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人教版 (2019)第二节 分子晶体与共价晶体优秀精练
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第三章 晶体结构与性质第二节 分子晶体与共价晶体课时精讲16 共价晶体【目标导航】1．借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点。2．能够从化学键的特征，分析理解共价晶体的物理特性。【知识导图】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(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二、共价晶体的物理性质已知：1．键能：C—C＞C—Si＞Si—Si；熔点：金刚石＞碳化硅＞晶体硅；硬度：金刚石＞碳化硅＞晶体硅(用“＞”或“＜”填空)。2．规律：共价晶体具有很高的熔点，很大的硬度；对结构相似的共价晶体来说，原子半径越小， 键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。三、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，熔化时必需破坏共价键，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。四、金刚石(1)碳原子采取sp3杂化，C—C—C夹角为109°28′。(2)每个碳原子与周围紧邻的4个碳原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成空间网状结构。(3)最小碳环由6个碳原子组成，且最小环上有4个碳原子在同一平面内；每个碳原子被12个六元环共用。五、二氧化硅晶体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，没有封闭的环状结构，这一结构决定了它具有手性。石英晶体中的硅氧四面体 石英的左、右型晶体 相连构成的螺旋链(1)Si原子采取sp3杂化，正四面体内O—Si—O键角为109°28′。(2)每个Si原子与4个O原子形成4个共价键，Si原子位于正四面体的中心，O原子位于正四面体的顶点，同时每个O原子被2个硅氧正四面体共用；每个O原子和2个Si原子形成2个共价键，晶体中Si原子与O原子个数比为1∶2。(3)最小环上有12个原子，包括6个O原子和6个Si原子。2．二氧化硅的用途 二氧化硅是制造水泥、玻璃、人造红宝石、单晶硅、硅电电池、芯片和光导纤维的原料。六、SiC晶体的结构SiC晶体的结构类似于金刚石晶体结构，其中C原子和Si原子的位置是交替的，所以在整个晶体中Si原子与C原子个数比为1∶1。【小试牛刀】判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。1．共价晶体中的相邻原子间只存在非极性共价键( )【答案】×【解析】共价晶体指原子晶体，其相邻原子间也可能是极性共价键，如SiC。2．“硅—锗晶体管”为我国首创，单晶硅、锗均为共价晶体( )【答案】√【解析】单晶硅、锗均为共价晶体。3．金刚石为共价键三维骨架结构，晶体中的最小环上有6个碳原子( )【答案】√【解析】金刚石属于共价晶体，其中的碳采取sp3杂化轨道与周围的4个碳原子形成正四面体结构，以共价键形成空间网状结构，晶体中最小环上有6个碳原子。4．在SiO2晶体中，1个硅原子和2个氧原子形成2个共价键( )【答案】×【解析】SiO2属于共价晶体，在SiO2晶体中1个Si原子和4个O原子形成4个共价键。5．共价晶体中，共价键越强，熔点越高( )【答案】√【解析】共价晶体中，原子形成的共价键越强，原子间的作用力越强，晶体的熔点越高。6．金刚石的熔、沸点高于晶体硅，因为C-C的键能大于Si-Si的键能( )【答案】√【解析】金刚石、晶体硅都属于共价晶体，键能大小决定晶体的熔、沸点高低，因为C-C的键长小于Si-Si键，所以C-C的键能大于Si-Si键的键能，故金刚石的熔、沸点高于晶体硅。7．稀有气体的组成微粒是原子，属于共价晶体，不存在分子间作用力( )【答案】×【解析】稀有气体的晶体属于分子晶体，组成微粒是分子，存在分子间作用力。8．金刚石为网状结构，由共价键形成的碳原子环中，最小的环上有6个碳原子( )【答案】√【解析】金刚石是由C原子通过共价键形成的原子晶体，每个碳原子均与4个碳原子形成共价键，在金刚石的结构中，最小环是六元环，由6个碳原子构成。9．金刚石晶体中的最小环为六元环，每个碳原子均被12个六元环共用( )【答案】√【解析】金刚石晶体结构如图所示 ，图中每个C原子与周围有4个C-C键(像图中的01，02，03，04)，任意取出2个(如01，02)，这样的组合有C22=6种，每个组合为2个六元环共用，则每个碳原子均被2×C24=12个六元环共用，D正确。10．晶体中含有硅氧四面体结构单元的数目为NA( )【答案】√【解析】的物质的量为=1mol，二氧化硅晶体中每个硅原子与四个氧原子形成4个硅氧键，每个氧原子与两个硅原子成键，则二氧化硅晶体可看成由硅氧四面体结构构成，1mol二氧化硅晶体中含1mol硅氧四面体结构，数目为NA，正确。考点一 共价晶体的结构【例1】下列有关共价晶体的叙述错误的是( )A．共价晶体中，只存在共价键 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【答案】D【解析】A项，共价晶体中原子之间通过共价键相连；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，共价晶体中原子是通过共价键连接的，熔化时需要破坏共价键。【例2】根据量子力学计算，氮化碳有五种结构，其中一种β-氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料，已知该氮化碳的二维晶体结构如图所示。下列有关该氮化碳的说法不正确的是 ( )A．该晶体中的碳、氮原子核外最外层都满足8电子稳定结构B．氮化碳中碳元素显+4价，氮元素显-3价C．每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子和三个碳原子相连D．氮化碳的分子式为C3N4【答案】D【解析】根据题图结构可知，每个碳原子周围有四个共价键，每个氮原子周围有三个共价键，碳原子最外层有4个电子，形成四个共价键后成8电子稳定结构，氮原子最外层有5个电子，形成三个共价键后也是8电子稳定结构，A正确；由于元素的非金属性N>C，所以形成共价键时，共用电子对偏向N，偏离C，所以氮化碳中碳元素显+4价，氮元素显-3价，B正确；根据晶体结构可知每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子和三个碳原子相连，C正确；由于氮化碳是共价晶体，不存在分子，因此没有分子式，D错误。【解题技法】【对点训练1】1．设NA为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是 ( )A．124 g P4含有的P—P键的个数为6NA B．28 g晶体硅中含有的Si—Si键的个数为4NAC．12 g金刚石中含有的C—C键的个数为1.5NA D．60 g SiO2中含Si—O键的个数为2NA【答案】A【解析】白磷是正四面体结构，1个白磷分子中含有6个P—P键，124 g白磷的物质的量是124 g÷124 g/mol=1 mol，124 g P4中含P—P键的数目为6NA，A正确；28 g晶体硅中n(Si)=1 mol，每个Si原子形成4条Si—Si键，每个Si—Si键由2个Si原子共用，则28 g晶体硅中含Si—Si键的数目为2NA，B不正确；12 g金刚石中n(C)=1 mol，金刚石中n(C)∶n(C—C键)=1∶2，12 g金刚石中含有的C—C键的个数为2NA，C不正确；60 g SiO2的物质的量为1 mol，二氧化硅中平均每个硅原子形成的Si—O键的个数为4，则60 g SiO2中含Si—O键的个数为4NA，D不正确。2．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，氮化硅是一种新型耐高温、耐磨材料，在工业上有广泛的应用。下列推断可能正确的是( )A．SiCl4、Si3N4的晶体类型相同 B．Si3N4晶体是立体网状结构C．共价晶体C3N4的熔点比Si3N4的低 D．SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂【答案】B【解析】SiCl4是分子晶体，在熔化过程中克服的是分子间作用力，化学键不断裂。Si3N4是共价晶体，为立体网状结构。根据C、Si的原子半径推知C—N键的键能比Si—N键的键能大，故C3N4的熔点比Si3N4的高。考点二 典型的共价晶体【例3】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【答案】D【解析】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。【例4】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是碳化硅>金刚石>晶体硅B．熔点从高到低的顺序是金刚石>晶体硅>碳化硅C．三种晶体中的单元都是四面体结构D．三种晶体都是原子晶体且均为绝缘体【答案】C【解析】由已知碳化硅的晶体有类似金刚石的结构，可知碳化硅也为原子晶体，且应有类似金刚石的正四面体结构单元。又因为影响共价键强弱的因素是原子半径，碳原子半径小于硅原子半径，所以键长长短顺序为C—C＜C—Si＜Si—Si，故熔点顺序是金刚石>碳化硅>晶体硅；晶体硅是半导体。【解题技法】【对点训练2】3．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。4．美国某实验室成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体，下列关于CO2的共价晶体的说法正确的是 ( )A．CO2的共价晶体和分子晶体互为同素异形体B．在一定条件下，CO2的共价晶体转化为CO2的分子晶体是物理变化C．CO2的共价晶体和CO2的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，每个C原子结合4个O原子，每个O原子跟2个C原子相结合【答案】D【解析】同素异形体的研究对象是单质，CO2是化合物，故A错误；二氧化碳的共价晶体和二氧化碳的分子晶体属于不同物质，所以在一定条件下，CO2的共价晶体转化为CO2的分子晶体是化学变化，故B错误；二氧化碳的分子晶体和二氧化碳的共价晶体的构成微粒的空间构型不同，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，在二氧化碳的共价晶体中，每个C原子结合4个O原子，每个O原子跟2个C原子相结合，故D正确。考点三 共价晶体的性质【例5】根据下列性质判断，属于共价晶体的物质是 ( )A．熔点2 700 ℃，导电性好，延展性强B．无色晶体，熔点3 500 ℃，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800 ℃，熔化时能导电D．熔点-56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电【答案】B【解析】共价晶体的熔点高，但不能导电，延展性差，故A不符合题意；无色晶体，熔点3 500 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂，符合共价晶体的性质特点，故B符合题意；无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点800 ℃，熔化时能导电，不属于共价晶体，故C不符合题意；熔点-56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电，符合分子晶体的性质，属于分子晶体，故D不符合题意。【例6】根据下列几种物质的熔点和沸点数据判断，下列有关说法错误的是 ( )注：AlCl3熔点在2.02×105 Pa条件下测定。A．SiCl4是分子晶体 B．单质B是共价晶体C．AlCl3加热能升华 D．单质B和AlCl3晶体类型相同【答案】D【解析】由表中数据可知，SiCl4的熔、沸点较低，属于分子晶体，A正确；单质B的熔、沸点很高，所以单质B是共价晶体，B正确；由表中数据可知AlCl3的沸点比熔点低，所以AlCl3加热能升华，C正确；单质B是共价晶体，AlCl3属于分子晶体，两者晶体类型不同，D错误。【解题技法】【对点训练3】5．分析下列各物质的物理性质，判断其固态属于共价晶体的是( )A．碳化铝，黄色晶体，熔点2 200 ℃，熔融态不导电B．溴化铝，无色晶体，熔点98 ℃，熔融态不导电C．五氧化二钒，无色晶体，熔点19.5 ℃，易溶于乙醇、氯仿、丙酮中D．溴化钾，无色晶体，熔融时或溶于水中都能导电【答案】A【解析】A项中熔点很高且熔融态不导电，为共价晶体；D项中熔融时或溶于水中都能导电，为离子晶体；B、C项为分子晶体。6．下表是某些共价晶体的熔点和硬度。分析表中的数据，判断下列叙述正确的是( )A．构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高B．一般构成共价晶体的原子间的共价键键能越大，晶体的熔点越高C．构成共价晶体的原子的半径越大，晶体的硬度越大D．构成共价晶体的原子的相对原子质量越大，晶体的硬度越大【答案】B 【解析】A项，共价晶体的熔点与晶体中原子间的共价键强弱有关，与构成晶体的原子种类无关，故A错误；B项，共价晶体的熔点与晶体中原子间的共价键强弱有关，原子间的键能越大，共价键越强，晶体的熔点越高，故B正确；C项，共价晶体的硬度与晶体中原子间的共价键强弱有关，构成共价晶体的原子的半径越小，共价键越强，晶体的硬度越大，故C错误；D项，共价晶体的硬度与晶体中原子间的共价键强弱有关，与构构成共价晶体的原子的相对原子质量无关，故D错误；故选B。1．下列说法中正确的是( )A．金刚石晶体中的最小碳原子环由12个碳原子构成B．金刚石晶体中的碳原子是sp3杂化的C．1 mol SiO2晶体中含2 mol Si—O键D．金刚石化学性质稳定，即使在高温下也不会和O2反应【答案】B【解析】在金刚石晶体中的最小环为六元环，为空间六边形，由六个碳原子构成，A错误；金刚石晶体中每个碳原子形成4个共价键，是sp3杂化，B正确；在SiO2晶体中1个硅原子与四个氧原子形成4个共价键，所以1 mol SiO2晶体中含4 mol Si—O键，C错误；金刚石的化学性质很稳定，但在高温下可以和氧气反应生成CO2。2．某共价晶体A，其空间结构中的一部分如图所示。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的化学式为( )A．AB B．A5B4 C．AB2 D．A2B5【答案】C【解析】由于处于中心的A原子实际结合的B原子为eq \f(1,2)×4＝2个，故C的化学式为AB2，其空间结构如图。3．二氧化硅晶体是立体网状结构，其结构如图所示。下列关于二氧化硅晶体的说法不正确的是 ( )A．晶体中每个硅原子与4个氧原子相连 B．晶体中硅、氧原子个数比为1∶2C．晶体中最小环上的原子数为8 D．晶体中硅、氧原子最外层都满足8电子结构【答案】C【解析】由二氧化硅晶体结构图可知，每个硅原子连有4个氧原子，每个氧原子连有2个硅原子，硅原子、氧原子个数比为1∶2；晶体中最小环上含有6个硅原子和6个氧原子，最小环上的原子总数为12；晶体中每个硅原子有四对共用电子对，每个氧原子有两对共用电子对，二者都满足最外层8电子结构。4．下列关于SiO2晶体网状结构(如图)的叙述正确的是( ) A． 存在四面体结构单元， O处于中心， Si处于4个顶角 B． 最小环上有3个Si原子和3个O原子C． 最小环上Si和O原子数之比为1：2 D． 最小环上有6个Si原子和6个O原子【答案】D 【解析】A项，二氧化硅晶体中存在四面体结构单元，每个硅原子能构成四个共价键，每个氧原子能形成2个共价键，Si处于中心，O处于4个顶角，故A不符合题意； B项，最小的环上，有6个Si原子和6个O原子，故B不符合题意；C项，最小的环上，有6个Si原子和6个O原子，所以最小的环上硅氧原子数之比为1：1，故C不符合题意；D项，最小的环上，有6个Si原子和6个O原子，Si处于中心，O处于4个顶角，故D符合题意。故选D。5．在x mol石英晶体中，含有Si—O键的数目是( )A．x mol B．2x mol C．3x mol D．4x mol【答案】D【解析】SiO2的结构类似于金刚石的空间网状结构，但每个Si键合4个O，每个O键合2个Si。x mol石英(SiO2)晶体有x mol Si，由于每个Si键合4个O，就形成4个Si—O键，所以形成的Si—O键的物质的量为4x mol。6．关于SiO2晶体的叙述中，正确的是( )A．通常状况下，60 g SiO2晶体中含有的分子数为NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)B．60 g SiO2晶体中，含有2NA个Si—O键C．晶体中与同一硅原子相连的4个氧原子处于同一四面体的4个顶点D．SiO2晶体中含有1个硅原子和2个氧原子【答案】C【解析】60 g SiO2晶体即1 mol SiO2，晶体中含有Si—O键为4 mol(每个硅原子、氧原子分别含有4个、2个未成对电子，各拿出一个单电子形成Si—O共价键)，含4NA个Si—O键；SiO2晶体中含有无数的硅原子和氧原子，只是硅、氧原子个数比为1∶2；在SiO2晶体中，每个硅原子和与其相邻且最近的4个氧原子形成正四面体结构，硅原子处于该正四面体的中心，而4个氧原子处于该正四面体的4个顶点上。7．下列事实能说明刚玉(Al2O3)是一种共价晶体的是( )①Al2O3是两性氧化物 ②硬度很大 ③它的熔点为2 045 ℃ ④几乎不溶于水 ⑤自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石A．①②③ B．②③④ C．④⑤ D．②⑤【答案】B【解析】①指的是Al2O3的分类，⑤指的是刚玉的种类，这两项都无法说明Al2O3是一种共价晶体。8．最近科学家成功研制成了一种新型的碳氧化物，该化合物晶体与SiO2的晶体的结构相似，晶体中每个碳原子均以4个共价单键与氧原子结合，形成一种无限伸展的空间网状结构。下列对该晶体的叙述错误的是( )A．该晶体是共价晶体 B．该晶体中碳原子和氧原子的个数比为1∶2C．该晶体中碳原子数与C—O键数之比为1∶2 D．该晶体中最小的环由12个原子构成【答案】C【解析】该化合物晶体中每个碳原子均以4个共价单键与氧原子结合，形成一种无限伸展的空间网状结构，则该化合物晶体中不存在分子，属于共价晶体，A项正确；晶体中每个碳原子均以4个共价单键与氧原子结合，每个氧原子和2个碳原子以共价单键相结合，所以碳、氧原子个数比为1∶2，B项正确；该晶体中每个碳原子形成4个C—O共价键，所以C原子与C—O数目之比为1∶4，C项错误；该晶体中最小的环由6个碳原子和6个氧原子构成，D项正确。9．我国的激光技术在世界上处于领先地位，据报道，有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．碳氮键比金刚石中的碳碳键更短C．氮原子电子数比碳原子电子数多 D．碳、氮的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，共价晶体是一种空间网状结构而不是平面结构，所以A选项是错误的。由于氮原子的半径比碳原子的半径要小，所以二者所形成的共价键的键长要比碳碳键的键长短，所以该晶体的熔、沸点和硬度应该比金刚石更高，因此B选项是正确的。而原子的电子数和单质的活泼性一般不会影响到所形成的晶体的硬度等，所以C、D选项也是错误的。10．共价晶体是由原子直接通过共价键形成的空间网状结构的晶体，因其具有高熔、沸点，硬度大，耐磨等优良特性而具有广泛的用途。设为阿伏加德罗常数的值。(1)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(其晶胞如图甲所示)，晶体硅的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，每个最小环独立含有_______个Si原子，含1molSi原子的晶体硅中键的数目为_______。(2)金刚砂()也与金刚石具有相似的晶体结构(如图乙所示)，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。试回答下列问题：①金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是_______(均用化学式表示)。②在金刚砂的结构中，一个硅原子结合了_______个碳原子，其中的键角是_______。③金刚砂的结构中含有C、Si原子以共价键结合形成的环，其中一个最小的环上独立含有_______个键。④金刚砂的晶胞结构如图丙所示，在中，每个C原子周围最近且等距的C原子数目为_______；若金刚砂的密度为，则晶体中最近的碳、硅原子之间的距离为_______pm(用代数式表示即可)。【答案】(1) 8 6 2NA(2) Si＜SiC＜C 4 109°28′ 1 12 【解析】(1)晶体硅是与金刚石结构类似的晶体，晶体硅的1个晶胞中含Si原子的数目为，根据结构分析，可知在晶体硅的空间网状结构中最小环为6元环，每个硅原子被12个环共用，因此每个最小环独立含有Si原子的数目为，每个Si原子与周围4个Si原子形成4个共价键，每2个Si原子共用1个Si-Si键，即含1molSi原子的晶体硅中Si-Si键的数目为2NA；(2)①共价晶体中，共价键键长越短，键能越大，熔、沸点越高，因此金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是Si＜SiC＜C。②根据金刚砂的结构可知一个硅原子结合了4个碳原子，形成正四面体结构，其键角是109°28′。③金刚砂的结构中含有C、Si原子以共价键结合形成的环，一个最小环里共有6个C-Si键，1个C-Si键被6个环共用，因此一个最小的环上独立含有C-Si键的个数为。④以SiC晶胞顶角上的碳原子为研究对象，每个C原子周围最近且等距的C原子数目为12；1个金刚砂晶胞中含有4个碳原子、4个硅原子，若金刚砂的密度为，则晶体中最近的碳、硅原子之间的距离为晶胞体对角线长的四分之一，1个晶胞的体积为，因此最近的碳、硅原子之间的距离为。11．通常人们把拆开1 mol某化学键所吸收的能量看成该化学键的键能。键能的大小可以衡量化学键的强弱，也可用于估算化学反应的反应热(ΔH)，化学反应的ΔH等于反应中断裂旧化学键的键能之和与反应中形成新化学键的键能之和的差。请回答下列问题：(1)比较下列两组物质的熔点高低(填“＞”或“＜”)。SiC________Si；SiCl4________SiO2。(2)如图立方体中心的“●”表示硅晶体中的一个原子，请在立方体的顶点用“●”表示出与之紧邻的硅原子。(3)工业上高纯硅可通过下列反应制取：SiCl4(g)＋2H2(g)eq \o(=====,\s\up7(高温))Si(s)＋4HCl(g)该反应的反应热ΔH＝________ kJ·mol－1。【答案】(1)＞ ＜ (2)如图1或图2 (3)＋136图1 图2【解析】(1)SiC和晶体Si皆为共价晶体，由于碳化硅晶体中的Si－C键的键能大于硅晶体中Si－Si键的键能，故SiC的熔点比Si高；SiCl4为分子晶体，SiO2为共价晶体，故SiCl4的熔点比SiO2低。(2)晶体硅的结构与金刚石相似，每个硅原子都被相邻的4个硅原子包围，这4个硅原子位于四面体的四个顶点上，被包围的硅原子处于正四面体的中心。(3)根据题目所给反应，需要断裂的旧化学键键能之和为：4×360 kJ·mol－1＋2×436 kJ·mol－1＝2 312 kJ·mol－1，形成的新化学键键能之和为：4×431 kJ·mol－1＋2×226 kJ·mol－1＝2 176 kJ·mol－1，所以ΔH＝＋136 kJ·mol－1。 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)等晶体键能/kJ·mol－1熔点/℃硬度金刚石(C—C)3473 35010碳化硅(C—Si)3012 6009晶体硅(Si—Si)2261 41571．共价晶体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．结构3．结构特点(1)由于共价键的饱和性和方向性，使每个中心原子周围排列的原子数目是固定的。(2)由于所有原子间均以共价键相结合，所以晶体中不存在单个分子。物质AlCl3SiCl4单质B熔点/℃190-702 300沸点/℃182.757.62 500共价晶体具有不同的结构，对结构相似的共价晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，熔点越高，硬度越大。以金刚石、硅、锗为例，同主族从碳元素到锗元素，原子核外电子层数增多，原子半径依次增大，C—C键、Si—Si键、Ge—Ge键的键长依次变长，键能依次减小，故金刚石、硅、锗的熔点和硬度依次下降。共价晶体金刚石氮化硼碳化硅石英硅锗熔点/390030002600171014151211硬度109.59.57.06.56.0化学键Si－OSi－ClH－HH－ClSi－SiSi－C键能/kJ·mol－1460360436431226301
第三章 晶体结构与性质第二节 分子晶体与共价晶体课时精讲16 共价晶体【目标导航】1．借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点。2．能够从化学键的特征，分析理解共价晶体的物理特性。【知识导图】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(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二、共价晶体的物理性质已知：1．键能：C—C＞C—Si＞Si—Si；熔点：金刚石＞碳化硅＞晶体硅；硬度：金刚石＞碳化硅＞晶体硅(用“＞”或“＜”填空)。2．规律：共价晶体具有很高的熔点，很大的硬度；对结构相似的共价晶体来说，原子半径越小， 键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。三、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，熔化时必需破坏共价键，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。四、金刚石(1)碳原子采取sp3杂化，C—C—C夹角为109°28′。(2)每个碳原子与周围紧邻的4个碳原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成空间网状结构。(3)最小碳环由6个碳原子组成，且最小环上有4个碳原子在同一平面内；每个碳原子被12个六元环共用。五、二氧化硅晶体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，没有封闭的环状结构，这一结构决定了它具有手性。石英晶体中的硅氧四面体 石英的左、右型晶体 相连构成的螺旋链(1)Si原子采取sp3杂化，正四面体内O—Si—O键角为109°28′。(2)每个Si原子与4个O原子形成4个共价键，Si原子位于正四面体的中心，O原子位于正四面体的顶点，同时每个O原子被2个硅氧正四面体共用；每个O原子和2个Si原子形成2个共价键，晶体中Si原子与O原子个数比为1∶2。(3)最小环上有12个原子，包括6个O原子和6个Si原子。2．二氧化硅的用途 二氧化硅是制造水泥、玻璃、人造红宝石、单晶硅、硅电电池、芯片和光导纤维的原料。六、SiC晶体的结构SiC晶体的结构类似于金刚石晶体结构，其中C原子和Si原子的位置是交替的，所以在整个晶体中Si原子与C原子个数比为1∶1。【小试牛刀】判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。1．共价晶体中的相邻原子间只存在非极性共价键( )【答案】×【解析】共价晶体指原子晶体，其相邻原子间也可能是极性共价键，如SiC。2．“硅—锗晶体管”为我国首创，单晶硅、锗均为共价晶体( )【答案】√【解析】单晶硅、锗均为共价晶体。3．金刚石为共价键三维骨架结构，晶体中的最小环上有6个碳原子( )【答案】√【解析】金刚石属于共价晶体，其中的碳采取sp3杂化轨道与周围的4个碳原子形成正四面体结构，以共价键形成空间网状结构，晶体中最小环上有6个碳原子。4．在SiO2晶体中，1个硅原子和2个氧原子形成2个共价键( )【答案】×【解析】SiO2属于共价晶体，在SiO2晶体中1个Si原子和4个O原子形成4个共价键。5．共价晶体中，共价键越强，熔点越高( )【答案】√【解析】共价晶体中，原子形成的共价键越强，原子间的作用力越强，晶体的熔点越高。6．金刚石的熔、沸点高于晶体硅，因为C-C的键能大于Si-Si的键能( )【答案】√【解析】金刚石、晶体硅都属于共价晶体，键能大小决定晶体的熔、沸点高低，因为C-C的键长小于Si-Si键，所以C-C的键能大于Si-Si键的键能，故金刚石的熔、沸点高于晶体硅。7．稀有气体的组成微粒是原子，属于共价晶体，不存在分子间作用力( )【答案】×【解析】稀有气体的晶体属于分子晶体，组成微粒是分子，存在分子间作用力。8．金刚石为网状结构，由共价键形成的碳原子环中，最小的环上有6个碳原子( )【答案】√【解析】金刚石是由C原子通过共价键形成的原子晶体，每个碳原子均与4个碳原子形成共价键，在金刚石的结构中，最小环是六元环，由6个碳原子构成。9．金刚石晶体中的最小环为六元环，每个碳原子均被12个六元环共用( )【答案】√【解析】金刚石晶体结构如图所示 ，图中每个C原子与周围有4个C-C键(像图中的01，02，03，04)，任意取出2个(如01，02)，这样的组合有C22=6种，每个组合为2个六元环共用，则每个碳原子均被2×C24=12个六元环共用，D正确。10．晶体中含有硅氧四面体结构单元的数目为NA( )【答案】√【解析】的物质的量为=1mol，二氧化硅晶体中每个硅原子与四个氧原子形成4个硅氧键，每个氧原子与两个硅原子成键，则二氧化硅晶体可看成由硅氧四面体结构构成，1mol二氧化硅晶体中含1mol硅氧四面体结构，数目为NA，正确。考点一 共价晶体的结构【例1】下列有关共价晶体的叙述错误的是( )A．共价晶体中，只存在共价键 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【答案】D【解析】A项，共价晶体中原子之间通过共价键相连；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，共价晶体中原子是通过共价键连接的，熔化时需要破坏共价键。【例2】根据量子力学计算，氮化碳有五种结构，其中一种β-氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料，已知该氮化碳的二维晶体结构如图所示。下列有关该氮化碳的说法不正确的是 ( )A．该晶体中的碳、氮原子核外最外层都满足8电子稳定结构B．氮化碳中碳元素显+4价，氮元素显-3价C．每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子和三个碳原子相连D．氮化碳的分子式为C3N4【答案】D【解析】根据题图结构可知，每个碳原子周围有四个共价键，每个氮原子周围有三个共价键，碳原子最外层有4个电子，形成四个共价键后成8电子稳定结构，氮原子最外层有5个电子，形成三个共价键后也是8电子稳定结构，A正确；由于元素的非金属性N>C，所以形成共价键时，共用电子对偏向N，偏离C，所以氮化碳中碳元素显+4价，氮元素显-3价，B正确；根据晶体结构可知每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子和三个碳原子相连，C正确；由于氮化碳是共价晶体，不存在分子，因此没有分子式，D错误。【解题技法】【对点训练1】1．设NA为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是 ( )A．124 g P4含有的P—P键的个数为6NA B．28 g晶体硅中含有的Si—Si键的个数为4NAC．12 g金刚石中含有的C—C键的个数为1.5NA D．60 g SiO2中含Si—O键的个数为2NA【答案】A【解析】白磷是正四面体结构，1个白磷分子中含有6个P—P键，124 g白磷的物质的量是124 g÷124 g/mol=1 mol，124 g P4中含P—P键的数目为6NA，A正确；28 g晶体硅中n(Si)=1 mol，每个Si原子形成4条Si—Si键，每个Si—Si键由2个Si原子共用，则28 g晶体硅中含Si—Si键的数目为2NA，B不正确；12 g金刚石中n(C)=1 mol，金刚石中n(C)∶n(C—C键)=1∶2，12 g金刚石中含有的C—C键的个数为2NA，C不正确；60 g SiO2的物质的量为1 mol，二氧化硅中平均每个硅原子形成的Si—O键的个数为4，则60 g SiO2中含Si—O键的个数为4NA，D不正确。2．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，氮化硅是一种新型耐高温、耐磨材料，在工业上有广泛的应用。下列推断可能正确的是( )A．SiCl4、Si3N4的晶体类型相同 B．Si3N4晶体是立体网状结构C．共价晶体C3N4的熔点比Si3N4的低 D．SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂【答案】B【解析】SiCl4是分子晶体，在熔化过程中克服的是分子间作用力，化学键不断裂。Si3N4是共价晶体，为立体网状结构。根据C、Si的原子半径推知C—N键的键能比Si—N键的键能大，故C3N4的熔点比Si3N4的高。考点二 典型的共价晶体【例3】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【答案】D【解析】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。【例4】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是碳化硅>金刚石>晶体硅B．熔点从高到低的顺序是金刚石>晶体硅>碳化硅C．三种晶体中的单元都是四面体结构D．三种晶体都是原子晶体且均为绝缘体【答案】C【解析】由已知碳化硅的晶体有类似金刚石的结构，可知碳化硅也为原子晶体，且应有类似金刚石的正四面体结构单元。又因为影响共价键强弱的因素是原子半径，碳原子半径小于硅原子半径，所以键长长短顺序为C—C＜C—Si＜Si—Si，故熔点顺序是金刚石>碳化硅>晶体硅；晶体硅是半导体。【解题技法】【对点训练2】3．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。4．美国某实验室成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体，下列关于CO2的共价晶体的说法正确的是 ( )A．CO2的共价晶体和分子晶体互为同素异形体B．在一定条件下，CO2的共价晶体转化为CO2的分子晶体是物理变化C．CO2的共价晶体和CO2的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，每个C原子结合4个O原子，每个O原子跟2个C原子相结合【答案】D【解析】同素异形体的研究对象是单质，CO2是化合物，故A错误；二氧化碳的共价晶体和二氧化碳的分子晶体属于不同物质，所以在一定条件下，CO2的共价晶体转化为CO2的分子晶体是化学变化，故B错误；二氧化碳的分子晶体和二氧化碳的共价晶体的构成微粒的空间构型不同，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，在二氧化碳的共价晶体中，每个C原子结合4个O原子，每个O原子跟2个C原子相结合，故D正确。考点三 共价晶体的性质【例5】根据下列性质判断，属于共价晶体的物质是 ( )A．熔点2 700 ℃，导电性好，延展性强B．无色晶体，熔点3 500 ℃，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800 ℃，熔化时能导电D．熔点-56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电【答案】B【解析】共价晶体的熔点高，但不能导电，延展性差，故A不符合题意；无色晶体，熔点3 500 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂，符合共价晶体的性质特点，故B符合题意；无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点800 ℃，熔化时能导电，不属于共价晶体，故C不符合题意；熔点-56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电，符合分子晶体的性质，属于分子晶体，故D不符合题意。【例6】根据下列几种物质的熔点和沸点数据判断，下列有关说法错误的是 ( )注：AlCl3熔点在2.02×105 Pa条件下测定。A．SiCl4是分子晶体 B．单质B是共价晶体C．AlCl3加热能升华 D．单质B和AlCl3晶体类型相同【答案】D【解析】由表中数据可知，SiCl4的熔、沸点较低，属于分子晶体，A正确；单质B的熔、沸点很高，所以单质B是共价晶体，B正确；由表中数据可知AlCl3的沸点比熔点低，所以AlCl3加热能升华，C正确；单质B是共价晶体，AlCl3属于分子晶体，两者晶体类型不同，D错误。【解题技法】【对点训练3】5．分析下列各物质的物理性质，判断其固态属于共价晶体的是( )A．碳化铝，黄色晶体，熔点2 200 ℃，熔融态不导电B．溴化铝，无色晶体，熔点98 ℃，熔融态不导电C．五氧化二钒，无色晶体，熔点19.5 ℃，易溶于乙醇、氯仿、丙酮中D．溴化钾，无色晶体，熔融时或溶于水中都能导电【答案】A【解析】A项中熔点很高且熔融态不导电，为共价晶体；D项中熔融时或溶于水中都能导电，为离子晶体；B、C项为分子晶体。6．下表是某些共价晶体的熔点和硬度。分析表中的数据，判断下列叙述正确的是( )A．构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高B．一般构成共价晶体的原子间的共价键键能越大，晶体的熔点越高C．构成共价晶体的原子的半径越大，晶体的硬度越大D．构成共价晶体的原子的相对原子质量越大，晶体的硬度越大【答案】B 【解析】A项，共价晶体的熔点与晶体中原子间的共价键强弱有关，与构成晶体的原子种类无关，故A错误；B项，共价晶体的熔点与晶体中原子间的共价键强弱有关，原子间的键能越大，共价键越强，晶体的熔点越高，故B正确；C项，共价晶体的硬度与晶体中原子间的共价键强弱有关，构成共价晶体的原子的半径越小，共价键越强，晶体的硬度越大，故C错误；D项，共价晶体的硬度与晶体中原子间的共价键强弱有关，与构构成共价晶体的原子的相对原子质量无关，故D错误；故选B。1．下列说法中正确的是( )A．金刚石晶体中的最小碳原子环由12个碳原子构成B．金刚石晶体中的碳原子是sp3杂化的C．1 mol SiO2晶体中含2 mol Si—O键D．金刚石化学性质稳定，即使在高温下也不会和O2反应【答案】B【解析】在金刚石晶体中的最小环为六元环，为空间六边形，由六个碳原子构成，A错误；金刚石晶体中每个碳原子形成4个共价键，是sp3杂化，B正确；在SiO2晶体中1个硅原子与四个氧原子形成4个共价键，所以1 mol SiO2晶体中含4 mol Si—O键，C错误；金刚石的化学性质很稳定，但在高温下可以和氧气反应生成CO2。2．某共价晶体A，其空间结构中的一部分如图所示。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的化学式为( )A．AB B．A5B4 C．AB2 D．A2B5【答案】C【解析】由于处于中心的A原子实际结合的B原子为eq \f(1,2)×4＝2个，故C的化学式为AB2，其空间结构如图。3．二氧化硅晶体是立体网状结构，其结构如图所示。下列关于二氧化硅晶体的说法不正确的是 ( )A．晶体中每个硅原子与4个氧原子相连 B．晶体中硅、氧原子个数比为1∶2C．晶体中最小环上的原子数为8 D．晶体中硅、氧原子最外层都满足8电子结构【答案】C【解析】由二氧化硅晶体结构图可知，每个硅原子连有4个氧原子，每个氧原子连有2个硅原子，硅原子、氧原子个数比为1∶2；晶体中最小环上含有6个硅原子和6个氧原子，最小环上的原子总数为12；晶体中每个硅原子有四对共用电子对，每个氧原子有两对共用电子对，二者都满足最外层8电子结构。4．下列关于SiO2晶体网状结构(如图)的叙述正确的是( ) A． 存在四面体结构单元， O处于中心， Si处于4个顶角 B． 最小环上有3个Si原子和3个O原子C． 最小环上Si和O原子数之比为1：2 D． 最小环上有6个Si原子和6个O原子【答案】D 【解析】A项，二氧化硅晶体中存在四面体结构单元，每个硅原子能构成四个共价键，每个氧原子能形成2个共价键，Si处于中心，O处于4个顶角，故A不符合题意； B项，最小的环上，有6个Si原子和6个O原子，故B不符合题意；C项，最小的环上，有6个Si原子和6个O原子，所以最小的环上硅氧原子数之比为1：1，故C不符合题意；D项，最小的环上，有6个Si原子和6个O原子，Si处于中心，O处于4个顶角，故D符合题意。故选D。5．在x mol石英晶体中，含有Si—O键的数目是( )A．x mol B．2x mol C．3x mol D．4x mol【答案】D【解析】SiO2的结构类似于金刚石的空间网状结构，但每个Si键合4个O，每个O键合2个Si。x mol石英(SiO2)晶体有x mol Si，由于每个Si键合4个O，就形成4个Si—O键，所以形成的Si—O键的物质的量为4x mol。6．关于SiO2晶体的叙述中，正确的是( )A．通常状况下，60 g SiO2晶体中含有的分子数为NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)B．60 g SiO2晶体中，含有2NA个Si—O键C．晶体中与同一硅原子相连的4个氧原子处于同一四面体的4个顶点D．SiO2晶体中含有1个硅原子和2个氧原子【答案】C【解析】60 g SiO2晶体即1 mol SiO2，晶体中含有Si—O键为4 mol(每个硅原子、氧原子分别含有4个、2个未成对电子，各拿出一个单电子形成Si—O共价键)，含4NA个Si—O键；SiO2晶体中含有无数的硅原子和氧原子，只是硅、氧原子个数比为1∶2；在SiO2晶体中，每个硅原子和与其相邻且最近的4个氧原子形成正四面体结构，硅原子处于该正四面体的中心，而4个氧原子处于该正四面体的4个顶点上。7．下列事实能说明刚玉(Al2O3)是一种共价晶体的是( )①Al2O3是两性氧化物 ②硬度很大 ③它的熔点为2 045 ℃ ④几乎不溶于水 ⑤自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石A．①②③ B．②③④ C．④⑤ D．②⑤【答案】B【解析】①指的是Al2O3的分类，⑤指的是刚玉的种类，这两项都无法说明Al2O3是一种共价晶体。8．最近科学家成功研制成了一种新型的碳氧化物，该化合物晶体与SiO2的晶体的结构相似，晶体中每个碳原子均以4个共价单键与氧原子结合，形成一种无限伸展的空间网状结构。下列对该晶体的叙述错误的是( )A．该晶体是共价晶体 B．该晶体中碳原子和氧原子的个数比为1∶2C．该晶体中碳原子数与C—O键数之比为1∶2 D．该晶体中最小的环由12个原子构成【答案】C【解析】该化合物晶体中每个碳原子均以4个共价单键与氧原子结合，形成一种无限伸展的空间网状结构，则该化合物晶体中不存在分子，属于共价晶体，A项正确；晶体中每个碳原子均以4个共价单键与氧原子结合，每个氧原子和2个碳原子以共价单键相结合，所以碳、氧原子个数比为1∶2，B项正确；该晶体中每个碳原子形成4个C—O共价键，所以C原子与C—O数目之比为1∶4，C项错误；该晶体中最小的环由6个碳原子和6个氧原子构成，D项正确。9．我国的激光技术在世界上处于领先地位，据报道，有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．碳氮键比金刚石中的碳碳键更短C．氮原子电子数比碳原子电子数多 D．碳、氮的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，共价晶体是一种空间网状结构而不是平面结构，所以A选项是错误的。由于氮原子的半径比碳原子的半径要小，所以二者所形成的共价键的键长要比碳碳键的键长短，所以该晶体的熔、沸点和硬度应该比金刚石更高，因此B选项是正确的。而原子的电子数和单质的活泼性一般不会影响到所形成的晶体的硬度等，所以C、D选项也是错误的。10．共价晶体是由原子直接通过共价键形成的空间网状结构的晶体，因其具有高熔、沸点，硬度大，耐磨等优良特性而具有广泛的用途。设为阿伏加德罗常数的值。(1)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(其晶胞如图甲所示)，晶体硅的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，每个最小环独立含有_______个Si原子，含1molSi原子的晶体硅中键的数目为_______。(2)金刚砂()也与金刚石具有相似的晶体结构(如图乙所示)，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。试回答下列问题：①金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是_______(均用化学式表示)。②在金刚砂的结构中，一个硅原子结合了_______个碳原子，其中的键角是_______。③金刚砂的结构中含有C、Si原子以共价键结合形成的环，其中一个最小的环上独立含有_______个键。④金刚砂的晶胞结构如图丙所示，在中，每个C原子周围最近且等距的C原子数目为_______；若金刚砂的密度为，则晶体中最近的碳、硅原子之间的距离为_______pm(用代数式表示即可)。【答案】(1) 8 6 2NA(2) Si＜SiC＜C 4 109°28′ 1 12 【解析】(1)晶体硅是与金刚石结构类似的晶体，晶体硅的1个晶胞中含Si原子的数目为，根据结构分析，可知在晶体硅的空间网状结构中最小环为6元环，每个硅原子被12个环共用，因此每个最小环独立含有Si原子的数目为，每个Si原子与周围4个Si原子形成4个共价键，每2个Si原子共用1个Si-Si键，即含1molSi原子的晶体硅中Si-Si键的数目为2NA；(2)①共价晶体中，共价键键长越短，键能越大，熔、沸点越高，因此金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是Si＜SiC＜C。②根据金刚砂的结构可知一个硅原子结合了4个碳原子，形成正四面体结构，其键角是109°28′。③金刚砂的结构中含有C、Si原子以共价键结合形成的环，一个最小环里共有6个C-Si键，1个C-Si键被6个环共用，因此一个最小的环上独立含有C-Si键的个数为。④以SiC晶胞顶角上的碳原子为研究对象，每个C原子周围最近且等距的C原子数目为12；1个金刚砂晶胞中含有4个碳原子、4个硅原子，若金刚砂的密度为，则晶体中最近的碳、硅原子之间的距离为晶胞体对角线长的四分之一，1个晶胞的体积为，因此最近的碳、硅原子之间的距离为。11．通常人们把拆开1 mol某化学键所吸收的能量看成该化学键的键能。键能的大小可以衡量化学键的强弱，也可用于估算化学反应的反应热(ΔH)，化学反应的ΔH等于反应中断裂旧化学键的键能之和与反应中形成新化学键的键能之和的差。请回答下列问题：(1)比较下列两组物质的熔点高低(填“＞”或“＜”)。SiC________Si；SiCl4________SiO2。(2)如图立方体中心的“●”表示硅晶体中的一个原子，请在立方体的顶点用“●”表示出与之紧邻的硅原子。(3)工业上高纯硅可通过下列反应制取：SiCl4(g)＋2H2(g)eq \o(=====,\s\up7(高温))Si(s)＋4HCl(g)该反应的反应热ΔH＝________ kJ·mol－1。【答案】(1)＞ ＜ (2)如图1或图2 (3)＋136图1 图2【解析】(1)SiC和晶体Si皆为共价晶体，由于碳化硅晶体中的Si－C键的键能大于硅晶体中Si－Si键的键能，故SiC的熔点比Si高；SiCl4为分子晶体，SiO2为共价晶体，故SiCl4的熔点比SiO2低。(2)晶体硅的结构与金刚石相似，每个硅原子都被相邻的4个硅原子包围，这4个硅原子位于四面体的四个顶点上，被包围的硅原子处于正四面体的中心。(3)根据题目所给反应，需要断裂的旧化学键键能之和为：4×360 kJ·mol－1＋2×436 kJ·mol－1＝2 312 kJ·mol－1，形成的新化学键键能之和为：4×431 kJ·mol－1＋2×226 kJ·mol－1＝2 176 kJ·mol－1，所以ΔH＝＋136 kJ·mol－1。 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)等晶体键能/kJ·mol－1熔点/℃硬度金刚石(C—C)3473 35010碳化硅(C—Si)3012 6009晶体硅(Si—Si)2261 41571．共价晶体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．结构3．结构特点(1)由于共价键的饱和性和方向性，使每个中心原子周围排列的原子数目是固定的。(2)由于所有原子间均以共价键相结合，所以晶体中不存在单个分子。物质AlCl3SiCl4单质B熔点/℃190-702 300沸点/℃182.757.62 500共价晶体具有不同的结构，对结构相似的共价晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，熔点越高，硬度越大。以金刚石、硅、锗为例，同主族从碳元素到锗元素，原子核外电子层数增多，原子半径依次增大，C—C键、Si—Si键、Ge—Ge键的键长依次变长，键能依次减小，故金刚石、硅、锗的熔点和硬度依次下降。共价晶体金刚石氮化硼碳化硅石英硅锗熔点/390030002600171014151211硬度109.59.57.06.56.0化学键Si－OSi－ClH－HH－ClSi－SiSi－C键能/kJ·mol－1460360436431226301
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