3.2.2 共价晶体 课件 2024-2025学年高二下学期化学人教版（2019）选择性必修2

第三章 第2节 分子晶体和共价晶体 物质的结构 和性质 第2课时 共价晶体 新课引入 什么是分子晶体？分子晶体通常哪些物理性质？ 只含有分子的晶体；硬度小，熔、沸点低，不导电。 下图为金刚石的结构，猜测是否为分子晶体？ 新课引入 熔点/℃ 沸点/℃ -56.2 -78.5 熔点/℃ 沸点/℃ 1723 2230 干冰（CO2） 二氧化硅（SiO2） CO2和SiO2同为第四主族元素的氧化物，两种晶体的熔沸点却相差很大，这是为什么呢？ 构成 粒子 分子 原子 共价键 分子间作用力： 范德华力 分子晶体 ? 粒子间的 相互作用 熔点低 熔点高 1.定义：相邻原子间以共价键相结合形成的三维骨架结构的晶体 一、共价晶体 共价晶体 粒子间作用力： 立体结构： 构成粒子： 注意： ①共价晶体无分子式，用化学式（即原子最简整数比）表示。 ②原子晶体中唯一的作用力是共价键，即影响化学性质稳定性，又影响物理性质熔沸点、硬度的大小。 共价键 碳原子 原子 共价键 整块晶体是一个三维骨架结构， 不存在单个的小分子，是一个“巨分子”。 问题：1.由原子构成的晶体一定是共价晶体吗？ 2.“具有共价键的晶体叫做共价晶体”，这种说法对吗？为什么？ ③原子构成的晶体不一定是共价晶体 例：分子晶体：干冰等 离子晶体：NH4C1、NaOH等 例：稀有气体：分子晶体He Ne Ar等 3、除了金刚石，还有哪些物质属于共价晶体呢？ 如何判断是否为共价晶体吗？ 概念辨析 注意： ④存在共价键的晶体不一定是共价晶体 想一想 用Si代替C原子形成的是什么晶体？ 如果Si原子间插入O原子呢？ 想一想 180º 109º28´ Si O 共价键 二氧化硅晶体结构示意图 ①某些非金属单质 如金刚石（C）、硅（Si）、锗（Ge）、灰锡（Sn） 、硼（B）、高聚氮等 2.共价晶体的类别 教材P82 石墨不是 ②某些非金属化合物 如二氧化硅（SiO2）、金刚砂（SiC）、Si3N4（氮化硅）、AlN(氮化铝）、GaN(氮化镓）、GaAs 等 ③极少数金属氧化物，刚玉（α-Al2O3）等 以碳为中心 近年来Si3N4以为基础，用Al取代部分Si，用O取代部分N而获得结构多样化的陶瓷，用于制作LED发光材料。 Si3N4材料的导弹天线罩制品 思考1 对比分子晶体和共价晶体的数据，归纳出共价晶体的性质特点并解释原因 和分子晶体相比， 共价晶体的熔点高 (通常＞1 000 ℃)，硬度大 表3-3 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 共价晶体中，原子间以较强的共价键相结合，熔化时破环共价键， 共价键比分子间作用力强得多，所以它们需要很高的能量。 硬度是衡量固体软硬程度的指标。硬度有不同的标度，最普通的硬度标度是划痕硬度，即摩氏硬度，以固体互相刻画时出现刻痕的固体的硬度较低。 金刚石硬度最大。 思考2 从原子结构的角度分析，为什么金刚石、硅和锗的熔点和硬度依次下降？ 共价晶体 金刚石 硅 锗 熔点/℃ ＞3 500 1 410 1 211 硬度* 10 6.5 6.0 原因：金刚石、硅、锗均为共价晶体。C、Si、Ge原子半径依次增大， C-C、Si-Si、Ge-Ge键长依次增大，键能依次减小，熔点和硬度依次减小。 熔点和硬度的比较规律: 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、沸点就越高，硬度就越大。 3、物理性质 ①熔、沸点很高 （原因是：熔化时破坏共价键，需要很高的温度） ②硬度很大 ③一般不导电，但硅、锗是半导体 ④难溶于一般溶剂（如：水、四氯化碳） 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、沸点越高。 原子间以共价键结合成三维骨架结构（金刚石：天然最硬） 表3-3 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 比较分子晶体和共价晶体熔点的方法 共价 晶体 分子 晶体 有氢键 只有 范德华力 方 法 ①依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力判断 ②依据性质判断 判断 晶体的类型 键能越大 熔点越高 氢键的 数目多少 相对分子 质量大小 判断 键能的大小 判断 分子间的作用力 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 4、 典型共价晶体的结构特征 （1）金刚石晶体 ①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，键角为 ，碳原子采取 杂化。 最小环为六元环 ②晶体中最小的碳环有 个碳原子，不在同一平面，且最多 个碳原子在同一平面。 每个C原子被____个六元环共用， 1个碳环占有的碳原子为____个。 4 4 109°28' sp3 6 4 ③1mol 金刚石所含的C—C共价键数目为 mol 。 2 正四面体 ④一个晶胞中含有_____个碳原子 C原子的配位数为_____个 12 0.5 碳原子数目 : C－C键数目 = 1 : 2 8 4 2×C42=12 不同角度观察金刚石晶胞结构原子的排列 【深度思考1】 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。 (4)碳原子半径r与晶胞参数a 的关系: (3)两个最近的碳原子之间的距离为______ pm。 【深度思考2】 判断12 g金刚石晶体中含C—C共价键的数目是多少？ 2NA 8 正四面体 sp3杂化 最小环为六元环 键能： 347.7 kJ/mol （很大） 熔点很高： 大于 3500 0C 硬度最大 结构决定性质 键长：155 pm（很短） 三维骨架结构 思考与讨论3 对比硅晶体和金刚石的结构异同点，分析金刚石和硅晶体熔点和硬度。 上图硅晶胞中含有___个硅原子， 硅原子采取___杂化方式 8 sp3 原子半径：Si > C， 硅晶体中共价键键长变长，键能变小， 金刚石比硅晶体的熔点更高和硬度更大 4. 典型共价晶体的结构特征 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 SiO2是自然界含量最高的二元氧化物，熔点1713 ℃，有多种结构 ，最常见的是低温石英。遍布河岸的黄沙、带状的石英矿脉、花岗石里的白色晶体以及透明的水晶都是低温石英。 黄沙 花岗岩 石英矿 水晶 SiO2在自然界分布： （2）二氧化硅晶体 ①硅原子采取    杂化，正四面体内O—Si—O键角为    。1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个Si原子周围结合 个O原子；每个O原子被 个Si原子所共用，故晶体中硅原子和氧原子的个数比为    。 4 2 4mol 6 6 12 ④ SiO2晶胞中包含有 个Si原子 个O原子。 8 16 4. 典型共价晶体的结构特征 12 6 2×C42=12 2×3=6 ②共价键：1mol SiO2中含 Si—O键。 ③最小的环是由 个Si原子和 个O原子组成的 元环。 每个Si被 个12元环共用，每个O被 个12元环共用。 sp3   109°28′  1:2 二氧化硅——低温石英 低温石英的结构中由顶角相连的 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 ，被广泛应用在压电材料，如制作石英手表 石英的左、右型晶体 硅氧四面体 手性 任务二 典型共价晶体的结构特征 4. 典型共价晶体的结构特征 石英晶体中硅氧四面体相连构成的螺旋链 SiO2具有很多重要用途，是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。 二氧化硅的用途 玻璃 单晶硅 水泥 硅光电池 芯片 光纤 SiO2具有很多重要用途，是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。 物质 金刚石 二氧化硅 晶体 结构 结构 特点 ①碳原子采取sp3杂化，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。 ②晶体中C—C—C夹角为109°28′。 ③最小环上有6个碳原子。 ④1mol晶体中有2molC—C键。 ⑤1个晶胞中有8个碳原子。 ①每个硅原子均以4个共价键对称地与相邻的4个氧原子相结合，每个氧原子与2个硅原子相结合,向空间扩展，形成三维骨架结构。 ②硅、氧原子个数比为1∶2。 ③最小的环上有6个硅原子和6个氧原子。 ④1molSiO2中有4molSi—O键。 晶体类型 共价晶体(金刚石、二氧化硅) 分子晶体(冰、干冰) 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三维骨架结构 分子间以分子间作用力结合 原子 分子 共价键 范德华力和氢键 很大 较小 很大 较小 不溶于一般溶剂 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】分子晶体和共价晶体对比 课堂检测 1.在二氧化硅晶体中原子未排列成紧密堆积结构，其原因是( ) A.共价键具有饱和性 B.共价键具有方向性 C.二氧化硅是化合物 D.二氧化硅是由非金属元素原子构成的 2.碳化硅的晶体结构与金刚石晶体类似。碳化硅晶体中硅原子与Si—C的数目之比为______。有下列三种晶体：①金刚石　②晶体硅　③碳化硅，它们的熔点从高到低的顺序是_________。 3.解释熔点产生差异的原因：SiO2(1710℃)和SiCl4(−70℃)______________ _________________________________________________________________。 SiF4(−90℃)和SiCl4(−70℃)_________________________________________ _________________________________________________________________。 AB 1:4 ①③② SiO2是共价晶体， 熔化破坏共价键；SiCl4是分子晶体，熔化破坏范德华力，故前者熔点高。 均为分子晶体，结构组成相似，相对分子质量越大，范德华力越大，熔点越高。 课堂检测 3.砷化镓(GaAs)是优良的半导体材料，其晶胞结构如图所示，其中原子1的坐标为(0,0,0)，原子2的坐标为(1,1,1)。原子3的坐标为________________，与每个As原子最近且等距的As原子共有____个； 其熔点为1238 ℃，硬度大，为_______晶体； 若晶胞边长为a pm，则晶胞中Ga和As之间的 最短距离为____pm，密度为________________g·cm−3。 4. 晶体硼的结构单元是由B组成的正二十面体，含有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B。 由图得出此结构单元含有___个B ，含有____个B-B，键角为_____。  (1/4，1/4，3/4) 12 共价 a 12 60° 30 8×＋6×＋4＝8 Lavf58.20.100 a 2r＝a pm，即r＝a pm HandBrake 1.3.1 2020010400 8×＋6×＋4＝8 $$