第3章 第2节 课时2 共价晶体-【正禾一本通】2024-2025学年高中化学选择性必修2同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019 单选）

第2课时　共价晶体 学习目标 素养解读 1.能辨识常见的共价晶体，并能从微观角度分析共价晶体中各构成微粒之间的作用对共价晶体物理性质的影响。 2．能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体，并能利用均摊法对晶胞进行分析 1.通过对典型的共价晶体中微粒及微粒间作用力的认识，准确判断不同的晶体类型，发展宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。 2．能借助金刚石晶胞模型，构建共价晶体的理论模型，并利用模型解释或推测物质的组成、结构、性质与变化，发展证据推理与模型认知的化学学科核心素养 任务一　认识共价晶体 【情境诱思】 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．共价晶体的结构特点 (1)构成粒子及作用力：共价晶体是原子间通过共价键结合形成的晶体。 (2)空间结构：整块晶体是一个共价键三维骨架结构，晶体的微观空间里没有分子。 2．常见的共价晶体 物质类别 实例 某些单质 硼、硅、锗、灰锡等 某些非金属化合物 SiC、Si3N4、SiO2等 3.共价晶体的特性 高硬度、高熔点是许多有共价键三维骨架结构的共价晶体的特性。 4．共价晶体熔、沸点高低的比较 一般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、沸点越高。例如：金刚石＞碳化硅＞晶体硅。 【易错辨析】 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．SiO2和干冰是同一主族元素的氧化物，二者晶体类型相同(×) 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(×) 【对点练】 1．(2024·福建福州高二联考)根据下列物质的性质判断为共价晶体的是(　　) A．微溶于水，硬度小，熔点为－56.6 ℃，固体或液体不导电 B．熔点为3 140 ℃，电的良导体，加压可变形 C．熔点为3 530 ℃，不导电，不溶于水和有机溶剂，硬度大 D．熔点为801 ℃，易溶于水，熔化时导电 解析：选C。共价晶体的硬度很大，熔点很高，A不选；共价晶体大多不导电，硬度、强度很大，不易加压变形，故B不选；共价晶体的熔点很高，硬度很大，大多不导电，不易溶于水和有机溶剂， C选；共价晶体难溶于水，且熔化时不能导电。 2．下表是某些共价晶体的熔点和硬度，分析表中的数据，判断下列叙述正确的是(　　) 共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗 熔点/℃ 3 900 3 000 2 700 1 710 1 410 1 211 硬度 10 9.5 9.5 7 6.5 6.0 ①构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高　②构成共价晶体的原子间的共价键的键能越大，晶体的熔点越高　③构成共价晶体的原子半径越大，晶体的硬度越大　④构成共价晶体的原子半径越小，晶体的硬度越大 A．①② B．③④ C．①③ D．②④ 解析：选D。共价晶体的熔、沸点和硬度等物理性质取决于晶体内的共价键，构成共价晶体的原子半径越小，键长越短，键能越大，对应共价晶体的熔、沸点越高，硬度越大。 任务二　典型的共价晶体 　　　　　　　　　　　　　　　　 1．金刚石与二氧化硅的结构 晶体 晶体结构及特点 金刚石 ① 碳原子采取sp3杂化，C—C—C 夹角为109°28′。 ②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，向空间伸展形成三维骨架结构。 ③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 二氧化硅 ①二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。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，这一结构决定了它具有手性。 ②Si原子采取sp3杂化，正四面体内O—Si—O键角为109°28′。 ③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。 ④最小环上有12个原子，包括6个O原子和6个Si原子 2.二氧化硅的用途 二氧化硅是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。 【易错辨析】 1．金刚石晶体中，每个碳原子与周围4个碳原子形成具有4个共价键的平面结构(×) 2．金刚石晶体结构中碳原子的杂化类型是sp3(√) 3．金刚石晶体中的C原子与C—C共价键数目之比为1∶4(×) 4．二氧化硅晶体中的Si原子与Si—O共价键的数目之比为1∶4(√) 观察金刚石、二氧化硅晶体的结构模型，思考下列问题： 问题1：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。 问题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。 问题3：分析二氧化硅晶体结构模型，1 mol SiO2中含有多少mol Si—O键？ 提示：1 mol SiO2中含有4 mol Si—O键。 【要点归纳】 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 相邻分子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 分子间作用力 共价键 物理性质 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 【典例分析】 【典例】 (2024·河北沧州高二期中)如图是金刚石的晶胞结构，下列有关说法错误的是(　　) A．金刚石属于共价晶体 B．该晶胞中含有4个碳原子 C．金刚石是绝缘体，不导电 D．金刚石的熔点很高，其熔化时克服的作用力是共价键 解析：选B。含有碳原子的个数为8×＋6×＋4＝8，B错误。 【对点练】 3.我们可以将SiO2的晶体结构想象为在晶体硅的Si—Si之间插入O原子。根据SiO2晶体结构图，下列说法不正确的是(　　) A．SiO2晶体中每个Si原子通过Si—O极性键与4个O原子作用 B．每个O原子通过Si—O极性键与2个Si原子作用 C．SiO2晶体中Si原子与O原子的原子个数之比为1∶2，可用“SiO2”来表示石英的组成 D．在晶体中存在SiO2分子 解析：选D。晶体硅的结构是五个硅原子形成正四面体结构，其中有一个位于正四面体的中心，另外四个位于四面体的顶点，故SiO2的结构为每个硅原子周围有四个氧原子，而每个氧原子周围有两个硅原子，在SiO2晶体中Si原子与O原子的原子个数之比为1∶2，“SiO2”仅表示晶体的组成，晶体中没有单个的SiO2分子。 4．(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了________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。 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。 答案：(1)共价键　3　(2)①共价　低　②4　109°28′　③3 课堂加练·课后检测 【课堂加练题组】 1．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 解析：选D。干冰(固态CO2)是分子晶体，D错误。 2．下列事实能说明刚玉(Al2O3)是一种共价晶体的是(　　) ①Al2O3是两性氧化物　②硬度很大 ③它的熔点为2 045 ℃　④几乎不溶于水 ⑤自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石 A．①②③　B．②③④　C．④⑤　D．②⑤ 解析：选B。①指的是Al2O3的分类，⑤指的是刚玉的种类，这两项都无法说明Al2O3是一种共价晶体。 3．下列晶体性质的比较，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 解析：选C。A项，三种物质都是共价晶体且结构相似，因为C的原子半径小于Si，所以键长C—C<C—Si<Si—Si，键能C—C>C—Si>Si—Si，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，三种卤化硅为分子晶体，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，分子间作用力越强，熔点越高，正确。 4．单质硅的晶体结构如图所示。下列关于单质硅晶体的说法不正确的是(　　) A．是一种立体三维骨架结构的晶体 B．晶体中每个硅原子与4个硅原子相连 C．晶体中最小环上的原子数目为8 D．晶体中最小环上的原子数目为6 答案：C 5．单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答问题： 项目 金刚石 晶体硅 晶体硼 熔点/℃ ＞3 550 1 410 2 573 沸点/℃ 5 100 2 355 2 823 硬度 10 7.0 9.5 (1)晶体硼属于________晶体，理由是____________________________________。 (2)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__________(填字母)。 A．金刚石中C—C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的键能无关 C．金刚石中碳原子个数与C—C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 (3)已知晶体硼的结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图所示)，该结构单元中有20个正三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角上各有一个硼原子。通过观察图形及推算，得出此结构单元是由________个硼原子构成的，其中B—B的键角为________，该结构单元共含有________个B—B。 解析：(1)从题表可知，晶体硼的熔、沸点以及硬度都介于晶体硅和金刚石之间，而金刚石和晶体硅均为共价晶体，在元素周期表中B与C相邻，与Si处于对角线位置，则晶体硼也属于共价晶体。 (2)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断裂，因C—C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数之比为1∶＝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。 (3)从题图可得出，每个顶角上的硼原子均被5个正三角形所共有，故分摊到每个正三角形的硼原子为个，每个正三角形含有×3个硼原子，每个结构单元含硼原子数为20××3＝12，而每个B—B被2个正三角形所共有，故每个结构单元含B—B的个数为20××3＝30。 答案：(1)共价　晶体硼的熔、沸点高，硬度大　(2)C　(3)12　60°　30 学科网（北京）股份有限公司 $$