3.2.2共价晶体 课件2023-2024学年高二下学期化学人教版（2019）选择性必修2

第二节 分子晶体和共价晶体 第三章 晶体结构和性质 第二课时 共价晶体 【复习回顾】 1、影响分子晶体熔沸点的因素是什么？ 2、碳和硅元素位于元素周期表中同一主族，且二氧化碳和二氧化硅晶体均含有共价键，为什么熔沸点差异那么大？ CO2面心立方 二氧化硅中的Si采取sp3杂化轨道形成共价键三维骨架结构 有的晶体微观空间里没有分子，共价晶体就是其中之一。 一、共价晶体 所有原子都以共价键相互结合形成三维的立体网状结构的晶体。 共价晶体 构成粒子 原子 粒子间的作用力 共价键 [注意]①熔化时破坏的作用力：共价键 ②由原子构成的晶体不一定是共价晶体 ③具有共价键的晶体不一定是共价晶体 如稀有气体 共价晶体熔化时破坏共价键，所以熔沸点很高，硬度很大。 如硼（B）、硅（Si）、锗（Ge）和灰锡（Sn）等 如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)及氮化硅(Si3N4)等 ③极少数金属氧化物：， ①某些单质： ②某些非金属氧化物： 如刚玉(ɑ-Al2O3) 2、 典型的共价晶体 金刚石、晶体硅、晶体锗 碳化硅 氮化硅 近年来Si3N4以为基础，用Al取代部分Si，用O取代部分N而获得结构多样化的陶瓷，用于制作LED发材料。 共价晶体的化学式： 共价晶体不存在单个分子、整块晶体就是一个“巨分子” 单质的化学式用元素符号表示如晶体硅 Si、金刚石 C； 化合物的化学式：按各原子数目的最简比写化学式。 石英晶体：SiO2，表示晶体中硅、氧原子个数比1：2，不存在单个的SiO2分子。碳化硅SiC、氮化硅Si3N4 、氮化硼BN 等 金刚石结构示意图 石英结构示意图 3、共价晶体的物理性质 共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗 熔点/0C ＞3550 3000 2700 1710 1410 1211 硬 度 10 9.5 9.5 7 6.5 6.0 ①熔点很高： ②硬度很大。 ③一般不导电，但晶体硅、锗是半导体 ④难溶于一般溶剂 共价晶体中，原子间以较强的共价键相结合，要使物质熔化就要克服共价键，需要很高的能量。 硬度是衡量固体软硬程度的指标。硬度有不同的标度，最普通的硬度标度是画痕硬度，即摩氏硬度。 问题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？ 金刚石、碳化硅、晶体硅都是共价晶体，原子半径：C<Si，则键长：C-C < C-Si < Si-Si，故键能：C-C<C-Si<Si-Si，熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。 小结：共价晶体熔沸点大小的比较 ①晶体的熔、沸点高低取决于共价键的键长和键能。 键长越短，键能越大，共价键越稳定，物质的熔、沸点越高。 ②若没有告知键长或键能数据时，可比较原子半径的大小。一般原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。 问题2：硬度大的物质一定经得起锤击吗？ 硬度是衡量固体软硬程度的指标。以固体互相刻画时出现刻痕的固体的摩尔硬度较低。金刚石不能被任何天然矿物画出刻痕，因而是最硬的。但却很容易经锺击而破碎。物质经受锤击的性质属于延展性。由于共价晶体中的共价键具有方向性，当受到大的外力作用时会发生原了错位而断裂。硬度大的物质不一定经得锤击。 课堂练习1:正误判断 (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( ) (5) 二氧化硅和干冰虽然是同一主族元素形成的氧化物,但属于不同的晶体类型。(　　) (6).SiO2是二氧化硅的分子式。(　　) × × × × √ × 4、 共价晶体的结构特征 (1)金刚石晶体 天然金刚石呈现多面体外形 金刚石的结构 金刚石的晶胞 金刚石晶胞的结构特点 典型共价晶体的结构分析------金刚石 正四面体 最小环为六元环 ①在金刚石晶体中每个碳原子周围紧邻的碳原子有　　个以共价键结合形成 。 ②每个碳原子都采取____杂化 ③所有的C—C键长相等，键角相等，键角为_________. ④晶体中最小的碳环由___个碳组成，且_____同一平面内； sp3 109°28' 6 不在 4 正四面体 14 典型共价晶体的结构分析------金刚石 ⑥晶体中C原子与C—C键数之比为： 。 1：2 ⑤每个碳原子可形成12个六元环,每个 C-C键可以形成6个六元环。 ⑦在金刚石晶胞中占有的碳原子数_______　 8 8×1/8+6×1/2+4=8 ⑧12g 金刚石含有_____个C原子 含有_____ 个C-C键 NA 2NA 15 科学•技术•社会——金刚石 1、天然金刚石 2、人工合成金刚石 以石墨为原料高压合成金刚石 以甲烷、氢气为原料低温低压合成金刚石 天然金刚石形成条件：高温高压 金刚石的用途 金刚石 晶体硅 SiC GaAs 金刚石模型的演变 —— 等电子体原理 (1)与碳同族单质(如Si、Ge)都具有与金刚石相似的结构； (2)第ⅣA族相邻元素间也可形成相似结构的晶体(如SiC) (3)与第ⅣA族同周期的元素间根据等电子体原理， 如BN、GaAs等也可形成与金刚石结构相似的晶体。 109º 28´，三维骨架 键能：347.7 kJ/mol 键长：154 pm（很短） 熔点很高： 大于 3500 0C 硬度最大： 摩氏 10 度 结构决定性质 SiO2是自然界含量最高的二元氧化物，熔点1713 ℃，有多种结构 ，最常见的是低温石英。遍布河岸的黄沙、带状的石英矿脉、花岗石里的白色晶体以及透明的水晶都低温石英。 黄沙 花岗岩 石英矿 水晶 ①SiO2在自然界分布： (2)二氧化硅晶体 ②低温石英的结构 其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，被广泛用作压电材料，如石英手表。 石英晶体中硅氧四面体相连构成的螺旋链 石英的左、右型晶体 SiO2用途：制造水泥、玻璃、人造红宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料 2 4 ① 在SiO2晶体中，每个硅原子与 个氧原子结合；每个氧原子与 个硅原子结合；每个正四面体占有___个Si，__个O。故SiO2晶体中Si与O之为______。 典型共价晶体的结构分析------二氧化硅 1 : 2 109º28´ 1 2 ②最小环上有____个原子(____个Si和____个O)。 每个Si被___个最小环共用，每个Si—O—Si键被___个最小环共用，每个最小的环实际拥有的硅原子为___________，氧原子数为_____________。 12 6 6 6×1/12=1/2 12 6 6×1/6=1 22 典型共价晶体的结构分析------二氧化硅 1：4 1：2 ③硅原子个数与Si－O 共价键个数之是 ； 氧原子个数与Si－O 共价键个数之比是 。 ④1mol SiO2中含 mol Si-O键。 4 109º28´ 23 晶体硅的晶胞中，在Si－Si键之间插入O原子，即得到方石英的晶胞(最常见的SiO2晶胞)。 二氧化硅晶胞 晶体硅的结构 二氧化硅的结构 ①二氧化硅晶胞中含有的Si原子数为___，O原子数为___ 8 16 ②1molSiO2晶体中含_____molSi-O键。 4 课堂练习2:正误判断 (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( ) × √ × √ (5)金刚石和二氧化硅晶体中C、Si都是sp3杂化，键角109º28´( ) (6)金刚石中C与C—C键和二氧化硅晶体中Si与Si—O键的比值都是1:2 ( ) √ × SiO2有许多重要用途。 小结：常见共价晶体的结构 物质 金刚石 二氧化硅 晶体 结构 结构 特点 ①碳原子采取sp3杂化，每个碳原子以4个共价单键对称地与相邻的4个碳原子相结合，形成正四面体结构。 ②晶体中C—C—C夹角为109°28′。 ③最小环上有6个碳原子。 ④1mol晶体中有2molC—C键。 ⑤1个晶胞中有8个碳原子。 ①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。 ②硅、氧原子个数比为1∶2。 ③最小的环上有6个硅原子和6个氧原子。 ④1molSiO2中有4molSi—O键。 思考与讨论4： →碳和硅同主族，它们的氧化物CO2和SiO2，为什么物理性质差异很大？ 干冰 SiO2 物质 熔点/℃ 沸点/℃ CO2 -56.2 （在527 kPa下测得） -78.5 SiO2 1723 2230 提示:　 →CO2的晶体是分子晶体，晶体中CO2分子之间通过范德华力相结合。 →SiO2是共价晶体，硅原子和氧原子之间通过共价键相互结合形成空间网状结构，晶体中不存在小分子。 思考与讨论4： →碳和硅同主族，它们的氧化物CO2和SiO2，为什么物理性质差异很大？ 干冰晶胞结构 二氧化硅晶胞结构 三、共价晶体与分子晶体比较及判断 1.依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力判断 →组成共价晶体的粒子是原子，粒子间的作用力是共价键； →组成分子晶体的粒子是分子或原子(稀有气体)，粒子间的的作用力是分子间作用力。 2.依据晶体的熔点判断 →共价晶体的熔沸点高，常在1000℃以上； →分子晶体的熔、沸点低，常在数百摄氏度以下。 判断共价晶体和分子晶体的方法 3.依据物质的状态判断 一般常温常压下，呈气态或液态的单质与化合物，在固态时属于分子晶体。 总结2： (4)依据导电性判断。 分子晶体为非导体,但部分溶于水后能导电;原子晶体多数为非导体,但晶体硅、锗是半导体。 (5)依据物质的分类判断 常见的共价晶体单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等，常见的共价晶体化合物有SiC、BN、AlN、Si3N4、C3N4、SiO2等； 大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外)、气态氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、酸、绝大多数有机物(除有机盐外)都是分子晶体。 (6)依据物质的状态判断 一般常温常压下，呈气态或液态的单质与化合物，在固态时属于分子晶体。 4.依据晶体的硬度与机械性能判断。 判断共价晶体和分子晶体的方法 总结2： →分子晶体为非导体,但部分溶于水后能导电; →原子晶体多数为非导体,但晶体硅、锗是半导体。 5.依据导电性判断。 共价晶体硬度大,分子晶体硬度小且较脆。 1.不同类型的晶体熔、沸点： 共价晶体>分子晶体 分子晶体、共价晶体的熔、沸点比较 分子晶体: ①看是否含有氢键 有分子间氢键的熔沸点高 都有分子间氢键， 看氢键的个数，个数越多熔沸点越高 ②比较范德华力 组成和结构相似，相对分子质量越大，熔沸点越高 ③比较分子极性 相对分子质量相近，分子极性越大，熔沸点越高。 ④同分异构体的支链越多，熔、沸点越低。 2.同一类型的晶体熔、沸点： 总结3： 如比较金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点高低： 共价晶体： ①晶体的熔、沸点高低取决于共价键的键长和键能。 键长越短，键能越大，共价键越稳定，物质的熔、沸点越高。 ②若没有告知键长或键能数据时，可比较原子半径的大小。 1.不同类型的晶体熔、沸点： 共价晶体>分子晶体 分子晶体、共价晶体的熔、沸点比较 总结3： 2.同一类型的晶体熔、沸点： 一般原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。 ∴ 熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。 则键长：C-C < C-Si < Si-Si， 原子半径：C<Si， 故键能：C-C<C-Si<Si-Si， (1).分子晶体中一定存在共价键。 (　　) (2).干冰升华的过程中破坏了共价键。(　　) (3).二氧化硅和干冰虽然是同一主族元素形成的氧化物,但属于不同的晶体类型。(　　) (4).分子晶体的熔、沸点比较低,共价晶体的熔、沸点比较高。(　　) (5).含有共价键的晶体都是共价晶体。(　　) (6).SiO2是二氧化硅的分子式。(　　) 1、判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”) √ 　　 √ 　　 × × × × 2、正误判断 (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( ) × √ × √ (5)金刚石和二氧化硅晶体中C、Si都是sp3杂化，键角109º28´( ) (6)金刚石中C与C—C键和二氧化硅晶体中Si与Si—O键的比值 都是1:2 ( ) √ × 2．下列物质中，属于共价晶体的化合物是(　 　) A．无色水晶　 B．晶体硅 C．金刚石　 D．干冰 A 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 C 4．一种新型材料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 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，应为共价晶体，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。 7. 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) A 8.氮氧化铝(AlON)属于共价晶体，是一种高强度透明材料，下列叙述错误的是 A.AlON和SiO2所含化学键的类型相同 B.电解熔融AlON可得到Al C.AlON中N元素的化合价为－1 D.AlON和SiO2的晶体类型不相同 BD AlON和SiO2均属于共价晶体，均只含有共价键 AlON属于共价晶体，熔融时不导电 AlON中O为－2价，Al为＋3价，所以N为－1 9.金刚石是由碳原子所形成的正四面体结构向空间无限延伸而得到的具有三维骨架结构的共价晶体。在立方体中，若一碳原子位于立方体体心，则与它直接相邻的四个碳原子位于该立方体互不相邻的四个顶角上(如图中的小立方体)。请问，图中与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数为多少，它们分别位于大立方体的什么位置 A.12，大立方体的12条棱的中点 B.8，大立方体的8个顶角 C.6，大立方体的6个面的中心 D.14，大立方体的8个顶角和6个面的中心 A 小立方体顶角的碳原子除了与体心上C原子直接相连，还另外连有3个C原子，所以，与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数为4×3=12，如右图 (1)金刚砂属于______晶体。金刚砂熔点比金刚石熔点_____。 10.金刚石和金刚砂(SiC)具有相似的晶体结构，在金刚砂的三维骨架结构中，碳原子、硅原子交替以单键相结合。试回答： 共价 低 (2)在金刚砂的结构中，1个硅原子周围结合__个碳原子,键角是 。 4 109°28′ (3)金刚砂的结构中含有由共价键形成的原子环，其中最小的环上有____个硅原子。 3 (3)晶体中两个最近的碳原子核之间的距离为______ pm。 11.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。 8 (2)已知晶胞参数为a pm，则金刚石的密度为______________ g·cm－3。 解析　8×1/8＋6×1/2＋4＝8 NA(a×10－10)3 12×8 (4)碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？ a pm 注意：晶胞质量=晶胞占有的微粒数× 。 A B c ①根据晶胞结构确定各种粒子的数目 求 晶胞质量 ②根据晶胞的边长或微粒间的距离 晶胞体积 求 ρ= m/V 解题策略 ①面对角线长= 。 (2) 立方体晶胞中常用关系(设边长为a) ②体对角线长= 。 (1)晶体密度的求算 12.六方氮化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与金刚石 相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5 pm，立方氮化硼晶胞中含有____个氮原子、___个硼原子,立方氮化硼的密度是 g/cm3 (只要求列算式，不必计算出数值，阿伏加德罗常数的值为NA) 4 4 金刚石晶胞中C原子数： 8×1/8+6×1/2+4=8 ∴一个BN晶胞中含4个N原子，4个B原子； 一个BN晶胞的质量： 25 NA ╳ 4 (1)氮化硅晶体属于_____晶体。 (2)已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且N原子和N原子，Si原子与Si原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式：_______。 13.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在13 000 ℃时反应获得。 共价 Si3N4 (3)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得到较高纯度的氮化硅。反应的化学方程式为__________________________。 (1)在SiO2晶体中有若干环状结构，最小的环状结构由____个原子构成。 (2)在SiO2晶体中，硅原子的价电子层原子轨道发生了杂化，杂化方式是_____，Si—O—Si的键角是_________。 14.参照如图SiO2的晶体结构模型分析SiO2晶体的结构，并回答下列问题。 12 sp3 109°28′ 14.参照如图SiO2的晶体结构模型分析SiO2晶体的结构，并回答下列问题。 (3)二氧化硅属于重要的无机非金属材料， 请列举两项二氧化硅的主要用途： ①______________。 ②________________________________________。 (4)下列说法中正确的是________(填序号)。 ①凡是共价晶体都含有共价键 ②凡是共价晶体都有正四面体结构 ③凡是共价晶体都具有三维骨架结构 ④凡是共价晶体都具有很高的熔点 制造石英玻璃 制造石英表中的压电材料(或制造光导纤维等) ①③④ Lavf59.6.100 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。 提示　2r＝a pm，即r＝ a pm。 a 3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl $$