高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2第3章 不同聚集状态的物质与性质第2节 几种简单的晶体结构模型第2课时学案设计

第2课时　共价晶体

课程标准

1．了解共价晶体的特征，能描述金刚石、二氧化硅等共价晶体的结构与性质的关系。

2．能根据共价晶体的晶胞确定晶体的组成并进行相关计算。

学法指导

1.通过学习教材金刚石的晶体结构模型认识共价晶体的构成微粒和相互作用。

2．根据典型共价晶体原子间的键能推断熔、沸点高低。

必备知识·自主学习——新知全解一遍过

知识点一共价晶体的结构微粒及相互作用

1.概念

相邻原子间以________结合而形成的具有空间________结构的晶体。

2．结构

3．结构特点

(1)由于共价键的________性和________性，使每个中心原子周围排列的原子数目是________的。

(2)由于所有原子间均以________相结合，所以晶体中不存在单个________。

4．常见共价晶体

(1)单质：晶体____、晶体____、晶体____、金刚石等。

(2)化合物：碳化硅、________、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等。

5．典型共价晶体的结构分析

(1)金刚石

①碳原子采取________杂化，C—C键的键长为0.154 nm，C—C键键角为____________，键能为347 kJ·mol－1。

②每个碳原子与周围紧邻的________个碳原子以共价键结合成________结构，向空间伸展形成空间网状结构。

③最小碳环由____个碳原子组成，且最小环上碳原子不在同一平面内，形成立体的六元环状结构。每个碳原子参与的六元环数为12。

(2)碳化硅(SiC)

①晶体结构特点

把金刚石中的C原子换成Si与C原子相互交替，就得到碳化硅的结构。晶体中Si与C原子个数比为________。

②碳化硅俗称________，硬度大，具有耐热性、________、耐腐蚀性，可用作磨料、耐火材料、电热元件等。

(3)二氧化硅晶体(SiO2)

①Si原子采取________杂化，正四面体内O—Si—O键角为________。

②每个Si原子与____个O原子形成____个共价键，____原子位于正四面体的中心，____原子位于正四面体的顶点，同时每个O原子被____个硅氧正四面体共用；每个O原子和________个Si原子形成____个共价键，晶体中Si原子与O原子个数比为________。

③最小环上有________个原子，包括________个O原子和________个Si原子。

微点拨

(1)金刚石晶体中1个C原子形成4个C—C键，每个C—C键被两个C原子共用，故每个C原子占用C—C键数目为4×＝2，即1 mol金刚石含有2 mol C—C键。

(2)金刚石晶体中最小环上有6个碳原子，SiO2晶体中最小环上有12个原子(6个O原子和6个Si原子)。

学思用

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)含有共价键的晶体都是共价晶体。(　　)

(2)“SiO2”是二氧化硅的分子式。(　　)

(3)金刚石中碳原子间以共价键相结合。(　　)

(4)在二氧化硅晶体中，1 mol硅原子可形成2 mol Si—O键。(　　)

(5)立方氮化硼属于共价晶体、硼原子和氮原子之间存在配位键。(　　)

(6)锗元素为金属元素，所以该晶体为金属晶体。(　　)

2．金刚石晶胞如图，属于一个金刚石晶胞的碳原子数为(　　)

A．18    B．16

C．10    D．8

知识点二共价晶体的物理性质

根据表中有关数据分析，并填写表下面的空白。

(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________的熔点，________的硬度；对结构相似的共价晶体来说，原子半径________，键长________，键能________，晶体的熔点就越高。

学思用

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)共价晶体的熔、沸点一定高于金属晶体和离子晶体的熔，沸点。(　　)

(2)平面网状结构的晶体不属于共价晶体。(　　)

(3)共价晶体中不仅存在共价键，还存在范德华力。(　　)

(4)稀有气体原子构成的单质晶体属于共价晶体。(　　)

(5)晶体的熔、沸点越高，物质的化学性质也越稳定。(　　)

2．下表是某些共价晶体的熔点和硬度。

分析表中的数据，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，晶体的熔点越低

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小，晶体的硬度越大

关键能力·课堂探究——学科素养全通关

提升点共价晶体的结构与性质

1.共价晶体的结构特征

(1)在共价晶体中，各原子均以共价键结合，因为共价键有方向性和饱和性，所以中心原子周围的原子数目是有限的，原子不采取密堆积方式。

(2)共价晶体的组成微粒是原子，不存在单个分子，其化学式仅代表原子的个数比。

(3)空间构型：空间网状结构。

2．共价晶体熔点和硬度的比较

共价晶体具有不同的结构类型，对于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，晶体的稳定性越高，熔、沸点越高，硬度越大。

3．判断晶体是否是共价晶体的思路

(1)根据共价晶体的构成微粒和微粒间作用力判断。

(2)根据共价晶体的物理性质判断。

(3)记住常见的共价晶体。

互动探究

问题1　含有共价键的晶体都是共价晶体吗？

问题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原子与几个N原子相连？

②与同一个Ga原子相连的N原子共同构成的是怎样的空间构型？

问题3　为什么共价晶体结构比金属晶体和离子晶体结构松散，但却比金属晶体和离子晶体有更强的稳定性？

问题4　根据金刚石的结构特点，你能分析其硬度大的原因是什么吗？

典例示范

[典例]已知SiC的熔点为2 830 ℃，其晶胞结构如图所示。下列说法错误的是(　　)

A．SiC晶体中碳原子和硅原子均采用sp3杂化

B．晶体硅的熔点高于2 830 ℃

C．距离硅原子最近的硅原子数为12

D．若晶胞参数为a pm，则该晶体的密度为 g·cm－3

素养训练

[训练]　β­氮化碳部分结构如图所示，其中β­氮化碳的硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。下列有关β­氮化碳的说法错误的是(　　)

A．β­氮化碳属于共价晶体，其化学键比金刚石的更稳定

B．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子稳定结构

C．β­氮化碳的化学式为C3N4，其中氮显－3价，碳显＋4价

D．该晶体与金刚石结构相似，都是原子间以非极性键结合形成的空间网状结构

课 堂 总 结

[知识导图]

[误区警示]

1．共价晶体的构成微粒是原子，只存在共价键，不存在其他作用力。

2．共价晶体的化学式表示其比例组成，晶体中不存在分子。

3．常见的共价晶体有金刚石、晶体硅、晶体锗、晶体硼、二氧化硅、碳化硅等。

4．共价晶体一般具有熔点高、硬度大、不溶于溶剂等特点。

随堂检测·强化落实——基础知能练到位

1．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°28′    D．6、109°28′

2．下面关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是(　　)

A．存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶角

B．最小的环上，有3个Si原子和3个O原子

C．最小的环上，Si和O原子数之比为1∶2

D．最小的环上，有6个Si原子和6个O原子

3．(双选)金刚石结构如图所示，晶体Si、立方SiC具有类似金刚石结构。下列说法错误的是(　　)

A．熔点：金刚石<晶体Si

B．晶体Si晶胞中含有8个Si

C．金刚石的晶体中碳原子数与C—C键数之比为1∶2

D．立方SiC晶胞顶点从1号位分别平移至2号位和3号位，所得晶胞中Si位置相同

4．氮化硼是一种新合成的结构材料，它是超硬、耐磨、耐高温的物质，下列各组物质熔化时所克服的粒子间的作用力与氮化硼熔化时所克服的粒子间作用力相同的是(　　)

A．C60和金刚石    B．晶体硅和水晶

C．冰和干冰    D．碘和金刚砂

5．砷化镓为第三代半导体，以其为材料制造的灯泡寿命长、耗能少。已知砷化镓的晶胞结构如图所示。请回答下列问题：

(1)下列说法不正确的是________(填序号)。

A．砷化镓晶胞结构与NaCl相同

B．砷化镓是共价晶体

C．电负性As>Ga

D．第一电离能As>Ga

E．砷化镓晶体中含有配位键

(2)砷化镓可由(CH3)3Ga和AsH3在700 ℃下反应制得，(CH3)3Ga中镓原子的杂化方式为________，(CH3)3Ga分子是____________(填“极性”或“非极性”)分子，AsH3分子空间构型为________。

(3)砷化镓晶胞中所包含的砷原子(白色球)个数为________，与同一个镓原子相连的砷原子构成的空间构型为________________。

第2课时　共价晶体

必 备 知 识·自 主 学 习

[知识点一]

1．共价键　立体网状　

2．原子　共价键　空间立体网状

3．(1)饱和　方向　固定　(2)共价键　分子　

4．(1)硅　锗　硼　(2)二氧化硅

5．(1)sp3　109°28′　4　正四面体　6　(2)1∶1　金刚砂　耐氧化性　(3)sp3　109°28′　4　4　Si　O　2　2　21∶2　12　6　6　

[学思用]

1．答案：(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)×

2．解析：从晶胞上看8个顶点各有1个C原子，属于该晶胞的部分相当于只有1个，6个面上相当于有3个，晶胞内部还有4个，故属于该晶胞的碳原子数为8个。

答案：D

[知识点二]

(1)>　>　>　>　>　>　

(2)很高　很大　越小　越短　越大　

[学思用]

1．答案：(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×

2．解析：共价晶体的熔点和硬度与构成共价晶体的原子间的共价键键能有关，而原子间的共价键键能与原子半径的大小有关。即原子半径越小，键能越大，熔点越高，硬度越大。

答案：D

关 键 能 力·课 堂 探 究

提升点

[互动探究]

提示1：不是。共价晶体中都有共价键，但含有共价键的不一定是共价晶体。如CO2、H2O中也含有共价键，但是分子晶体。

提示2：①4。GaN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。②正四面体。类比晶体硅的空间构型即可得出答案。

提示3：共价键具有方向性和饱和性，使共价晶体中某个原子周围结合的其他原子是有限的，因此比较松散。但由于整个晶体中各原子都以强作用力的共价键相互结合，且构成了空间网状结构，所以共价晶体更稳定。

提示4：在金刚石晶体内部，每个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合，形成一种致密的三维结构，破坏这种三维结构中的C—C共价键需要很高的能量，所以金刚石的硬度很大。

[典例]　解析：SiC晶体中碳原子与周围4个硅原子以共价键结合，而硅原子与周围4个碳原子以共价键结合，碳原子和硅原子均采用sp3杂化，A项正确；一般而言，共价键的键长越短，键能越大，共价晶体的熔、沸点越高，键长：C—Si键<Si—Si键，故晶体硅的熔点低于2 830 ℃，B项错误；根据晶胞结构可知，距离硅原子最近的硅原子数为12(3××8＝12)，C项正确；硅原子位于晶胞的顶点和面心，碳原子位于内部，一个晶胞中所含硅原子数为4、碳原子数为4，若晶胞参数为a pm，则该晶体的密度为＝ g·cm－3，D项正确。

答案：B

[训练]　解析：N原子半径小于C原子半径，键长：C—N键<C—C键，故C—N键比C—C键更稳定，A项正确；晶体中N、C原子间形成单键，1个N原子分别与3个C原子形成共用电子对，N原子最外层电子数为5＋3＝8，1个C原子分别与4个N原子形成共用电子对，C原子最外层电子数为4＋4＝8，B项正确；晶体结构图中虚线部分是晶体的基本结构单元，正方形顶点的C原子被4个正方形所共有，边上的C原子被2个正方形所共有，故实际含有的C原子数为4×＋4×＝3，N原子数为4，则该晶体的化学式为C3N4，因为N的电负性比C的大，故N显负价(－3)，C显正价(＋4)，C项正确；金刚石晶体中只含C—C非极性键，C3N4晶体中只含C—N极性键，D项错误。

答案：D

随 堂 检 测·强 化 落 实

1．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′。

答案：D

2．解析：SiO2晶体结构为“一硅四氧、一氧两硅”，即1个Si原子连接4个O原子，1个O原子连接2个Si原子。A项，在四面体结构单元中，Si处于中心，O处于4个顶角；B、D项，最小环上有6个Si原子和6个O原子；C项，最小环上，Si和O原子数之比为1∶1。

答案：D

3．解析：碳碳键键长比硅硅键键长短，键能大，故A错误；利用均摊法，可得金刚石晶胞中有8个C原子，所以晶体硅晶胞中含有8个Si，故B正确；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，则1 mol碳原子构成的金刚石中共有2 mol C—C键，故C正确；1号，2号位置原子相同，但1号与3号不同，故D错误。

答案：AD

4．解析：氮化硼是由两种非金属元素形成的化合物，根据该化合物的性质可知其为共价晶体，微粒间作用力为共价键。C60和金刚石熔化时分别克服的是分子间作用力和共价键，A项错误；冰和干冰熔化时均克服的是分子间作用力，C项错误；碘和金刚砂熔化时分别克服的是分子间作用力和共价键，D项错误。

答案：B

5．解析：(1)氯化钠为面心立方晶胞，两者晶胞结构不同，A不正确；由图示可知砷化镓中原子间以共价键结合成网状结构，其晶体属于共价晶体，B正确；同周期从左到右元素的电负性增大，As和Ga处于同一周期，且处于第ⅤA族的As 4p电子处于半满的较稳定结构，C和D均正确；由于Ga原子最外层只有3个电子，而每个Ga原子与4个As原子成键，因此其中一个共价键必为配位键，E正确。

(2)Ga的价电子对数为＝3，孤电子对数为0，所以Ga原子的杂化方式为sp2，(CH3)3Ga分子中三个C—Ga—C键的键角均为120°，所以该分子为非极性分子。AsH3分子中的As采取sp3杂化，As的价电子对数为＝4，孤电子对数为1，所以该分子为三角锥形。

(3)根据“切割法”：白色球个数为6×＋8×＝4。由与同一镓原子相连的砷原子有4个，可知镓采取sp3杂化，所以与同一个镓原子相连的砷原子构成的空间构型为正四面体形。

答案：(1)A　(2)sp2　非极性　三角锥形　

(3)4　正四面体形