3.2.2 共价晶体 课件 2024-2025学年高二上学期人教版（2019版）化学选择性必修2

第二节 分子晶体与共价晶体 第三章 晶体结构与性质 人教版选择性必修2 第2课时 共价晶体 熔点/oC 状态（室温） CO2 -56.2 气态 SiO2 1723 固态 干冰 SiO2 碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族，CO2和SiO2熔沸点为什么差距那么大？ 问题情景 1、知道共价晶体的结构特点，认识金刚石晶体中碳原子的三维骨架结构，能借助共价晶体模型说明共价晶体中粒子间的相互作用 。 2、能结合具体实例，说出共价晶体的粒子间相互作用与其性质（熔点、硬度等）的关系。 【学习目标】 共价晶体的结构特点与性质之间的关系 【重点难点】 相邻原子以共价键相结合形成三维骨架结构的晶体叫共价晶体。 共价晶体 构成粒子 原子 粒子间的作用力 共价键 一、共价晶体 1、概念 2、构成粒子及作用力 金刚石晶体结构模型 注意：（1）不存在单个分子，无分子式。化学式表示原子最简整数比。 （2）气化或熔化时破坏的作用力：共价键 整块晶体是一个三维的空间网状结构，是一个“巨分子”。 思考1：具有共价键的晶体叫做共价晶体，这种说法对吗？ 不对，大部分分子晶体中也含有共价键，如：干冰，冰 思考2：只由原子形成的晶体一定是共价晶体吗？ 不一定。如稀有气体均由原子构成，为分子晶体 下列有关共价晶体的叙述错误的是(　　) A、共价晶体中，只存在共价键 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 D 【课堂练习1】 ①某些单质：以碳为中心，硅（Si）、锗（Ge）、灰锡（Sn） 、硼（B）、高聚氮等 ②某些非金属化合物：如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等 ③极少数金属氧化物，如刚玉(Al2O3) Si3N4晶体结构 Si3N4材料的导弹天线罩制品 3、类别 Al2O3有两种结构，其中一种结构属于共价晶体，俗称刚玉。 晶体 键长/pm 键能/(kJ·mol－1) 熔点/℃ 硬度 金刚石 154 348 >3 500 10 碳化硅 184 301 2 700 9.5 晶体硅 234 226 1 410 6.5 金刚石、碳化硅、晶体硅均具有相似的结构，下表列出了它们的键长、键能、熔点和硬度的数据。 思考：共价晶体的熔点和硬度等物理性质与共价晶体中共价键的键长、键能之间存在什么关系？ 结构相似的共价晶体，其原子间形成共价键的键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高，硬度就越大。 思考1：共价晶体熔化或气化，需要破坏的粒子间作用力是什么？使金刚石、碳化硅、晶体硅熔化分别破坏的这种具体的作用力又是什么？ 使共价晶体熔化，需要破坏共价键。使金刚石、碳化硅、晶体硅熔化分别破坏的是C—C、C—Si、Si—Si。 思考3：如果不提供上述表格中的数据，根据元素周期表，你能判断金刚石、碳化硅、晶体硅的键长、键能、熔点和硬度的相对大小吗？说出你的判断方法。 能。根据元素周期表，碳和硅为同一主族元素，原子半径：C＜Si，因此键长大小顺序为C—C＜C—Si＜Si—Si，键能大小顺序为C—C＞C—Si＞Si—Si，熔点和硬度大小顺序为金刚石>碳化硅＞晶体硅。 （1）熔点高（结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越稳定，晶体的熔点、沸点越高。） （2）硬度很大 （3）一般不导电，但晶体硅是半导体 （4）难溶于一般溶剂 4、物理性质 金刚石钻石 碳化硅（SiC）砂轮 氮化硅（Si3N4）航天耐高温材料 归纳总结1 晶体熔、沸点和硬度的比较方法 ——依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力判断 判断晶体的类型 共价晶体 分子晶体 ＞ 判断 键能的大小 原子半径越小，键长越短，键能越大，熔点越高 判断 分子间作用力 的大小 有氢键 只有 范德华力 ＞ 相对分子质量越大，熔点越高； 分子极性 氢键越多，熔点越高 一、先判断晶体类型——对于不同类型的晶体，一般来说，共价晶体的熔、沸点、硬度都大于分子晶体 二、对于同一类型的晶体 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。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。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。 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。 分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高；非金属氢化物分子间含有氢键的分子晶体，熔、沸点比同族元素的氢化物反常得高。如H2O>H2Te> H2Se> H2S。 组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔、沸点越高。如SnH4>GeH4> SiH4> CH4。 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，其熔、沸点越高。如CO>N2，CH3OH>CH3CH3。 同分异构体的支链越多，熔、沸点越低。如 烃、卤代烃、醇、醛、羧酸等有机物一般随分子里碳原子的增加，熔、沸点升高。如C2H6>CH4，C2H5Cl>CH3Cl，CH3COOH>HCOOH。 晶体类型 共价晶体 分子晶体 概念 组成微粒 作用力 熔沸点 硬度 溶解性 导电性 相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构 分子间以分子间作用力结合 原子 分子 共价键 分子间作用力 很大 较小 很大 较小 不溶于任何溶剂 部分溶于水 不导电，个别为半导体 固体和熔融态都不导电，部分溶于水导电 归纳总结2 【课堂练习2】 有下列物质：①水晶 ②冰醋酸 ③氧化钙 ④白磷 ⑤晶体氩 ⑥氢氧化钠 ⑦铝 ⑧金刚石 ⑨过氧化钠 ⑩碳化硅⑪干冰 ⑫过氧化氢，根据要求填空（填序号）。 （1）属于共价晶体的是 。 （2）不存在共价键的分子晶体是 。 （3）由极性分子构成的晶体是 ，属于分子晶体的单质是 。 （4）在一定条件下，能导电且不发生化学变化的是 ，受热熔化需克服共价键的是 。 ①⑧⑩ ⑤ ② ⑫ ④⑤ ⑦ ①⑧⑩ 金刚石中，每个碳原子与多少个碳原子成键？ 1 mol C 形成的共价键数目是多少？碳原子采取什么杂化方式？ 金刚石中，最小的碳环由几个碳原子组成？它们是否都能在一个平面上？ 已知每个碳被12个六元环共用，那么一个碳环占有几个碳原子？ 一个金刚石晶胞中，有几个碳原子？ ①在晶体中每个碳原子以 个共价单键与 相邻的 个碳原子相结合，成为正四面体，C-C-C夹角为 ，碳原子采取 杂化。 正四面体 最小环为六元环 ②晶体中最小的碳环有 个碳原子，且不在同一平面，最多 个碳原子在同一平面。 四 4 109°28' sp3 6 4 12 （1）金刚石 ③每个C形成4个C—C，每个C—C占有 个C，即C原子与C—C数目之比为 。1mol C原子中含 mol C-C共价键。 2 5、典型的共价晶体的结构分析 ④每个碳原子被 个六元环共用，1个碳环占有的碳原子为 个。 2 1：2 0.5 13 拓展：金刚石晶胞中的均摊问题 金刚石结构中最小的环状结构为六元环，以标记为O的碳原子为着眼点，通过该碳原子的bOc“V形”可以形成两个六元环；而通过O碳原子的“V形”共有6个(aOb、aOc、aOd、 bOd、cOd)。 金刚石中六元环结构与碳原子数目比为 2 : 1 因此通过O碳原子的六元环共6×2=12个，(即:一个O碳原子为12个六元环共用)一个六元环对环上任意一个碳原子的占有为1/12，一个六元环实际享有6×1/12 ═ 0.5个碳原子 以标记为aO的C－C为着眼点，通过该C－C的“V形”共有3个(aOb、aOc、aOd)。 因此通过aOC－C键的六元环共3×2=6个，(即:一根aOC－C键为6个六元环共用)一个六元环对环上任意一根C－C键的占有为1/6，一个六元环实际享有6×1/6 ═ 1根C－C键 金刚石中六元环结构与C－C键数目比为 1 : 1 金刚石晶胞中： 六元环结构 : 碳原子数目 : C－C键数目 = 2 : 1 : 2 109º 28´，三维骨架 键能： 347.7 kJ/mol （很大） 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 金刚石的性质 已知：空间利用率= 原子体积 晶胞体积 ×100% （5）金刚石晶胞的空间利用率=？ 【课堂练习3】 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。 (2)已知晶胞参数为a pm，则金刚石的密度为______ _ g·cm－3。 8 (4)碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？ (3)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为____ pm。 拓展：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。 金刚石 晶体硅 SiC GaAs 石英的左、右型晶体 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，没有封闭的环状结构，这一结构决定了它具有手性。 ①在SiO2晶体中，每个Si原子采取sp3杂化与4个氧原子结合，形成 4个共价键；每个氧原子与2个硅原子结合；SiO2晶体中Si原子与O原子个数比为1∶2，无单个的SiO2分子存在。 ②在SiO2晶体中，最小环为12元环，由6个Si原子和6个O原子构成。 二氧化硅晶体结构模型 （2）二氧化硅 ③每个十二元环中平均含有硅原子 = 6× = 每个十二元环中平均含有Si-O键 = 12× =2 ④1mol SiO2中含有NA个Si原子， 含有2NA个O原子， 含有4NA个Si-O键。 Si原子个数与Si-O 共价键个数之比是 1：4 ； O原子个数与Si-O 共价键个数之比是 1：2 。 二氧化硅的用途 制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。 光导纤维 单晶硅制片 硅太阳能电池 单晶硅 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)。 二氧化硅的存在 【课堂练习4】 最近科学家在实验室里成功地将CO2在高压下转化为类似SiO2的共价晶体。 下列关于该CO2晶体的叙述中，不正确的是（ ） A、该晶体中C、O原子个数比为1∶2 B、该晶体中O—C—O的键角为180° C、该晶体的熔、沸点高，硬度大 D、该晶体中C、O原子最外层都满足8电子结构 B 氮化铝属类金刚石氮化物、六方晶系，最高可稳定到2 200 ℃，硬度大，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料，氮化铝晶胞结构如图所示。下列有关描述错误的是（ ） A、AlN是共价晶体 B、Al的配位数为4 C、AlN属于离子化合物 D、与每个铝原子距离相等且最近的铝原子共有12个 C 【课堂练习5】 粒子 粒子间的作用力 晶体的类型 性质特点 结构特点 研究晶体的思路 用途 课堂小结 8×＋6×＋4＝8 a 2r＝a pm，即r＝a pm $$