鲁科版 (2019)选择性必修2第2节 原子结构与元素周期表精品第2课时练习题

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第2课时　共价晶体
[核心素养发展目标]　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微粒之间的作用对共价晶体物理性质的影响。
1．概念
相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体。
2．构成微粒及微粒间作用

3．常见共价晶体及物质类别
(1)某些单质：如硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、金刚石等。
(2)某些非金属化合物：如金刚砂(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。
4．常见共价晶体的结构
(1)金刚石

①在晶体中每个碳原子以4个共价单键与相邻的4个碳原子相结合，形成正四面体结构，再向空间伸展，构成彼此联结的立体网状结构。
②晶体中相邻碳碳键的夹角为109°28′，碳原子采取了sp3杂化。
③最小环上有6个碳原子，晶体中C原子个数与C—C键数之比为1∶2。
④金刚石的硬度大，熔点高，原因是晶体中C—C键键长很短，键能很大。
⑤1 mol C原子组成的金刚石中含有2 mol C—C键。
(2)晶体硅
把金刚石中的C原子换成Si原子，分别得到晶体硅的结构模型和晶胞模型，不同的是Si—Si键键长>C—C键键长。
(3)二氧化硅

①在二氧化硅晶体中，每个Si原子周围结合4个O原子，同时每个O原子与2个Si原子结合。Si、O原子个数比为1∶2。
②在二氧化硅晶体中，位于四面体中心的原子是硅原子，位于四面体四个顶点上的原子是氧原子。
③在二氧化硅晶体中，硅原子采取sp3杂化，Si—O—Si键与Si—O—Si键的夹角是109°28′。
④二氧化硅晶体中最小环上的原子数是12，包括6个O原子和6个Si原子。
⑤1 mol二氧化硅晶体中含有4 mol Si—O键。
5．共价晶体的物理性质
(1)熔点很高。
(2)硬度很大。金刚石是天然存在的最硬的物质。
(3)一般不导电。但晶体硅是半导体。
(4)不溶于一般溶剂。

(1)凡是由原子构成的晶体都是共价晶体(　　)
(2)共价晶体中只存在极性共价键，不可能存在其他类型的化学键(　　)
(3)二氧化硅晶体的化学式为SiO2，也可以表示其分子式(　　)
(4)硬度很大、熔点很高的晶体可能是共价晶体(　　)
(5)共价晶体都不导电(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×

1．共价晶体中原子是否遵循紧密堆积原则 (填“是”或“否”)，原因是 。
答案　否　共价键具有方向性和饱和性
2．金刚砂(SiC)与金刚石具有相似的晶体结构，在金刚砂的空间网状结构中，碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。
试回答：
(1)金刚砂属于 晶体。金刚砂的熔点比金刚石熔点 。
(2)金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合 个碳原子，其中键角是 。
(3)金刚砂的结构中含有共价键形成的原子环，其中最小的环上有 个硅原子。
(4)碳、硅原子均采取 杂化。
答案　(1)共价　低　(2)4　109°28′　(3)3　(4)sp3
解析　由于金刚砂是空间网状结构，碳原子、硅原子交替以共价单键相结合，故金刚砂是共价晶体；硅原子半径比碳原子大，故金刚砂熔点低；硅和碳最外层电子、成键方式相同，均采取sp3杂化，硅原子周围有4个碳原子，键角为109°28′；组成的六元环中，有3个碳原子，3个硅原子。


金刚石(晶体硅)
碳化硅
二氧化硅
晶胞



中心原子杂化类型
sp3
sp3
sp3
键角
109°28′
109°28′
109°28′
晶胞中微粒数目
8个C
C：4个
Si：4个
Si：8个
O：16个
1 mol物质中化学键数目
2NA个C—C
4NA个C—Si
4NA个Si—O


1．下列物质中，属于共价晶体的化合物是(　　)
A．无色水晶 B．晶体硅
C．金刚石 D．氯化钠晶体
答案　A
解析　A项，无色水晶是共价晶体，属于化合物；B项，晶体硅是单质；C项，金刚石是单质；D项，氯化钠晶体是离子晶体。
2．(2019·重庆月考)下列关于金刚石的说法中，错误的是(　　)
A．晶体中不存在独立的分子
B．碳原子间以共价键相结合
C．是天然存在的硬度最大的物质
D．化学性质稳定，在高温下也不与氧气发生反应
答案　D
解析　金刚石是碳原子间以共价键结合形成的空间网状结构的共价晶体，不存在单个的分子。在天然存在的物质中，金刚石的硬度最大。在高温下金刚石可以与氧气反应生成二氧化碳。
3．根据下列物质的性质，判断其属于共价晶体的是(　　)
A．熔点为2 700 ℃，导电性强，延展性强
B．无色晶体，熔点为3 550 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂
C．无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800 ℃，熔化时能导电
D．熔点为－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电
答案　B
解析　共价晶体一般不导电，没有延展性，A项错误；共价晶体难溶于水，C项错误；共价晶体一般熔点很高，硬度很大，D项错误。
4．下列说法正确的是(　　)
A．在含4 mol Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4NA
B．金刚石晶体中，碳原子数与C—C键数之比为1∶2
C．30 g二氧化硅晶体中含有0.5NA个二氧化硅分子
D．晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的共价晶体
答案　B
解析　在二氧化硅晶体中，每个硅原子形成4个Si—O键，故含有4 mol Si—O键的二氧化硅晶体的物质的量为1 mol，即含有2NA个氧原子，A项错误；金刚石中每个碳原子均与另外4个碳原子形成共价键，且每两个碳原子形成一个C—C键，故1 mol碳原子构成的金刚石中共有2 mol C—C键，因此碳原子数与C—C键数之比为1∶2，B项正确；二氧化硅晶体中不存在分子，C项错误；氖晶体是由单原子分子靠分子间作用力结合在一起形成的，不属于共价晶体，D项错误。
5．科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。其原因可能是(　　)
A．碳、氮原子构成平面结构的晶体
B．碳氮键键长比金刚石中的碳碳键键长更短
C．氮原子电子数比碳原子电子数多
D．碳、氮单质的化学性质均不活泼
答案　B
解析　由“这种化合物可能比金刚石更坚硬”可知，该晶体应该是一种共价晶体，共价晶体的结构是一种空间网状结构而不是平面结构，A选项错误；氮原子的半径比碳原子的半径小，二者所形成的共价键的键长要比碳碳键的键长短，所以该晶体的硬度应该比金刚石更高，B选项正确；原子的电子数和单质的活泼性一般不会影响所形成的晶体的硬度等，所以C、D选项错误。
6．已知C3N4晶体的硬度比金刚石大，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于C3N4晶体的说法错误的是(　　)
A．该晶体属于共价晶体，其化学键比金刚石中的化学键更牢固
B．该晶体中每个碳原子与4个氮原子相连，每个氮原子与3个碳原子相连
C．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构
D．该晶体与金刚石相似，都是相邻原子间以非极性共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体
答案　D
解析　由题意知C3N4晶体属于共价晶体，依据C、N在元素周期表中的位置及性质递变规律，可得C—N键比C—C键的键长短，键能大，A项正确；碳原子最外层有4个电子，可形成4个共价键，氮原子最外层有5个电子，可形成3个共价键，故C3N4晶体中每个碳原子与4个氮原子相连，每个氮原子与3个碳原子相连，B项正确；在C3N4晶体中，每个原子的最外层都满足8电子结构，C项正确；C3N4晶体是碳氮原子间以极性共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体，D项错误。
7．1999年美国《科学》杂志报道：在40 GPa高压下，用激光器加热到1 800 K，人们成功制得了共价晶体干冰，下列推断中不正确的是(　　)
A．共价晶体干冰有很高的熔点、沸点，有很大的硬度
B．共价晶体干冰易汽化，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．每摩尔共价晶体干冰中含4 mol C—O键
答案　B
解析　既然干冰是共价晶体，所以可将干冰类比成共价晶体SiO2，具有熔点高，硬度大，耐磨等性质。每摩尔SiO2中有4 mol Si—O键，所以D项也正确。
8．回答下列问题：
(1)氮化碳和氮化硅晶体结构相似，是新型的非金属高温陶瓷材料，它们的硬度大、熔点高，化学性质稳定。
①氮化硅的硬度 (填“大于”或“小于”)氮化碳的硬度，原因是
。
②已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且氮原子与氮原子不直接相连、硅原子与硅原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式 。
(2)第ⅢA、ⅤA族元素组成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的新型半导体材料，其晶体结构与单晶硅相似。
①在GaN晶体中，每个Ga原子与 个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为 ，GaN属于 晶体。
②三种新型半导体材料的熔点由高到低的顺序为
。
答案　(1)①小于　氮化硅和氮化碳均为共价晶体，氮化硅中N—Si键的键长比氮化碳中C—N键的键长长，键能小　②Si3N4
(2)①4　正四面体　共价　②GaN＞GaP＞GaAs
解析　(1)①氮化硅和氮化碳均为共价晶体。氮化硅中N—Si键的键长比氮化碳中C—N键的键长长，键能小，所以氮化硅硬度比氮化碳小。
②由题意知，氮化硅晶体中每个Si原子连接4个N原子，每个N原子连接3个Si原子，Si和N原子均达到8电子稳定结构，其化学式为Si3N4。
(2)①GaN与单晶硅结构相似，所以每个Ga原子与4个N原子形成共价键，每个N原子与4个Ga原子形成共价键。与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为正四面体结构，GaN与晶体硅都是共价晶体。②原子半径越小，共价键越强，晶体的熔点越高。

一、单项选择题
1．构成共价晶体的微粒及作用力是(　　)
A．原子、共价键 B．分子、共价键
C．原子、分子间作用力 D．分子、分子间作用力
答案　A
解析　相邻原子之间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体称为共价晶体。
2．(2019·泰安高二检测)固体熔化时，必须破坏非极性共价键的是(　　)
A．冰 B．晶体硅
C．溴 D．二氧化硅
答案　B
解析　冰融化时克服的是分子间作用力；晶体硅熔化时克服的是非极性共价键；溴熔化时克服的是分子间作用力；二氧化硅熔化时克服的是极性共价键。
3．在金刚石的晶体结构中含有由共价键形成的碳原子环，其中最小的环上的碳原子数及每个碳原子上任意两个C—C键间的夹角分别是(　　)
A．6、120° B．5、108°
C．4、109.5° D．6、109°28′
答案　D
解析　金刚石中最小的碳环含有6个碳原子，两个C—C键间的夹角是109°28′。
4.如图所示是某种共价晶体A的空间结构片断，A与某物质B反应生成C，其实质是在每个A—A键中插入一个B原子，则C物质的化学式可能为(　　)

A．AB B．A5B4
C．AB2 D．A2B5
答案　C
解析　由图可知，每个A原子形成4个键，每个A—A键中插入一个B原子，每个B原子形成2个键，故C物质中每个A原子形成4个A—B键，每个B原子形成2个B—A键，则A、B原子个数比为1∶2，所以C的化学式可能是AB2。
5．(2019·合肥高二检测)NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法中正确的是(　　)
A．28 g晶体硅中含有Si—Si键的个数为2NA
B．124 g白磷(P4)晶体中含有P—P键的个数为4NA
C．12 g金刚石中含有C—C键的个数为4NA
D．SiO2晶体中每摩尔硅可与氧原子形成2NA个共价键(Si—O键)
答案　A
解析　晶体硅的结构与金刚石相似，每个硅原子与周围4个硅原子形成4个共价键，依据“切割法”，1个硅(或碳)原子分得的共价键数为4×＝2，A正确、C错误；白磷为正四面体结构，每个P4分子中含有6个P—P键，B错误，SiO2晶体中每个硅原子与周围4个氧原子形成4个Si—O键，D错误。
6．有关键能数据如表：
化学键
Si—O
O==O
Si—Si
键能/kJ·mol－1
x
498
226

晶体硅在氧气中燃烧的热化学方程式：Si(s)＋O2(g)===SiO2(s)　ΔH＝－890 kJ·mol－1，则表中x的值为(　　)
A．460 B．920 C．1 165 D．423
答案　A
解析　根据题目所给反应，需要断裂的旧化学键键能之和：498 kJ·mol－1＋2×226 kJ·mol－1＝950 kJ·mol－1，形成的新化学键键能之和：4×x kJ·mol－1，由4×x kJ·mol－1－950 kJ·mol－1＝890 kJ·mol－1，求得x＝460。
7．将SiCl4与过量的液氨反应可生成化合物Si(NH2)4。将该化合物在无氧条件下高温灼烧，可得到氮化硅(Si3N4)固体，氮化硅是一种新型的耐高温、耐磨材料，在工业上有广泛的应用。氮化硅所属的晶体类型是(　　)
A．共价晶体 B．分子晶体
C．离子晶体 D．金属晶体
答案　A
解析　根据氮化硅(Si3N4)的元素组成，可判断它不可能为离子晶体和金属晶体；根据氮化硅的性质，可判断它不可能是分子晶体。
二、不定项选择题
8．AB型共价化合物，若原子最外层电子数之和为8，其晶体常是具有半导体性质的共价晶体。已知金刚石不导电但导热，锆石(ZrO2)不导电、不导热，却硬似钻石。近期发现不良商贩用制耐热器的碳化硅制成假钻石，则识别它们的可靠方法是(　　)
A．能在玻璃上刻划出痕迹的为金刚石
B．很硬、不导电但导热的是金刚石
C．既可导电又可导热的是碳化硅
D．不导电的为锆石
答案　B
解析　金刚石、锆石和碳化硅硬度均很大，刻划玻璃的方法不可靠，A项不可行；由题干知金刚石导热但不导电，碳化硅有半导体特性，而锆石不导电也不导热，B项可行，C、D项不可行。
9．碳化硅(SiC)晶体有类似金刚石的结构。其中碳原子和硅原子的位置是交替的。它与晶体硅和金刚石相比较，正确的是(　　)
A．熔点从高到低的顺序：金刚石>碳化硅>晶体硅
B．熔点从高到低的顺序：金刚石>晶体硅>碳化硅
C．三种晶体中的基本单元都是正四面体结构
D．三种晶体都是共价晶体且均为电的绝缘体
答案　AC
解析　依题意，金刚石，碳化硅和晶体硅都是共价晶体，碳化硅和晶体硅中有类似金刚石的正四面体结构单元，C正确；因键长：Si—Si键>Si—C键>C—C键，则键能：C—C键>Si—C键>Si—Si键，所以破坏这些键时所需能量依次降低，熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅，A正确，B错误；晶体硅是半导体，具有一定的导电性，D错误。
10．(2019·云南通海二中月考)碳化硅又称金刚砂(SiC)，它的分解温度很高，硬度极大，溶解性很差，性质很稳定。由此推断，下列物质中可能与它有相似结构的是(　　)
A．晶体硅 B．硅酸
C．干冰 D．水玻璃
答案　A
解析　结构决定性质，碳化硅和晶体硅都具有空间网状结构，性质相似，结构相似，都是共价晶体，A项正确。
三、非选择题
11．某些共价晶体的熔点如下表所示：
原子晶体
金刚石
氮化硼
硅
锗
熔点/℃
3 550
3 000
1 415
1 211

根据上表中的数据回答下列问题：
(1)从原子结构角度分析，金刚石、硅、锗的熔点逐渐降低的原因是
。
(2)第ⅣA族与第ⅤA族元素组成的晶体多是共价晶体，如氮化碳、氮化硅等。写出氮化碳、氮化硅的熔点大小关系： (用化学式表示)。
答案　(1)碳、硅、锗的原子半径逐渐增大，共价键键能逐渐减小
(2)C3N4>Si3N4
解析　(1)碳、硅、锗晶体的结构相似，都属于共价晶体。由于碳、硅、锗的原子半径逐渐增大，共价键的键能逐渐减小，所以金刚石、硅、锗的熔点逐渐降低。(2)由于C的原子半径比Si的原子半径小，故熔点：C3N4>Si3N4。
12．单质硼有无定形和结晶形两种，参考下表数据，回答问题：
物质
金刚石
晶体硅
晶体硼
熔点/℃
>3 550
1 410
2 573
沸点/℃
5 100
2 628
2 823
硬度
10
7.0
9.5

(1)晶体硼属于 晶体，理由是
。
(2)已知晶体硼的结构单元是由硼原子构成的正二十面体(如图所示)，该结构单元中有20个正三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点各有一个硼原子。通过观察图形及推算，得出此结构单元是由 个硼原子构成的，其中B—B键的键角为 。

答案　(1)共价　晶体硼的熔、沸点高，硬度大
(2)12　60°
解析　(1)从题表可知，晶体硼的熔、沸点以及硬度都介于晶体硅和金刚石之间，属于共价晶体。(2)从题图可得出，每个顶点上的硼原子均被5个正三角形共有，故分摊到每个正三角形的硼原子为个，每个正三角形含有(×3)个硼原子，此结构单元含硼原子数为20××3＝12。
13．下图是部分短周期元素的单质熔点的变化图，根据此图，填写下列空格：

(1)③号元素位于周期表第 周期 族，其单质的一种同素异形体能导电，该同素异形体的名称叫 。
(2)⑦号元素的核外电子排布式为 。
(3)②④两元素形成的化合物其晶体有两种结构，其中一种结构与金刚石相似，该结构的晶体属 晶体，若使其熔化，需破坏的作用力为 。
答案　(1)2　ⅣA　石墨
(2)1s22s22p63s23p2
(3)共价　共价键(或极性共价键)
解析　注意看清本题图中的横坐标表示原子序数，③号元素为原子序数为6的碳元素，它的单质(金刚石)熔点是第2周期中最高的，碳元素位于周期表第2周期ⅣA族。碳元素的单质中能导电的是石墨。⑦号元素为原子序数为14的硅元素，它的单质(晶体硅)熔点是第3周期中最高的。②④两元素分别为硼和氮，两元素形成的化合物中与金刚石结构相似的晶体属于共价晶体；若使其熔化，需破坏的作用力为共价键(或极性键)。
14．(2019·四川乐山高三调研)“张亭栋研究小组”受民间中医启发，发现As2O3对白血病有明显的治疗作用。氮(N)、磷(P)、砷(As)为第ⅤA族元素，该族元素的化合物在研究和生产中有着许多重要用途。
(1)N原子的价电子排布式为 ，N、P、As原子的第一电离能由大到小的顺序为 。
(2)立方氮化硼晶体(BN)是一种超硬材料，有优异的耐磨性，其晶胞如图所示。

①立方氮化硼是 晶体，晶体中N原子的杂化轨道类型为 ，B原子的配位数为 。
②立方氮化硼晶体中“一般共价键”与配位键的数目之比为 。
(3)六方氮化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5 pm。立方氮化硼晶胞中含有 个氮原子、 个硼原子，立方氮化硼的密度是 g·cm－3(只要求列算式，不必计算出数值。阿伏加德罗常数为NA)。
答案　(1)2s22p3　N>P>As
(2)①共价　sp3杂化　4　②3∶1
(3)4　4　
解析　(1)氮原子的原子序数为7，价电子排布式为2s22p3；N、P、As位于同一主族，随着原子序数逐渐增大，原子半径逐渐增大，原子失去电子的能力逐渐增强，原子的第一电离能逐渐减小，所以N、P、As原子的第一电离能由大到小的顺序为N>P>As。
(2)①立方氮化硼晶体超硬，具有优异的耐磨性，推测立方氮化硼晶体为共价晶体；立方氮化硼中氮原子与周围的4个硼原子形成四面体结构，硼原子与周围的4个氮原子形成四面体结构，因此晶体中N原子的杂化轨道类型为sp3；B原子的配位数为4。②B原子最外层有3个电子，形成4个共价键，所以含有1个配位键，故B原子与N原子之间共价键与配位键的数目之比为3∶1。
(3)金刚石晶胞中有8个C原子，则BN晶胞中也有8个原子，B原子、N原子各4个。BN的摩尔质量为25 g·mol－1，一个晶胞的质量为×25 g，除以一个晶胞的体积(361.5×10－10)3cm3(1 pm＝10－12m＝10－10cm)，即为晶体的密度。
15．四种短周期元素的性质或结构信息如下表所示，请回答下列问题：
元素
A
B
C
D
性质或结构信息
单质在常温下为固体，难溶于水，易溶于CS2，能形成两种二元含氧酸
原子的M层有1个未成对的p电子，核外p电子总数大于7
单质曾被称为“银色的金子”。与锂形成的合金常用于制造航天飞行器。单质能溶于强酸和强碱
原子核外电子层上s电子总数比p电子总数少2。单质和氧化物均为空间网状结构，具有很高的熔、沸点

(1)A原子的最外层电子排布式为 ，D原子核外共有 个电子。
(2)写出C单质与强碱反应的离子方程式：
。
(3)A、B两元素的氢化物分子中键能较小的是 (填分子式)；分子较稳定的是 (填分子式)。
(4)已知SiC的晶体结构与D的单质的晶体结构相似，其中C原子的杂化方式为 ，微粒间的作用力为 。SiC与D的单质的晶体的熔、沸点高低顺序是 。
答案　(1)3s23p4　14　(2)2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑　(3)H2S　HCl　(4)sp3杂化　共价键　SiC>Si
解析　单质在常温下为固体，难溶于水，易溶于CS2，能形成两种二元含氧酸的元素是硫。原子的M层有1个未成对的p电子，核外p电子总数大于7，其核外电子排布式应是1s22s22p63s23p5，则B是氯元素。单质能溶于强酸和强碱的元素是铝。原子核外电子层上s电子总数比p电子总数少2，再结合D的其他信息，可知其核外电子排布式是1s22s22p63s23p2，D为硅元素。晶体硅中1个硅原子与4个硅原子相连，呈正四面体结构，所以其杂化方式是sp3，SiC的晶体结构与晶体硅相似，故C原子的杂化方式也是sp3杂化；因为Si—C键的键长小于Si—Si键，所以熔、沸点：碳化硅>晶体硅。