高中 化學 選擇性必修2 第三章 晶體結構與性質《第二節(jié) 第2課時 共價晶體》教學設計

第2課時共價晶體[課程標準]1.能結合金剛石和晶體硅的晶體結構描述共價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識共價晶體的結構特點，并能說明共價晶體中的微粒及微粒間的相互作用。任務一共價晶體的結構和性質材料1：部分共價晶體的物理性質：共價晶體金剛石氮化硼碳化硅石英硅鍺熔點/℃>350030002700171014101211硬度109.59.576.56.0材料2：根據量子力學計算，氮化碳有五種結構，其中一種β-氮化碳硬度超過金剛石晶體，成為首屈一指的超硬新材料，其二維晶體結構如圖所示。問題1：由材料1表中數據可知，共價晶體的熔點普遍較高、硬度較大，為什么？問題2：根據表中數據，金剛石、硅和鍺的熔點和硬度均依次降低，如何解釋？問題3：由材料2推測氮化碳所屬的晶體類型是什么？問題4：根據圖示推測氮化碳結構是什么樣的？其中碳和氮的價態(tài)是多少？化學式是什么？提示：問題1：共價晶體中原子間是通過較強的共價鍵相互作用的，并且形成三維骨架結構，所以普遍熔點較高、硬度較大。問題2：三者的組成元素為同主族元素，形成的晶體結構相似，結構相似的共價晶體，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，晶體的熔點越高，硬度越大。問題3：根據β-氮化碳硬度超過金剛石晶體判斷，氮化碳屬于共價晶體。問題4：分析氮化碳二維晶體結構可知，每個碳原子與四個氮原子相連，每個氮原子與三個碳原子相連。氮的非金屬性大于碳的非金屬性，氮化碳中碳顯＋4價，氮顯－3價，其化學式為C3N4。1．共價晶體(1)共價晶體定義：所有原子都以共價鍵相互結合形成共價三維骨架結構的晶體叫共價晶體。(2)共價晶體的結構特點說明：①空間結構：整塊晶體是一個三維的共價鍵網狀結構，不存在單個的小分子，是一個“巨分子”，不存在單個的分子，因此，共價晶體的化學式不表示其實際組成，只表示其組成的原子個數比。②共價晶體熔化時被破壞的作用力是共價鍵。③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CO2、H2O等分子晶體中也含有共價鍵。2．常見的共價晶體物質種類實例某些非金屬單質晶體硼、晶體硅、晶體鍺、金剛石等某些化合物碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)等某些非金屬氧化物二氧化硅(SiO2)等極少數金屬氧化物剛玉(α-Al2O3)3.共價晶體的物理性質(1)共價晶體的物理性質①熔點很高：共價晶體由于原子間以較強的共價鍵相結合，熔化時必須破壞共價鍵，而破壞它們需要很高的溫度，所以共價晶體具有很高的熔點。結構相似的共價晶體，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，晶體的熔點越高。②硬度很大：共價鍵三維骨架結構決定了共價晶體的硬度，如金剛石是天然存在的最硬的物質。③一般不導電，但晶體硅、鍺是半導體。④難溶于一般的溶劑。(2)共價晶體熔、沸點的比較①規(guī)律：一般原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，晶體的熔點就越高。②原因：原子半徑越小，則化學鍵的鍵長越短，化學鍵就越強，鍵就越牢固，破壞化學鍵需要的能量就越多，鍵能越大，故晶體的熔點就越高。③實例：在金剛石、碳化硅、晶體硅中，原子半徑：C<Si，則鍵長：C—C<C—Si<Si—Si，故鍵能：C—C>C—Si>Si—Si，故熔點：金剛石>碳化硅>晶體硅。1．正誤判斷，錯誤的說明原因。(1)由原子直接構成的晶體一定是共價晶體。答案：錯誤，由原子直接構成的晶體不一定是共價晶體，也可以是分子晶體。(2)具有共價鍵的晶體一定是共價晶體。答案：錯誤，可以是分子晶體。(3)SiO2和干冰都是同一主族元素的氧化物，二者晶體類型相同。答案：錯誤，SiO2是共價晶體而干冰是分子晶體。(4)共價晶體由于硬度及熔、沸點都較高，故常溫時都不與其他物質反應。答案：錯誤，共價晶體常溫時有些可以與其他物質反應。2．單質硼有無定形和晶體兩種，參考下表數據：金剛石晶體硅晶體硼熔點/℃355014152573沸點/℃482726282823摩氏硬度107.09.5晶體硼的晶體類型屬于__________，理由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案：共價晶體晶體硼熔、沸點和硬度介于金剛石和晶體硅之間，而金剛石、晶體硅都是共價晶體(或熔沸點都很高，硬度大)解析：晶體硼熔、沸點和硬度介于金剛石和晶體硅之間，而金剛石、晶體硅都是共價晶體，因此晶體硼也是共價晶體。任務二典型的共價晶體材料1：金剛石的晶體結構模型如下圖。材料2：純凈的天然二氧化硅晶體，是一種堅硬、脆性、不溶的無色透明的固體，常用于制造光學儀器等。二氧化硅晶體中，硅原子位于正四面體的中心，四個氧原子位于正四面體的四個頂角上，許多個這樣的四面體又通過頂角的氧原子相連，每個氧原子為兩個四面體共有，即每個氧原子與兩個硅原子相結合。問題1：分析共價晶體的微觀結構與分子晶體有哪些不同？問題2：分析金剛石的晶體結構模型，最小的環(huán)有多少個原子？問題3：根據材料2的描述，每個正四面體占有幾個Si原子、幾個O原子？有沒有單個分子？提示：問題1：①構成微粒不同，共價晶體中只存在原子，沒有分子。②微粒間的相互作用不同，共價晶體中原子之間通過共價鍵結合，分子晶體中分子之間的作用是分子間作用力。問題2：金剛石最小環(huán)上有6個原子。問題3：1、2。沒有單個分子。1．金剛石(1)碳原子采取sp3雜化，C—C—C夾角為109°28′。(2)每個碳原子與周圍緊鄰的4個碳原子結合，形成共價鍵三維骨架結構。(3)最小碳環(huán)由6個碳原子組成，且最小環(huán)上有4個碳原子在同一平面內；每個碳原子被12個六元環(huán)共用。2．二氧化硅晶體(1)二氧化硅的結構二氧化硅是自然界含量最高的固態(tài)二元氧化物，有多種結構，最常見的是低溫石英(α-SiO2)。低溫石英的結構中有頂角相連的硅氧四面體形成螺旋上升的長鏈，這一結構決定了它具有手性(左、右型)。①Si原子采取sp3雜化，正四面體內O—Si—O鍵角為109°28′。②每個Si原子與4個O原子形成4個共價鍵，Si原子位于正四面體的中心，O原子位于正四面體的頂點，同時每個O原子被2個硅氧正四面體共用；每個O原子和2個Si原子形成2個共價鍵，晶體中Si原子與O原子個數比為1∶2。③最小環(huán)上有12個原子，包括6個O原子和6個Si原子。(2)二氧化硅的用途二氧化硅是制造水泥、玻璃、單晶硅、硅光電池、芯片和光導纖維的原料。1．正誤判斷，錯誤的說明原因。(1)金剛石晶體中，每個碳原子與周圍4個碳原子形成4個共價鍵的平面結構。答案：錯誤，金剛石晶體中，每個碳原子與周圍4個碳原子形成4個共價鍵的立體結構。(2)金剛石晶體結構中碳原子的雜化類型是sp3。答案：正確。(3)金剛石晶體中的C原子與C—C共價鍵數目之比為1∶4。答案：錯誤，碳原子的個數與C—C鍵數目比為1∶2。(4)二氧化硅晶體中的Si原子與Si—O共價鍵的數目之比為1∶4。答案：正確。2．金剛石晶胞結構如圖所示，回答下列問題。(1)一個金剛石晶胞中含有________個碳原子。(2)已知晶胞參數為apm，則金剛石的密度為________g·cm－3。(3)晶體中兩個最近的碳原子之間的距離為________pm。(4)碳原子的半徑為r，則a、r有什么關系？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．科學家成功地制成了一種新型的碳氧化合物，該化合物晶體中每個碳原子均以四個共價單鍵與氧原子結合為空間網狀的無限伸展結構。下列對該晶體敘述錯誤的是()A．晶體的熔、沸點高，硬度大B．該物質的化學式為CO2C．晶體中C原子數與C—O化學鍵數之比為1∶6D．晶體的空間最小環(huán)由12個原子構成答案：C解析：A項，該化合物晶體中每個碳原子均以四個共價單鍵與氧原子結合為空間網狀的無限伸展結構，所以是共價晶體，熔、沸點高，硬度大，故A正確；B項，晶體中每個碳原子均以四個共價單鍵與氧原子結合，每個氧原子和2個碳原子以共價單鍵相結合，所以碳氧原子個數比為1∶2，則其化學式為CO2，故B正確；C項，該晶體中，每個碳原子含有4個C—O共價鍵，所以C原子與C—O化學鍵數目之比為1∶4，故C錯誤；D項，該晶體的空間最小環(huán)是由6個碳原子和6個氧原子構成的12元環(huán)，故D正確。2．下列事實能說明剛玉(Al2O3)是一種共價晶體的是()①Al2O3是兩性氧化物②硬度很大③它的熔點為2045℃④幾乎不溶于水⑤自然界中的剛玉有紅寶石和藍寶石A.①②③ B．②③④C．④⑤ D．②⑤答案：B解析：①指的是Al2O3的分類，⑤指的是剛玉的種類，這兩項都無法說明Al2O3是一種共價晶體。3．(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。其結構如圖所示，下列判斷正確的是________(填字母)。A．金剛石中C—C—C的鍵角均為109°28′，所以金剛石和CH4的晶體類型相同B．金剛石的熔點高與C—C鍵的鍵能無關C．金剛石中碳原子個數與C—C鍵鍵數之比為1∶2D．金剛石的熔點高，所以在打孔過程中不需要進行澆水冷卻(2)已知晶體硼的結構單元是由硼原子組成的正二十面體(如圖所示)，該結構單元中有20個正三角形的面和一定數目的頂角，每個頂角上各有一個硼原子。通過觀察圖形及推算，得出此結構單元是由________個硼原子構成的，其中B—B的鍵角為__________，該結構單元共含有________個B—B鍵。答案：(1)C(2)1260°30解析：(1)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鍵斷裂，因C—C鍵的鍵能大，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個C—C鍵的形成，而每個C對每條鍵的貢獻只有一半，故碳原子個數與C—C鍵鍵數之比為eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4×\f(1,2)))∶4＝1∶2；選項D，金剛石的熔點高，但在打孔過程中會產生很高的溫度，如不澆水冷卻鉆頭，會導致鉆頭熔化。(2)從題圖可得出，每個頂角上的硼原子均被5個正三角形所共有，故分攤到每個正三角形的硼原子為eq\f(1,5)個，每個正三角形含有eq\f(1,5)×3個硼原子，每個結構單元含硼原子數為20×eq\f(1,5)×3＝12，而每個B—B鍵被2個正三角形所共有，故每個結構單元含B—B鍵的個數為20×eq\f(1,2)×3＝30。課時測評18共價晶體(本欄目內容，在學生用書中以獨立形式分冊裝訂！)題點一共價晶體的組成1．下列物質屬于共價晶體的是()A．SO2 B．SiO2C．HNO3 D．葡萄糖答案：B解析：A.SO2屬于分子晶體，故A不符合題意；B.二氧化硅是由原子構成的，通過共價鍵形成空間網狀結構，屬于共價晶體，故B符合題意；C.硝酸分子為平面共價分子，屬于分子晶體，故C不符合題意；D.葡萄糖是共價化合物，是通過分子間作用力形成的分子晶體，故D不符合題意；答案選B。2．直接由原子構成的一組物質是()A.水、二氧化碳、金剛石B．單質碘、干冰、白磷(P4)C．氯化鈉、金剛石、二氧化硅晶體D．硅晶體、金剛石、二氧化硅晶體答案：D解析：A.水、二氧化碳為分子晶體，是由分子構成的，故A錯誤；B.單質碘、干冰、白磷(P4)為分子晶體，是由分子構成的，故B錯誤；C.氯化鈉由離子構成，故C錯誤；D.二氧化硅、金剛石、硅晶體均為共價晶體，均直接由原子構成，故D正確。3．下列各組晶體物質中，化學鍵類型相同，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.①②③ B．④⑤⑥C．③④⑥ D．①③⑤答案：C解析：屬于分子晶體的有SO3、HCl、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。此外，晶體氖是由稀有氣體分子組成，稀有氣體為單原子分子，原子間不存在化學鍵。題點二共價晶體的性質4．下表是某些共價晶體的熔點和硬度，分析表中的數據，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/℃390030002700171014101211硬度109.59.576.56.0①構成共價晶體的原子種類越多，晶體的熔點越高②構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③構成共價晶體的原子半徑越小，晶體的硬度越大④構成共價晶體的原子半徑越大，共價鍵的鍵能越大A．①② B．③④C．②③ D．②④答案：C解析：①共價晶體的熔點與共價鍵鍵能大小有關，跟原子種類多少無關，①錯誤；②共價晶體的熔點與共價鍵鍵能大小有關，鍵能大小與原子半徑關系是半徑越小，鍵能越大，表中原子半徑：C<Si，熔點：金剛石>碳化硅>硅，②正確；③從表中數據可看出原子半徑：C<Si，硬度：金剛石>碳化硅>硅，③正確；④構成共價晶體的原子半徑越小，共價鍵的鍵能越大，④錯誤；綜上分析可得正確組合為②③；答案選C。5．據下列性質判斷，屬于共價晶體的物質是()A．熔點2700℃，導電性好，延展性強B．無色晶體，熔點3550℃，不導電，質硬，難溶于水和有機溶劑C．無色晶體，能溶于水，質硬而脆，熔點為800℃，熔化時能導電D．熔點－56.6℃，微溶于水，硬度小，固態(tài)或液態(tài)時不導電答案：B解析：A項中導電性好，不是共價晶體的特征，因為共價晶體中原子與原子之間以共價鍵結合，而共價鍵有一定的方向性，使共價晶體的質硬而脆，A項錯誤，B項符合共價晶體的特征，C項應該是離子晶體，D項不符合共價晶體的特征。6.磷化硼是一種超硬耐磨涂層材料。如圖為其晶體結構中最小的重復單元。下列有關說法正確的是()A.磷化硼的化學式為B2PB．磷化硼晶體的熔點高，且熔融狀態(tài)下能導電C．磷化硼晶體屬于共價晶體D．磷化硼晶體在熔化時需克服范德華力答案：C解析：由磷化硼的晶胞結構可知，P位于晶胞的頂點和面心，數目為eq\f(1,8)×8＋6×eq\f(1,2)＝4，B位于晶胞內，數目為4，故磷化硼的化學式為BP，A項錯誤。磷化硼屬于共價化合物，熔融狀態(tài)下不能導電，B項錯誤。由磷化硼是一種超硬耐磨涂層材料可知磷化硼晶體屬于共價晶體，C項正確。磷化硼晶體為共價晶體，熔化時需克服共價鍵，D項錯誤。題點三共價晶體的結構7．我國科學家合成了富集11B的非碳導熱材料立方氮化硼晶體，該晶體是硬度僅次于金剛石的超硬材料，具有金剛石的許多優(yōu)良特性，立方氮化硼晶體的晶胞結構如圖。下列說法錯誤的是()A．11B和10B互為同位素B．N原子周圍等距且最近的B原子數為8C．該晶胞中含有4個B原子，4個N原子D．立方氮化硼晶體屬于共價晶體答案：B解析：A.11B和10B的質子數相同、中子數不同，互為同位素，故A正確；B.由晶胞結構可知，位于頂點的硼原子與位于體對角線上的氮原子的距離最近，所以N原子周圍等距且最近的硼原子數為4，故B錯誤；C.由晶胞結構可知，位于頂點和面心的硼原子的個數為8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，位于體內的氮原子個數為4，故C正確；D.由立方氮化硼晶體是硬度僅次于金剛石的超硬材料，具有金剛石的許多優(yōu)良特性可知，該晶體屬于共價晶體，故D正確；故選B。8.Al2O3在一定條件下可轉化為硬度、熔點都很高的氮化鋁晶體，氮化鋁的晶胞如圖所示。下列說法正確的是()A．氮化鋁屬于分子晶體B．氮化鋁可用于制造切割金屬的刀具C．1個氮化鋁晶胞中含有9個Al原子D．氮化鋁晶體中Al的配位數為2答案：B解析：A.硬度高、熔點高一般不會是分子晶體，描述錯誤，A不符合題意；B.硬度高、熔點高正好適合做在高溫環(huán)境下切割金屬的道具材料，描述正確，B符合題意；C.根據晶胞結構，頂點和體心有Al原子，故晶胞含有Al原子個數為8×eq\f(1,8)＋1＝2，描述錯誤，C不符合題意；D.由晶胞體心的Al原子周圍的N原子個數可知，Al原子的配位數應是4，描述錯誤，D不符合題意；綜上，本題選B。9．下面關于SiO2晶體網狀結構的敘述正確的是()A．1molSiO2晶體中Si—O鍵為2molB．二氧化硅晶體的分子式是SiO2C．晶體中Si、O原子最外電子層都滿足8電子結構D．最小的環(huán)上，有3個Si原子和3個O原子答案：C解析：A.每個Si原子形成四個共價鍵，則1molSiO2晶體中含4molSi—O鍵，故A錯誤；B.由二氧化硅晶體結構圖可知，每個硅原子周圍連有四個氧原子，每個氧原子周圍連有2個硅原子，則Si、O原子個數比為1∶2，不存在分子，故B錯誤；C.在晶體中硅原子周圍有4個共用電子對，氧原子有2個共用電子對，而氧原子最外層就是6個電子，這樣兩種原子都滿足8電子結構，故C正確；D.由二氧化硅晶體結構圖可知，晶體中最小環(huán)上含有6個硅原子和6個氧原子，故D錯誤。故選C。10．下圖所示的幾種碳單質，關于它們的說法錯誤的是()A．四種碳單質互為同素異形體，其中石墨和碳納米管均可導電B．金剛石晶體中每個C原子被6個六元環(huán)所共用C．12g石墨晶體中含有的六元環(huán)的數目為0.5NAD．C60晶體中每個C60分子周圍與它最近且等距的C60分子有12個答案：B解析：A.四種物質均為碳的單質，且結構不同，屬于同素異形體，且石墨和碳納米管均可導電，故A正確；B.由晶體結構可知金剛石晶體任意兩個相鄰的C—C鍵參加2個六元環(huán)的形成，每個C原子可形成4個C—C鍵，則每個C原子被12個六元環(huán)共用，故B錯誤；C.由石墨晶體結構可知，每個C原子與3個C原子形成C—C鍵，則每個環(huán)中含2個C原子，12g石墨晶體中含有的六元環(huán)的數目為0.5NA，故C正確；D.C60晶胞為立方最密堆積，每個C60分子周圍與它最近且等距的C60分子有12個，故D正確；故選B。11．下列關于共價晶體、分子晶體的敘述中，不正確的是()A．在SiO2晶體中，1個硅原子和4個氧原子形成4個共價鍵B．混合型晶體石墨的熔點高于金剛石C．HI的相對分子質量大于HF，所以HI的沸點高于HFD．金剛石為網狀結構，由共價鍵形成的碳原子環(huán)中，最小環(huán)上最多4個碳原子共面答案：C解析：A.在SiO2晶體中，1個硅原子和4個氧原子形成4個共價鍵，A項正確；B.石墨中的碳碳鍵的鍵長小于金剛石中的碳碳鍵的鍵長，且石墨熔化時不僅要克服共價鍵，還要破壞分子間作用力，故熔點大于金剛石，B項正確；C.雖然HI的相對分子質量大于HF，但是由于HF分子之間可以形成氫鍵，所以HF的沸點高于HI，C項錯誤；D.金剛石為網狀結構，由共價鍵形成的碳原子環(huán)中，最小環(huán)上有6個碳原子，最多4個碳原子共面，D項正確；答案選C。12．C60、金剛石和石墨的結構模型如下圖所示(石墨僅表示出其中一層結構)。(1)C60、金剛石和石墨三者的關系互為________(填字母)。A．同分異構體 B．同素異形體C．同系物 D．同位素(2)固態(tài)時，C60屬于________晶體。(3)石墨層狀結構中，平均每個正六邊形占有的碳原子數是________個。(4)BN晶體有多種結構，其中立方氮化硼具有金剛石型結構(如圖)。①該晶體的最小環(huán)中含有________個B原子；N原子的配位數為________。②已知立方氮化硼晶體內存在配位鍵，則其晶體中配位鍵與普通共價鍵數目之比為________。原子坐標參數可表示晶胞內部各原子的相對位置，圖中a處B原子的坐標參數為(0，0，0)，則距離該B原子最近的N原子的坐標參數為________。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)同種元素的不同單質互稱同素異形體，C60、金剛石和石墨是碳元素的不同單質，屬于同素異形體，答案選B；(2)C60構成微粒是分子，一個分子中含有60個碳原子，所以屬于分子晶體；(3)石墨層狀結構中，每個碳原子被三個正六邊形共用，所以平均每個正六邊形占有的碳原子數＝6×eq\f(1,3)＝2；(4)①該晶體的最小環(huán)中含有3個B原子，3個N原子，N原子周圍距離最近的B原子有4個，N原子的配位數為4；②立方氮化硼的結構與金剛石相似，硬度大，屬于共價晶體，硼原子的價電子數為3，形成4個共價鍵，有1個配位鍵，3個普通共價鍵，配位鍵與普通共價鍵數目之比為1∶3；a處B原子的坐標參數為(0，0，0)，距離該B原子最近的N原子連線處于晶胞對角線上，且二者距離為體對角線的eq\f(1,4)，則該N原子到各坐標平面距離均等于晶胞棱長的eq\f(1,4)，距離該B原子最近的N原子的坐標參數為eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4)，\f(1,4)，\f(1,4)))。13．氮化硼晶體的結