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教案设计

第二节 分子晶体和共价晶体

一、分子晶体

1．概念：只含分子的晶体。

2．粒子间的作用

分子晶体中相邻的分子间以分子间作用力相互吸引。

3．常见分子晶体及物质类别

【注】稀有气体为的分子为单原子分子，因此，有稀有气体单质形成的晶体也是分子晶体。

4．物理特性

(1)分子晶体的熔、沸点较低，密度较小，硬度较小，较易熔化和挥发，部分分子晶体易升华，（如干冰、碘、红磷等）。

(2)一般是绝缘体。分子晶体在固态和熔融状态下均不存在自由移动的离子或自由电子，因而分子晶体在固态和熔融状态下都不能导电。有些分子晶体的水溶液能导电，如HI、乙酸等。

(3)溶解性符合“相似相溶规律”。

【注】分子晶体熔、沸点高低的比较规律

①分子晶体中分子间作用力越大，物质熔、沸点越高，反之越低。

②具有氢键的分子晶体，熔、沸点反常高。

5.分子晶体的常见堆积方式

6.常见分子晶体的结构分析

(1)冰

①水分子之间的主要作用力是氢键，当然也存在范德华力。

②氢键有方向性，它的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子互相吸引。

(2)干冰

①干冰中的CO2分子间只存在范德华力，不存在氢键。

②每个晶胞中有4个CO2分子，12个原子。

每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为12个。

【注】冰晶体中，每个水分子与其他4个水分子形成氢键，每个水分子平均形成2个氢键（每个氢键由2个水分子均摊，故4×=2）

二、共价晶体

1.定义：所有原子都以共价键相互结合形成共价键三维骨架结构的晶体叫共价晶体。

2.构成微粒及微粒间的作用力

 共价晶体

 【注】①共价晶体中不存在单个分子，因此，共价晶体的化学式不代表其实际组成，只表示其组成的原子个数比。

           ②共价晶体融化时被破坏的作用力是共价键。

           ③共价晶体中只有共价键，但含有共价键的晶体不一定是共价晶体。如CO2、H2O等分子晶体中也含有共价键。

3.常见的共价晶体

4.共价晶体的物理性质

 (1)熔点很高。共价晶体中，原子间以较强的共价键结合，融化时破坏共价键，需要很高的能量。

       (2)硬度很大。共价键三维骨架结构决定了共价晶体的硬度，如金刚石是天然存在的最硬的物质。

       (3)一般不导电，但晶体硅、锗是半导体。

       (4)难溶于一般的溶剂。

【注】结构相似的共价晶体，其原子半径越小，键长越短，键能越大，键越稳定，共价晶体的熔点越高，硬度越大。

5.典型的共价晶体 

(1)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。

④晶体中每个碳原子都参与了4条C—C的形成，在每条键中的贡献只有一半，故晶体中碳原子数目之比为  1：2  。

(2)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

①Si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。

【注】二氧化硅为共价晶体，晶体中不存在单个分子，其化学式为SiO2，不存在分子式。

【拓展】共价晶体与分子晶体熔、沸点高低的比较

(1)晶体类型不同：共价晶体＞分子晶体

理由：共价晶体的熔、沸点与共价键有关，分子晶体的熔、沸点与分子间作用力有关。共价键的作用力远大于分子间作用力。

(2)晶体类型相同

①共价晶体

一般来说，对结构相似的共价晶体来说，键长越短，键能越大，晶体的熔、沸点越高。例如：金刚石＞二氧化硅＞碳化硅＞晶体硅。

②分子晶体

a．若分子间有氢键，则分子间作用力比结构相似的同类晶体大，故熔、沸点较高。如HF＞HI；NH3＞PH3；H2O＞H2Te。

b．组成和结构相似的分子晶体，一般相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高。如I2＞Br2＞Cl2＞F2；SnH4＞GeH4＞SiH4＞CH4。

c．组成和结构不相似的物质(相对分子质量接近)，分子的极性越大，范德华力越大，熔、沸点越高。如CO＞N2。

d．同类别的同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。如正戊烷＞异戊烷＞新戊烷。

例1. 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　[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2.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∶2

C．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　[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。]

例3.下列晶体性质的比较中不正确的是(　　)

A．熔点：金刚石>碳化硅>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　[A项中三种物质都是共价晶体，因原子半径r(C)<r(Si)，所以键长：C—C<C—Si<Si—Si，故键能：C—C>C—Si>Si—Si。键能越大，共价晶体的熔点越高，A项正确；因为NH3分子间存在氢键，所以NH3的沸点大于PH3的沸点，B项正确；二氧化硅是共价晶体，硬度很大，白磷和冰都是分子晶体，硬度较小，C项错误；四卤化硅为分子晶体，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，熔点越高，D项正确。]

例4.碳化硅和立方氮化硼的结构与金刚石类似，碳化硅硬度仅次于金刚石，立方氮化硼硬度与金刚石相当，其晶胞结构如图所示。

请回答下列问题：

(1)碳化硅晶体中，硅原子杂化类型为________，每个硅原子周围与其距离最近的碳原子有________个；设晶胞边长为a cm，密度为b g·cm－3，则阿伏加德罗常数可表示为________(用含a、b的式子表示)。

(2)立方氮化硼晶胞中有________个硼原子，________个氮原子，硼原子的杂化类型为________，若晶胞的边长为a cm，则立方氮化硼的密度表达式为________g·cm－3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。

[解析]　(1)SiC晶体中，每个Si原子与4个C原子形成4个σ键，故Si采取sp3杂化，每个Si原子距最近的C原子有4个。SiC晶胞中，碳原子数为6×＋8×＝4个，硅原子位于晶胞内，SiC晶胞中硅原子数为4个，1个晶胞的质量为 g，体积为a3 cm3，因此晶体密度：b g·cm－3＝，故NA＝ mol－1。

(2)立方氮化硼晶胞中，含有N原子数为6×＋8×＝4个，B原子位于晶胞内，立方氮化硼晶胞中含硼原子4个。每个硼原子与4个氮原子形成4个σ键，故硼原子采取sp3杂化，每个立方氮化硼晶胞的质量为 g，体积为a3 cm3，故密度为 g·cm－3。

[答案]　(1)sp3　4　 mol－1　(2)4　4　sp3