高中化学人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子晶体与共价晶体第二课时导学案

这是一份高中化学人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子晶体与共价晶体第二课时导学案，共16页。
第二课时　共价晶体
[明确学习目标]　1.能辨识常见的共价晶体。2.了解共价晶体的晶体结构模型及其物理性质的特点；能描述金刚石、二氧化硅等共价晶体的结构与物理性质的关系。



1．共价晶体
有的晶体的微观空间里没有分子，共价晶体就是其中之一。
2．金刚石的晶体结构与共价晶体的物理特性
(1)金刚石是典型的共价晶体，天然的金刚石经常呈现规则多面体的外形，从这种外形就可以想象，在金刚石晶体中，每个碳原子以四个共价单键对称地与相邻的4个碳原子结合，C—C—C夹角为109°28′，即金刚石中的碳以sp3杂化轨道形成共价键。
(2)金刚石里的C—C共价键的键长很短，键能很大，这一结构使金刚石在所有已知晶体中硬度最大，而且熔点也很高。高硬度、高熔点是许多有共价键三维骨架结构的共价晶体的特性。
3．SiO2的结构及应用
(1)SiO2是另一种典型的共价晶体，熔点为1713 ℃，有多种结构，最常见的是低温石英，其结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，而没有封闭的环状结构，这一结构决定了它具有手性，被广泛用作压电材料。
(2)SiO2具有许多重要用途，是制造水泥、玻璃、人造红宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。
4．常见的共价晶体还有
(1)某些单质，如硼、硅、锗和灰锡等。
(2)某些非金属化合物，如碳化硅(SiC，俗称金刚砂)、氮化硼(BN)等。

1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。
(1)共价晶体中共价键越强，熔点越高。(　　)
(2)共价晶体可能含有离子键。(　　)
(3)共价晶体的原子间只存在共价键，而分子晶体内只存在范德华力。(　　)
(4)SiO2的晶体结构中，每个Si原子与2个O原子直接相连。(　　)
(5)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)。(　　)
(6)金刚石的网状结构中，由共价键形成的最小环上有6个碳原子。(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√
解析　(2)共价晶体中原子与原子间通过共价键结合，不可能含有离子键。
(3)共价晶体的原子间只存在共价键，分子晶体内可能存在范德华力、氢键和共价键。
(4)二氧化硅的晶体结构为，每个Si原子形成4个共价键，所以每个Si原子与4个O原子直接相连。
(5)二氧化硅是由Si原子和O原子构成的共价晶体，所以二氧化硅晶体中不含分子。
2．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2045 ℃　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。
3．根据下表中给出的有关数据，判断下列说法中错误的是(　　)


AlCl3
SiCl4
晶体硼
金刚石
晶体硅
熔点/℃
190
－60
2300
3550
1410
沸点/℃
183
57
2550
4827
2355

A．SiCl4是分子晶体
B．晶体硼是共价晶体
C．AlCl3是分子晶体，加热能升华
D．金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键弱
答案　D
解析　SiCl4、AlCl3的熔、沸点低，都是分子晶体，AlCl3的沸点低于其熔点，即在未熔化的温度下它就能汽化，故AlCl3加热能升华，A、C正确；晶体硼的熔、沸点高，所以晶体硼是共价晶体，B正确；碳原子的半径比硅原子的半径小，金刚石中的C—C键键长比晶体硅中的Si—Si键键长短，金刚石中的C—C键键能比晶体硅中的Si—Si键键能大，金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键强，D错误。
4．有下列几种晶体：A.无色水晶，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________(填序号，下同)。
(2)属于共价晶体的化合物是________。
(3)直接由原子构成的共价晶体是________。
(4)受热熔化时化学键不发生变化的晶体是________，受热熔化时需克服共价键的晶体是________。
(5)晶体中存在氢键的是________。
(6)晶体中不存在化学键的是________。
答案　(1)BCEF　(2)A　(3)AD　(4)BCF　AD　(5)B　(6)E
解析　根据构成晶体的微粒不同，可知分子晶体仅由分子构成，共价晶体中无分子。属于分子晶体的有B、C、E、F，晶体氩是单原子分子，晶体中无化学键；属于共价晶体的有A、D，但属于化合物的只有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；CH3COOH分子中存在—OH，分子间能形成氢键。


知识点　典型共价晶体的结构模型及共价晶体的物理特性

1．典型共价晶体的结构模型

物质
晶体结构
结构特点
金刚石

a.在晶体中每个碳原子以4个共价单键对称地与相邻的4个碳原子相结合，形成正四面体结构
b．晶体中C—C—C夹角为
109°28′，碳原子采取sp3杂化
c．最小环上有6个碳原子
d．晶体中C原子个数与C—C键个数之比为1∶＝1∶2
二氧化硅

a.在晶体中每个硅原子和4个氧原子形成4个共价键；每个氧原子与2个硅原子相结合。故SiO2晶体由硅原子与氧原子按1∶2的比例组成
b．最小环上有12个原子


2．共价晶体的物理特性及其异同
(1)共价晶体的物理性质
①一般熔点都很高、硬度都很大。
②一般不导电，但晶体硅是半导体。
③难溶于常见的溶剂。

(2)几种共价晶体物理性质的异同
①相同点：共价晶体为空间立体网状结构，各原子均以共价键结合，共价键键能相对较大，破坏它们需要很高的温度，故共价晶体具有较高的熔点和硬度。
②物理性质的差异，如下表所示

晶体
键能/(kJ·mol－1)
熔点/℃
硬度*
金刚石
(C—C)347
3350
10
碳化硅
(C—Si)301
2600
9
晶体硅
(Si—Si)226
1415
7

由于金刚石、碳化硅、晶体硅的结构相似，C原子半径小于Si原子半径，C—C键的键长最短，键能最大(键能：C—C键>C—Si键>Si—Si键)，所以三者的熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。即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，晶体的熔点越高。


[解析]　A项，N原子半径小于C原子，键长：C—N键3550
1410
2573
沸点/℃
4827
2628
2823
硬度
10
6.5
9.5

①晶体硼的晶体类型属于________晶体，理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②已知晶体硼的基本结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图所示)，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点上各有一个硼原子。通过观察图形及推算，此基本结构单元由____________个硼原子构成，其中B—B键的键角为____________。

答案　(1)金刚石　(2)①共价　晶体硼有很高的熔、沸点和很大的硬度　②12　60°
解析　(2)①因为晶体硼有很高的熔、沸点和很大的硬度，可推知其为共价晶体。②晶体硼的基本结构单元为正二十面体，每个面均为正三角形，键角为60°，一个三角形有三个顶点，每个顶点为五个三角形共用，每个三角形拥有硼原子数为3×，20个三角形拥有硼原子数为20×3×＝12，即此结构单元由12个B原子构成。

知识拓展
晶体硅、碳化硅晶体的结构均与金刚石相似，晶体硅可看做是由硅原子取代金刚石中碳原子的位置得到的；碳化硅可看做是C、Si交替排列的结构(存在以C为中心，Si为顶点，或以Si为中心，C为顶点的正四面体结构)；SiO2晶体可看做是晶体硅中2个硅原子间插入1个氧原子。

本课归纳总结
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．下列各物质中，含有极性键的共价晶体是(　　)
A．干冰 B．石英 C．烧碱 D．晶体硅
答案　B
解析　干冰属于分子晶体，A错误；石英是通过极性键形成的共价晶体，B正确；烧碱是氢氧化钠，含有离子键和极性键，不是共价晶体，C错误；晶体硅是通过非极性键形成的共价晶体，D错误。
2．共价晶体具有的性质是(　　)
A．熔点高 B．易导热
C．能导电 D．有延展性
答案　A
解析　高硬度、高熔点是共价晶体的特性，共价晶体不能导电、导热，没有延展性，故选A。
3．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．②③①
C．③①② D．②①③
答案　A
解析　题目所给的三种晶体均属于共价晶体，结构相似，熔点决定于键长和键能，共价键键长越短，键能越大，共价晶体的熔点越高。碳原子半径小于硅原子半径，它们所含共价键的键长是C—C键晶体硅
B．沸点：NH3>PH3
C．硬度：白磷>冰>二氧化硅
D．熔点：SiI4>SiBr4>SiCl4
答案　C
解析　A项，三种物质都是共价晶体，因为C的原子半径小于Si的，所以键长：C—C键Si—Si键，键能越大，共价晶体的熔点越高，A正确；B项，NH3和PH3都是分子晶体，但NH3分子间存在氢键，故NH3的沸点较高，B正确；C项，二氧化硅是共价晶体，硬度较大，白磷和冰都是分子晶体，硬度较小，C错误；D项，卤化硅为分子晶体，它们的组成和结构相似，分子间不存在氢键，故相对分子质量越大，分子间作用力越大，熔点越高，D正确。
3．氮氧化铝(AlON)属于共价晶体，是一种高强度透明材料，下列叙述错误的是(　　)
A．AlON和SiO2所含化学键的类型相同
B．电解熔融AlON可得到Al
C．AlON中N元素的化合价为－1
D．AlON和SiO2的晶体类型相同
答案　B
解析　AlON和SiO2均属于共价晶体，均只含有共价键，A、D正确；AlON属于共价晶体，熔融时不导电，B错误；AlON中O为－2价，Al为＋3价，所以N元素的化合价为－1，C正确。
4. 如图所示是某共价晶体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．AB2
B．A5B4
C．AB
D．A2B5
答案　A
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，所以其化学式可能是AB2。
5．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，A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单键的键长短，所以该晶体的熔、沸点和硬度应比金刚石更高，B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，故C、D错误。
6．下列说法正确的是(NA代表阿伏加德罗常数的值)(　　)
A．在含2 mol Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4NA
B．30 g二氧化硅晶体中含有0.5NA个二氧化硅分子
C．金刚石晶体中，碳原子数与C—C键数目之比为1∶2
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　C
解析　1 mol SiO2中含有4 mol Si—O键，所以在含2 mol Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为NA，A错误；二氧化硅晶体属于共价晶体，所以二氧化硅晶体中没有分子，B错误；金刚石晶体中，1个碳原子形成4个共价键，1个C—C键含有2个C原子，所以碳原子数与C—C键数之比为1∶2，C正确；晶体硅属于共价晶体，晶体氖是分子晶体，D错误。
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，其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。
二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)
8．据报道，科学家成功制得了CO2的共价晶体(用M表示)。下列关于M的推断正确的是(　　)
A．M具有很高的熔、沸点
B．M易升华，可用作制冷材料
C．M和干冰互为同素异形体
D．M是由C原子和O原子按个数比1∶2构成的三维网状晶体
答案　AD
解析　A项，由于M是共价晶体，所以其具有很高的熔、沸点，正确。B项，干冰易升华，可用作制冷材料，属于分子晶体，而M为共价晶体，不易升华，错误。C项，同素异形体是指同种元素的不同种单质，而M为化合物，错误。D项，M的结构类似于SiO2，所以M是由C原子和O原子按个数比1∶2构成的三维网状晶体，正确。
9．下列晶体性质的比较正确的是(　　)
A．熔点：金刚石>晶体硅>晶体锗>硫
B．熔点：SiI4NH3
D．硬度：金刚石>白磷>冰>水晶
答案　A
解析　A项，金刚石、晶体硅和晶体锗都是共价晶体，硫是分子晶体，且原子半径：C晶体锗>硫；B项，SiI4、SiBr4、SiCl4和SiF4是组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量：SiI4>SiBr4>SiCl4>SiF4，故熔点：SiI4>SiBr4>SiCl4>SiF4；C项，H2O、HF和NH3都存在分子间氢键，H2O分子之间的氢键作用最强，NH3分子之间的氢键作用最弱，H2S分子之间只存在范德华力，故沸点：H2O>HF>NH3>H2S；D项，白磷和冰是分子晶体，硬度小，金刚石和水晶是共价晶体，硬度大。
10．二氧化硅晶体是立体网状结构，其晶体模型如图所示。下列有关二氧化硅晶体的说法正确的是(　　)

A．二氧化硅晶体最小环上含有12个原子
B．每个硅原子为4个最小环所共有
C．从晶体结构可知，1 mol SiO2拥有2 mol Si—O键
D．SiO2晶体是由极性共价键与非极性共价键共同构成的
答案　A
解析　二氧化硅晶体和金刚石晶体的结构类似，每个硅原子为12个最小环共有，B错误；1个Si与4个O形成Si—O键，则1 mol SiO2拥有4 mol Si—O键，C错误；SiO2晶体中只含极性共价键，不含非极性共价键，D错误。
11．下表是某些共价晶体的熔点和硬度。

共价晶体
金刚石
氮化硼
碳化硅
石英
硅
锗
熔点/℃
>3550
3000
2700
1710
1410
1211
硬度
10
9.5
9.5
7
6.5
6.0

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．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半径越大，晶体的硬度越小
答案　BD
解析　A项，共价晶体的熔点与原子种类多少无关；B项，共价晶体的熔点与构成共价晶体的原子间的共价键键能有关，共价键的键能越大，晶体的熔点越高；C、D项，构成共价晶体的原子的半径越大，共价键键能越小，晶体的硬度越小。
三、非选择题(本题共3小题)
12．C和Si元素在化学中占有极其重要的地位。
(1)SiC的晶体结构与晶体硅相似，其中C原子的杂化方式为________，微粒间存在的作用力是________。SiC和晶体Si的熔、沸点高低顺序是____________。
(2)SiO2属于________晶体，干冰属于________晶体，所以熔点：干冰________(填“”或“＝”)SiO2。
(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅、干冰四种晶体的构成微粒分别是__________________(填“原子”“分子”或“离子”)，熔化时克服的微粒间的作用力分别是____________________。
答案　(1)sp3　共价键　SiC>Si
(2)共价　分子　
晶体硅。
(2)SiO2为共价晶体，干冰为分子晶体，所以熔点：SiO2>干冰。
(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅均为共价晶体，构成微粒均为原子，熔化时破坏共价键；干冰为分子晶体，由分子构成，CO2分子以分子间作用力相结合。
13．硅是一种重要的非金属单质，硅及其化合物的用途非常广泛。根据所学知识回答硅及其化合物的相关问题。
(1)晶体硅的微观结构与金刚石相似，晶体硅中Si—Si键之间的夹角大小为________。
(2)请在框图中补充完成SiO2晶体的结构示意图(部分原子已画出)，并进行必要的标注。

(3)下表列有三种物质(晶体)的熔点：

物质
SiO2
SiCl4
SiF4
熔点/℃
1710
－70.5
－90.2

简要解释熔点产生差异的原因。
①SiO2和SiCl4：____________________________________________________
_____________________________________________________________________；
②SiCl4和SiF4：____________________________________________________
_____________________________________________________________________。
答案　(1)109°28′　(2)如图所示：

(3)①SiO2是共价晶体，微粒间作用力为共价键；SiCl4是分子晶体，微粒间作用力为范德华力，故SiO2熔点高于SiCl4　②SiCl4和SiF4均为分子晶体，微粒间作用力为范德华力，组成和结构相似时相对分子质量越大，范德华力越大，故SiCl4熔点高于SiF4
解析　(1)晶体硅以一个硅原子为中心，与另外4个硅原子形成正四面体结构，所以Si—Si键之间的夹角大小为109°28′。
(2)题图中给出的是硅晶体的结构，SiO2晶体相当于在硅晶体结构中的每个Si—Si键中插入一个氧原子，所以只要在每两个硅原子之间画一个半径比硅原子小的原子，再用实线连起来即可。
(3)晶体类型不同，熔点具有很大的差别，一般共价晶体的熔点高，而分子晶体的熔点低。
14．(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5，其晶胞结构如图甲所示，则金刚砂晶体类型为________；在SiC中，每个C原子周围最近的C原子数目为________；若晶胞的边长为a pm，则金刚砂的密度表达式为______________。

(2)硅的某种单质的晶胞如图乙所示。GaN晶体与该硅晶体相似。则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____________。若该硅晶体的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA，则晶体中最近的两个硅原子之间的距离为________cm(用代数式表示即可)。
答案　(1)共价晶体　12
　
(2)4　正四面体　×
解析　(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5，硬度大，属于共价晶体；每个碳原子周围最近的碳原子数目为3×8×＝12；该晶胞中C原子个数为8×＋6×＝4，Si原子个数为4，晶胞边长为a×10－10 cm，体积V＝(a×10－10 cm)3，
。
(2)根据物质的晶体结构可知，在GaN晶体中，每个Ga原子与4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正四面体。在晶体Si的晶胞中含有Si原子的数目是8×＋6×＋4＝8，则根据晶胞的密度ρ＝可知V＝＝＝ cm3，晶胞的边长a＝＝ cm，在晶胞中两个最近的Si原子之间的距离为晶胞体对角线长的，即× cm。