人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子晶体与共价晶体第2课时导学案

第2课时　共价晶体

[核心素养发展目标]　1.能辨识常见的共价晶体，并能从微观角度分析共价晶体中各构成微粒之间的作用对共价晶体物理性质的影响。2.能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体，并能利用均摊法对晶胞进行分析。

一、共价晶体的概念及其性质

1．共价晶体的结构特点及物理性质

(1)概念

相邻原子间以共价键相结合形成共价键三维骨架结构的晶体。

(2)构成微粒及微粒间作用

(3)物理性质

①共价晶体中，由于各原子均以强的共价键相结合，因此一般熔点很高，硬度很大，难溶于常见溶剂，一般不导电。

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。

2．常见共价晶体及物质类别

(1)某些单质：如硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、金刚石等。

(2)某些非金属化合物：如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。

(3)极少数金属氧化物，如刚玉(α-Al2O3)等。

(1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体(　　)

(2)具有共价键的晶体一定是共价晶体(　　)

(3)共价晶体在固态或熔化时均不导电(　　)

(4)共价晶体由于硬度及熔、沸点都较高，故常温时不与其他物质反应(　　)

答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×

1．怎样从原子结构角度理解金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降。

提示　从碳到硅，核电荷数增大，电子层数增多，原子半径增大，C—C、C—Si、Si—Si的键长依次增大，键长越短，共价键越牢固，共价晶体熔化时破坏的是共价键，而键能大小是C—C＞C—Si＞Si—Si，所以，金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降。

2．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(　　)

①构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高

②构成共价晶体的原子间的共价键的键能越大，晶体的熔点越高

③构成共价晶体的原子半径越大，晶体的硬度越大

④构成共价晶体的原子半径越小，晶体的硬度越大

A．①②  B．③④  C．①③  D．②④

答案　D

解析　共价晶体的熔、沸点和硬度等物理性质取决于晶体内的共价键，构成共价晶体的原子半径越小，键长越短，键能越大，对应共价晶体的熔、沸点越高，硬度越大。

3．(2019·长沙高二检测)下列物质的晶体直接由原子构成的一组是(　　)

①CO2　②SiO2　③晶体Si　④白磷　⑤氨基乙酸　⑥固态He

A．①②③④⑤⑥   B．②③④⑥

C．②③⑥   D．①②⑤⑥

答案　C

解析　CO2、白磷、氨基乙酸、固态He是分子晶体，其晶体由分子构成，稀有气体He由单原子分子构成；SiO2、晶体Si属于共价晶体，其晶体直接由原子构成。

二、常见共价晶体结构分析

1．金刚石晶体

金刚石晶体中，每个碳原子均以4个共价单键对称地与相邻的4个碳原子相结合，形成C—C—C夹角为109°28′的正四面体结构(即金刚石中的碳采取sp3杂化轨道形成共价键)，整块金刚石晶体就是以共价键相连的三维骨架结构。其中最小的环是六元环。

2.二氧化硅晶体

(1)二氧化硅晶体中，每个硅原子均以4个共价键对称地与相邻的4个氧原子相结合，每个氧原子与 2个硅原子相结合，向空间扩展，形成三维骨架结构。晶体结构中最小的环上有6个硅原子和6个氧原子，硅、氧原子个数比为1∶2。

(2)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，而没有封闭的环状结构。这一结构决定了它具有手性。

(1)金刚石晶体中最小碳环是六元环，且6个碳原子在同一平面内(　　)

(2)金刚石晶体中每个碳原子被12个碳原子环所共有，每个C—C被6个六元环共用(　　)

(3)1 mol金刚石晶体中含有4 mol碳碳键(　　)

(4)1 mol二氧化硅晶体中含有4 mol硅氧键(　　)

答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)√

解析　(2)任意两条相邻的C—C参加了2个六元环的形成，每个C原子可形成4条C—C，两面相邻的组合有C＝6种，故每个C原子被6×2＝12个六元环共用。而每条C—C可以与相邻的3条C—C两两相邻，故每条C—C被3×2＝6个六元环共用。

1．金刚石晶胞结构如图所示，回答下列问题。

(1)一个金刚石晶胞中含有________个碳原子。

答案　8

解析　8×＋6×＋4＝8。

(2)已知晶胞参数为a pm，则金刚石的密度为________ g·cm－3。

答案　

(3)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为______ pm。

答案　a

解析　两个最近的碳原子之间的距离为晶胞内体对角线的，即a。

2．(2019·厦门外国语学校期中)2017年中外科学家团队共同合成了T-碳。T-碳的结构是将立方金刚石中的每个碳原子用一个由4个碳原子组成的正四面体结构单元取代，形成碳的一种新型三维立体晶体结构，如图所示(图中的表示碳形成的正四面体结构)。已知T-碳晶胞参数为a pm，NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法错误的是(　　)

A．每个T-碳晶胞中含32个碳原子

B．T-碳中C—C的最小夹角约为109°28′

C．T-碳属于共价晶体

D．T-碳的密度为 g·cm－3

答案　B

解析　1个金刚石晶胞中，含有碳原子的数目为8×＋6×＋4＝8，将每个C原子换成一个由4个碳原子组成的正四面体结构单元，则1个T-碳晶胞中含有的碳原子数目为8×4＝32，故A正确；T-碳中C—C的最小夹角为60°，故B错误；T-碳中碳原子间以共价键结合成空间网状结构，属于共价晶体，故C正确；1个T-碳晶胞中含碳原子的数目为32，则该晶体的密度为 g·cm－3，故D正确。

1．金刚石是典型的共价晶体，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．是自然界中硬度最大的物质

D．化学性质稳定，即使在高温下也不会与氧气发生反应

答案　D

解析　在金刚石中，碳原子之间以共价键结合形成空间三维骨架结构，不存在具有固定组成的分子；由于碳的原子半径比较小，碳与碳之间的共价键键能很高，所以金刚石的硬度很大，故A、B、C选项正确；由于金刚石是碳的单质，高温下可以在空气或氧气中燃烧生成CO2，故D选项错误。

2．美国《科学》杂志曾报道：在40 GPa的高压下，用激光加热到1 800 K，人们成功制得了共价晶体CO2，下列对该物质的推断一定不正确的是(　　)

A．该共价晶体中含有极性键

B．该共价晶体易气化，可用作制冷材料

C．该共价晶体有很高的熔、沸点

D．该共价晶体的硬度大，可用作耐磨材料

答案　B

解析　共价晶体具有高硬度，高熔、沸点等性质，不易气化，不可用作制冷材料，B项错误。

3．下列关于SiO2晶体空间结构的叙述中正确的是(　　)

A．最小的环上，有3个硅原子和3个氧原子

B．最小的环上，硅原子数和氧原子数之比为1∶2

C．最小的环上，有6个硅原子和6个氧原子

D．存在四面体结构单元，O原子处于中心，Si原子处于4个顶角

答案　C

解析　SiO2晶体中，每个硅原子与4个氧原子成键，每个氧原子与2个硅原子成键，晶体中的硅氧四面体中Si原子处于中心，O原子处于4个顶角。最小的环是十二元环，环上有6个Si原子、6个O原子，Si、O原子数之比是1∶1。

4．设NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法中正确的是(　　)

A．28 g晶体硅中含有Si—Si的个数为2NA

B．124 g白磷(P4)晶体中含有P—P的个数为4NA

C．12 g金刚石中含有C—C的个数为4NA

D．SiO2晶体中1 mol硅原子可与氧原子形成2NA个共价键(Si—O)

答案　A

解析　晶体硅的结构与金刚石相似，每个硅原子与周围4个原子形成4个共价键，依据“均摊法”，1个硅(或碳)原子分得的共价键数为4×＝2，A正确、C错误；白磷为正四面体结构，每个P4分子中含有6个P—P，B错误；SiO2晶体中每个硅原子与周围4个氧原子形成4个Si—O，D错误。

5．如图所示是某共价晶体A的空间结构片段，A与某物质B反应生成C，其实质是在每个A—A中插入一个B原子，则C物质的化学式可能为(　　)

A．AB   B．A5B4

C．AB2   D．A2B5

答案　C

6．单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答问题：

(1)晶体硼属于________晶体，理由是_______________________________________________。

(2)金刚石具有硬度大、熔点高等特点，大量用于制造钻头、金属切割刀具等。其结构如图所示，下列判断正确的是________(填字母)。

A．金刚石中C—C的键角均为109°28′，所以金刚石和CH4的晶体类型相同

B．金刚石的熔点高与C—C的键能无关

C．金刚石中碳原子个数与C—C数之比为1∶2

D．金刚石的熔点高，所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却

(3)已知晶体硼的结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图所示)，该结构单元中有20个正三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角上各有一个硼原子。通过观察图形及推算，得出此结构单元是由________个硼原子构成的，其中B—B的键角为__________，该结构单元共含有________个B—B。

答案　(1)共价　晶体硼的熔、沸点高，硬度大　(2)C　(3)12　60°　30

解析　(1)从题表可知，晶体硼的熔、沸点以及硬度都介于晶体硅和金刚石之间。而金刚石和晶体硅均为共价晶体，在元素周期表中B与C相邻，与Si处于对角线位置，则晶体硼也属于共价晶体。

(2)选项A，金刚石是共价晶体，CH4是分子晶体，二者的晶体类型不同；选项B，金刚石熔化过程中C—C断裂，因C—C的键能大，断裂时需要的能量多，故金刚石的熔点很高；选项C，金刚石中每个C都参与了4个C—C的形成，而每个C对每条键的贡献只有一半，故碳原子个数与C—C数之比为(4×)∶4＝1∶2；选项D，金刚石的熔点高，但在打孔过程中会产生很高的温度，如不浇水冷却钻头，会导致钻头熔化。

(3)从题图可得出，每个顶角上的硼原子均被5个正三角形所共有，故分摊到每个正三角形的硼原子为个，每个正三角形含有×3个硼原子，每个结构单元含硼原子数为20××3＝12，而每个B—B被2个正三角形所共有，故每个结构单元含B—B的个数为20××3＝30。