2020-2021学年第二节 分子晶体与共价晶体第2课时学案

第2课时　共 价 晶 体

必备知识·自主学习

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。

(1)判断下列说法是否正确

①具有共价键的晶体都是共价晶体。(　×　)

提示：冰、干冰晶体中H2O、CO2的分子内都含有共价键，但属于分子晶体。

②共价晶体中，共价键越强，熔点越高。(　√　)

提示：共价晶体中原子间由共价键相结合，熔化时破坏共价键，共价键越强，熔化时所需能量越多，熔点越高。

③共价晶体的化学式表示其分子式。(　×　)

提示：共价晶体中不含分子。

(2)有下列几种晶体：A.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________(填字母，下同)，直接由原子构成的分子晶体是________。

②属于共价晶体的化合物是________。

③直接由原子构成的晶体是________。

④受热熔化时，化学键不发生变化的是_______，需克服共价键的是_______。

【解析】根据构成晶体的粒子不同，分子晶体仅由分子组成，共价晶体中无分子。分子晶体有B、C、E、F，其中晶体氩是单原子分子构成的晶体；共价晶体和单原子分子晶体都由原子直接构成，共价晶体有A、D，但化合物只有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。

答案：①BCEF　E　②A　③ADE　④BCF　AD

二、常见的共价晶体

1．金刚石

(1)在晶体中每个碳原子以4个共价键与相邻的4个碳原子相结合，成为正四面体。

(2)晶体中C—C键夹角为109°28′，碳原子采取了sp3杂化。

(3)最小环上有6个碳原子。

(4)晶体中碳原子个数与C—C键数之比为1∶(4×)＝1∶2。

2．二氧化硅

(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。

(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。

(情境思考)金刚砂又名碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，如莫桑石。碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。

(1)制备金刚砂的化学方程式______________。

提示：SiO2＋3CSiC＋2CO↑。

(2)金刚砂的熔点比金刚石的熔点________。

提示：低。

(3)金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合____个碳原子，含有共价键形成的原子环，其中最小的环上有____个硅原子。

提示：4　3。

关键能力·合作学习

知识点一　常见的共价晶体

1．常见的共价晶体

(1)金刚石

①每个碳原子都采取sp3杂化，与相邻的4个碳原子以共价键相结合，正四面体形结构，键角109°28′ 。

②晶体中最小的碳环由6个碳原子组成，且不在同一平面内，最多有4个碳原子在同一平面。

③每个C形成4个C—C键，每个C占有2个C—C键，即C原子与C—C键之比为1∶2。

④每个C原子被12个六元环共用，1个碳环占有的碳原子为0.5个。

⑤每个C—C键被6个六元环共用。

(2)二氧化硅

①1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个O原子和2个Si原子相结合。

②1 mol SiO2中含4 mol Si—O键

③最小环是由6个Si原子和6个O原子组成。

④每个Si原子被12个12元环共用，每个O原子被6个12元环共用。

⑤每个Si—O键被6个12元环共用。

2．共价晶体熔沸点的比较

→→→

3．共价晶体与分子晶体熔沸点比较

熔、沸点：共价晶体>分子晶体。

【归纳总结】晶体熔、沸点和硬度的比较方法

(1)先判断晶体类型。主要依据构成晶体的微粒及其微粒间的作用力。对于不同类型的晶体，一般来说，共价晶体的熔、沸点高于分子晶体，共价晶体的硬度大于分子晶体。

(2)对于同一类型的晶体

①共价晶体的熔点高低、硬度大小取决于共价键的强弱，原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越强，熔点越高。

②分子晶体的熔、沸点高低取决于分子间作用力，分子间作用力与相对分子质量有关，同时还要考虑分子极性及是否存在氢键。

金刚石的晶胞如图所示：

(1)1 mol金刚石中含________个共价键。

提示：2NA。

(2)晶胞棱长为a，碳原子半径为r。a、r之间有什么关系？

提示：2r＝×a。

【典例】(2021·昆明高二检测)已知SiC晶体具有较大的硬度，且原子间均以单键结合，下列关于晶体的说法正确的是(　　)

A．SiC晶体是分子晶体

B．SiC晶体中，C—Si键的键长比金刚石中C—C键的键长要短

C．SiC晶体中微粒间通过离子键结合

D．SiC晶体中每个C原子连接4个Si原子，而每个Si原子连接4个C原子

【解题指南】解答本题要注意以下两点：

(1)利用晶体性质正确判断晶体类型。

(2)熟知共价晶体的结构特点及键参数的应用。

【解析】选D。SiC晶体具有较大的硬度，因此SiC属于共价晶体，故A项错误；根据元素周期律可知，Si的原子半径比C的原子半径大，则SiC晶体中，C—Si键的键长比金刚石中C—C键的键长要长，故B项错误；SiC晶体中构成的微粒为原子，故微粒之间通过共价键结合，而非离子键，故C项错误；根据C和Si原子元素均属于第ⅣA族元素可知，SiC晶体中每个C原子连接4个Si原子，而每个Si原子连接4个C原子，故D项正确。

(1)共价晶体都是空间网状结构。

(2)共价晶体中原子之间以共价键结合，键长越短、键能越大，共价键越强，共价晶体的熔沸点越高，硬度越大。

1.(2021·南京高二检测)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

【解析】选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。

2．金刚石和二氧化硅的晶体结构模型如下图：

(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。因为共价晶体是三维的网状结构，无小分子存在，化学式只是晶体中组成原子的个数比。

(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；分子晶体存在分子。

②所含作用力不同，共价晶体中存在的是共价键；分子晶体中存在分子间作用力。

(3)分析SiO2晶体结构模型，判断晶体中最小的环有多少个原子？

提示：SiO2晶体中最小环上有12个原子。

知识点二　分子晶体与共价晶体的比较

1．分子晶体与共价晶体的比较

2.分子晶体与共价晶体的判断

(1)依据构成晶体的微粒种类和微粒间的作用力判断。

构成共价晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键；构成分子晶体的微粒是分子，微粒间的作用力是分子间作用力。

(2)依据晶体的熔点判断。

共价晶体的熔点高，常在1 000 ℃以上；而分子晶体熔点低，常在数百度以下甚至更低温度。

(3)依据晶体的导电性判断。

分子晶体为非导体，但部分分子晶体溶于水后能导电，如HCl。共价晶体多数为非导体，但晶体Si、晶体Ge为半导体。

(4)依据晶体的硬度和机械性能判断。

共价晶体硬度大；分子晶体硬度小且较脆。

(5)依据物质的分类判断。

①大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅等)、非金属氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、几乎所有的酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。

②常见的单质类共价晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等；常见的化合物类共价晶体有碳化硅、二氧化硅等。

对分子晶体和共价晶体的认识误区

(1)共价晶体是一个三维的共价键网状结构，是一个“巨分子”，没有小分子存在；而分子晶体中存在真实的分子。

(2)共价晶体的化学式不表示实际组成，只表示组成原子的个数比，如SiO2只是表示晶体中Si与O的原子个数比为1∶2。而分子晶体的化学式表示真实的组成。

(3)由原子构成的晶体不一定是共价晶体，如稀有气体组成的晶体属于分子晶体。

(1)常见的单质共价晶体有哪些？

提示：金刚石、单质硅、单质硼。

(2)常见的共价晶体化合物有哪些？

提示：SiO2、SiC、C3N4、Si3N4、BN、AlN、BP、GaAs等。

【典例】(2021·洛阳高二检测)下列晶体性质的比较中不正确的是(　　)

A．沸点：NH3>PH3

B．熔点：SiI4>SiBr4>SiCl4

C．硬度：白磷>冰>二氧化硅

D．硬度：金刚石>碳化硅>晶体硅

【思维建模】解答有关晶体熔沸点比较问题的思维流程如下：

【解析】选C。A项中注意NH3分子间存在氢键，故沸点NH3>PH3，正确；B项中三种物质的组成和结构相似，且均为分子晶体，熔点随相对分子质量的增大而升高，正确；C项中白磷和冰都是分子晶体，硬度小，而二氧化硅是共价晶体，硬度大，错误；D 项中的三种物质都是共价晶体，由于原子半径C<Si，所以键长C—C<C—Si<Si—Si，故键能C—C>C—Si>Si—Si，而键能越大，共价晶体的硬度越大，正确。

【母题追问】NH3的溶解度比PH3大的原因是什么？

提示：NH3为极性分子，NH3与水分子间形成氢键，NH3与水发生反应生成NH3·H2O。

晶体熔沸点比较方法

①判断晶体类型―→分析作用力强弱―→得出熔沸点高低。

②不同晶体熔沸点：共价晶体＞分子晶体；③分子晶体熔沸点影响的三要素：氢键、范德华力、极性。④共价晶体的作用力为共价键：键长短、键能大，熔沸点高。

1．(2021·贵阳高二检测)下列说法正确的是(　　)

A．冰融化时，分子中H—O键发生断裂

B．分子晶体中，共价键键能越大，分子晶体的熔沸点越高

C．共价晶体中，共价键越强，熔点越高

D．分子晶体中，分子间作用力越大该物质越稳定

【解析】选C。冰融化克服氢键与范德华力，属于物理变化，H—O键没有断裂，故A错误；影响分子晶体熔沸点高低的因素是分子间作用力的大小，与共价键的键能无关，故B错误；影响共价晶体熔沸点高低的因素是键能的大小，共价键的键长越短，键能越大，熔点就越高，故C正确；分子的稳定性与分子间作用力无关，稳定性取决于键能，故D错误。

2．砷化镓是第二代半导体，熔点为1 238 ℃，具有空间网状结构，性能比硅更优良。砷化镓半导体材料的一个重要特性就是光电特性。由于它具有直接带隙以及宽禁带等结构，它的光发射效率比硅锗等半导体材料高，广泛用于雷达、电子计算机、人造卫星、宇宙飞船等尖端技术中。砷化镓晶体其晶胞结构如图所示。

(1)砷化镓属于________晶体。

提示：共价。

(2)砷化镓与氮化硼属于同种晶体类型。则两种晶体熔点较高的是________，其理由是______________________________________________________________

__________________________________________________________________。

提示：BN　二者均为共价晶体，B、N间的键长比Ga、As的键长短，键能大。

(3)Ga和As的摩尔质量分别为MGa g·mol－1 和MAs  g·mol－1，原子半径分别为

rGa pm和rAs pm，阿伏加德罗常数值为NA，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为____________。

提示：该晶胞中含有4个Ga、4个 As，则晶胞中原子的体积为[π(rGa×

10－10cm)3＋π(rAs×10－10cm)3]×4，晶胞的体积为cm－3，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为[π(rGa×10－10cm)3＋π(rAs×

10－10cm)3]×4/×100%＝×100%。

三言两语话重点

1．共价晶体由原子构成，只含有共价键。

2．共价晶体是三维空间网状结构，不存在单个小分子。

3．共价晶体一般熔点高，硬度大，且原子半径越小，键长越短，键能越大，熔点越高。

4．金刚石晶体中，C—C键夹角为109°28′，碳原子采取sp3杂化，为正四面体形空间网状结构，最小环上有6个碳原子。

课堂检测·素养达标

1．(2021·杭州高二检测)下列有关共价晶体的叙述错误的是(　　)

A．共价晶体中，原子不遵循紧密堆积原则

B．共价晶体具有空间网状结构

C．共价晶体中不存在独立的分子

D．共价晶体熔化时不破坏共价键

【解析】选D。A项，共价晶体中原子之间通过共价键相连，而共价键具有方向性和饱和性，所以共价晶体中，原子不遵循紧密堆积原则；B项，共价晶体是相邻原子之间通过共价键结合而成的空间网状结构；C项，共价晶体是由原子以共价键相结合形成的，不存在独立的分子；D项，共价晶体是原子通过共价键连接的，熔化时需要破坏共价键。

2．(2021·泰州高一检测)科学家成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体，下列关于CO2的共价晶体说法，正确的是(　　)

A．CO2的共价晶体和分子晶体互为同分异构体

B．在一定条件下，CO2共价晶体转化为CO2分子晶体是物理变化

C．CO2的共价晶体和CO2分子晶体具有相同的物理性质和化学性质

D．在CO2的共价晶体中，每一个C原子周围结合4个O原子，每一个O原子跟2个C原子相结合

【解析】选D。CO2的共价晶体不存在分子形式，与分子晶体不互为同分异构体，故A错误；二氧化碳共价晶体和二氧化碳分子晶体不是一种物质，所以在一定条件下，CO2共价晶体转化为分子晶体是化学变化不是物理变化，故B错误；二氧化碳分子晶体和二氧化碳共价晶体的构成微粒不同，空间构型不同，所以其物理性质和化学性质不同，故C错误；利用知识迁移的方法分析，把二氧化硅结构中的硅原子替换成碳原子，所以在二氧化碳的共价晶体中，每个C原子周围结合4个O原子，每个O原子跟两个C原子相结合，故D正确。

3．下列各组晶体物质中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是(　　)

①SiO2和SO3　②金刚石和白磷　③CO2和SO2　④晶体硅和金刚石　

⑤晶体氖和晶体氮　⑥硫黄和单质碘

A．①②③    B．④⑤⑥

C．③④⑥    D．①③⑤

【解析】选C。属于分子晶体的有SO3、CO2、SO2、白磷、晶体氖、晶体氮、硫黄和单质碘。属于共价晶体的有SiO2、晶体硅和金刚石。但晶体氖是单原子分子，晶体中不存在化学键。

4．(2021·徐州高二检测)一种新型材料B4C，它可用于制作切削工具和高温热交换器。关于B4C的推断正确的是(　　)

A．B4C分子是由4个硼原子和1个碳原子构成的

B．B4C是一种共价晶体

C．B4C是一种分子晶体

D．B4C晶体中存在离子键

【解析】选B。B4C由非金属元素组成，可用于制作切削工具和高温热交换器，说明熔点高，应为原子晶体，不存在单个分子，构成微粒为原子，碳、硼原子之间以共价键结合。

5．碳化硅SiC的一种晶体具有类似金刚石的结构，其中C原子和Si原子的位置是交替的。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

【解析】选A。C与Si同为第ⅣA族元素，它们的相似性表现在金刚石是共价晶体，晶体硅、碳化硅也是共价晶体。从碳到硅原子半径逐渐增大，形成共价键的键能逐渐减弱，熔点取决于它们的键能，故熔点从高到低的顺序是金刚石、碳化硅、晶体硅。

6.晶体硅是良好的半导体材料，被广泛用于信息技术和能源科学等领域。晶体硅是与金刚石结构类似的晶体(其晶胞如图所示)，硅晶体的1个晶胞中含__________个Si原子，在晶体硅的空间网状结构中最小环为__________元环，每最小环独立含有__________个Si原子，含1 mol Si原子的晶体中Si—Si键的数目为________。

【解析】根据Si的晶胞计算，顶点粒子占，面心粒子占，晶胞内部粒子为整个晶胞所有，则硅晶体的1个晶胞中含Si原子的数目为8×＋6×＋4＝

8个，最小环是六元环，Si处在四面体中，每一个面上产生3个六元环，则4个面一共产生12个六元环，所以一个Si原子归12个环所有，均摊为，一个六元环含有6个Si原子，所以每最小环独立含有6×＝个Si原子，一个Si形成4个共价键，1个共价键上有2个Si原子，所以含1 mol Si原子的晶体中含有2 mol共价键。

答案：8　6　　2 mol

素养新思维

7．(2021·湖南选择考节选)硅、锗(Ge)及其化合物广泛应用于光电材料领域。回答下列问题：

(1)基态硅原子最外层的电子排布图为______________________，晶体硅和碳化硅熔点较高的是____________________(填化学式)；

(2)硅和卤素单质反应可以得到SiX4。

SiX4的熔沸点

0℃时，SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4呈液态的是______________(填化学式)，沸点依次升高的原因是____________________，气态SiX4分子的空间构型是____________________。

【解析】(1)硅元素的原子序数为14，价电子排布式为3s23p2，则最外层电子排布图为；原子晶体的熔点取决于共价键的强弱，晶体硅和碳化硅都是原子晶体，碳原子的原子半径小于硅原子，非金属性强于硅原子，碳硅键的键能大于硅硅键、键长小于硅硅键，则碳硅键强于硅硅键，碳化硅的熔点高于晶体硅；(2)由题给熔沸点数据可知，0 ℃时，四氟化硅为气态，四氯化硅为液态，四溴化硅、四碘化硅为固态；分子晶体的沸点取决于分子间作用力的大小，SiX4都是结构相似的分子晶体，相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增大，则SiX4的沸点依次升高；SiX4分子中硅原子的价层电子对数为4，孤电子对数为0，则分子的空间构型为正四面体形。

答案：(1)　SiC

(2)SiCl4　SiX4都是结构相似的分子晶体，相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增大　正四面体形