2020-2021学年第二节 分子晶体与共价晶体第2课时学案

这是一份2020-2021学年第二节 分子晶体与共价晶体第2课时学案，共17页。学案主要包含了共价晶体的结构和性质，常见的共价晶体等内容，欢迎下载使用。
第2课时　共 价 晶 体必备知识·自主学习一、共价晶体的结构和性质1．共价晶体的结构特点(1)构成粒子及作用力共价晶体(2)空间结构：整块晶体是一个三维的共价键网状结构，不存在单个的小分子，是一个“巨分子”。2．共价晶体与物质的类别物质种类实例某些非金属单质晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等某些非金属化合物碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等某些氧化物二氧化硅(SiO2)等3.共价晶体的熔、沸点(1)共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时必须破坏共价键，而破坏它们需要很高的温度，所以共价晶体具有很高的熔点。(2)结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。(1)判断下列说法是否正确①具有共价键的晶体都是共价晶体。(　×　)提示：冰、干冰晶体中H2O、CO2的分子内都含有共价键，但属于分子晶体。②共价晶体中，共价键越强，熔点越高。(　√　)提示：共价晶体中原子间由共价键相结合，熔化时破坏共价键，共价键越强，熔化时所需能量越多，熔点越高。③共价晶体的化学式表示其分子式。(　×　)提示：共价晶体中不含分子。(2)有下列几种晶体：A.水晶，B.冰醋酸，C.白磷，D.金刚石，E.晶体氩，F.干冰。①属于分子晶体的是________(填字母，下同)，直接由原子构成的分子晶体是________。②属于共价晶体的化合物是________。③直接由原子构成的晶体是________。④受热熔化时，化学键不发生变化的是_______，需克服共价键的是_______。【解析】根据构成晶体的粒子不同，分子晶体仅由分子组成，共价晶体中无分子。分子晶体有B、C、E、F，其中晶体氩是单原子分子构成的晶体；共价晶体和单原子分子晶体都由原子直接构成，共价晶体有A、D，但化合物只有A；分子晶体熔化时，一般不破坏化学键；共价晶体熔化时，破坏化学键。答案：①BCEF　E　②A　③ADE　④BCF　AD二、常见的共价晶体1．金刚石(1)在晶体中每个碳原子以4个共价键与相邻的4个碳原子相结合，成为正四面体。(2)晶体中C—C键夹角为109°28′，碳原子采取了sp3杂化。(3)最小环上有6个碳原子。(4)晶体中碳原子个数与C—C键数之比为1∶(4×)＝1∶2。2．二氧化硅(1)二氧化硅的结构二氧化硅是自然界含量最高的固态二元氧化物，有多种结构，最常见的是低温石英(α­SiO2)。低温石英的结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，这一结构决定了它具有手性。(2)二氧化硅的用途二氧化硅是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。(情境思考)金刚砂又名碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，如莫桑石。碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。(1)制备金刚砂的化学方程式______________。提示：SiO2＋3CSiC＋2CO↑。(2)金刚砂的熔点比金刚石的熔点________。提示：低。(3)金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合____个碳原子，含有共价键形成的原子环，其中最小的环上有____个硅原子。提示：4　3。关键能力·合作学习知识点一　常见的共价晶体1．常见的共价晶体(1)金刚石①每个碳原子都采取sp3杂化，与相邻的4个碳原子以共价键相结合，正四面体形结构，键角109°28′ 。②晶体中最小的碳环由6个碳原子组成，且不在同一平面内，最多有4个碳原子在同一平面。③每个C形成4个C—C键，每个C占有2个C—C键，即C原子与C—C键之比为1∶2。④每个C原子被12个六元环共用，1个碳环占有的碳原子为0.5个。⑤每个C—C键被6个六元环共用。(2)二氧化硅①1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个O原子和2个Si原子相结合。②1 mol SiO2中含4 mol Si—O键③最小环是由6个Si原子和6个O原子组成。④每个Si原子被12个12元环共用，每个O原子被6个12元环共用。⑤每个Si—O键被6个12元环共用。2．共价晶体熔沸点的比较→→→3．共价晶体与分子晶体熔沸点比较熔、沸点：共价晶体>分子晶体。【归纳总结】晶体熔、沸点和硬度的比较方法(1)先判断晶体类型。主要依据构成晶体的微粒及其微粒间的作用力。对于不同类型的晶体，一般来说，共价晶体的熔、沸点高于分子晶体，共价晶体的硬度大于分子晶体。(2)对于同一类型的晶体①共价晶体的熔点高低、硬度大小取决于共价键的强弱，原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越强，熔点越高。②分子晶体的熔、沸点高低取决于分子间作用力，分子间作用力与相对分子质量有关，同时还要考虑分子极性及是否存在氢键。金刚石的晶胞如图所示：(1)1 mol金刚石中含________个共价键。提示：2NA。(2)晶胞棱长为a，碳原子半径为r。a、r之间有什么关系？提示：2r＝×a。【典例】(2021·昆明高二检测)已知SiC晶体具有较大的硬度，且原子间均以单键结合，下列关于晶体的说法正确的是(　　)A．SiC晶体是分子晶体B．SiC晶体中，C—Si键的键长比金刚石中C—C键的键长要短C．SiC晶体中微粒间通过离子键结合D．SiC晶体中每个C原子连接4个Si原子，而每个Si原子连接4个C原子【解题指南】解答本题要注意以下两点：(1)利用晶体性质正确判断晶体类型。(2)熟知共价晶体的结构特点及键参数的应用。【解析】选D。SiC晶体具有较大的硬度，因此SiC属于共价晶体，故A项错误；根据元素周期律可知，Si的原子半径比C的原子半径大，则SiC晶体中，C—Si键的键长比金刚石中C—C键的键长要长，故B项错误；SiC晶体中构成的微粒为原子，故微粒之间通过共价键结合，而非离子键，故C项错误；根据C和Si原子元素均属于第ⅣA族元素可知，SiC晶体中每个C原子连接4个Si原子，而每个Si原子连接4个C原子，故D项正确。 (1)共价晶体都是空间网状结构。(2)共价晶体中原子之间以共价键结合，键长越短、键能越大，共价键越强，共价晶体的熔沸点越高，硬度越大。1.(2021·南京高二检测)我们可以将SiO2的晶体结构想象为在晶体硅的Si—Si键之间插入O原子。根据SiO2晶体结构图，下列说法不正确的是(　　)A．石英晶体中每个Si原子通过Si—O极性键与4个O原子作用B．每个O原子也通过Si—O极性键与2个Si原子作用C．石英晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2，可用“SiO2”来表示石英的组成D．在晶体中存在石英分子，故能叫分子式【解析】选D。晶体硅的结构是五个硅原子形成正四面体结构，其中有一个位于正四面体的中心，另外四个位于四面体的顶点，故SiO2的结构为每个硅原子周围有四个氧原子，而每个氧原子周围有两个硅原子，在晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2，“SiO2”仅表示石英的组成，故没有单个的SiO2分子。2．金刚石和二氧化硅的晶体结构模型如下图：(1)分析金刚石、二氧化硅的晶体结构模型，判断共价晶体的化学式是否可以代表其分子式？提示：不能。因为共价晶体是三维的网状结构，无小分子存在，化学式只是晶体中组成原子的个数比。(2)以金刚石为例，说明共价晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同？提示：①构成粒子不同，共价晶体中只存在原子，没有小分子；分子晶体存在分子。②所含作用力不同，共价晶体中存在的是共价键；分子晶体中存在分子间作用力。(3)分析SiO2晶体结构模型，判断晶体中最小的环有多少个原子？提示：SiO2晶体中最小环上有12个原子。知识点二　分子晶体与共价晶体的比较1．分子晶体与共价晶体的比较晶体类型共价晶体分子晶体概念相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体只含分子的晶体组成微粒原子分子微粒间作用力共价键分子间作用力熔、沸点很高较低硬度很大较小溶解性一般不溶于各种溶剂部分溶于水导电性不导电，个别为半导体不导电，部分水溶液导电熔化时破坏的作用力共价键分子间作用力实例金刚石干冰结构特点其最小的碳原子环中有6个碳原子，碳碳键夹角为109°28′CO2晶体中存在CO2分子2.分子晶体与共价晶体的判断(1)依据构成晶体的微粒种类和微粒间的作用力判断。构成共价晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键；构成分子晶体的微粒是分子，微粒间的作用力是分子间作用力。(2)依据晶体的熔点判断。共价晶体的熔点高，常在1 000 ℃以上；而分子晶体熔点低，常在数百度以下甚至更低温度。(3)依据晶体的导电性判断。分子晶体为非导体，但部分分子晶体溶于水后能导电，如HCl。共价晶体多数为非导体，但晶体Si、晶体Ge为半导体。(4)依据晶体的硬度和机械性能判断。共价晶体硬度大；分子晶体硬度小且较脆。(5)依据物质的分类判断。①大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅等)、非金属氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、几乎所有的酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。②常见的单质类共价晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等；常见的化合物类共价晶体有碳化硅、二氧化硅等。 对分子晶体和共价晶体的认识误区(1)共价晶体是一个三维的共价键网状结构，是一个“巨分子”，没有小分子存在；而分子晶体中存在真实的分子。(2)共价晶体的化学式不表示实际组成，只表示组成原子的个数比，如SiO2只是表示晶体中Si与O的原子个数比为1∶2。而分子晶体的化学式表示真实的组成。(3)由原子构成的晶体不一定是共价晶体，如稀有气体组成的晶体属于分子晶体。(1)常见的单质共价晶体有哪些？提示：金刚石、单质硅、单质硼。(2)常见的共价晶体化合物有哪些？提示：SiO2、SiC、C3N4、Si3N4、BN、AlN、BP、GaAs等。【典例】(2021·洛阳高二检测)下列晶体性质的比较中不正确的是(　　)A．沸点：NH3>PH3B．熔点：SiI4>SiBr4>SiCl4C．硬度：白磷>冰>二氧化硅D．硬度：金刚石>碳化硅>晶体硅【思维建模】解答有关晶体熔沸点比较问题的思维流程如下：【解析】选C。A项中注意NH3分子间存在氢键，故沸点NH3>PH3，正确；B项中三种物质的组成和结构相似，且均为分子晶体，熔点随相对分子质量的增大而升高，正确；C项中白磷和冰都是分子晶体，硬度小，而二氧化硅是共价晶体，硬度大，错误；D 项中的三种物质都是共价晶体，由于原子半径C<Si，所以键长C—C<C—Si<Si—Si，故键能C—C>C—Si>Si—Si，而键能越大，共价晶体的硬度越大，正确。【母题追问】NH3的溶解度比PH3大的原因是什么？提示：NH3为极性分子，NH3与水分子间形成氢键，NH3与水发生反应生成NH3·H2O。 晶体熔沸点比较方法①判断晶体类型―→分析作用力强弱―→得出熔沸点高低。②不同晶体熔沸点：共价晶体＞分子晶体；③分子晶体熔沸点影响的三要素：氢键、范德华力、极性。④共价晶体的作用力为共价键：键长短、键能大，熔沸点高。1．(2021·贵阳高二检测)下列说法正确的是(　　)A．冰融化时，分子中H—O键发生断裂B．分子晶体中，共价键键能越大，分子晶体的熔沸点越高C．共价晶体中，共价键越强，熔点越高D．分子晶体中，分子间作用力越大该物质越稳定【解析】选C。冰融化克服氢键与范德华力，属于物理变化，H—O键没有断裂，故A错误；影响分子晶体熔沸点高低的因素是分子间作用力的大小，与共价键的键能无关，故B错误；影响共价晶体熔沸点高低的因素是键能的大小，共价键的键长越短，键能越大，熔点就越高，故C正确；分子的稳定性与分子间作用力无关，稳定性取决于键能，故D错误。2．砷化镓是第二代半导体，熔点为1 238 ℃，具有空间网状结构，性能比硅更优良。砷化镓半导体材料的一个重要特性就是光电特性。由于它具有直接带隙以及宽禁带等结构，它的光发射效率比硅锗等半导体材料高，广泛用于雷达、电子计算机、人造卫星、宇宙飞船等尖端技术中。砷化镓晶体其晶胞结构如图所示。(1)砷化镓属于________晶体。提示：共价。(2)砷化镓与氮化硼属于同种晶体类型。则两种晶体熔点较高的是________，其理由是________________________________________________________________________________________________________________________________。提示：BN　二者均为共价晶体，B、N间的键长比Ga、As的键长短，键能大。(3)Ga和As的摩尔质量分别为MGa g·mol－1 和MAs  g·mol－1，原子半径分别为rGa pm和rAs pm，阿伏加德罗常数值为NA，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为____________。提示：该晶胞中含有4个Ga、4个 As，则晶胞中原子的体积为[π(rGa×10－10cm)3＋π(rAs×10－10cm)3]×4，晶胞的体积为cm－3，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为[π(rGa×10－10cm)3＋π(rAs×10－10cm)3]×4/×100%＝×100%。三言两语话重点1．共价晶体由原子构成，只含有共价键。2．共价晶体是三维空间网状结构，不存在单个小分子。3．共价晶体一般熔点高，硬度大，且原子半径越小，键长越短，键能越大，熔点越高。4．金刚石晶体中，C—C键夹角为109°28′，碳原子采取sp3杂化，为正四面体形空间网状结构，最小环上有6个碳原子。课堂检测·素养达标1．(2021·杭州高二检测)下列有关共价晶体的叙述错误的是(　　)A．共价晶体中，原子不遵循紧密堆积原则B．共价晶体具有空间网状结构C．共价晶体中不存在独立的分子D．共价晶体熔化时不破坏共价键【解析】选D。A项，共价晶体中原子之间通过共价键相连，而共价键具有方向性和饱和性，所以共价晶体中，原子不遵循紧密堆积原则；B项，共价晶体是相邻原子之间通过共价键结合而成的空间网状结构；C项，共价晶体是由原子以共价键相结合形成的，不存在独立的分子；D项，共价晶体是原子通过共价键连接的，熔化时需要破坏共价键。2．(2021·泰州高一检测)科学家成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体，下列关于CO2的共价晶体说法，正确的是(　　)A．CO2的共价晶体和分子晶体互为同分异构体B．在一定条件下，CO2共价晶体转化为CO2分子晶体是物理变化C．CO2的共价晶体和CO2分子晶体具有相同的物理性质和化学性质D．在CO2的共价晶体中，每一个C原子周围结合4个O原子，每一个O原子跟2个C原子相结合【解析】选D。CO2的共价晶体不存在分子形式，与分子晶体不互为同分异构体，故A错误；二氧化碳共价晶体和二氧化碳分子晶体不是一种物质，所以在一定条件下，CO2共价晶体转化为分子晶体是化学变化不是物理变化，故B错误；二氧化碳分子晶体和二氧化碳共价晶体的构成微粒不同，空间构型不同，所以其物理性质和化学性质不同，故C错误；利用知识迁移的方法分析，把二氧化硅结构中的硅原子替换成碳原子，所以在二氧化碳的共价晶体中，每个C原子周围结合4个O原子，每个O原子跟两个C原子相结合，故D正确。3．下列各组晶体物质中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是(　　)①SiO2和SO3　②金刚石和白磷　③CO2和SO2　④晶体硅和金刚石　⑤晶体氖和晶体氮　⑥硫黄和单质碘A．①②③    B．④⑤⑥C．③④⑥    D．①③⑤【解析】选C。属于分子晶体的有SO3、CO2、SO2、白磷、晶体氖、晶体氮、硫黄和单质碘。属于共价晶体的有SiO2、晶体硅和金刚石。但晶体氖是单原子分子，晶体中不存在化学键。4．(2021·徐州高二检测)一种新型材料B4C，它可用于制作切削工具和高温热交换器。关于B4C的推断正确的是(　　)A．B4C分子是由4个硼原子和1个碳原子构成的B．B4C是一种共价晶体C．B4C是一种分子晶体D．B4C晶体中存在离子键【解析】选B。B4C由非金属元素组成，可用于制作切削工具和高温热交换器，说明熔点高，应为原子晶体，不存在单个分子，构成微粒为原子，碳、硼原子之间以共价键结合。5．碳化硅SiC的一种晶体具有类似金刚石的结构，其中C原子和Si原子的位置是交替的。在下列三种晶体①金刚石、②晶体硅、③碳化硅中，它们的熔点从高到低的顺序是(　　)A．①③②    B．②③①C．③①②    D．②①③【解析】选A。C与Si同为第ⅣA族元素，它们的相似性表现在金刚石是共价晶体，晶体硅、碳化硅也是共价晶体。从碳到硅原子半径逐渐增大，形成共价键的键能逐渐减弱，熔点取决于它们的键能，故熔点从高到低的顺序是金刚石、碳化硅、晶体硅。6.晶体硅是良好的半导体材料，被广泛用于信息技术和能源科学等领域。晶体硅是与金刚石结构类似的晶体(其晶胞如图所示)，硅晶体的1个晶胞中含__________个Si原子，在晶体硅的空间网状结构中最小环为__________元环，每最小环独立含有__________个Si原子，含1 mol Si原子的晶体中Si—Si键的数目为________。【解析】根据Si的晶胞计算，顶点粒子占，面心粒子占，晶胞内部粒子为整个晶胞所有，则硅晶体的1个晶胞中含Si原子的数目为8×＋6×＋4＝8个，最小环是六元环，Si处在四面体中，每一个面上产生3个六元环，则4个面一共产生12个六元环，所以一个Si原子归12个环所有，均摊为，一个六元环含有6个Si原子，所以每最小环独立含有6×＝个Si原子，一个Si形成4个共价键，1个共价键上有2个Si原子，所以含1 mol Si原子的晶体中含有2 mol共价键。答案：8　6　　2 mol 素养新思维 7．(2021·湖南选择考节选)硅、锗(Ge)及其化合物广泛应用于光电材料领域。回答下列问题：(1)基态硅原子最外层的电子排布图为______________________，晶体硅和碳化硅熔点较高的是____________________(填化学式)；(2)硅和卤素单质反应可以得到SiX4。SiX4的熔沸点0℃时，SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4呈液态的是______________(填化学式)，沸点依次升高的原因是____________________，气态SiX4分子的空间构型是____________________。【解析】(1)硅元素的原子序数为14，价电子排布式为3s23p2，则最外层电子排布图为；原子晶体的熔点取决于共价键的强弱，晶体硅和碳化硅都是原子晶体，碳原子的原子半径小于硅原子，非金属性强于硅原子，碳硅键的键能大于硅硅键、键长小于硅硅键，则碳硅键强于硅硅键，碳化硅的熔点高于晶体硅；(2)由题给熔沸点数据可知，0 ℃时，四氟化硅为气态，四氯化硅为液态，四溴化硅、四碘化硅为固态；分子晶体的沸点取决于分子间作用力的大小，SiX4都是结构相似的分子晶体，相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增大，则SiX4的沸点依次升高；SiX4分子中硅原子的价层电子对数为4，孤电子对数为0，则分子的空间构型为正四面体形。答案：(1)　SiC(2)SiCl4　SiX4都是结构相似的分子晶体，相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增大　正四面体形