3.2.2 共价晶体 导学案 2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修2

共价晶体 学习目标　1.知道共价晶体的概念及典型的共价晶体,认识共价晶体中的微粒种类及微粒间的相互作用。2.借助金刚石、二氧化硅等模型认识共价晶体的结构特点及物理性质。 一、共价晶体的概念和组成 (一)知识梳理 1.共价晶体的结构特点及物理性质 (1)概念 相邻原子间以　　　　相结合形成共价键三维骨架结构的晶体。  (2)构成微粒及微粒间作用 (3)空间结构:整块晶体是一个三维的共价键　　　　结构,不存在单个的小分子,是一个“巨分子”。  (4)物理性质 ①共价晶体中,由于各原子均以强的共价键相结合,因此一般熔点很高,硬度很大,难溶于常见溶剂,一般不导电。 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。 2.常见共价晶体及物质类别 (1)某些单质:如硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、金刚石等。 (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(α-Al2O3)等。 (二)互动探究 C60是一种碳原子簇,它由60个碳原子构成像足球一样的32面体,包括20个正六边形,12个正五边形。这60个C原子在空间进行排列时,形成一个化学键最稳定的空间排列位置,恰好与足球表面的排列一致。这个结构的提出是受到建筑学家富勒的启发,富勒曾设计一种用六边形和五边形构成的球形薄壳建筑结构,因此科学家把C60叫做足球烯,也叫做富勒烯。 【问题讨论】 问题1　金刚石晶体和富勒烯晶体的构成微粒相同吗? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 问题2　金刚石晶体和富勒烯晶体受热熔化时克服的微粒间作用力相同吗? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 问题3　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? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 【探究归纳】 1.分子晶体和共价晶体的比较 晶体类型 分子晶体 共价晶体 定义 分子间通过分子间作用力结合形成的晶体 相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间网状结构的晶体 组成微粒 分子 原子 物质类别 多数非金属单质和共价化合物 金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等 微粒间的作用力 分子间作用力 共价键 熔化时需 克服的作用力 较弱的分子间作用力 很强的共价键 熔、沸点 较低 很高 硬度 较小 很大 导电性 固态和熔融态时一般都不导电,但某些分子晶体溶于水能导电,如HCl 固态和熔融态时多数不导电,但晶体Si、晶体Ge为半导体,能导电 溶解性 相似相溶 难溶于一般溶剂 决定熔、沸点 高低的因素 分子间作用力的强弱 共价键的强弱 典型例子 干冰、冰 金刚石、二氧化硅 2.共价晶体熔、沸点高低的判断 一般来说,对结构相似的共价晶体来说,键长越短,键能越大,晶体的熔、沸点越高。例如:金刚石>碳化硅>晶体硅。 3.正确理解共价晶体 (1)共价晶体中不存在单个分子,化学式仅仅表示的是物质中的原子个数比关系,不是分子式。 (2)由原子组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。 (3)共价晶体中一定存在共价键,但晶体中有共价键却不一定都是共价晶体,还可以是分子晶体或离子晶体。 1.根据下列性质判断,属于共价晶体的物质是 (　　) A.熔点为2 700 ℃,导电性好,延展性强 B.无色晶体,熔点为3 500 ℃,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.熔点为-56.6 ℃,微溶于水,硬度小,固态或液态时不导电 2.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键长更短 C.氮原子电子数比碳原子电子数多 D.碳、氮的单质的化学性质均不活泼 3.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　　　　　　。  二、常见共价晶体的结构特征 (一)知识梳理 　两种典型的共价晶体 (1)金刚石 ①碳原子采取　　　　杂化,C—C—C夹角为　　　　。  ②每个碳原子与周围紧邻的　　　　个碳原子以共价键结合,形成共价键三维骨架结构。  ③金刚石里的C—C共价键的键长　　　　　,键能　　　　　　,这一结构使金刚石的熔点　　　　　　,硬度　　　　　　。  (2)二氧化硅晶体 ①SiO2是自然界含量最高的固态二元氧化物,熔点　　　　。  ②SiO2有多种结构,最常见结构是低温石英,其结构中,顶角相连的　　　　　　形成螺旋上升的长链(如图1),这一结构决定了它具有手性(如图2),被广泛用作压电材料,如制作　　　　手表。  ③二氧化硅的用途:二氧化硅是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和　　　　　　的原料。  (二)互动探究 下表是某些共价晶体的熔点和硬度。 共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗 熔点/ ℃ >3 500 3 000 2 700 1 710 1 410 1 211 硬度 10 9.5 9.5 7 6.5 6.0 【问题讨论】 问题1　结合金刚石的结构分析,该晶体中碳原子数和碳碳共价键数之比是多少?12 g金刚石中C—C共价键数是多少?为什么金刚石的熔点高、硬度大? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 问题2　分析二氧化硅的结构模型(如图),判断晶体中最小的环上有多少个原子?晶体中硅原子和与硅原子直接相连的氧原子构成的空间构型是什么?60 g SiO2晶体中Si—O的数目是多少? 晶体结构 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 【探究归纳】 1.金刚石的结构分析(晶胞结构如图) (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。每个C—C键被6个六元环共用。 2.二氧化硅的结构分析(晶体结构如图) (1)1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。 (2)1 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。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,每个Si—O键被6个12元环共用。 　　　　　　　　　　　　　　　　 1.下列关于SiO2晶体空间结构的叙述中正确的是 (　　) A.最小的环上,有3个硅原子和3个氧原子 B.最小的环上,硅原子数和氧原子数之比为1∶2 C.最小的环上,有6个硅原子和6个氧原子 D.存在四面体结构单元,O原子处于中心,Si原子处于4个顶角 2.已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度,且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于C3N4晶体的说法错误的是 (　　) A.该晶体属于共价晶体,其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固 B.该晶体中每个碳原子连接4个氮原子,每个氮原子连接3个碳原子 C.该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构 D.该晶体与金刚石相似,都是原子间以非极性键形成三维骨架结构 3.(1)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。 (2)金刚砂(SiC)与金刚石具有相似的晶体结构(如图所示),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: ①金刚砂属于　　　　　　晶体,金刚砂的熔点比金刚石的熔点　　　　　　。  ②在金刚砂的结构中,一个硅原子周围结合了　　　　个碳原子,其键角是　　　　　　。  ③金刚砂的结构中含有共价键形成的原子环,其中最小的环上有　　　　　　个硅原子。  共价晶体 一、 (一)1.(1)共价键　(2)原子　共价键　(3)网状 (二) 问题1　不同。富勒烯晶体的构成微粒为分子,金刚石晶体的构成微粒为原子。 问题2　不同。前者受热熔化时克服共价键,后者受热熔化时克服分子间作用力。 问题3　①构成微粒不同,共价晶体中只存在原子,没有分子。②微粒间作用力不同,共价晶体中原子间只存在共价键,而分子晶体中分子之间存在分子间作用力。 对点训练 1.B　[根据共价晶体的性质判断,共价晶体没有自由移动的电子,不导电,A错误;共价晶体熔点高,不导电,质硬,难溶于水和有机溶剂,B正确;共价晶体难溶于水,C错误;共价晶体熔点高,难溶于水,硬度大,D错误。] 2.B　[碳、氮原子结合成的碳氮化合物比金刚石更坚硬,说明该化合物为共价晶体,为立体三维骨架结构,A错误;由于原子半径:N<C,原子半径越小,共价键的键长越短,则键能越大,所以碳氮化合物比金刚石更坚硬,B正确;共价晶体的熔、沸点和硬度,与共价键有关,与电子数的多少无关,C错误;碳、氮单质的化学性质均不活泼,与两种元素形成的化合物的性质无关,D错误。] 3.①BCEF　E　②A　③ADE　④BCF　AD 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。 二、 (一)(1)①sp3　109°28'　②4　③短　大　高　大 (2)①高　②硅氧四面体　石英　③光导纤维 (二) 问题1　金刚石晶体中碳原子数和碳碳共价键数之比是1∶2;12 g金刚石晶体中含有2NA C—C共价键;金刚石晶体中C—C共价键的键能很大,很难破坏C—C共价键,因此,金刚石的熔点高、硬度大。 问题2　SiO2晶体中最小环上有12个原子,其中有6个Si原子和6个O原子;晶体中Si原子和其周围相连的4个氧原子形成正四面体结构;60 g SiO2晶体中Si—O的数目是4NA。 对点训练 1.C　[SiO2晶体中,每个硅原子与4个氧原子成键,每个氧原子与2个硅原子成键,晶体中的硅氧四面体中Si原子处于中心,O原子处于4个顶角。最小的环是十二元环,环上有6个Si原子、6个O原子,Si、O原子数之比是1∶1。] 2.D　[C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度,该晶体为共价晶体,其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固,A正确;碳原子最外层有4个电子,氮原子最外层有5个电子,则该晶体中每个碳原子连接4个氮原子,每个氮原子连接3个碳原子,B正确;构成该晶体的微粒间只以单键结合,每个碳原子连接4个氮原子,每个氮原子连接3个碳原子,则晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构,C正确;金刚石只含有非极性共价键,但是C3N4晶体中碳、氮之间以极性共价键结合,原子间以极性键形成三维骨架结构,D错误。] 3.(1)共价键　3　(2)①共价　低　②4　109°28'　③3 解析　(1)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。(2)①由于金刚砂是空间网状结构,碳原子和硅原子交替以共价单键结合,所以金刚砂是共价晶体;硅原子的半径比碳原子的半径大,所以金刚砂的熔点比金刚石的低。②硅和碳是同主族元素,所以硅原子周围同样有4个碳原子,键角为109°28'。③构成的六元环中,有3个碳原子、3个硅原子。 学科网（北京）股份有限公司 $$