第3章 第2节 第2课时 共价晶体（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修2（鲁科版2019）

第2课时　共价晶体 课程内容标准 1.借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点。 2．能够从化学键的特征，分析理解共价晶体的物理特性。 1．金刚石 　　 (1)每个碳原子与周围紧邻的4个碳原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成空间网状结构。 (2)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．共价晶体的结构特点 (1)相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体称为共价晶体。 (2)构成微粒及作用力 共价晶体 (3)空间构型：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”。 3．共价晶体与物质的类别 物质种类 实例 某些非金属单质 晶体硼、晶体硅、金刚石等 某些非金属化合物 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等 某些氧化物 二氧化硅(SiO2)等 4.碳化硅 　　 (1)结构 碳化硅晶体的结构类似于金刚石晶体的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的，原子个数比为1∶1。 (2)性质 碳化硅硬度大，具有耐热性、耐氧化性和耐腐蚀性。 (3)用途 用作磨料、耐火材料、电热元件，还可用来制造机械工程中的结构件和化学工程中的密封件。 5．二氧化硅晶体 (1)Si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。 6．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．巧判断(对的打“√”，错的打“×”) (1)共价晶体硬度通常比分子晶体大。(√) (2)共价晶体中原子间是以共价键结合的。(√) (3)SiO2是二氧化硅的分子式。(×) (4)由原子构成的晶体一定是共价晶体。(×) (5)二氧化硅和干冰虽然是同一主族的氧化物，但属于不同的晶体类型。(√) (6)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。(√) 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　[A项，无色水晶是共价晶体，属于化合物；B项，晶体硅是单质；C项，金刚石是单质；D项，干冰属于化合物，但它是分子晶体。] 3．金刚石和金刚砂(SiC)具有相似的晶体结构，在金刚砂的空间网状结构中，碳原子、硅原子交替以单键相结合。试回答下列问题。 (1)金刚砂属于________晶体。金刚砂熔点比金刚石熔点________。 (2)在金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合______个碳原子，键角是______。 (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。 解析　根据题意可知金刚砂属于共价晶体，由于Si—C键的键长大于C—C键的键长，故Si—C键的键能小，金刚砂的熔点比金刚石的熔点低。硅原子与碳原子交替以共价单键相结合，且Si、C原子都形成四个单键，故一个碳原子周围结合4个硅原子，同时一个硅原子周围结合4个碳原子。由于硅原子周围的四个碳原子在空间呈正四面体形排列，故键角为109°28′。类比金刚石中最小的原子环中有6个碳，则在金刚砂中，最小的环上应有3个硅原子和3个碳原子。 答案　(1)共价　低　(2)4　109°28′　(3)3 学习任务一　探究共价晶体的结构与性质 从表中的数据可以看出，尽管金刚石、碳化硅和晶体硅都是共价晶体且它们的结构相似，但是它们的熔点和硬度有较大差异，请讨论产生这种差异的原因。 部分共价晶体的键能、熔点和硬度 晶体 键能/(kJ·mol－1) 熔点/℃ 硬度* 金刚石 (C—C)347 3 350 10 碳化硅 (C—Si)301 2 600 9 晶体硅 (Si—Si)226 1 415 7 *以金刚石的硬度为10，石墨的硬度为1，划分10个等级。 1．“具有共价键的晶体叫做共价晶体”这种说法正确吗？为什么？ 提示　不正确。“具有共价键”并不是共价晶体的唯一条件。大部分分子晶体中也有共价键。对共价晶体的认识除了具有共价键外，还要求形成晶体的粒子是原子。 2．怎样从原子结构的角度理解金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降？ 提示　共价晶体中粒子之间的作用是共价键，熔点和硬度的大小由共价键的强弱决定，而共价键的强弱与键长和键能有关，键长越短，键能越大，共价键越强。由于碳的原子半径小于硅，所以金刚石、碳化硅、晶体硅的键长依次增大，共价键的键能依次减弱，所以金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降。 共价晶体和分子晶体熔点高低比较 1．对于不同类型的晶体来说，熔、沸点的高低顺序为：共价晶体>分子晶体。 2．对于同属于共价晶体的不同晶体 (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。一般原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。原子半径越小，则化学键的键长越短，化学键就越强，键就越牢固，破坏化学键需要的能量就越大，故晶体的熔点就越高。如比较金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点高低。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。 1．(双选)下列晶体性质的比较中，正确的是(　　) A．熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅 B．沸点：NH3>H2O>HF C．硬度：白磷>冰>二氧化硅 D．熔点：SiI4>SiBr4>SiCl4 AD　[由C—C、C—Si、Si—Si键的键能和键长可判断A项正确；由SiI4、SiBr4、SiCl4的相对分子质量可判断D项正确；沸点H2O>HF>NH3，二氧化硅是共价晶体，硬度大，白磷和冰都是分子晶体，硬度小，B、C项错误。] 2．现有两组物质的熔点数据如表所示： A组 B组 金刚石：3 550 ℃ HF：－83 ℃ 晶体硅：1 410 ℃ HCl：－115 ℃ 晶体硼：2 300 ℃ HBr：－89 ℃ 二氧化硅：1 710 ℃ HI：－51 ℃ 根据表中数据回答下列问题： (1)A组属于________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是____________。 (2)B组中HF熔点反常是由于__________。 (3)B组晶体不可能具有的性质是__________(填序号)。 ①硬度小　②水溶液能导电　③固体能导电　④液体状态能导电 解析　A组熔点很高，应是共价晶体，共价晶体熔化时破坏的是共价键；B组是分子晶体，且结构相似，一般是相对分子质量越大，熔点越高；HF的相对分子质量最小但熔点比HCl高，出现反常的原因是HF分子间存在氢键，HF熔化时除了破坏范德华力，还要破坏氢键，所需能量更多，因而熔点更高。分子晶体在固态和熔化状态都不导电。 答案　(1)共价　共价键　(2)HF分子间能形成氢键　(3)③④ [方法技巧]　比较共价晶体和分子晶体熔点高低的基本思路 学习任务二　认识典型的共价晶体晶胞结构 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的网状结构，无小分子存在。 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构成微粒不同，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。 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键？ 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键。 金刚石(晶体硅)、碳化硅、二氧化硅的晶胞 1．金刚石(晶体硅) 金刚石(晶体硅)晶胞的每个顶点和面心均有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键角为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，向空间伸展形成空间网状结构。 (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点，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。 1．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(　　) A．金刚石中C—C键的键角均为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键的键能无关 C．金刚石中碳原子个数与C—C键键数之比为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 C　[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键断裂，因C—C键的键能大，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键的形成，而每个C对每条键的贡献只有一半，故碳原子个数与C—C键键数之比为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。] 2．单质硅存在与金刚石结构类似的晶体，其中原子与原子之间以________相结合，其晶胞中共有8个原子，其中在面心位置贡献________个原子。 解析　硅晶体和金刚石晶体相似，即硅原子间以共价键相结合。晶胞每个面心上的硅原子为2个晶胞共有，则面心位置贡献的原子为6×＝3个。 答案　共价键　3 磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料。如图为其晶体结构中最小的重复单元，其中每个原子最外层均满足8电子稳定结构。 根据信息分析磷化硼的化学式怎样书写？晶体类型是怎样的？ 提示　由磷化硼的晶胞结构可知，P位于顶点和面心，数目为×8＋6×＝4，B位于晶胞内，数目为4，故磷化硼的化学式为BP，磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料，所以磷化硼晶体属于共价晶体。 (1)共价晶体中一定存在共价键，但含有共价键的晶体却不一定是共价晶体，只有原子间的共价键形成了空间立体网状结构时才形成共价晶体。 (2)共价晶体中不存在分子，晶体中的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。 学科网（北京）股份有限公司 $$