第3章 第2节 第2课时 共价晶体-【金版教程】2024-2025学年高中化学选择性必修2创新导学案教用word（人教版2019 不定项版）

化学　选择性必修2[RJ]导学案 不定项 第二课时　共价晶体 1.知道共价晶体的结构特点，能辨识常见的共价晶体。2.认识金刚石晶体中碳原子的三维骨架结构，能借助共价晶体的晶体结构模型说明共价晶体中粒子间的相互作用，促进“证据推理与模型认知”化学核心素养的发展。 1．共价晶体 (1)相邻原子间以共价键结合形成共价键三维骨架结构的晶体，不存在单个的小分子。 (2) (3)物理性质 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，所以一般熔点很高，硬度很大。 2．金刚石的晶体结构 (1)金刚石是典型的共价晶体，天然的金刚石经常呈现规则多面体的外形。C—C—C夹角为109°28′，即金刚石中的碳以sp3杂化轨道形成共价键。 (2)金刚石里的C—C共价键的键长很短，键能很大，这一结构使金刚石在所有已知晶体中硬度最大，而且熔点也很高。 3．SiO2的结构及应用 (1)SiO2是另一种典型的共价晶体，熔点为1713 ℃，有多种结构，最常见的是低温石英，其结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，这一结构决定了它具有手性，被广泛用作压电材料。 (2)SiO2具有许多重要用途，是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。 4．其他常见的共价晶体 (1)某些单质，如硼、硅、锗和灰锡等。 (2)某些非金属化合物，如碳化硅(俗称金刚砂)、Si3N4、氮化硼(BN)等。 1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。 (1)共价晶体中共价键越强，熔点越高。(　　) (2)共价晶体可能含有离子键。(　　) (3)共价晶体的原子间只存在共价键，而分子晶体内只存在范德华力。(　　) (4)SiO2的晶体结构中，每个Si原子与2个O原子直接相连。(　　) (5)通常状况下，60 g SiO2晶体中含有的分子数为NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)。(　　) (6)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体。(　　) 答案：(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×　(6)× 解析：(2)共价晶体中原子与原子间通过共价键结合，不可能含有离子键。 (3)共价晶体的原子间只存在共价键，分子晶体内可能存在范德华力、氢键和共价键。 (4)二氧化硅的晶体结构为，每个Si原子形成4个共价键，所以每个Si原子与4个O原子直接相连。 (5)二氧化硅是由Si原子和O原子构成的共价晶体，所以二氧化硅晶体中不含分子。 2．下列关于金刚石的说法中，错误的是(　　) A．晶体中不存在独立的分子 B．碳原子间以共价键相结合 C．是天然存在的硬度最大的物质 D．化学性质稳定，在高温下也不与氧气发生反应 答案：D 解析：金刚石是碳原子间以共价键结合形成的空间网状结构的共价晶体，不存在单个的分子。在天然存在的物质中，金刚石的硬度最大。在高温下金刚石可以与氧气反应。 3．根据下表中给出的有关数据，判断下列说法中错误的是(　　) AlCl3 SiCl4 晶体硼 金刚石 晶体硅 熔点/℃ 190 －60 2300 3550 1410 沸点/℃ 183 57 2550 4827 2355 A．SiCl4是分子晶体 B．晶体硼是共价晶体 C．AlCl3是分子晶体，加热能升华 D．金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键弱 答案：D 解析：碳原子的半径比硅原子的半径小，金刚石中的C—C键键长比晶体硅中的Si—Si键键长短，金刚石中的C—C键键能比晶体硅中的Si—Si键键能大，金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键强，D错误。 4．CO2晶体的熔点比SiO2晶体的低，其原因是(　　) A．CO2的相对分子质量比SiO2的相对分子质量小 B．C===O键的键能小于Si—O键的键能 C．C的原子半径小于Si的原子半径 D．CO2为分子晶体，熔化时克服分子间作用力，SiO2为共价晶体，熔化时要破坏Si—O共价键 答案：D 5．有下列几种晶体：A.无色水晶，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)。 (2)属于共价晶体的化合物是________。 (3)受热熔化时化学键不发生变化的晶体是________，受热熔化时需克服共价键的晶体是________。 (4)晶体中存在氢键的是________。 (5)晶体中不存在化学键的是________。 答案：(1)BCEF　(2)A　(3)BCF　AD　(4)B　(5)E 知识点　典型共价晶体的结构模型及共价晶体的物理特性 1．典型共价晶体的结构模型 物质 晶体结构 结构特点 金刚石 a.在晶体中每个碳原子以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 b．晶体中C—C—C夹角为109°28′，碳原子采取sp3杂化 c．最小环上有6个碳原子且六个碳原子不在同一平面内 d．晶体中C原子个数与C—C键个数之比为1∶＝1∶2 二氧化硅 a.每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构 b．每个正四面体占有1个Si，4个“O”，n(Si)∶n(O)＝1∶2 c．最小环上有12个原子，即6个O，6个Si d．晶体中Si原子个数与Si—O键个数比为1∶4 [注意]　共价晶体中，没有独立存在的分子，如SiO2仅是代表二氧化硅晶体的元素组成的化学式，而不是二氧化硅晶体的分子式。 2．共价晶体的物理特性及熔点比较 (1)共价晶体的物理性质 ①一般熔点都很高、硬度都很大。 ②一般不导电，但晶体硅是半导体。 ③难溶于常见的溶剂。 (2)共价晶体熔点比较 对结构相似的共价晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。如金刚石、碳化硅、晶体硅的物理性质见下表： 晶体 键能/(kJ·mol－1) 熔点/℃ 硬度 金刚石 (C—C)347 3350 10 碳化硅 (C—Si)301 2600 9 晶体硅 (Si—Si)226 1415 7 由于金刚石、碳化硅、晶体硅的结构相似，C原子半径小于Si原子半径，键能：C—C键>C—Si键>Si—Si键，所以三者的熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。 3．共价晶体、分子晶体的判断方法 (1)依据构成晶体的微粒种类和微粒间的作用力判断 构成共价晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键；构成分子晶体的微粒是分子，微粒间的作用力是分子间作用力。 (2)依据晶体的熔点判断 共价晶体的熔点高，常在1000 ℃以上；而分子晶体熔点低，常在数百度以下甚至更低温度。 (3)依据晶体的导电性判断 分子晶体为非导体，但部分分子晶体溶于水后能导电，如HCl。共价晶体多数为非导体，但晶体Si、晶体Ge为半导体。 (4)依据晶体的硬度和机械性能判断 共价晶体硬度大；分子晶体硬度小且较脆。 (5)依据物质的分类判断 大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅等)、所有非金属氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、几乎所有的酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。 [练1]　氮化碳部分结构如图所示，其中β­氮化碳的硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。下列有关氮化碳的说法错误的是(　　) A．β­氮化碳属于共价晶体，其化学键比金刚石的更稳定 B．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子稳定结构 C．β­氮化碳的化学式为C3N4，其中氮显－3价，碳显＋4价 D．该晶体与金刚石结构相似，都是原子间以非极性键形成的空间网状结构 答案：D 解析：A项，N原子半径小于C原子半径，键长：C—N键<C—C键，故C—N键比C—C键更稳定，正确；B项，晶体中N、C原子间形成单键，1个N原子分别与3个C原子形成共用电子对，N原子最外层电子数为5＋3＝8，1个C原子分别与4个N原子形成共用电子对，C原子最外层电子数为4＋4＝8，正确；C项，晶体结构图中虚线部分是晶体的最小重复单元，其中实际含有的C原子数为4×＋4×＝3，N原子数为4，化学式为C3N4，因为N元素的电负性比C元素的大，故N显负价(－3)，C显正价(＋4)，正确；D项，金刚石晶体中只含C—C非极性键，C3N4晶体中只含C—N极性键，错误。 [练2]　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电子稳定结构 答案：B 解析：由SiO2共价晶体的结构可以得出CO2共价晶体的结构。将CO2由分子晶体转化为共价晶体，其C、O组成比不变，只是化学键和原子排列发生变化，A正确；该晶体含以碳原子为中心的四面体结构，故O—C—O的键角不可能为180°，B错误；类比SiO2晶体性质可推知该晶体熔、沸点高，硬度大，C正确；晶体中每个碳原子通过4个单键与氧原子相连，最外层达到8电子稳定结构，而每个氧原子也通过2个单键与碳原子相连，最外层达到8电子稳定结构，D正确。 [练3]　下列关于共价晶体和分子晶体的说法不正确的是(　　) A．共价晶体硬度通常比分子晶体大 B．共价晶体的熔点较高 C．分子晶体中有的水溶液能导电 D．金刚石、水晶和干冰都属于共价晶体 答案：D 解析：由于共价晶体中粒子间以共价键结合，而分子晶体中分子间以分子间作用力结合，故共价晶体比分子晶体的熔点高，硬度大，A、B正确。有些分子晶体溶于水后能电离出自由移动的离子而导电，如H2SO4、HCl，C正确。干冰(固态CO2)是分子晶体，D错误。 [练4]　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。 答案：(1)共价　低　(2)4　109°28′　(3)3 本课总结 课时作业 题号 1 2 3 4 5 6 7 难度 ★ ★ ★ ★ ★ ★★ ★★ 对点 共价晶体的判断 共价晶体的结构 化学键与晶体类型的判断 晶体的性质 共价晶体的结构 共价晶体的结构与性质 共价晶体的结构 题号 8 9 10 11 12 13 14 难度 ★★ ★★ ★★ ★★★ ★★ ★★ ★★★ 对点 共价晶体的结构与性质 典型共价晶体的结构 典型共价晶体的结构 共价晶体的结构与性质 共价晶体的结构 共价晶体的结构 共价晶体的结构及有关计算 一、选择题(每小题只有1个选项符合题意) 1．下列物质属于共价晶体的是(　　) ①干冰　②SiO2　③晶体硅　④白磷　⑤氨基乙酸　⑥固态He A．①③④⑤⑥ B．②③④⑥ C．②③ D．①②⑤⑥ 答案：C 解析：干冰、白磷、氨基乙酸和固态He属于分子晶体，SiO2和晶体硅属于共价晶体。 2．下列有关共价晶体的叙述错误的是(　　) A．共价晶体中，原子不遵循紧密堆积原则 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 答案：D 3．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金刚石和白磷　③CO2和SO2　④晶体硅和金刚石　⑤晶体氖和晶体氮 ⑥硫黄和单质碘 A．①②③ B．④⑤⑥ C．③④⑥ D．①③⑤ 答案：C 4．下列晶体性质的比较中错误的是(　　) 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 答案：C 解析：A项，三种物质都是共价晶体，因为C的原子半径小于Si的，所以键长：C—C键<C—Si键<Si—Si键，键能：C—C键>C—Si键>Si—Si键，键能越大，共价晶体的熔点越高，正确；B项，NH3和PH3都是分子晶体，但NH3分子间存在氢键，故NH3的沸点较高，正确；C项，二氧化硅是共价晶体，硬度较大，白磷和冰都是分子晶体，硬度较小，错误；D项，卤化硅为分子晶体，它们的组成和结构相似，分子间不存在氢键，故相对分子质量越大，分子间作用力越大，熔点越高，正确。 5．下列说法正确的是(用NA代表阿伏加德罗常数的值)(　　) A．在含2 mol Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4NA B．30 g二氧化硅晶体中含有0.5NA个二氧化硅分子 C．金刚石的熔点高与C—C键的键能有关 D．晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的共价晶体 答案：C 解析：1 mol SiO2中含有4 mol Si—O键，所以在含2 mol Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为NA，A错误；二氧化硅晶体属于共价晶体，所以二氧化硅晶体中没有分子，B错误；晶体硅属于共价晶体，晶体氖是分子晶体，D错误。 6．将SiCl4与过量的液氨反应可生成化合物Si(NH2)4。将该化合物在无氧条件下高温灼烧，可得到氮化硅(Si3N4)固体，氮化硅是一种新型耐高温、耐磨材料，在工业上有广泛的应用。下列推断可能正确的是(　　) A．SiCl4、Si3N4的晶体类型相同 B．Si3N4晶体是立体网状结构 C．C3N4的熔点比Si3N4的低 D．SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂 答案：B 解析：SiCl4是分子晶体，在熔化过程中克服的是分子间作用力，化学键不断裂。Si3N4是共价晶体，其晶体为立体网状结构。根据C、Si的原子半径推知C—N键的键能比Si—N键的键能大，故C3N4的熔点比Si3N4的高。 7．如图所示是某共价晶体A的空间结构片段，A与某物质B反应生成C，其实质是在每个A—A中插入一个B原子，则C物质的化学式可能为(　　) A．AB B．A5B4 C．AB2 D．A2B5 答案：C 解析：由图可知，每个A原子形成4个键，每个A—A中插入一个B原子，每个B原子形成2个键，故C物质中每个A原子形成4个A—B，每个B原子形成2个B—A，则A、B原子个数比为1∶2，所以其化学式可能是AB2。 8．据报道，科学家成功制得了CO2的共价晶体(用M表示)。下列关于M的推断正确的是(　　) A．M中C为sp杂化 B．M易升华，可用作制冷材料 C．M和干冰互为同素异形体 D．M是由C原子和O原子按个数比1∶2构成的三维网状晶体，具有很高的熔、沸点 答案：D 解析：A项，M是共价晶体，故其结构与SiO2类似，为C、O原子个数比1∶2构成的三维网状晶体，C为sp3杂化，A错误，D正确。B项，干冰易升华，可用作制冷材料，属于分子晶体，而M为共价晶体，不易升华，错误。C项，同素异形体是指同种元素形成的不同种单质，而M为化合物，错误。 二、选择题(每小题有1个或2个选项符合题意) 9．二氧化硅晶体是立体网状结构，其晶体模型如图所示。下列有关二氧化硅晶体的说法正确的是(　　) A．二氧化硅晶体最小环上含有12个原子 B．每个硅原子为4个最小环所共有 C．从晶体结构可知，1 mol SiO2拥有4 mol Si—O键 D．SiO2晶体是由极性共价键与非极性共价键共同构成的 答案：AC 解析：二氧化硅晶体和金刚石晶体的结构类似，每个硅原子为12个最小环所共有，B错误；SiO2晶体中只含极性共价键，不含非极性共价键，D错误。 10．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。金刚石的结构如图所示，下列判断错误的是(　　) A．金刚石与甲烷中的键角相同，所以二者的晶体类型也相同 B．金刚石中C原子最外层均为8电子稳定结构 C．金刚石中碳原子个数与C—C键键数之比为1∶4 D．金刚石的熔点高，在打孔过程中需要进行浇水冷却 答案：AC 解析：A项，金刚石是共价晶体，CH4是分子晶体，二者的晶体类型不同，错误；B项，金刚石中每个C原子参与形成4个共价键，则每个C原子最外层均为8电子稳定结构，正确；C项，金刚石中每个C原子都参与了4个C—C键的形成，而每个C—C键为2个C原子共用，故碳原子个数与C—C键键数之比为1∶2，错误；D项，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，正确。 11．C3N4和Si3N4晶体结构相似，是新型的非金属高温陶瓷材料，下列说法正确的是(　　) A．C3N4和Si3N4晶体中N的化合价均为＋3 B．C3N4和Si3N4晶体中都含有共价键 C．C3N4晶体的硬度比Si3N4晶体的硬度大 D．C3N4和Si3N4晶体均为分子晶体 答案：BC 解析：氮元素的电负性强于碳元素和硅元素，故C3N4和Si3N4中，氮元素显－3价，A错误；三种元素都是非金属元素，形成的二元化合物都是共价化合物，B正确；两种晶体都是共价晶体，碳原子半径小于硅原子半径，则键长C—N<Si—N，键能C—N>Si—N，故C3N4晶体的硬度比Si3N4晶体的硬度大，C正确，D错误。 12．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 答案：A 解析：与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子分别位于大立方体的12条棱的中点，共12个。如图所示。 三、非选择题 13．请回答下列问题： (1)31Ga基态原子的核外电子排布式是________________。某种半导体材料由Ga和As两种元素组成，该半导体材料的化学式是________，其晶体结构类型可能为________。 (2)如图是氮化镓的晶胞结构： 氮化镓中镓原子的杂化方式为________，每个氮原子共与____个镓原子相结合。 (3)立方氮化硼结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为a cm，立方氮化硼晶胞中含有____个氮原子、____个硼原子。 答案：(1)1s22s22p63s23p63d104s24p1 (或[Ar]3d104s24p1)　GaAs　共价晶体　 (2)sp3　4　(3)4　4 解析：(2)每个Ga与4个N形成共价键，这四个N构成正四面体结构；每个N与4个Ga通过共价键结合，这四个Ga构成正四面体结构，所以氮化镓中镓原子的杂化方式为sp3杂化。 (3)金刚石晶胞是立方体，其中8个顶角有8个碳原子，6个面心有6个碳原子，立方体内部还有4个碳原子，所以金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数＝8×＋6×＋4＝8，因此立方氮化硼晶胞中应该含有4个N原子和4个B原子。 14．(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5，其晶胞结构如图甲所示，则金刚砂晶体类型为________；在SiC中，每个C原子周围最近的C原子数目为________；若晶胞的边长为a pm，则金刚砂的密度表达式为________________________。 (2)硅的某种单质的晶胞如图乙所示。GaN晶体与该硅晶体相似。则GaN晶体中，每个Ga原子与____个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为______________。若该硅晶体的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA，则晶体中最近的两个硅原子之间的距离为________cm(用代数式表示即可)。 答案：(1)共价晶体　12 (2)4　正四面体　× 解析：(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5，硬度大，属于共价晶体；每个碳原子周围最近的碳原子 数目为3×8×＝12；该晶胞中C原子个数为8×＋6×＝4，Si原子个数为4，晶胞边长为a×10－10 cm，体积V＝(a×10－10 cm)3，ρ＝＝。 (2)在晶体Si的晶胞中含有Si原子的数目是8×＋6×＋4＝8，则V＝＝ cm3＝ cm3，晶胞的边长a＝＝ cm，在晶胞中两个最近的Si原子之间的距离为晶胞体对角线长的，即× cm。 13 学科网（北京）股份有限公司 $$