳原子數(shù)和碳碳共價鍵數(shù)之比是多少？12g金剛石中C—C共價鍵數(shù)是多少？為什么金剛石的熔點高、硬度大？分析二氧化硅的結(jié)構(gòu)模型，判斷晶體中最小的環(huán)上有多少個原子？晶體中硅原子和與硅原子直接相連的氧原子構(gòu)成的空間構(gòu)型是什么？60gSiO2晶體中Si—O的數(shù)目是多少？歸納?總結(jié)金剛石和二氧化硅結(jié)構(gòu)的比較金剛石金剛石面心立方晶胞詰胞示總圏金剛石金剛石面心立方晶胞詰胞示總圏每個碳與相鄰4每個碳與相鄰4個碳以共價鍵結(jié)合，形成正四面體結(jié)構(gòu)鍵角均約為109°28最小碳環(huán)由6個C組成且六個碳原子不在同一平面內(nèi)每個C參與4個C—C的形成，每個C—C被2個碳原子共用，故C原子數(shù)與C—C個數(shù)之比為1：2每個Si與4個O以共價鍵結(jié)合，形成正四面體結(jié)構(gòu)每個正四面體占有1個Si，4個￡O”，“(Si):“(0)=1：2最小環(huán)上有12個原子，即6個O，6個Si1molSiO2中含有4molSi—O［名師點撥］在金剛石、晶體硅、碳化硅中，C、Si均米用sp3雜化。金剛石晶體中每個C參與了4個C—C的形成，而在每個鍵中的貢獻(xiàn)只有一半，故C原子個數(shù)與C—C的個數(shù)之比為1：(4號)=1:2。即1mol(12g)金剛石中含有C—C共價鍵數(shù)為2NA。SiO2晶體的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將金剛石中的C原子全都換為Si原子，同時在每兩個Si原子中心連線的中間添加一個O原子，在晶體中只存在Si—O,不存在Si—Si和0—0。金剛石、晶體硅、碳化硅、二氧化硅等共價晶體中的成鍵數(shù)目：①金剛石(或晶體硅)中，1molC(或Si)形成2molC一C(或Si一Si)；②碳化硅晶體中，1mol碳或1mol硅均形成4molC—Si；③SiO2晶體中，1molSiO2晶體中有4molSi—O。鞏固?練習(xí)1．金剛石具有硬度大、熔點高等特點，大量用于制造鉆頭、金屬切割刀具等。其結(jié)構(gòu)如圖所示，下列判斷正確的是()金剛石中C—C的鍵角均為109。28'，所以金剛石和CH4的晶體類型相同金剛石的熔點高與C—C的鍵能無關(guān)金剛石中碳原子個數(shù)與C—C鍵數(shù)之比為1:2金剛石的熔點高，所以在打孔過程中不需要進(jìn)行澆水冷卻2．下列有關(guān)共價晶體的敘述不正確的是()金剛石和二氧化硅晶體的基本結(jié)構(gòu)單元都是正四面體結(jié)構(gòu)含1molC的金剛石中C—C的數(shù)目是2NA,1molSiO2晶體中Si—O的數(shù)目也是2NA水晶和干冰在熔化時，晶體中的共價鍵不會斷裂SiO2晶體是共價晶體，所以晶體中不存在分子，SiO2不是它的分子式3.二氧化硅有晶體和無定形兩種形態(tài)，晶態(tài)二氧化硅主要存在于石英礦中。除石英外，SiO2還有磷石英和方英石等多種變體。方英石結(jié)構(gòu)和金剛石相似，其結(jié)構(gòu)單元如圖。下列有關(guān)說法正確的是()

*81^7-乜仃臣子方英石晶體中存在著SiO4結(jié)構(gòu)單元1molSi形成2molSi—O圖示結(jié)構(gòu)單元中實際占有18個硅原子方英石晶體中，Si—O之間的夾角為90°能力提升回答下列問題：⑴在一定條件下，由SiH4和CH4反應(yīng)生成H2和一種固體耐磨材料，寫出它的化學(xué)式，并判斷此固體屬于什么晶體？(2)GaAs的熔點為1238°C,其晶胞結(jié)構(gòu)如圖。GaAs屬于什么晶體？Ga與As以什么作用力鍵合？若晶胞參數(shù)為a力鍵合？若晶胞參數(shù)為apm，Ga與As的最小距離為多少?OAs*GaOAs*GaCO能與金屬Fe形成Fe(CO)5，該化合物的熔點為253K，沸點為376K，其固體屬于什么晶體？歸納?總結(jié)“三看法”判斷共價晶體和分子晶體一看構(gòu)成微?；蜃饔昧︻愋途w的構(gòu)成微粒和微粒間作用力列表如下：晶體類型分子晶體共價晶體構(gòu)成微粒分子原子微粒間作用力分子間作用力共價鍵二看物質(zhì)類別①單質(zhì)類大多數(shù)非金屬單質(zhì)(金剛石、石墨、晶體硅、晶體硼、灰錫等除外)屬于分子晶體。②化合物類共價化合物絕大多數(shù)為分子晶體，但SiO2、Sic、Si3N4、BN、AIN等為共價晶體。三看物理性質(zhì)晶體的物理性質(zhì)對比如下：晶體類型分子晶體共價晶體熔、沸點較低高硬度較小大導(dǎo)電性固態(tài)不導(dǎo)電，某些溶于水后能導(dǎo)電一般不導(dǎo)電，個別為半導(dǎo)體舉一?反三TOC\o"1-5"\h\z1．下列物質(zhì)中，屬于共價晶體的化合物是()A.無色水晶B.晶體硅C.金剛石D.干冰2．下列各組晶體物質(zhì)中，化學(xué)鍵類型相同，晶體類型也相同的是()①SiO2和SO3②晶體硼和HCl③CO2和SO2④晶體硅和金剛石⑤晶體氖和晶體氮⑥硫黃和碘A.①②③B.④⑤⑥C.③④⑥D(zhuǎn).①③⑤3．回答下列問題：氮化碳和氮化硅晶體結(jié)構(gòu)相似，是新型的非金屬高溫陶瓷材料，它們的硬度大、熔點高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。氮化硅的硬度(填“大于”或“小于”)氮化碳的硬度，原因是。第IIIA、VA族元素組成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的新型半導(dǎo)體材料，其晶體結(jié)構(gòu)與單晶硅相似。①在GaN晶體中，每個Ga原子與個N原子相連，與同一個Ga原子相連的N原

子構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)為，GaN屬于晶體。②三種新型半導(dǎo)體材料的熔點由高到低的順序為當(dāng)堂檢測1．下列各組物質(zhì)的晶體中，化學(xué)鍵類型相同、晶體類型也相同的是()A.SO2和SiO2B.CO2和H2OC．BN和HClD．CCl4和KCl根據(jù)下表中給出的有關(guān)數(shù)據(jù)，判斷下列說法錯誤的是()A1C13Si—晶體硼金剛石晶體硅熔點/°c190—682573>35001410沸點/°c18057282351002628A.SiClA.SiCl4是分子晶體C.AlCl3是分子晶體，加熱能升華3.下列晶體性質(zhì)的比較中，正確的是(A.熔點：單質(zhì)硫>磷>晶體硅C.硬度：白磷>冰>二氧化硅金剛石中的C—C比晶體硅中的Si—Si弱)B.沸點：H2O>NH3>HFD.熔點：SiI4>SiBr4>SiCl4我們可以將SiO2的晶體結(jié)構(gòu)想象為：在晶體硅的Si—Si之間插入O原子。根據(jù)SiO2晶體結(jié)構(gòu)圖，下列說法不正確的是(體結(jié)構(gòu)圖，下列說法不正確的是()石英晶體中每個Si原子通過Si—O極性鍵與4個O原子作用每個O原子也通過Si—O極性鍵與2個Si原子作用石英晶體中Si原子與O原子的原子個數(shù)比為1：2，可用“SiO2”來表示石英的組成在晶體中存在石英分子，故能叫分子式有下列幾種晶體：A.水晶，B.冰醋酸，C.白磷，D.金剛石，E.晶體氬，F(xiàn)干冰。(1)屬于分子晶體的是(填字母，下同)，直接由原子構(gòu)成的分子晶體是(2)屬于共價晶體的化合物是。直接由原子構(gòu)成的晶體是。受熱熔化時，化學(xué)鍵不發(fā)生變化的是，需克服共價鍵的是參考答案知識梳理一、1．共價鍵2．原子共價鍵3．(1)很高很大不(2)越短越高4.(1)金剛石硅(Si)⑵碳化硅(SiC)鞏固?練習(xí)【答案】D【解析】金剛石是碳原子間以共價鍵結(jié)合形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的共價晶體，不存在單個的分子。在天然存在的物質(zhì)中，金剛石的硬度最大。在高溫下金剛石可以與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳?！敬鸢浮緽【解析】晶體碘、干冰、冰均為分子晶體；晶體硅為共價晶體。【答案】D【解析】共價晶體的熔、沸點和硬度等物理性質(zhì)取決于晶體內(nèi)的共價鍵，構(gòu)成共價鍵晶體的原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，對應(yīng)共價晶體的熔、沸點越高，硬度越大，②④正確。二、情境?探究［思考交流］提示：共價晶體的化學(xué)式不能代表其分子式，因為共價晶體是一個三維的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，晶體中無小分子存在。提示：金剛石晶體中，每個碳原子與相鄰的4個碳原子以共價鍵相結(jié)合，它們形成的空間結(jié)構(gòu)是正四面體形，碳原子采取sp3雜化。提示：金剛石晶體中碳原子數(shù)和碳碳共價鍵數(shù)之比是1：2,12g金剛石晶體中含有2NAC—C共價鍵；金剛石晶體中C—C共價鍵的鍵能很大，很難破壞C—C共價鍵，因此，金剛石的熔點高、硬度大。提示：SiO2晶體中最小環(huán)上有12個原子，其中有6個Si原子和6個O原子；晶體中Si原子和其周圍相連的4個氧原子形成正四面體結(jié)構(gòu)；60gSiO2晶體中Si—O的數(shù)目是4NA。鞏固?練習(xí)【答案】C【解析】選項A,金剛石是共價晶體，CH4是分子晶體，二者的晶體類型不同；選項B,金剛石熔化過程中C—C斷裂，因C—C的鍵能大，斷裂時需要的能量多，故金剛石的熔點很高；選項C,金剛石中每個C都參與了4條C—C的形成，而每個C對每條鍵的貢獻(xiàn)只有一半，故碳原子個數(shù)與C—C鍵數(shù)之比為(4xg:4=1:2；選項D,金剛石的熔點高，但在打孔過程中會產(chǎn)生很高的溫度，如不澆水冷卻鉆頭，會導(dǎo)致鉆頭熔化?！敬鸢浮緽【解析】A對，金剛石是1個中心碳原子連接4個碳原子，二氧化硅是1個中心硅原子連接4個氧原子，均為正四面體結(jié)構(gòu)；B錯，金剛石中，1個C原子與另外4個C原子形成4個C—C,這個C原子對每個單鍵的貢獻(xiàn)只有1，所以1molC原子形成的C—C為4mol#=2mol，而二氧化硅晶體中1個Si原子分別與4個O原子形成4個Si一O,則1molSiO2晶體中Si—O為4mol；C對，干冰熔化時只破壞分子間作用力，共價鍵不會斷裂；D對，共價晶體中不存在分子?！敬鸢浮緼【解析】由方英石結(jié)構(gòu)示意圖知，方英石晶體中存在著SiO4的結(jié)構(gòu)單元，A項正確；1molSi形成4molSi一O,B項錯誤；題圖所示的結(jié)構(gòu)單元實際占有的硅原子數(shù)：8#+6#+4=8個,C項錯誤;方英石晶體中存在著SiO4的結(jié)構(gòu)單元，說明Si—O之間的夾角為109°28',D項錯誤。能力提升提示：根據(jù)原子守恒可知應(yīng)生成SiC,應(yīng)屬于共價晶體。提示：共價晶體；共價鍵；#apm。提示：Fe(CO)5的熔、沸點較低，其固體為分子晶體。舉一?反三【答案】A【解析】A項，無色水晶是共價晶體，屬于化合物；B項，晶體硅是單質(zhì)；C項，金剛石是單質(zhì)；D項，干冰屬于化合物，但它是分子晶體。【答案】C【解析】屬于分子晶體的有SO3、HC1、CO2、SO2、晶體氖、晶體氮、硫黃和碘。屬于共價晶體的有SiO2、晶體硼、晶體硅和金剛石。但晶體氖是由稀有氣體分子組成的，稀有氣體為單原子分子，分子間不存在化學(xué)鍵?！敬鸢浮?1)小于氮化硅和氮化碳均為共價晶體，氮化硅中N—Si的鍵長比氮化碳中C—N的鍵長長，鍵能小(2)①4正四面體共價②GaN>GaP>GaAs【解析】(1)氮化硅和氮化碳均為共價晶體。氮化硅中N—Si的鍵長比氮化碳中C—N的鍵長長，鍵能小，所以氮化硅硬度比氮化碳小。(2)①GaN與單晶硅結(jié)構(gòu)相似，所以每個Ga原子與4個N原子形成共價鍵，每個N原子與4個Ga原子形成共價鍵。與同一個Ga原子相連的N原子構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)為正四面體結(jié)構(gòu)，GaN與晶體硅都是共價晶體。②原子半徑越小，共價鍵越強，晶體的熔點越高。當(dāng)堂檢測【答案】B【解析】A中SO2和SiO2的化學(xué)鍵都是極性共價鍵，但晶體類型不同，SO2晶體屬于分子晶體，SiO2晶體屬于共價晶體；B中CO2和H2O的化學(xué)鍵都是極性共價鍵，且晶體都屬于分子晶體；C中BN和HC1的化學(xué)鍵都為極性共價鍵，但晶體類型不同，BN晶體屬于共價晶體，HC1晶體屬于分子晶體；D中CC14的化學(xué)鍵為極性共價鍵，KC1的化學(xué)鍵為離子鍵，CC14晶體屬于分子晶體，KC1晶體不屬于分子晶體?！敬鸢浮緿【解析】SiC14、A1C13的