高中化學 第3章 物質的聚集狀態(tài)與物質性質 第3節(jié) 原子晶體與分子晶體 第1課時學案 魯科版選修3-魯科版高二選修3化學學案

第1課時原子晶體[學習目標定位]知道原子晶體的概念，熟知常見的原子晶體的結構與性質，能從原子結構的特點，分析理解其物理特性。一、常見的原子晶體的結構1．金剛石的晶體結構模型如圖所示。回答下列問題：(1)在晶體中每個碳原子以4個共價單鍵對稱地與相鄰的4個碳原子相結合，形成正四面體結構，這些正四面體向空間發(fā)展，構成彼此聯(lián)結的立體網(wǎng)狀結構。(2)晶體中相鄰碳碳鍵的夾角為109.5°，碳原子采取了sp3雜化。(3)最小環(huán)上有6個碳原子。(4)晶體中C原子個數(shù)與C—C鍵數(shù)之比為1∶2。(5)晶體中C—C鍵鍵長很短，鍵能很大，故金剛石的硬度很大，熔點很高。(6)1molC原子組成的金剛石中含有2molC—C鍵。2．二氧化硅是由硅原子和氧原子組成的空間立體網(wǎng)狀的原子晶體。其結構示意圖如下：觀察分析二氧化硅晶體結構示意圖，回答下列問題：(1)在二氧化硅晶體中，每個Si原子周圍結合4個O原子，同時每個O原子與2個Si原子結合。(2)在二氧化硅晶體中，位于四面體中心的原子是硅原子，位于四面體四個頂點上的原子是氧原子。(3)在二氧化硅晶體中，硅原子采取sp3雜化，Si—O—Si鍵與Si—O—Si鍵的夾角是109.5°。(4)二氧化硅晶體中最小環(huán)上的原子數(shù)是12，包括6個O原子和6個Si原子。(5)1mol二氧化硅晶體中含有4molSi—O鍵。(1)原子晶體：相鄰原子間以共價鍵結合而形成的具有空間立體網(wǎng)狀結構的晶體。①構成原子晶體的基本微粒是原子。②形成原子晶體的作用力是共價鍵。在原子晶體中只存在共價鍵(極性鍵或非極性鍵)，沒有分子間作用力和其他相互作用。(2)原子晶體的結構特征①由于共價鍵的方向性和飽和性，每個中心原子周圍排列的原子數(shù)目是有限的，故原子不遵循緊密堆積原則。②原子晶體呈空間立體網(wǎng)狀結構，原子晶體中不存在單個分子，原子晶體的化學式僅僅表示晶體中的原子個數(shù)關系。(3)常見的原子晶體：①常見的非金屬單質，如金剛石(C)、硼(B)、晶體硅(Si)等。②某些非金屬化合物，如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、二氧化硅(SiO2)等。例1下列物質的晶體直接由原子構成的一組是()①CO2②SiO2③晶體Si④白磷⑤氨基乙酸⑥固態(tài)HeA．①②③④⑤⑥ B．②③④⑥C．②③⑥ D．①②⑤⑥答案C例2下列有關原子晶體的敘述不正確的是()A．金剛石和二氧化硅晶體的最小結構單元都是正四面體B．含1molC的金剛石中C—C鍵數(shù)目是2NA,1molSiO2晶體中Si—O鍵數(shù)目是4NAC．水晶和干冰在熔化時，晶體中的共價鍵都會斷裂D．SiO2晶體是原子晶體，所以晶體中不存在分子，SiO2不是它的分子式答案C解析金剛石是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，A項正確；金剛石中，1個C原子與另外4個C原子形成4個C—C鍵，這個C原子對每個單鍵的貢獻只有eq\f(1,2)，所以1molC原子形成的C—C鍵為4mol×eq\f(1,2)＝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—O鍵，則1molSiO2晶體中Si—O鍵為4mol，B項正確；干冰熔化時只破壞分子間作用力，共價鍵不會斷裂，C項錯誤；原子晶體的構成微粒是原子不是分子，D項正確。規(guī)律總結(1)晶體硅的結構與金剛石相似，即將金剛石中的碳原子換成硅原子。不同的是，硅晶體中的Si—Si鍵的鍵長比金剛石中的C—C鍵的鍵長長。(2)SiO2晶體結構相當于晶體硅結構中每個Si—Si鍵中間插入一個O原子。(3)碳化硅晶體與金剛石結構相似，其空間結構中碳原子和硅原子交替排列。碳原子和硅原子個數(shù)之比為1∶1。二、原子晶體的性質與共價鍵的關系晶體硅(Si)和金剛砂(SiC)都是與金剛石相似的原子晶體。其結構與性質比較如下表所示：晶體鍵能/kJ·mol－1鍵長/pm熔點/℃摩氏硬度金剛石(C—C)347154335010金剛砂(C—Si)30118626009晶體硅(Si—Si)22623414157請根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)，分析其熔點、硬度的大小與其結構之間的關系。答案鍵長越短，鍵能越大，熔點越高，硬度越大；反之，鍵長越長，鍵能越小，熔點越低，硬度越小。(1)由于原子晶體中原子間以較強的共價鍵相結合，故原子晶體：①熔、沸點很高；②硬度大；③一般不導電；④難溶于溶劑。(2)原子晶體具有不同的結構類型，對于結構相似的原子晶體來說，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，晶體的穩(wěn)定性越高，熔、沸點越高，硬度越大。提醒原子晶體的熔、沸點不一定高于金屬晶體和離子晶體。如MgO(2800℃)＞SiO2(1713℃)、鎢(3410℃)＞SiO2(1713℃)。例3根據(jù)下列物質的性質，判斷其屬于原子晶體的是()A．熔點2700℃，導電性強，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解析原子晶體一般不導電，沒有延展性，A項錯誤；原子晶體難溶于水，C項錯誤；原子晶體一般熔點很高，硬度很大，D項錯誤。例4下表是某些原子晶體的熔點和硬度。原子晶體金剛石氮化硼碳化硅石英硅鍺熔點/℃390030002700171014101211硬度109.59.57.06.56.0分析表中的數(shù)據(jù)，判斷下列敘述正確的是()A．構成原子晶體的原子種類越多，晶體的熔點越高B．構成原子晶體的原子間的共價鍵鍵能越大，晶體的熔點越高C．構成原子晶體的原子的半徑越大，晶體的硬度越大D．構成原子晶體的原子的相對分子質量越大，晶體的硬度越大答案B1．下列物質中，屬于原子晶體的化合物是()A．無色水晶 B．晶體硅C．金剛石 D．干冰答案A解析A項，無色水晶是原子晶體，屬于化合物；B項，晶體硅是單質；C項，金剛石是單質；D項，干冰是分子晶體。2．下列有關原子晶體的敘述中正確的是()A．原子晶體中只存在非極性共價鍵B．原子晶體的熔點一定比金屬晶體的高C．在SiO2晶體中，1個硅原子和2個氧原子形成2個共價鍵D．石英晶體是直接由硅原子和氧原子通過共價鍵所形成的空間網(wǎng)狀結構的晶體答案D解析原子晶體單質中含有非極性共價鍵，原子晶體化合物中存在極性共價鍵；在SiO2晶體中，1個硅原子與周圍4個氧原子形成4個Si—O鍵；金屬晶體的熔點差別很大，有些金屬晶體(如W)熔點可能高于某些原子晶體的熔點。3．二氧化硅晶體是空間立體網(wǎng)狀結構，如圖所示，下列關于二氧化硅晶體的說法中正確的是()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．晶體中最小環(huán)上的原子數(shù)為8答案C解析A選項錯誤，SiO2晶體中，1個硅原子與周圍4個氧原子形成Si—O鍵，所以1molSiO2晶體中Si—O鍵為4mol；B選項錯誤，晶體中1個硅原子與周圍4個氧原子形成共價鍵，1個氧原子與周圍2個硅原子形成共價鍵，SiO2表示晶體中Si、O原子個數(shù)比為1∶2，并不是分子式；C選項正確，1個硅原子分別與4個氧原子形成4對共用電子對，1個氧原子分別與2個硅原子形成2對共用電子對，所以Si、O原子最外電子層都滿足8電子結構；D選項錯誤，晶體中最小環(huán)上硅與氧交替連接，SiO2晶體中最小環(huán)上的原子數(shù)為12，其中6個為硅原子，6個為氧原子。4．科學家用激光將置于鐵室中石墨靶上的碳原子炸松，與此同時再用射頻電火花噴射氮氣，此時碳、氮原子結合成碳氮化合物薄膜。據(jù)稱，這種化合物可能比金剛石更堅硬。其原因可能是()A．碳、氮原子構成平面結構的晶體B．碳氮鍵鍵長比金剛石中的碳碳鍵鍵長更短C．氮原子電子數(shù)比碳原子電子數(shù)多D．碳、氮單質的化學性質均不活潑答案B解析由“這種化合物可能比金剛石更堅硬”可知，該晶體應該是一種原子晶體，原子晶體的結構是一種空間網(wǎng)狀結構而不是平面結構，A選項錯誤；氮原子的半徑比碳原子的半徑小，二者所形成的共價鍵的鍵長要比碳碳鍵的鍵長短，所以該晶體的硬度應該比金剛石更高，B選項正確；原子的電子數(shù)和單質的活潑性一般不會影響所形成的晶體的硬度等，所以C、D選項錯誤。5．回答下列問題：(1)氮化碳和氮化硅晶體結構相似，是新型的非金屬高溫陶瓷材料，它們的硬度大、熔點高，化學性質穩(wěn)定。①氮化硅的硬度________(填“大于”或“小于”)氮化碳的硬度，原因是________________________________________________________________________________________。②已知氮化硅的晶體結構中，原子間都以單鍵相連，且氮原子與氮原子不直接相連、硅原子與硅原子不直接相連，同時每個原子都滿足8電子穩(wěn)定結構，請寫出氮化硅的化學式________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)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體材料，其晶體結構與單晶硅相似。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原子構成的空間構型為____________，GaN屬于______晶體。②三種新型半導體材料的熔點由高到低的順序為_________________________________________________________________________________________________________。答案(1)①小于氮化硅和氮化碳均為原子晶體，氮化硅中N—Si鍵的鍵長比氮化碳中C—N鍵的鍵長長，鍵能?、赟i3N4(2)①4正四面體原子②GaN＞GaP＞GaAs解析(1)①氮化硅和氮化碳均為原子晶體。氮化硅中N—Si鍵的鍵長比氮化碳中C—N鍵的鍵長長，鍵能小，所以氮化硅硬度比氮化碳小。②由題意知，氮化硅晶體中每個Si原子連接4個N原子，每個N原子連接3個Si原子，Si和N原子均達到8電子穩(wěn)定結構，其化學式為Si3N4。(2)①GaN與單晶硅結構相似，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原子構成的空間構型為正四面體結構，GaN與晶體硅都是原子晶體。②原子半徑越小，共價鍵越強，晶體的熔點越高。[對點訓練]題組1原子晶體的結構1．下列有關原子晶體的敘述錯誤的是()A．原子晶體中，原子不遵循緊密堆積原則B．原子晶體具有空間網(wǎng)狀結構C．原子晶體中不存在獨立的分子D．原子晶體熔化時不破壞共價鍵答案D解析A項，原子晶體中原子之間通過共價鍵相連，而共價鍵具有方向性和飽和性，所以原子晶體中，原子不遵循緊密堆積原則；B項，原子晶體是相鄰原子之間通過共價鍵結合而成的空間網(wǎng)狀結構；C項，原子晶體是由原子以共價鍵相結合形成的，不存在獨立的分子；D項，原子晶體是原子通過共價鍵連接的，熔化時需要破壞共價鍵。2．在單質的晶體中一定不存在的微粒是()A．原子 B．分子C．陰離子 D．陽離子答案C解析A項，例如金剛石由碳原子組成；B項，例如I2由碘分子組成；D項，例如金屬Cu由Cu2＋和自由電子組成；C項中陰離子只能存在于離子化合物中。3．下列關于SiO2晶體網(wǎng)狀結構的敘述中正確的是()A．存在四面體結構單元，O原子處于中心，Si原子處于4個頂角B．最小的環(huán)上，有3個Si原子和3個O原子C．最小的環(huán)上，Si原子和O原子個數(shù)之比為1∶2D．最小的環(huán)上，有6個Si原子和6個O原子答案D解析二氧化硅是原子晶體，為空間網(wǎng)狀結構，存在四面體結構，硅原子處于中心，氧原子處于4個頂角，所以A項錯誤；晶體硅的結構與金剛石相似(金剛石中最小碳環(huán)為6個碳原子)，而SiO2晶體只是在兩個Si原子間插入1個O原子，即最小環(huán)含6個Si原子和6個O原子。4．下列說法正確的是()A．在含4molSi—O鍵的二氧化硅晶體中，氧原子的數(shù)目為4NAB．金剛石晶體中，碳原子數(shù)與C—C鍵數(shù)之比為1∶2C．30g二氧化硅晶體中含有0.5NA個二氧化硅分子D．晶體硅、晶體氖均是由相應原子直接構成的原子晶體答案B解析在二氧化硅晶體中，每個硅原子形成4個Si—O鍵，故含有4molSi—O鍵的二氧化硅晶體的物質的量為1mol，即含有2NA個氧原子，A項錯誤；金剛石中每個碳原子均與另外4個碳原子形成共價鍵，且每兩個碳原子形成一個C—C鍵，故1mol碳原子構成的金剛石中共有2molC—C鍵，因此碳原子數(shù)與C—C鍵數(shù)之比為1∶2，B項正確；二氧化硅晶體中不存在分子，C項錯誤；氖晶體是由單原子分子靠分子間作用力結合在一起形成的，屬于分子晶體，D項錯誤。題組2原子晶體的性質及判斷5．氮化鋁(AlN)常用做砂輪及高溫爐襯材料，熔化狀態(tài)下不導電，可知它屬于()A．離子晶體 B．原子晶體C．分子晶體 D．無法判斷答案B解析熔化狀態(tài)下不導電的化合物必定是共價化合物，排除是離子化合物的可能，又因為具有耐高溫的性能，所以必定是原子晶體。6．下列事實能說明剛玉(Al2O3)是一種原子晶體的是()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是一種原子晶體。7．AB型共價化合物晶體，若其原子最外層電子數(shù)之和為8，常是具有半導體性質的原子晶體。已知金剛石不導電而導熱；鋯石(ZrO2)不導電、不導熱，卻硬似鉆石；近期用制耐熱器的碳化硅制成了假鉆石，則識別它們的可行方法是()A．能在玻璃上刻劃出痕跡的為金剛石B．很硬不導電而導熱的是金剛石和碳化硅C．既可導電又可導熱的是碳化硅D．不導電的為鋯石答案B解析金剛石、SiC、鋯石均為原子晶體，但物理性質有差異。8．下列物質的熔點順序判斷不正確的是()A．Li>Na>K>RbB．原子晶體>離子晶體>金屬晶體C．金剛石>碳化硅>晶體硅D．NaCl>KCl>CsCl答案B解析晶體熔、沸點高低取決于結構微粒間作用力的大小，即金屬鍵、共價鍵、離子鍵、分子間作用力的大小。金屬晶體的熔點差別很大，可能比離子晶體的熔、沸點高，離子晶體的熔、沸點與離子半徑和離子所帶電荷數(shù)有關，電荷數(shù)相同時，離子半徑越小，晶體的熔、沸點越高，原子晶體中原子的半徑越小，熔點越高。題組3原子晶體結構與性質的綜合考查9.磷化硼是一種超硬耐磨涂層材料。右圖為其晶體結構中最小的重復結構單元，其中的每個原子均滿足8電子穩(wěn)定結構。下列有關說法正確的是()A．磷化硼晶體的化學式為BP，屬于離子晶體B．磷化硼晶體的熔點高，且熔融狀態(tài)下能導電C．磷化硼晶體中每個原子均形成4個共價鍵D．磷化硼晶體結構微粒的空間堆積方式與氯化鈉相同答案C解析根據(jù)題意，磷化硼為超硬耐磨材料，說明其晶體類型為原子晶體，熔融狀態(tài)不導電，A項和B項錯誤；磷化硼原子間均為共價鍵，由圖可以發(fā)現(xiàn)，每個原子均形成4個共價鍵，C正確；由磷化硼的晶體結構可以看出，它的配位數(shù)為4，而NaCl晶體的配位數(shù)為6，二者結構微粒的堆積方式明顯不同，故D錯誤。10．在40GPa高壓下，用激光器加熱到1800K時，科學家成功地制得了原子晶體CO2，下列有關這種CO2晶體推斷正確的是()A．原子晶體CO2易升華，可用做制冷劑B．原子晶體CO2的硬度和耐磨性都不如水晶C．原子晶體CO2有很高的熔、沸點，很大的硬度，可用做耐磨材料D．每摩爾原子晶體CO2含2molC—O鍵，每摩爾C原子與4molO原子形成共價鍵答案C解析原子晶體CO2中C和O原子之間以共價鍵結合成空間立體網(wǎng)狀結構，共價鍵作用強，所以其具有很高的熔、沸點，很大的硬度，A不正確，C正確；CO2與SiO2組成相似，將SiO2晶體中的Si原子換成C原子就是原子晶體CO2的結構，由于C—O鍵的鍵長小于Si—O鍵的鍵長，C—O鍵的鍵能大于Si—O鍵的鍵能，所以原子晶體CO2的硬度和耐磨性都強于水晶，B不正確；在原子晶體CO2中，每個C原子都處于4個氧原子構成的四面體的中心，所以每摩爾原子晶體CO2中含有4molC—O鍵，每摩爾C原子與4molO原子形成共價鍵，D不正確。11．已知氮化碳晶體是新發(fā)現(xiàn)的高硬度材料，且構成該晶體的微粒間只以單鍵結合。下列關于該晶體的說法錯誤的是()A．氮化碳屬于原子晶體，比金剛石中的硬度更大B．該晶體中每個碳原子與4個氮原子相連，每個氮原子與3個碳原子相連，氮化碳的化學式為C3N4C．該晶體中碳原子和氮原子的最外層都滿足8電子結構D．該晶體與金剛石相似，都是原子間以非極性鍵形成空間網(wǎng)狀結構答案D解析氮化碳為高硬度材料且是由非金屬元素組成，因此該晶體應為原子晶體。又因為C—C鍵鍵長大于C—N鍵鍵長，故C—N鍵的鍵能大于C—C鍵，硬度更大的是氮化碳，A項正確；每個C原子與4個N原子形成共價單鍵，每個N原子與3個C原子形成共價單鍵，C原子和N原子的最外層都達到8電子穩(wěn)定結構，所以氮化碳的化學式為C3N4，B、C項正確；氮化碳晶體原子間以N—C極性鍵形成空間網(wǎng)狀結構，D項錯誤。12．氮化硼(BN)晶體有多種相結構。六方相氮化硼是通常存在的穩(wěn)定相，與石墨相似，具有層狀結構，可作高溫潤滑劑；立方相氮化硼是超硬材料，有優(yōu)異的耐磨性。它們的晶體結構如圖所示，下列關于這兩種晶體的說法正確的是()A．六方相氮化硼與石墨一樣可以導電B．立方相氮化硼含有σ鍵和π鍵，所以硬度大C．兩種晶體均為分子晶體D．六方相氮化硼晶體層內一個硼原子與相鄰氮原子構成的空間構型為平面三角形答案D解析A項，六方相氮化硼晶體中沒有可以自由移動的電子或離子，所以不導電，錯誤；B項，立方相氮化硼中只含有σ鍵，錯誤；C項，立方相氮化硼是原子晶體，錯誤；D項，由六方相氮化硼的晶體結構可知，每個硼原子與相鄰3個氮原子構成平面三角形，正確。[綜合強化]13．單質硼有無定形和晶體兩種，參考下表數(shù)據(jù)：金剛石晶體硅晶體硼熔點/K＞382316832573沸點/K510026282823硬度107.09.5(1)晶體硼的晶體類型屬于________晶體，理由是___________________________________________________________________________________________________________。(2)已知晶體硼的基本結構單元是由硼原子組成的正二十面體(如圖)，其中有20個等邊三角形的面和一定數(shù)目的頂點，每個頂點上各有1個B原子。通過觀察圖形及推算，此晶體結構單元由________個B原子組成，鍵角為________。答案(1)原子晶體硼的熔、沸點和硬度都介于晶體硅和金剛石之間，而金剛石和晶體硅均為原子晶體，B與C相鄰且與Si處于對角線位置，也應為原子晶體(2)1260°解析(2)每個三角形的頂點被5個三角形所共有，所以，此頂點完全屬于一個三角形的只占到eq\f(1,5)，每個三角形中有3個這樣的點，且晶體B中有20個這樣的三角形，因此，晶體B中這樣的頂點(B原子)有eq\f(3,5)×20＝12個。又因晶體B中的三角形面為正三角形，所以鍵角為60°。14．(1)Ge單晶具有金剛石型結構，其中Ge原子的雜化方式為______________，微粒之間存在的作用力是__________________。(2)晶胞有兩個基本要素：①原子坐標參數(shù)，表示晶胞內部各原子的相對位置。如圖為Ge單晶的晶胞，其中原子坐標參數(shù)A為(0,0,0)；B為(eq\f(1,2)，0，eq\f(1,2))，C為(eq\f(1,2)，eq\f(1,2)，0)。則D原子的坐標參數(shù)為__________________________。②晶胞參數(shù)，描述晶胞的大小和形狀。已知Ge單晶的晶胞參數(shù)a＝565.76pm，其密度為________g·cm－3(列出計算式即可)。已知：Ge的相對原子質量為73。答案(1)sp3共價鍵(或非極性共價鍵)(2)①(eq\f(1,4)，eq\f(1,4)，eq\f(1,4))②eq\f(8×73,6.02×565.763)×107解析(1)類比金剛石，晶體鍺是原子晶體，每個鍺原子與其周圍的4個鍺原子形成4個單鍵，故鍺原子采用sp3雜化，鍺原子間以共價鍵(或非極性共價鍵)結合。(2)①對照晶胞圖示及A、B、C點坐標，選A點為參照點，可知D在體對角線的eq\f(1,4)處，運用比例關系可得D的坐標參數(shù)為(eq\f(1,4)，eq\f(1,4)，eq\f(1,4))；②因為其晶胞類似金剛石晶胞，故其晶胞內含8個Ge原子，ρ＝eq\f(m,V)＝eq\f(8×73,6.02×565.763)×