2025春高二化學選擇性必修2 （配人教版）第三章 晶體結構與性質 第二節(jié) 分子晶體與共價晶體 第2課時 共價晶體

共價晶體第2課時學習目標1.通過認識共價晶體及其結構特點,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成粒子之間的作用對共價晶體物理性質的影響。2.通過對典型共價晶體的分析探究,能利用共價晶體的通性推斷常見的共價晶體,并能利用均攤法對晶胞進行分析。任務分項突破『自主梳理』1.共價晶體學習任務1認識共價晶體及其結構特點原子共價鍵分子共價鍵三維骨架[示例]共價晶體中都有共價鍵,但僅含有共價鍵的

是共價晶體,如CO2、H2O等分子晶體中也含有共價鍵。對共價晶體的認識除了要求“具有共價鍵”外,還要求形成晶體的粒子是原子。2.兩種典型的共價晶體(1)金剛石。不一定①碳原子采取

雜化,C—C—C夾角為

。②每個碳原子與周圍緊鄰的

個碳原子以共價鍵結合,形成共價鍵三維骨架結構。sp3109°28′4(2)二氧化硅晶體。①存在及結構。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。在低溫石英的結構中,頂角相連的

形成螺旋上升的長鏈,這一結構決定了它具有手性,如圖所示。硅氧四面體②用途。用作壓電材料(如制作石英手表),還是制造

、

、單晶硅、硅光電池、芯片和

的原料。3.常見共價晶體及物質類別物質種類實例某些

晶體硼、晶體硅、晶體鍺、金剛石等某些

碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)等極少數(shù)金屬氧化物剛玉(Al2O3)水泥玻璃光導纖維非金屬單質非金屬化合物『互動探究』材料1金剛石,俗稱“金剛鉆”,它是一種由碳元素組成的礦物,是石墨的同素異形體,是美麗、透明、折光率高的晶體,也是常見的鉆石的原身。材料2純凈的天然二氧化硅晶體,是一種堅硬、脆性、不溶于水的無色透明的固體,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。探究典型共價晶體的結構特點問題1:觀察金剛石晶體結構模型,晶體中碳原子個數(shù)與C—C的個數(shù)之比為多少?晶體中最小碳環(huán)是幾元環(huán)?在上述晶體結構圖中畫出一個最小的碳環(huán)(相應的碳原子涂黑)。提示:晶體中每個碳原子都參與了4個C—C的形成,在每個C—C中的貢獻只有一半,故晶體中碳原子個數(shù)與C—C的個數(shù)之比為1∶2。根據晶體結構,可知最小碳環(huán)是六元環(huán)。問題2:一個金剛石晶胞中含有幾個碳原子?若晶胞的邊長為apm,晶胞中兩個最近的碳原子之間的距離是多少?問題3:根據材料2的描述,二氧化硅晶體中,每個正四面體占有幾個Si,幾個O?有沒有單個分子?提示:1,2。沒有單個分子。問題4:根據材料2的描述,晶體中最小環(huán)上有幾個O,幾個Si?在上述晶體結構圖中畫出一個最小的環(huán)(相應的原子涂黑)。提示:6,6。歸納拓展金剛石(晶體硅)、二氧化硅、碳化硅的晶胞分析①每個頂點和面心均有1個碳原子;②晶胞內部有4個碳原子,每個金剛石晶胞中含有8個碳原子;③硅晶胞結構同金剛石晶胞①相當于在晶體硅結構中每2個硅原子中間插入1個氧原子;②晶胞中有8個硅原子位于立方晶胞的頂點,有6個硅原子位于立方晶胞的面心,還有4個硅原子與16個氧原子在晶胞內構成4個硅氧四面體,均勻排列于晶胞內;③每個SiO2晶胞中含有8個硅原子和16個氧原子①碳、硅原子都采取sp3雜化,C—Si鍵角為109°28′;②每個硅(碳)原子與周圍緊鄰的4個碳(硅)原子以共價鍵結合成正四面體結構,向空間伸展形成空間網狀結構;③最小環(huán)由6個原子組成且不在同一平面內,其中包括3個碳原子和3個硅原子;④每個SiC晶胞中含有4個碳原子和4個硅原子『題組例練』1.下列有關共價晶體的敘述錯誤的是(

)A.共價晶體中只存在共價鍵B.共價晶體的熔點與鍵能和范德華力強弱有關C.共價晶體具有空間網狀結構D.共價晶體中不存在獨立分子√解析:共價晶體由原子通過共價鍵結合而成,熔化時需破壞共價鍵,共價晶體的熔點與鍵能大小有關,與范德華力的強弱無關,A正確、B不正確;共價晶體由原子通過共價鍵結合而成,具有空間網狀結構,C正確;共價晶體中不存在獨立分子,D正確。2.二氧化硅晶體是空間立體網狀結構,如圖所示。下列說法正確的是(

)A.CO2和SiO2晶體類型相同B.SiO2中一個Si周圍有4個O,CO2中一個C周圍有4個OC.晶體中Si雜化方式為sp3,O雜化方式為spD.晶體中最小環(huán)上的原子數(shù)為12√解析:CO2晶體是由分子構成的,SiO2晶體是由原子構成的,則前者為分子晶體、后者為共價晶體,晶體類型不同,A錯誤;SiO2中一個Si周圍有4個O,CO2中一個C周圍有2個O,B錯誤;該晶體中每個Si形成4個共價鍵,每個O形成2個共價鍵且每個O還含有2個孤電子對,則Si、O的價層電子對數(shù)都是4,都采用sp3雜化,C錯誤;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,所以最小環(huán)上的原子數(shù)為12,D正確。3.碳化硅和立方氮化硼的結構與金剛石類似,碳化硅硬度僅次于金剛石,立方氮化硼硬度與金剛石相當,其晶胞結構如圖所示。請回答下列問題。(1)碳化硅晶體中,硅原子雜化類型為

,每個硅原子周圍與其距離最近的碳原子有

個;設晶胞邊長為acm,密度為bg·cm-3,則阿伏加德羅常數(shù)可表示為

(用含a、b的式子表示)。

sp34(2)立方氮化硼晶胞中有

個硼原子、

個氮原子,硼原子的雜化類型為

,若晶胞的邊長為ccm,則立方氮化硼的密度為

g·cm-3(設NA為阿伏加德羅常數(shù)的值)。

44sp3學習任務2探究共價晶體的物理性質『自主梳理』1.物理性質(1)熔點很

。(2)硬度很

。金剛石是天然存在的最硬的物質。(3)一般

導電。但晶體硅是半導體。(4)不溶于一般溶劑。高大不2.共價晶體熔點和硬度的比較規(guī)律結構相似的共價晶體,原子半徑越小,鍵長越

,鍵能越

,晶體的熔點越高,硬度越大。短大『互動探究』材料金剛石、碳化硅、晶體硅均具有相似的結構,下表列出了它們的鍵長、鍵能、熔點和硬度的數(shù)據。晶體鍵長/pm鍵能/(kJ·mol-1)熔點/℃硬度金剛石154348>350010碳化5晶體硅23422614106.5探究共價晶體的物理性質問題1:使共價晶體熔化,需要破壞的粒子間作用力是什么?使金剛石、碳化硅、晶體硅熔化分別破壞的這種具體的作用力又是什么?提示:使共價晶體熔化,需要破壞共價鍵。使金剛石、碳化硅、晶體硅熔化分別破壞的是C—C、C—Si、Si—Si。問題2:共價晶體的熔點和硬度等物理性質與共價晶體中共價鍵的鍵長、鍵能之間存在什么關系?提示:結構相似的共價晶體,其原子間形成共價鍵的鍵長越短,鍵能越大,晶體的熔點就越高,硬度就越大。問題3:如果不提供上述表格中的數(shù)據,根據元素周期表,你能判斷金剛石、碳化硅、晶體硅的鍵長、鍵能、熔點和硬度的相對大小嗎?說出你的判斷方法。提示:能。根據元素周期表,碳和硅為同一主族元素,原子半徑C<Si,因此鍵長大小順序為C—C<C—Si<Si—Si,鍵能大小順序為C—C>C—Si>Si—Si,熔點和硬度大小順序為C—C>C—Si>Si—Si。歸納拓展共價晶體與分子晶體的比較晶體類型共價晶體分子晶體構成粒子原子分子粒子間作用力共價鍵分子間作用力結構特點空間網狀結構分子密堆積或非密堆積物理性質熔點、沸點高,硬度大,不溶于一般溶劑熔點、沸點低,硬度小,遵守“相似相溶”規(guī)律熔化時破壞的作用力共價鍵范德華力(有時破壞氫鍵)舉例金剛石冰、干冰『題組例練』題點一共價晶體的性質與判斷1.在40GPa高壓下,用激光器加熱到1800K,人們成功制得了類似SiO2結構的共價晶體干冰。下列推斷錯誤的是(

)A.共價晶體干冰的熔點、沸點很高B.共價晶體干冰易升華,可用作制冷材料C.共價晶體干冰的硬度大,可用作耐磨材料D.1mol共價晶體干冰中含4molC—O√解析:題中已經指出制得的干冰是共價晶體,則共價晶體干冰的熔點、沸點高,不易升華,且硬度大,可用作耐磨材料,A、C正確,B錯誤;共價晶體干冰結構與SiO2結構類似,則1mol共價晶體干冰中含4molC—O,D正確。規(guī)律方法判斷共價晶體的方法(1)依據構成晶體的粒子和粒子間的作用力判斷:構成共價晶體的粒子是原子,粒子間的作用力是共價鍵。(2)依據晶體的熔點判斷:共價晶體的熔點高,常在1000℃以上。(3)依據晶體的導電性判斷:共價晶體多數(shù)為非導體,但晶體Si、晶體Ge為半導體。(4)依據晶體的硬度和機械性能判斷:共價晶體的硬度大。題點二共價晶體的性質比較2.下列晶體性質的比較不正確的是(

)A.沸點:NH3>PH3B.熔點:SiI4>SiBr4>SiCl4C.硬度:白磷>冰>二氧化硅D.硬度:金剛石>碳化硅>晶體硅√解析:A項中NH3分子間存在氫鍵,故沸點NH3>PH3,正確;B項中三種物質的組成和結構相似,且均為分子晶體,熔點隨相對分子質量的增大而升高,正確;C項中白磷和冰都是分子晶體,硬度小,而二氧化硅是共價晶體,硬度大,錯誤;D項中的三種物質都是共價晶體,由于原子半徑C<Si,所以鍵長C—C<C—Si<Si—Si,故鍵能C—C>C—Si>Si—Si,而鍵能越大,共價晶體的硬度越大,正確。3.現(xiàn)有兩組物質的熔點數(shù)據如下表所示:A組B組金剛石:>3500℃HF:-84℃晶體硅:1410℃HCl:-114℃晶體硼:2300℃HBr:-87℃二氧化硅:1710℃HI:-51℃(1)A組屬于

晶體,其熔化時克服的粒子間的作用力是

。(2)B組中HF熔點反常是由于

。

(3)B組晶體不可能具有的性質是

(填序號)。

①硬度?、谒芤耗軐щ姠酃腆w能導電④液體狀態(tài)能導電

共價共價鍵HF分子間能形成氫鍵③④解析:A組熔點很高,應是共價晶體,共價晶體熔化時破壞的是共價鍵。B組是分子晶體,且結構相似,一般相對分子質量越大,熔點越高,HF的相對分子質量最小,但熔點比HCl的高,出現(xiàn)反常的原因是HF分子間存在氫鍵,HF熔化時除了破壞范德華力,還要破壞氫鍵,所需能量更多,因而熔點更高。分子晶體在固態(tài)和熔融狀態(tài)下都不導電。思維建模晶體熔點、沸點和硬度的比較方法判斷晶體類型→分析作用力強弱→進行性質比較。(1)不同晶體類型:一般來說,共價晶體的熔點、沸點高于分子晶體的,共價晶體的硬度大于分子晶體的。(2)同一類型的晶體。①共價晶體的熔點高低、硬度大小取決于共價鍵的強弱,原子半徑越小,鍵長越短,鍵能越大,共價鍵越強,熔點越高。②影響分子晶體熔點、沸點的三要素:氫鍵、范德華力、極性。分子間作用力與相對分子質量有關,同時還要考慮分子極性及是否存在氫鍵?！褐R整合提升』學科素養(yǎng)測評硅是一種重要的非金屬單質,硅及其化合物的用途非常廣泛。根據所學知識回答硅及其化合物的相關問題。(1)基態(tài)硅原子的核外電子排布式為

。

1s22s22p63s23p2(2)晶體硅的微觀結構與金剛石的相似,晶體硅中Si—Si之間的夾角大小約為

。

109°28′解析:(2)晶體硅以一個硅原子為中心,與另外四個硅原子形成正四面體結構,所以Si—Si之間的夾角大小約為109°28′。(3)請在圖中補充完成SiO2晶體的結構示意圖(部分原子已畫出),并進行必要的標注。答案:(3)解析:(3)圖中給出的是硅晶體的結構,SiO2晶體相當于在硅晶體結構中的每個Si—Si中插入一個氧原子,所以只要在每兩個硅原子之間畫一個半徑比硅原子小的原子,再用實線連起來即可。(4)下表列有三種物質(晶體)的熔點。物質SiO2SiCl4SiF4熔點/℃1710-70.5-90.2簡要解釋熔點產生差異的原因。①SiO2和SiCl4: