第3章 第2节 第2课时 共价晶体-【创新教程】2025-2026学年高中化学选择性必修2五维课堂同步Word教案（人教版2019）

第2课时　共价晶体 课标要点 核心素养 1.借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点 2.能够从化学键的特征，分析理解共价晶体的物理特性 1.宏观辨识与微观探析：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和对分子晶体物理性质的影响 2.证据推理与模型认知：能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体，理解共价晶体中微粒的堆积模型，并能利用均摊法对晶胞进行分析 [知识梳理] [知识点一]　共价晶体的结构和性质　 1．共价晶体的结构特点 (1)构成粒子及作用力 共价晶体 (2)空间结构：整块晶体是一个三维的共价键　网状　结构，不存在单个的小分子，是一个“巨分子”。 2．共价晶体与物质的类别 物质种类 实例 某些　非金属单质　 晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等 某些　非金属化合物　 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等 某些　氧化物　 二氧化硅(SiO2)等 3.共价晶体的熔、沸点 (1)共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时必需破坏共价键，而破坏它们需要很高的温度，所以共价晶体具有　很高　的熔点。 (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　。 [知识点二]　常见的共价晶体　 1．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，向空间伸展形成空间网状结构。 (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。 2．二氧化硅晶体 (1)二氧化硅的结构 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，这一结构决定了它具有手性。 ①Si原子采取　sp3　杂化，正四面体内O—Si—O键角为　109°28′　。 ②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　。 ③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、硅电池、芯片和光导纤维的原料。 [自我评价] 1．[判一判](对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”) (1)具有共价键的晶体都是共价晶体。(×) 提示：冰、干冰晶体中H2O、CO2的分子内都含有共价键，但属于分子晶体。 (2)共价晶体中，共价键越强，熔点越高。(√) 提示：共价晶体中原子间由共价键相结合，熔化时破坏共价键，共价键越强，熔化时所需能量越多，熔点越高。 (3)共价晶体的化学式表示其分子式。(×) 提示：共价晶体中不含分子。 (4)凡是由原子构成的晶体都是共价晶体。(×) (5)CO2和SiO2中化学键类型相同，晶体类型也相同。(×) (6)1 mol SiO2晶体中含4 mol Si－O键。(√) (7)由于共价键的键能远大于分子间作用力，故共价晶体的熔点比分子晶体高。(√) 2．[想一想] SiO2是二氧化硅的分子式吗？ 提示：二氧化硅为共价晶体，晶体中不存在单个分子，其化学式为Si与O的最简个数比，而不是分子式。 　　　　共价晶体与分子晶体的比较和判断 [情境素材] 氮化硼(BN)晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相，与石墨相似，只有层状结构，可作高温润滑剂。立方相氮化硼是超硬材料，有优异的耐磨性。它们的晶体结构如图所示。 [思考探究] (1)立方相氮化硼是什么晶体？ 提示：共价晶体。 (2)立方相氮化硼中作用力是什么？ 提示：共价键。 (3)立方相氮化硼的晶胞中，含有B原子、N原子各多少个？ 提示：立方相氮化硼的晶体与金刚石相似，晶体中含有8个原子，B、N原子数目之比为1∶1，含有4个B原子，4个N原子。 (4)分子晶体和共价晶体的构成粒子相同吗？ 提示：不同。分子晶体为分子，共价晶体为原子。 (5)分子晶体和共价晶体受热熔化时克服粒子间作用力相同吗？ 提示：不同，前者为分子间作用力，后者为共价键。 [核心突破] 1．共价晶体与分子晶体的结构特征 (1)共价晶体的结构特征 在共价晶体中，各原子均以共价键结合，因为共价键有方向性和饱和性，所以中心原子周围的原子数目是有限的，原子不采取密堆积方式。 (2)分子晶体的结构特征 ①分子间不存在氢键的分子晶体，由于范德华力没有方向性和饱和性，所以分子尽可能采取密堆积方式。 ②分子间存在氢键的分子晶体，由于氢键具有方向性和饱和性，所以分子不能采取密堆积方式。 2．共价晶体与分子晶体熔、沸点高低的比较 (1)晶体类型不同：共价晶体>分子晶体 理由：共价晶体的熔、沸点与共价键有关，分子晶体的熔、沸点与分子间作用力有关。共价键的作用力远大于分子间作用力。 (2)晶体类型相同 ①共价晶体 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>二氧化硅>碳化硅>晶体硅。 ②分子晶体 a．若分子间有氢键，则分子间作用力比结构相似的同类晶体大，故熔、沸点较高。如HF>HI；NH3>PH3；H2O＞H2Te。 b．组成和结构相似的分子晶体，一般相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高。如I2>Br2>Cl2>F2；SnH4>GeH4>SiH4>CH4。 c．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，范德华力越大，熔、沸点越高。如CO>N2。 d．同类别的同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。如正戊烷>异戊烷>新戊烷。 [典例示范] [典例1]　下列晶体性质的比较中不正确的是(　　) A．沸点：NH3>PH3 B．熔点：SiI4>SiBr4>SiCl4 C．硬度：白磷>冰>二氧化硅 D．硬度：金刚石>碳化硅>晶体硅 [思维建模]　 解答有关晶体熔沸点比较问题的思维流程如下： [解析]　C　[A项中注意NH3分子间存在氢键，故沸点NH3>PH3，正确；B项中三种物质的组成和结构相似，且均为分子晶体，熔点随相对分子质量的增大而升高，正确；C项中白磷和冰都是分子晶体，硬度小，而二氧化硅是共价晶体，硬度大，错误；D项中的三种物质都是共价晶体，由于原子半径C<Si，所以键长C－C<C－Si<Si－Si，故键能C－C>C－Si>Si－Si，而键能越大，共价晶体的硬度越大，正确。] 晶体熔沸点比较方法 ①判断晶体类型―→分析作用力强弱―→得出熔沸点高低。 ②不同晶体熔沸点：共价晶体>分子晶体； ③分子晶体熔沸点影响的三要素：氢键、范德华力、极性。④共价晶体的作用力为共价键：键长短、键能大，熔沸点高。 [学以致用] 1．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：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。] 2．下列关于C、Si及其化合物结构与性质的论述错误的是(　　) A．键能C－C＞Si－Si、C－H＞Si－H，因此C2H6稳定性大于Si2H6 B．立方型SiC是与金刚石成键、结构均相似的共价晶体，因此具有很高的硬度 C．SiH4中Si的化合价为＋4，CH4中C的化合价为－4，因此SiH4还原性小于CH4 D．Si原子间难形成双键而C原子间可以，是因为Si的原子半径大于C，难形成p－pπ键 解析：C　[A.因键能C－C＞Si－Si、C－H＞Si－H，故C2H6的键能总和大于Si2H6，键能越大越稳定，故C2H6的稳定性大于Si2H6，A正确；B.SiC的成键和结构与金刚石类似均为原子晶体，金刚石的硬度很大，类比可推测SiC的硬度和很大，B正确；C.SiH4中Si的化合价为＋4价，C的非金属性强于Si，则C的氧化性强于Si，则Si的阴离子的还原性强于C的阴离子，则SiH4的还原性较强，C错误；D.Si原子的半径大于C原子，在形成化学键时纺锤形的p轨道很难相互重叠形成π键，故Si原子间难形成双键，D正确；故选C。] 　　部析典型共价晶体的结构 [情境素材] 科学研究表明，30亿年前，在地壳下200 km左右的地幔中，处在高温、高压岩浆中的碳元素逐渐形成了具有正四面体结构的金刚石。火山爆发时，金刚石在岩浆中上升到接近地表时急速冷却，形成含有少量金刚石的原生矿床。金刚石具有诸多不同凡响的优良性质：熔点高(>3 500℃)，不导电，硬度极高。这些性质显然是由金刚石的结构决定的。 下图是金刚石和SiO2的晶体结构模型。 [思考探究] (1)分析金刚石、二氧化硅的晶体结构模型，判断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。 (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构成粒子不同，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。 (3)分析二氧化硅晶体结构模型，判断晶体中最小的环有多少个原子？1 mol SiO2中含有多少摩尔Si－O? 提示：SiO2晶体中最小环上有12个原子。1 mol SiO2中含有4 mol Si－O。 (4)金刚石晶体中每个碳原子连接几个六元环？ 提示：12个 [核心突破] 金刚石(晶体硅)、碳化硅、二氧化硅的晶胞 1．金刚石(晶体硅) 金刚石(晶体硅)晶胞的每个顶点和面心均有1个C(Si)原子，晶胞内部有4个C(Si)原子，每个金刚石(晶体硅)晶胞中含有8个C(Si)原子。 2．碳化硅晶胞 (1)碳、硅原子都采取sp3杂化，C－Si键角为109°28′。 (2)每个硅(碳)原子与周围紧邻的4个碳(硅)原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成空间网状结构。 (3)最小碳环由6个原子组成且不在同一平面内，其中包括3个C原子和3个Si原子。 (4)每个SiC晶胞中含有4个C原子和4个Si原子。 3．二氧化硅晶胞 SiO2晶体结构相当于在晶体硅结构中每2个Si原子中间插入一个O原子，参照金刚石晶胞模型，在SiO2晶胞中有8个Si原子位于立方晶胞的顶点，有6个Si原子位于立方晶胞的面心，还有4个Si原子与16个O原子在晶胞内构成4个硅氧四面体，均匀排列于晶胞内。每个SiO2晶胞中含有8个Si原子和16个O原子。 [典例示范] [典例2]　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晶体是空间网状结构 C．Si3N4中一个Si周围有3个氮，1个氮周围有4个硅 D．SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂 [解析]　B　[SiCl4是分子晶体，Si3N4是共价晶体，A项错误；Si3N4是共价晶体，是空间网状结构，B项正确；Si3N4中一个Si周围有4个氮，1个氮周围有3个硅，C项错误；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，D项错误。] (1)共价晶体都是空间网状结构。 (2)共价晶体中原子之间以共价键结合，键长越短、键能越大，共价键越强，共价晶体的熔沸点越商，硬度越大。 [学以致用] 3．我们可以将SiO2的晶体结构想象为：在晶体硅的Si—Si键之间插入O原子。根据SiO2晶体结构图，下列说法不正确的是(　　) A．石英晶体中每个Si原子通过Si—O极性键与4个O原子作用 B．每个O原子也通过Si—O极性键与2个Si原子作用 C．石英晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2，可用“SiO2”来表示石英的组成 D．在晶体中存在石英分子，故能叫分子式 解析：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，在晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2，“SiO2”仅表示石英的组成，故没有单个的SiO2分子。] 4．碳化硅和立方氮化硼的结构与金刚石类似，碳化硅硬度仅次于金刚石，立方氮化硼硬度与金刚石相当，其晶胞结构如图所示。 请回答下列问题： (1)碳化硅晶体中，硅原子杂化类型为　________　，每个硅原子周围与其距离最近的碳原子有　________　个；设晶胞边长为a cm，密度为b g·cm－3，则阿伏加德罗常数的值可表示为　________　(用含a、b的式子表示)。 (2)立方氮化硼晶胞中有　________　个硼原子，　________　个氮原子，硼原子的杂化类型为　________　，若晶胞的边长为a cm，则立方氮化硼的密度表达式为　________　g·cm－3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。 解析：(1)SiC晶体中，每个Si原子与4个C原子形成4个σ键，故Si采取sp3杂化，每个Si原子距最近的C原子有4个。SiC晶胞中，碳原子数为6×＋8×＝4个，硅原子位于晶胞内，SiC晶胞中硅原子数为4个，1个晶胞的质量为 g，体积为a3 cm3，因此晶体密度：b g·cm－3＝，故NA＝ mol－1。 (2)立方氮化硼晶胞中，含有N原子数为6×＋8×＝4个，B原子位于晶胞内，立方氮化硼晶胞中含硼原子4个。每个硼原子与4个氮原子形成4个σ键，故硼原子采取sp3杂化，每个立方氮化硼晶胞的质量为 g，体积为a3 cm3，故密度为 g·cm－3。 答案：(1)sp3　4　 mol－1　(2)4　4　sp3　 1．下列各组物质的晶体中，化学键类型和晶体类型都相同的是(　　) A．SO2和SiO2　　　　 B．CO2和H2O C．BN和HCl D．CCl4和KCl 解析：B　[A项中SO2和SiO2的化学键相同，都是极性共价键，但晶体类型不同，SO2晶体属于分子晶体，SiO2晶体属于共价晶体；B项，CO2和H2O中的化学键都是极性共价键，且都属于分子晶体；C项中BN和HCl的化学键相同，都为极性共价键，但晶体类型不同，BN晶体属于共价晶体，HCl晶体属于分子晶体；D项，CCl4和KCl中的化学键不同，CCl4中为极性共价键，KCl中为离子键。] 2．X是核外电子数最少的元素，Y是地壳中含量最丰富的元素，Z在地壳中的含量仅次于Y，W可以形成自然界最硬的共价晶体。下列叙述错误的是(　　) A．WX4是沼气的主要成分 B．固态X2Y是分子晶体 C．ZW是共价晶体 D．ZY2的水溶液俗称“水玻璃” 解析：D　[由题给条件可知，X为氢元素，Y为氧元素，Z为硅元素，W为碳元素。则WX4为CH4；X2Y为H2O，其晶体为分子晶体；ZW为SiC，属于共价晶体；ZY2为SiO2，SiO2难溶于水，也不能与水反应。] 3．新型材料B4C可用于制作切削工具和高温热交换器。关于B4C的推断正确的是(　　) A．B4C是一种分子晶体 B．B4C是该物质的分子式 C．B4C是一种共价晶体 D．B4C的电子式为∶ 解析：C　[A.新型材料B4C可用于制作切削工具和高温热交换器，表明了B4C具有硬度大、熔点高的特性，而分子晶体硬度小、熔沸点低，A错误；B.B4C属于共价晶体，组成微粒是C、B原子，不含分子，因此B4C不是该物质的分子式，B错误；C新型材料B4C可用于制作切削工具和高温热交换器，表明了B4C具有硬度大、熔点高的特性，说明该物质属于共价晶体，C正确；D.共价晶体中原子间以共价键相结合，B4C的电子式应为∶，D错误。] 4．下列说法正确的是(NA为阿伏加德罗常数的值)(　　) A．124 g P4含有的P－P键的个数为4NA B．12 g石墨中含有C－C键的个数为2NA C．12 g金刚石中含有C－C键的个数为2NA D．60 g SiO2中含Si－O键的个数为2NA 解析：C　[124 g P4含有的P－P键的个数为6NA，A项错误；12 g石墨中含有C—C键的个数为1.5NA，B项错误；60 g SiO2中含Si－O键的个数为4NA，D项错误。] 5．现有两组物质的熔点数据如表所示： A组 B组 金刚石：＞3 500℃ HF：－83℃ 晶体硅：1 410℃ HCl：－115℃ 晶体硼：2 300℃ HBr：－89℃ 二氧化硅：1 710℃ HI：－51℃ 根据表中数据回答下列问题： (1)A组属于　________　晶体，其熔化时克服的粒子间的作用力是　________　。 (2)B组中HF熔点反常是由于　________　。 (3)B组晶体不可能具有的性质是_______________________________________(填序号)。 ①硬度小　②水溶液能导电　③固体能导电 ④液体状态能导电 解析：A组熔点很高，应是共价晶体，共价晶体熔化时破坏的是共价键；B组是分子晶体，且结构相似，一般是相对分子质量越大，熔点越高；HF的相对分子质量最小但熔点比HCl高，出现反常的原因是HF分子间存在氢键，HF熔化时除了破坏范德华力，还要破坏氢键，所需能量更多，因而熔点更高。分子晶体在固态和熔化状态都不导电。 答案：(1)共价　共价键　(2)HF分子间能形成氢键　(3)③④ [课堂小结] 学科网（北京）股份有限公司 $$