高中化学选择性必修2（人教版2019） 第三章 第二节第二课时　共价晶体 课件

 [课 时 分 层 作 业(十三)]

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1．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晶体硼和HCl　③CO2和SO2　④晶体硅和金刚石　⑤晶体氖和晶体氮

⑥硫黄和碘

A．①②③　　　　　　　 B．④⑤⑥

C．③④⑥     D．①③⑤

C　[属于分子晶体的有SO3、HCl、CO2、SO2、晶体氖、晶体氮、硫黄和碘。属于共价晶体的有SiO2、晶体硼、晶体硅和金刚石。但晶体氖是由稀有气体分子组成，稀有气体为单原子分子，分子间不存在化学键。]

2．下列事实能说明刚玉(Al2O3)是一种共价晶体的是(　　 )

①Al2O3是两性氧化物　②硬度很大

③它的熔点为2 045 ℃　④几乎不溶于水

⑤自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石

A.①②③     B．②③④

C．④⑤     D．②⑤

B　[①指的是Al2O3的分类，⑤指的是刚玉的种类，这两项都无法说明Al2O3是一种共价晶体。]

3．根据下列性质判断，属于共价晶体的物质是(　　 )

A．熔点2 700 ℃，导电性好，延展性强

B．无色晶体，熔点3 550 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂

C．无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800 ℃，熔化时能导电

D．熔点－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电

B　[A项中延展性好，不是共价晶体的特征，因为共价晶体中原子与原子之间以共价键结合，而共价键有一定的方向性，使共价晶体质硬而脆，A项不符合，B项符合共价晶体的特征；C项不符合共价晶体的特征；D项符合分子晶体的特征。]

4．我国的激光技术在世界上处于领先地位，据报道，有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。其原因可能是(　　 )

A．碳、氮原子构成平面结构的晶体

B．碳氮键比金刚石中的碳碳键更短

C．氮原子电子数比碳原子电子数多

D．碳、氮单质的化学性质均不活泼

B　[由“这种化合物可能比金刚石更坚硬”可知该晶体应该是一种共价晶体，共价晶体是一种空间网状结构而不是平面结构，A错误；由于氮原子的半径比碳原子的半径要小，所以二者所形成的共价键的键长要比碳碳键的键长短，所以该晶体的熔、沸点和硬度应该比金刚石更高，B正确；而原子的电子数和单质的活泼性一般不会影响到所形成的晶体的硬度等，C、D错误。]

5．下列有关晶体的叙述，错误的是(　　 )

A．分子晶体熔化时化学键不被破坏

B．白磷晶体中，结构粒子之间通过共价键结合

C．石英晶体是直接由硅原子和氧原子通过共价键所形成的空间网状结构的晶体

D．构成分子晶体的结构粒子中可能存在共价键

B　[分子晶体是通过分子间作用力将分子结合在一起的，所以熔化时，分子内部的化学键未发生变化，破坏的只是分子间作用力，A正确；白磷晶体是分子晶体，在P4内部存在共价键，而结构粒子(P4)之间是通过分子间作用力结合的，B错误；石英晶体是共价晶体，C正确；稀有气体在固态时也属于分子晶体，而稀有气体是单原子分子，在分子内部不存在共价键，在干冰晶体中，CO2分子内存在共价键，D正确。]

6．Al2O3在一定条件下可转化为硬度、熔点都很高的氮化铝晶体，氮化铝的晶胞如图所示。下列说法正确的是(　　 )

A．氮化铝属于分子晶体

B．氮化铝可用于制造切割金属的刀具

C．1个氮化铝晶胞中含有9个Al原子

D．氮化铝晶体中Al的配位数为2

B　[根据氮化铝晶体的性质，可知它属于共价晶体，故A错误；氮化铝晶体属于共价晶体，硬度很高，能用于制造切割金属的刀具，故B正确；根据晶胞结构可知，一个氮化铝晶胞中含有的Al原子的数目为8×＋1＝2，故C错误；观察晶胞结构，可得氮化铝晶体中Al的配位数为4，故D错误。]

7．GaAs作为第二代半导体材料的代表，具有宽禁带、高频、高压、抗辐射、耐高温及发光效率高的特点，被广泛应用于移动通信、无线通信、光纤通信、LED、卫星导航等领域。GaAs晶胞结构如图所示，晶胞边长为a pm，下列说法正确的是(　　)

A．基态砷原子价电子排布图为

B．GaAs属于分子晶体

C．As的配位数为8

D．该晶体密度为g/cm3

D　[砷元素的原子序数为33，价电子排布式为4s24p3，价电子排布图为，A错误；由砷化镓耐高温的特点可知，砷化镓是熔、沸点高的共价晶体，B错误；由晶胞结构可知，与砷原子距离最近的镓原子的个数为4，所以砷原子的配位数为4，C错误；由晶胞结构可知，位于体内的砷原子的个数为4，位于顶点和面心的镓原子个数为8×＋6×＝4，设晶体的密度为d g·cm－3，由晶胞的质量公式可得：＝10—30a3d，解得d＝，D正确。]

8．单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据，请回答下列问题：

(1)晶体硼的晶体类型属于__________晶体，理由是_____________________________。

(2)已知晶体硼的基本结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图)，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点上各有1个B原子。通过观察图形及推算，此晶体结构单元由________个B原子组成，键角为________。

解析　(1)晶体硼的熔、沸点和硬度都介于晶体Si和金刚石之间，而金刚石和晶体Si均为共价晶体，B与C相邻且与Si处于对角线位置，也应为共价晶体。(2)每个三角形的顶点被5个三角形所共有，所以，此顶点完全属于一个三角形的只占到，每个三角形中有3个这样的点，且晶体B中有20个这样的三角形，因此，晶体B中这样的顶点(B原子)有×20＝12个。又因晶体B中的三角形面为正三角形，所以键角为60°。

答案　(1)共价　晶体硼的熔、沸点和硬度都介于晶体Si和金刚石之间，而金刚石和晶体Si均为共价晶体，B与C相邻且与Si处于对角线位置，也应为共价晶体

(2)12　60°

9．请回答下列问题：

(1)已知3种共价晶体的熔点数据如下表：

金钢石熔点比晶体硅熔点高的原因是_______________________________________

________________________________________________________________________。

(2)硅、锗(Ge)及其化合物广泛应用于光电材料领域。

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、沸点如表：

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________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析　(1)共价晶体的熔点与共价键的键长有关，键长越短键能越高，熔点越高。碳原子的半径小于硅原子，键长：C—C＜Si—Si，键能：C—C＞Si—Si，所以金刚石的熔点高于晶体硅。

(2)①基态硅原子的最外层电子排布式是3s22p2，其电子排布图为：。晶体硅和碳化硅均属于共价晶体，其熔点与共价键的强弱有关，碳原子的半径小于硅原子，故Si—Si键长大于C—Si键，键能C—Si键较大，熔点碳化硅较高。

②热力学的273 K为0 ℃，只有SiF4的沸点低于0 ℃，在0 ℃ SiF4是气态，SiCl4为液态，SiBr4、SiI4的溶点高于0 ℃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，故SiX4的沸点依次升高。

答案　(1)原子半径：C＜Si(或键长：C—C＜Si—Si)，键能：C—C＞Si—Si，所以金刚石的熔点高于晶体硅

(2)①　SiC　②SiCl4　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

10．C和Si元素在化学中占有极其重要的地位。请回答下列问题：

(1)SiC的晶体结构与晶体硅的相似，其中C原子的杂化方式为________，粒子间存在的作用力是________________。SiC和晶体Si的熔、沸点高低顺序是________。

(2)C、Si为同一主族的元素，CO2和SiO2的化学式相似，但结构和性质有很大的不同。CO2中C与O原子间形成σ键和π键，SiO2中Si与O原子间不形成上述π键。从原子半径大小的角度分析，为何C、O原子间能形成上述π键，而Si、O原子间不能形成上述π键：________________________________________________________________________

________________； SiO2属于________晶体，CO2属于________晶体，所以熔点：CO2________SiO2(填“＜” “＝”或“＞”)。

(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅、CO2四种晶体的构成粒子分别是________________，熔化时克服的粒子间的作用力分别是_______________________________________________

________________________________________________________________________。

解析　(1)晶体硅中一个硅原子周围与4个硅原子相连，呈正四面体结构，所以杂化方式是sp3，因为Si—C的键长小于Si—Si的键长，所以熔、沸点：碳化硅＞晶体硅。

(2)SiO2为共价晶体，CO2为分子晶体，所以熔点：SiO2＞CO2。

(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅均为共价晶体，构成粒子为原子，熔化时破坏共价键；CO2为分子晶体，由分子构成，CO2分子间以分子间作用力结合。

答案　(1)sp3　共价键　SiC＞Si

(2)Si的原子半径较大，Si、O原子间距离较大，p­p轨道肩并肩重叠程度较小，不能形成上述稳定的π键　共价　分子　＜

(3)原子、原子、原子、分子　共价键、共价键、共价键、分子间作用力

11．正硼酸(H3BO3)是一种片层状结构的白色晶体，层内的H3BO3分子通过氢键相连(如图)。下列有关说法正确的是(　　 )

A．正硼酸晶体属于共价晶体

B．分子中硼原子最外层为8电子稳定结构

C．H3BO3分子的稳定性与氢键有关

D．1 mol H3BO3晶体中平均含3 mol氢键

D　[根据题意，正硼酸(H3BO3)中存在H3BO3分子，属于分子晶体，故A项错误；硼原子最外层只有3个电子，与氧原子之间形成3对共用电子对，因此分子中B原子最外层有6个电子，不是8电子稳定结构， B项错误；分子的稳定性与分子内的共价键键能大小有关，与氢键无关， C项错误；一个H3BO3分子参与形成了6个氢键，一个氢键为2个H3BO3分子所共用，因此1 mol H3BO3晶体中平均含3 mol氢键， D项正确。]

12．碳元素和硅元素为同一主族元素但他们的氧化物性质差异很大，冰晶胞中水分子的排列方式和金刚石的晶胞类似，下列这四种晶胞的说法正确的是(　　)

A．一个干冰晶胞中有4个CO2分子，一个SiO2晶胞中有8个SiO2分子

B．干冰中一个CO2分子周围有6个CO2分子紧邻

C.冰和金刚石熔沸点都很高，熔化时均破坏共价键

D．冰中水分子之间由于氢键的存在，使其结构与金刚石相似

D　[CO2分子位于晶胞的面心和顶点上，所以一个干冰晶胞中有8×＋6×＝4个CO2分子，SiO2晶胞是共价晶体，不存在分子，A错误；干冰属于面心立方晶胞，所以一个CO2分子周围有12个CO2分子紧邻，B错误；冰是分子晶体，熔化时破坏分子间作用力和氢键，金刚石是共价晶体，熔化时破坏共价键，C错误；冰中水分子之间由于氢键的存在，使其结构与金刚石相似，D正确；故选D。]

13．硅酸盐与二氧化硅一样，都以硅氧四面体作为基本结构单元。硅氧四面体可以表示为，其中○表示氧原子，表示硅原子。硅氧四面体通过不同的连接方式可以组成不同的多聚硅酸根离子。 某无限长单链的多聚硅酸根离子的结构如图所示，该阴离子中硅原子与氧原子的数目之比为(　　 )

A．1∶2     B．1∶3

C．1∶4     D．2∶5

B　[由无限长单链的多聚硅酸根离子的结构可知，其基本结构单元为，○表示氧原子，•表示硅原子，则基本结构单元中硅原子个数为1，氧原子个数为2＋2×＝3，所以该阴离子中硅原子与氧原子的个数之比为1∶3，B项正确。]

14．共价晶体是由原子直接通过共价键形成的空间网状结构的晶体，因其具有高熔、沸点，硬度大，耐磨等优良特性而具有广泛的用途。设NA为阿伏加德罗常数的值。

(1)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(其晶胞如图甲所示)，晶体硅的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，每个最小环独立含有________个Si原子，含1 mol Si原子的晶体硅中Si—Si键的数目为________。

(2)金刚砂(SiC)也与金刚石具有相似的晶体结构(如图乙所示)，在金刚砂的空间网状结构中，碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。试回答下列问题：

①金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是________(均用化学式表示)。

②在金刚砂的结构中，一个硅原子结合了________个碳原子，其中的键角是________。

③金刚砂的结构中含有C、Si原子以共价键结合形成的环，其中一个最小的环上独立含有________个C—Si键。

④金刚砂的晶胞结构如图丙所示，在SiC中，每个C原子周围最近且等距的C原子数目为______；若金刚砂的密度为ρ g·cm－3，则晶体中最近的碳、硅原子之间的距离为______________pm(用代数式表示即可)。

解析　(1)晶体硅是与金刚石结构类似的晶体，晶体硅的1个晶胞中含Si原子的数目为4＋8×＋6×＝8，在晶体硅的空间网状结构中最小环为6元环，每个硅原子被12个环共用，因此每个最小环独立含有Si原子的数目为6×＝，每个Si原子与周围4个Si原子形成4个共价键，每2个Si原子共用1个Si—Si键，即含1 mol Si原子的晶体硅中Si—Si键的数目为2NA。

(2)①共价晶体中，共价键键长越短，键能越大，熔、沸点越高，因此金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是Si＜SiC＜C。

②根据金刚砂的结构可知一个硅原子结合了4个碳原子，形成正四面体结构，其键角是109°28′。

③金刚砂的结构中含有C、Si原子以共价键结合形成的环，一个最小环里共有6个C—Si键，1个C—Si键被6个环共用，因此一个最小的环上独立含有C—Si键的个数为6×＝1。

④以SiC晶胞顶角上的碳原子为研究对象，每个C原子周围最近且等距的C原子数目为12；1个金刚砂晶胞中含有4个碳原子、4个硅原子，若金刚砂的密度为ρ g·cm－3，则晶体中最近的碳、硅原子之间的距离为晶胞体对角线长度的四分之一，1个晶胞的体积为cm3，因此最近的碳、硅原子之间的距离为××1010pm。

答案　(1)8　6　　2NA　

(2)①Si＜SiC＜C　②4　109°28′　③1　④12　××1010