人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子晶体与共价晶体第2课时学案

基础课时12　共价晶体

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

共价晶体

(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

3．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，熔化时必须破坏共价键，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。

　含有共价键的晶体都是共价晶体吗？

提示：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等分子晶体中也含有共价键。

　(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)凡是由原子构成的晶体都是共价晶体。 (×)

(2)CO2和SiO2中化学键类型相同，晶体类型也相同。 (×)

(3)由于共价键的键能远大于分子间作用力，故共价晶体的熔点比分子晶体高。 (√)

二、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个碳原子结合，形成共价键三维骨架结构。

(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。

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，这一结构决定了它具有手性(左、右型)。

　石英的左、右型晶体

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、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。

　SiO2是二氧化硅的分子式吗？

提示：二氧化硅为共价晶体，晶体中不存在单个分子，其化学式为Si与O的最简个数比，而不是分子式。

　下列关于SiO2晶体的结构，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．最小的环为3个Si原子和3个O原子组成的六元环

C．最小的环上实际占有的Si原子和O原子个数之比为1∶1

D．最小的环为6个Si原子和6个O原子组成的十二元环

D　[二氧化硅晶体中存在四面体结构单元，每个硅原子能形成4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，A项错误；最小的环为6个Si原子和6个O原子组成的十二元环，每个环实际占有的硅原子数为6×＝，氧原子数为6×＝1，故最小的环上实际占有的Si原子和O原子个数之比为1∶2，B、C项错误，D项正确。]

材料1　科学研究显示，约30亿年前，在离地表100～200 km深的地幔中处在高温、高压岩浆中的碳元素，逐渐形成了金刚石。火山爆发时，金刚石夹在岩浆中上升到接近地表时冷却，形成含有少量金刚石的原生矿床。金刚石具有诸多的优良性质。

材料2　C60是一种碳原子簇，它由60个碳原子构成像足球一样的32面体，包括20个正六边形，12个正五边形。这60个C原子在空间进行排列时，形成一个化学键最稳定的空间排列位置，恰好与足球表面格的排列一致。这个结构的提出是受到建筑学家富勒的启发，富勒曾设计一种用六边形和五边形构成的球形薄壳建筑结构，因此科学家把C60叫做足球烯，也叫做富勒烯。

[问题1]　金刚石晶体和富勒烯晶体的构成微粒相同吗？

提示：不同。富勒烯晶体的构成微粒为分子，金刚石晶体的构成微粒为原子。

[问题2]　金刚石晶体和富勒烯晶体受热熔化时克服的微粒间作用力相同吗？

提示：不同。前者受热熔化时克服共价键，后者受热熔化时克服分子间作用力。

[问题3]　以金刚石为例，说明共价晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同？

提示：①构成微粒不同，共价晶体中只存在原子，没有分子。②微粒间作用力不同，共价晶体中原子间只存在共价键，而分子晶体中分子之间存在分子间作用力。

1．分子晶体和共价晶体的比较

2．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＞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。

1．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

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。]

2．单质硼有无定形和结晶形两种，参考如表所示数据回答下列问题：

(1)晶体硼属于__________晶体，理由是______________________________

___________________________________________________________________。

(2)已知晶体硼的结构单元是由硼原子组成的正二十面体，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。

[解析]　(1)从题表数据可知，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)从题图可得出，每个顶角上的硼原子均为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，每个正三角形含有的硼原子数为×3；每个结构单元含有的硼原子数为20××3＝12，而每个B—B为2个正三角形所共有，则每个结构单元含B—B的个数为20××3＝30。

[答案]　(1)共价　晶体硼的熔、沸点高，硬度大

(2)12　60°　30

解共价晶体类题的注意事项

(1)共价晶体中一定存在共价键，但含有共价键的晶体不一定是共价晶体，只有原子间形成共价键三维骨架结构时才形成共价晶体。

(2)共价晶体中不存在分子，晶体中所有原子全部参与形成共价键，故共价晶体熔化时破坏的作用力是共价键。

(3)可以根据晶体的熔、沸点来判断晶体的类型，如分子晶体和共价晶体的物理性质的差别主要表现在两者的硬度和熔、沸点大小上，前者远小于后者。

(4)结构相似的共价晶体，成键原子半径越小，键能越大，对应的共价晶体的熔、沸点越高。如熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅(键长Si—Si>C—Si>C—C，键能C—C>C—Si>Si—Si)。

[问题1]　分析金刚石、二氧化硅的晶体结构模型，判断共价晶体的化学式是否可以代表其分子式？

提示：不能。因为共价晶体是一个三维骨架结构，无小分子存在。

[问题2]　以金刚石为例，说明共价晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同？

提示：①构成粒子不同，共价晶体中只存在原子，没有小分子。②相互作用不同，共价晶体中存在的是共价键。

[问题3]　分析二氧化硅晶体结构模型，判断晶体中最小的环有多少个原子？1 mol SiO2中含有多少摩尔Si—O?

提示：SiO2晶体中最小环上有12个原子。1 mol SiO2中含有4 mol Si—O。

金刚石(晶体硅)、碳化硅、二氧化硅的晶胞

金刚石晶胞　　　碳化硅晶胞　二氧化硅晶胞

1．金刚石(晶体硅)

金刚石(晶体硅)晶胞的每个顶角和面心均有1个C(Si)原子，晶胞内部有4个C(Si)原子，每个金刚石(晶体硅)晶胞中含有8个C(Si)原子。

2．碳化硅晶胞

(1)碳、硅原子都采取sp3杂化，C—Si夹角为109°28′。

(2)每个硅(碳)原子与周围紧邻的4个碳(硅)原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成三维骨架结构。

(3)最小碳环由6个原子组成且不在同一平面内，其中包括3个C原子和3个Si原子。

(4)每个SiC晶胞中含有4个C原子和4个Si原子。

3．二氧化硅晶胞

SiO2晶体结构相当于在晶体硅结构中每2个Si原子中间插入一个O原子，参照金刚石晶胞模型，在SiO2晶胞中有8个Si原子位于立方晶胞的顶角，有6个Si原子位于立方晶胞的面心，还有4个Si原子与16个O原子在晶胞内构成4个硅氧四面体，均匀排列于晶胞内。每个SiO2晶胞中含有8个Si原子和16个O原子。

3．我们可以将SiO2的晶体结构想象为：在晶体硅的Si—Si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

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角，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。]

4．(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原子周围距离最近的C原子数目为__________；若晶胞的边长为a pm，阿伏加德罗常数为6.02×1023 mol－1，则金刚砂的密度表达式为__________________________。

　　　　　        　甲　　　　　　　　　　乙

(2)硅的某种单质的晶胞如图乙所示。GaN晶体与该硅晶体结构相似，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)。

[解析]　(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5，硬度很大，属于共价晶体；以顶角碳原子为研究对象，与其距离最近的碳原子位于该顶角相邻的面心上，所以每个碳原子周围距离最近的碳原子数目为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，密度ρ＝＝。

(2)根据图乙所示的晶体结构可知，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形。在晶体Si的晶胞中含有Si原子的数目是8×＋6×＋4＝8，则根据晶体的密度ρ＝可知V＝＝ cm3＝ cm3，晶胞的边长a＝＝ cm，在晶胞中2个最近的Si原子之间的距离为晶胞体对角线长的，即× cm。

[答案]　(1)共价晶体　12

(2)4　正四面体形　×

1．下列各组物质的晶体中，化学键类型相同、晶体类型也相同的是(　　)

A．SO2和SiO2 B．CO2和H2O

C．BN和HCl D．CCl4和KCl

B　[SO2和SiO2中的化学键都是极性共价键，但晶体类型不同，SO2晶体属于分子晶体，SiO2晶体属于共价晶体，A项错误；CO2和H2O中的化学键都是极性共价键，且晶体都属于分子晶体，B项正确；BN和HCl中的化学键都为极性共价键，但晶体类型不同，BN晶体属于共价晶体，HCl晶体属于分子晶体，C项错误；CCl4中的化学键为极性共价键，KCl中的化学键为离子键，CCl4晶体属于分子晶体，KCl晶体不属于分子晶体，D项错误。]

2．已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。关于C3N4晶体的说法错误的是(　　)

A．该晶体属于共价晶体，其化学键比金刚石中的C—C更牢固

B．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构

C．该晶体中每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子

D．该晶体与金刚石结构相似，都是原子间以非极性共价键形成空间网状结构

D　[C3N4晶体的硬度比金刚石还大，且构成该晶体的微粒间只以单键结合，说明该晶体属于共价晶体。由于碳原子半径大于氮原子半径，则C—N共价键键长小于C—C共价键键长，则该晶体中C—N比金刚石中的C—C更牢固，A正确；碳原子最外层有4个电子，氮原子最外层有5个电子，构成该晶体的微粒间只以单键结合，故每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子，晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构，B、C正确；金刚石中只存在C—C共价键，属于非极性共价键，C3N4晶体中C、N原子间以极性共价键结合形成三维骨架结构，D错误。]

3．钻石的魅力在于它经过大自然千百万年的孕育，再经打磨，才放射出闪烁的光芒，金刚石晶体经过打磨后就是钻石。已知金刚石的三维骨架结构如图所示，观察图示可看出在以共价键形成的碳原子环中，其中最小的碳环中的碳原子数和C—C之间的夹角分别是(　　)

金刚石的晶体结构

A．6,120°  B．6,109°28′  C．5,109°28′  D．5,120°

B　[由题图所给金刚石的三维骨架结构可以看出最小的碳环中有6个碳原子，且与每个碳原子直接相连的4个碳原子构成正四面体形结构，故C—C的夹角为109°28′。]

4．最近科学家成功研制成了一种新型的碳氧化合物，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数目之比为1∶2

D．该晶体中最小的环由12个原子构成

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。]

5．(1)在一定条件下，由SiH4和CH4反应生成H2和一种固体耐磨材料__________________(写化学式)。

(2)GaAs的熔点为1 238 ℃，密度为ρ g·cm－3，其晶胞结构如图所示。该晶体的类型为__________，Ga与As以__________键结合。

(3)CO能与金属Fe形成Fe(CO)5，该化合物的熔点为253 K，沸点为376 K，其固体属于__________晶体。

[解析]　(1)SiH4和CH4反应生成H2和一种固体耐磨材料，显然该固体耐磨材料为共价晶体SiC。(2)由GaAs的熔点知，As原子与Ga原子以共价键结合，形成了具有三维骨架结构的共价晶体。(3)Fe(CO)5的熔、沸点较低，符合分子晶体的特点，故其固体为分子晶体。

[答案]　(1)SiC　(2)共价晶体　共价　(3)分子