3.3 共价键 共价晶体(Word教参)-【优化指导】2025-2026学年高中化学选择性必修第二册（苏教版2019）

第三单元　共价键　共价晶体 课程标准 核心素养目标 　　1.能结合实例描述共价键的成键特征及其本质。 2．能分析不同类型的共价键对物质化学性质的影响。 3．能举例说明共价键的极性及其应用。 4．能分析共价键的键能与化学反应中能量变化的关系。 5．能根据共价晶体的微观结构预测其性质。 　　1.宏观辨识与微观探析：会区分σ键和π键，极性键和非极性键，掌握共价键的键能与化学反应过程中能量变化之间的关系。 2．证据推理与模型认知：会判断共价键的类型，会分析共价晶体的晶体结构。 [对应学生用书P58] 一、共价键的特征——饱和性、方向性 1．共价键的形成 (1)概念：原子间通过共用电子对所形成的相互作用。 (2)成键的微粒：一般为非金属原子(相同或不相同)或金属原子与非金属原子。 (3)本质：当成键原子相互接近时，原子轨道发生重叠，自旋方向相反的未成对电子形成共用电子对，两原子核间的电子云密度增加，体系的能量降低。 (4)形成条件：非金属元素的原子之间形成共价键，大多数电负性之差小于1.7的金属原子与非金属原子之间形成共价键。 2．共价键的特征 (1)饱和性 ①形成共价键时，只有成键原子中自旋方向相反的未成对电子才能形成共用电子对。成键过程中，每种元素的原子有几个未成对电子便能和几个自旋方向相反的电子形成共价键。因此每个原子形成共价键的数目是一定的，这就是共价键的饱和性。 ②用轨道表示式表示HF分子中共用电子对的形成如下： ③由以上分析可知，F原子与H原子间只能形成1个共价键，所形成的简单化合物为HF。同理，O原子与2个H原子形成2个共用电子对，2个N原子间形成3个共用电子对。 (2)方向性 除s轨道是球形对称的外，其他的原子轨道在空间都具有一定的分布特点。在形成共价键时，原子轨道重叠的越多，电子在核间出现的机会越大，所形成的共价键就越牢固，因此共价键将尽可能沿着电子出现机会最大的方向形成，所以共价键具有方向性。 二、从原子轨道重叠方式上认识共价键 1．σ键 (1)概念：原子轨道沿核间连线方向以“头碰头”的方式重叠形成的共价键。 (2)类型：根据成键电子原子轨道的不同，σ键可分为s-s σ键、s-p σ键、p-p σ键。 ①s-s σ键：两个成键原子均提供s轨道形成的共价键，如H2分子中σ键的形成过程： ②s-p σ键：两个成键原子分别提供s轨道和p轨道形成的共价键，如HCl分子中σ键的形成过程： ③p-p σ键：两个成键原子均提供p轨道形成的共价键，如Cl2分子中σ键的形成过程： (3)特征 ①以形成化学键的两原子核的连线为轴作旋转操作，共价键电子云的图形不变，这种特征称为轴对称。 ②形成σ键的原子轨道重叠程度较大，故σ键有较强的稳定性。 (4)存在：共价单键为σ键；共价双键和共价三键中存在σ键(通常含一个σ键)。 2．π键 (1)概念：原子轨道在核间连线两侧以“肩并肩”的方式重叠形成的共价键。 (2)如图p-p π键的形成： (3)特征 ①每个π键的电子云由两块组成，分别位于由两原子核构成平面的两侧，如果以它们之间包含原子核的平面为镜面，它们互为镜像，这种特征称为镜面对称。 ②形成π键时原子轨道重叠程度比形成σ键时小，π键没有σ键牢固。 (4)存在：π键通常存在于双键或三键中。 三、极性键和非极性键　配位键 1．极性键和非极性键 (1)概念 ①非极性共价键(简称非极性键)是两个成键原子吸引电子的能力相同，共用电子对不发生偏移而形成的共价键。 ②极性共价键(简称极性键)是两个成键原子吸引电子的能力不同，共用电子对发生偏移而形成的共价键。 (2)极性键和非极性键的判断 ①同种元素的原子间形成的共价键是非极性键，不同种元素的原子间形成的共价键是极性键。 ②两个成键原子间的电负性差值小于1.7时，它们之间通常形成共价键。电负性差值越大，键的极性越大。 2．配位键 (1)用电子式表示NH3、NH的形成 ①N原子与H原子以共价键结合成NH3分子：。 ②NH3分子与H＋结合成NH 。 (2)配位键的形成 ①配位键的概念是由一个原子提供孤电子对与另一个有空轨道可接受电子的原子形成的共价键。 ②配位键常用“A→B”表示，其中A是提供孤电子对的原子，B是接受孤电子对的原子。 ③配位键与共价键在形成过程上的主要不同是配位键的共用电子对是由某个原子提供的，共价键的共用电子对是由成键原子双方共同提供的。 四、从不同角度认识共价键的分类 乙烯电子式：；乙烯结构式：。 (1)从原子轨道重叠方式上看，乙烯中含有5个σ键，1个π键。 (2)从共用电子对个数上看，乙烯中含1个双键，4个单键。 (3)从共用电子对是否偏移上看，乙烯中含有极性键和非极性键。 五、共价键的键参数 1．键能 在101 kPa、298 K条件下，1 mol气态AB分子生成气态A原子和B原子的过程中所吸收的能量，称为AB间共价键的键能。键能的单位是kJ·mol-1。 2．键长 两原子间形成共价键时， 两原子核间的平均间距。 3．共价键的影响因素 键长越短，键能越大，共价键就越强。 4．键能与反应热的关系 (1)反应物和生成物中化学键的强弱直接决定着化学反应过程中的能量变化。 (2)若化学反应中旧化学键断裂所吸收的总能量大于新化学键形成所放出的总能量，该反应通常为吸热反应。反之，该反应为放热反应。 (3)由键能计算化学反应的反应热 ΔH＝反应物的键能总和－生成物的键能总和。 六、共价晶体 1．概念 晶体中原子间以共价键结合，形成空间网状结构，这样的晶体叫做共价晶体。 2．结构特征 (1)共价晶体中只存在共价键，原子间全部通过共价键相结合。 (2)共价晶体中不存在单个分子。例如，SiO2代表硅原子与氧原子的原子个数比为1∶2，并不代表分子式。 3．常见的共价晶体 (1)某些非金属单质，如金刚石、晶体硅、晶体硼等。 (2)某些非金属化合物，如金刚砂(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。 4．共价晶体的物理性质 (1)共价晶体一般有很高的熔点、沸点和很大的硬度。 (2)键长越短，键能越大，熔、沸点越高，硬度就越大。 七、常见的共价晶体 1．金刚石晶体 (1)在晶体中每个碳原子以共价键与相邻的4个碳原子相结合，形成正四面体。 (2)晶体中C—C—C夹角为109°28′。 (3)最小环上有6个碳原子。 2．二氧化硅晶体 (1)在晶体中每个硅原子与4个氧原子形成4个共价键；每个氧原子与2个硅原子相结合，故SiO2晶体中硅原子与氧原子按1∶2的比例组成。 (2)最小环上有12个原子。 ◆名师点拨 对共价键的错误认识 (1)共价键不仅存在于共价化合物中，也可以存在于离子化合物中，如NaOH、NH4Cl中都含有共价键，还可以存在于非金属单质中，如H2、O3等。 (2)非金属元素之间并不是只形成共价键，也可以形成离子键，如铵盐NH4NO3只由非金属元素组成，但是含有离子键。 (3)活泼的金属元素和非金属元素之间也可以形成共价键，如AlCl3中只有共价键。 (4)所有共价键都有饱和性，但并不是所有的共价键都有方向性，如s-s σ键就没有方向性。 ◆易错警示 形成共价键后原子不一定均达到8电子稳定结构。 ◆名师总结 原子之间形成的共用电子对数与原子的外围电子数有关，如H原子形成共用电子对为1 ; 一般元素原子形成共用电子对数是8－外围电子数。 ◆易错警示 C 与C之间可形成稳定的π键，Si与Si之间为何不容易形成π 键，其原因是Si原子的半径大， “肩并肩”重叠程度小，不容易形成稳定的π键。 ◆易错警示 一般σ键稳定，π键不稳定。π键必须是平行的两个p轨道“肩并肩”形成。s轨道为球形， 无方向性， 不能形成π键。 一般情况下，多重键的σ键比单个的π键键能大，因为电子云重叠程度大；但N2中的例外，因N≡N很短，反而造成π键电子云重叠程度较大。这也为什么N2特别稳定的原因。 ◆名师点拨 共价单键一定是σ键，双键中一个是σ键，一个是π键，三键中一个是σ键，另两个是π键。 ◆名师点拨 NH中的配位键是共价键，是σ键。 ◆易错警示 1．键长是共价键强度的一种标度，键长的大小与键的强度有什么关系？ 提示：键长越短，化学键越牢固，由该键形成的分子越稳定。 2．半径越小，键能越大吗？ 提示：不一定。例如F—F的键能为159 kJ·mol-1，Cl—Cl的键能为243 kJ·mol-1，所以半径越小，键能不一定越大。 3．非金属性越强，单质的键能一定越大吗？ 提示：不一定。例如：F2、Cl2、Br2、I2的键能依次为159 kJ·mol-1、243 kJ·mol-1、193 kJ·mol-1、151 kJ·mol-1。 ◆易错警示 含有共价键的晶体不一定是共价晶体。 共价晶体一定只含有共价键 。 ◆拓展延伸 (1)二氧化硅晶胞 二氧化硅晶胞 (2)硅晶体结构(与金刚石相似) ◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”) (1)金属元素原子与非金属元素原子之间不能形成共价键。 (　　×　　) (2)氢气分子是由两个核外电子自旋方向相同的氢原子结合而成的。 (　　×　　) (3)N、O、F原子与氢原子形成的简单化合物分别为NH3、H2O和HF，说明共价键具有饱和性。 (　　√　　) (4)s-s、s-p、p-p共价键都有方向性。 (　　×　　) (5)共价晶体中一定含有共价键，可能含有离子键。 (　　×　　) (6)二氧化硅的分子式为SiO2。 (　　×　　) (7)共价晶体的熔点一定比金属晶体的高。 (　　×　　) (8)共价晶体的熔点一定比离子晶体的高。 (　　×　　) (9)下列物质的熔点：金刚石>金刚砂(SiC)>晶体硅。 (　　√　　) (10)12 g金刚石中含有2NA个C—C键。 (　　√　　) [对应学生用书P63] 探究一__共价键的形成和特征 下面是五种元素原子电负性的数值： 元素符号 H C O Na Cl 电负性 2.1 2.5 3.5 0.9 3.0 [问题设计] (1)从原子电负性的角度分析为什么钠、氯通过得失电子形成的电子对不被钠原子和氯原子共用形成共价键而形成离子键？氢和氯原子间、碳和氧原子间的共用电子对被两原子共用而形成共价键？由此你得出的结论是什么？ 提示：钠、氯电负性之差(绝对值)为2.1＞1.7，故Na与Cl之间通过得失电子形成的电子对不被共用，不能形成共价键，形成的是离子键。氢、氯电负性之差为0.9，碳、氧电负性之差为1.0，均小于1.7，故氢、氯之间形成的电子对被共用，碳、氧之间形成的电子对也被共用，能形成共价键。由此得出的结论是：①当原子的电负性相差很大(一般大于1.7)时，化学反应形成的电子对不会被共用，形成的是离子键。②当原子的电负性相差不大(一般小于1.7)时，原子间形成的电子对能被共用，形成的是共价键。 (2)是不是所有轨道形成的共价键均有方向性？ 提示：不一定。s轨道与s轨道形成的共价键无方向性。 (3)为什么氢气分子是双原子分子而稀有气体分子都是单原子分子？ 提示：氢原子K层上只有1个电子，K层需满足2个电子才能达到稳定状态，故氢原子共用1个共用电子对形成双原子分子；而稀有气体元素原子最外层均已达稳定结构，故均为单原子分子。 (4)C、N、O、F通过形成共价键达到稳定结构时，形成共价键的数目各是多少？ 提示：C、N、O、F形成共价键的数目依次为4、3、2、1。 (5)H2O分子中的两个H—O键在同一直线上吗？ 提示：不在同一直线上。 认识共价键的方向性和饱和性 (1)共价键都具有饱和性，但并不是所有的共价键都具有方向性，如两个s轨道形成的共价键就没有方向性(原因是轨道是球形的)。 (2)共价键的饱和性决定了分子的组成，而共价键的方向性决定了分子的空间结构。 (3)以NH3分子为例，理解共价键的饱和性和方向性。 ①饱和性：N原子(2s22p3)最外层有3个未成对电子，H原子(1s1)有1个未成对电子，形成共价键时每个N原子只需与3个H原子分别形成3个共用电子对即可达到稳定状态，共价键达到饱和，从而决定了分子中H原子个数。 ②方向性图示：。 【例1】 下列说法正确的是 (　　) A．若把H2S分子写成H3S分子，违背了共价键的饱和性 B．H3O＋的存在说明共价键不具有饱和性 C．所有共价键都有方向性 D．两个原子轨道发生重叠后，电子仅存在于两核之间 A　解析：H2O能结合1个H＋形成H3O＋，不能说明共价键不具有饱和性，B错误； s-s形成的共价键没有方向性，C错误；两个原子轨道发生重叠后，两核间的电子并不仅存在于两核之间，而仍然是在围绕原子核运动，D错误。 1．下列关于共价键的说法正确的是 (　　) A．只有非金属原子之间才能形成共价键 B．只要空间允许，一个原子能与另一个原子形成多个共价键 C．形成共价键时，参加成键的原子轨道可以沿着电子各个方向重叠 D．共价键的本质是自旋方向相反、能量相近的未成对电子形成共用电子对 D　解析：当两个原子电负性差值小于1.7时，一般形成共价键，因此金属原子和非金属原子之间也可能形成共价键，A错误；成键原子有几个未成对电子，通常就只能和几个自旋方向相反的电子形成共价键，每个原子形成共价键的数目是一定的，即共价键具有饱和性，B错误；参加成键的原子轨道总是尽可能沿着电子出现机会最大的方向重叠成键，C错误；共价键的本质是自旋方向相反、能量相近的未成对电子形成共用电子对，两原子核间的电子云密度增加，体系的能量降低，D正确。 探究二__共价键的分类 材料1：乙烷、乙烯、乙炔的球棍模型如下： 材料2： [问题设计] (1)仔细观察乙烷、乙烯、乙炔的分子结构，指出它们分子中的共价键分别由几个σ键和几个π键构成？ 提示： 物质 乙烷 乙烯 乙炔 σ键数目 7 5 3 π键数目 0 1 2 (2)解释乙烯分子中π键是如何形成的？ 提示：乙烯分子中两个碳原子的p轨道“头碰头”重叠形成一个σ键，而两个碳原子间相互垂直的p轨道“肩并肩”重叠形成一个π键。故乙烯分子中的碳碳双键由一个σ键和一个π键构成。 (3)乙烯分子中C—C σ键与C—C π键哪种键更稳定？ 提示：C—C σ键更稳定。 (4)碳碳键中，σ键与π键哪种键更稳定？其他共价键中，σ键与π键的稳定性有固定关系吗？ 提示：碳碳键中，σ键均比π键更稳定；其他共价键中，σ键不一定比π键稳定。 (5)H—F键与H—Cl键相比，谁的极性更强些？ 提示：H—F键的极性更强。 (6)根据材料2分析苯分子中所含共价键类型和数目？ 提示：6个C—H σ键、6个C—C σ键、6个C原子提供的6个p轨道电子形成的1个大π键。 1．共价键的分类 分类标准 类型 共用电子对数 单键、双键、三键 共用电子对的偏移程度 极性键、非极性键 原子轨道重叠方式 σ键、π键 2.σ键和π键的比较 键类型 σ键 π键 原子轨道 重叠方式 沿核间连线方向以“头碰头”方式重叠 沿核间连线两侧以“肩并肩”方式重叠 原子轨道 重叠部位 两原子核连线之间 核间连线上方和下方 原子轨道 重叠程度 大 小 键类型 σ键 π键 键的强度 较大 较小 成键规 律判断 共价单键一定是σ键，双键中一个是σ键，一个是π键，三键中一个是σ键，另两个是π键 【例2】 氰气的化学式为(CN)2，结构式为N≡C—C≡N，其性质与卤素气体单质相似。氰气可用于有机合成，制作农药，也可用作消毒、杀虫的熏蒸剂等。下列叙述正确的是 (　　) A．氰气分子中只含极性键 B．氰气分子中共形成了2个共用电子对 C．氰气分子中含有3个σ键和4个π键 D．(CN)2不能与氢氧化钠溶液发生反应 C　解析：氰气分子中C—C键为非极性键，A错误；一条短线表示一个共用电子对，因此氰气分子中共形成了7个共用电子对，B错误；(CN)2分子中含有3个σ键和4个π键，C正确；由于(CN)2与卤素单质性质相似，故可以和氢氧化钠溶液反应，D错误。 2．氢氰酸有剧毒，其结构为H—C≡N。 (1)氢氰酸分子中________(填“存在”或“不存在”)极性键，________(填“存在”或“不存在”)非极性键。 (2)该分子中含有________个σ键，________个π键。断裂这两种化学键________需要的能量更高。 答案：(1)存在　不存在　(2)2　2　σ键 解析：(1)该分子中的共价键均是由两种不同的非金属元素原子形成的，因此均为极性键。 (2)该分子中有一个单键，一个三键，因此分子中有2个σ键，2个π键，断裂σ键需要的能量高。 探究三__共价键的键能与化学反应的反应热 还原法处理氮的氧化物是环境科学研究的热点课题。氢气还原法：H2还原NO发生的反应为2NO(g)＋2H2(g)===N2(g)＋2H2O(g)。几种化学键的键能数据如下： 化学键 H—H NO中的 共价键 N≡N H—O 键能 (kJ·mol-1) 436 630 946 463 [问题设计] (1)表格中的四种共价键，键能最大和键长最长的共价键分别是哪种？ 提示：键能最大的是N≡N键，键长最长的是H—H键。 (2)H2还原NO的反应：2NO(g)＋2H2(g)===N2(g)＋2H2O(g)中，反应物的总键能和生成物的总键能分别为多少？ 提示：反应物的总键能为2×436 kJ·mol-1＋2×630 kJ·mol-1＝2 132 kJ·mol-1，生成物的总键能为946 kJ·mol-1＋4×463 kJ·mol-1＝2 798 kJ·mol-1。 (3)2NO(g)＋2H2(g)===N2(g)＋2H2O(g)反应的焓变 ΔH为多少？ 提示：ΔH＝2 132 kJ·mol-1－2 798 kJ·mol-1＝－666 kJ·mol-1。 (4)反应物的总键能、生成物的总键能与反应物的总能量和生成物的总能量一样吗？ 提示：反应物的总键能不是反应物的总能量， 生成物的总键能也不是生成物的总能量。 1．键能及其应用 (1)键能的意义 键能是衡量共价键稳定性的一个重要参数。键能越大，即形成共价键时放出的热量越多，共价键越稳定。 ①N2分子的化学性质很稳定，是因为N≡N的键能很大(946 kJ·mol-1)。 ②H—F、H—Cl、H—Br、H—I键的键能依次为567 kJ·mol-1、431 kJ·mol-1、366 kJ·mol-1、298 kJ·mol-1，键能逐渐减小，HF、HCl、HBr、HI分子的稳定性逐渐减弱。 ③CH2===CH2中C===C键的键能(615 kJ·mol-1)小于C2H6中C—C键的键能(348 kJ·mol-1)的两倍，CH≡CH中C≡C键的键能(812 kJ·mol-1)小于C—C键的键能的3倍，也小于C—C键、C===C键的键能之和，表明乙烯、乙炔分子中的π键不如σ键牢固，比较容易断裂。 (2)键能的应用 ①表示共价键的强弱 键能越大，断开化学键时需要的能量越多，化学键越稳定。 ②判断分子的稳定性 结构相似的分子中，共价键的键能越大，分子越稳定。 (3)判断化学反应的能量变化 在化学反应中，旧化学键的断裂吸收能量，新化学键的形成释放能量，因此反应焓变与键能的关系为ΔH＝反应物的键能总和－生成物的键能总和，ΔH<0时，为放热反应；ΔH>0时，为吸热反应。 2．键长及其应用 (1)键长的意义 键长是衡量共价键稳定性的另一个参数。键长越短，往往键能越大，表明共价键越稳定。键能和键长共同决定键的稳定性和分子的性质。例如：F—F键、Cl—Cl键、Br—Br键、I—I键的键长逐渐增大，分子的稳定性逐渐减弱。 (2)键长的比较方法 ①根据原子半径比较，同类型的共价键，成键原子的半径越小，键长越短。 ②根据共用电子对数比较，相同的两个原子间形成共价键时，单键键长>双键键长>三键键长。例如：当两个原子间形成双键、三键时，由于原子轨道的重叠程度增大，原子之间的核间距减小，即键长变短，如C—C键、C===C键、C≡C键的键长分别为154 pm、133 pm、120 pm。 【例3】 碳和硅的有关化学键键能如表所示，简要分析和解释下列有关事实： 化学键 C—C C—H C—O 键能/(kJ·mol-1) 348 413 351 化学键 Si—Si Si—H Si—O 键能/(kJ·mol-1) 226 318 452 (1)硅与碳同族，也有系列氢化物，但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多，原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)SiH4的稳定性小于CH4的，更易生成氧化物，原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)根据题目中所给信息，你可以判断硅单质与二氧化硅晶体的熔点和硬度大小吗？ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 答案：(1)C—C键和C—H键较强，所形成的烷烃稳定。而硅烷中Si—Si键和Si—H键的键能较低，易断裂，导致长链硅烷难以生成 (2)C—H键的键能大于C—O键的键能，C—H键比C—O键稳定。而Si—H键的键能却小于Si—O键，所以Si更倾向于形成稳定性更强的Si—O键 (3)硅单质的硬度和熔点均小于二氧化硅晶体的 解析：(1)依据图表中键能数据分析，C—C键、C—H键键能大，难断裂；Si—Si键、Si—H键键能较小，易断裂，导致长链硅烷难以生成。 (2)SiH4的稳定性小于CH4的，更易生成氧化物，是因为C—H键的键能大于C—O键的键能，C—H键比C—O键稳定。Si—H键的键能小于Si—O键的键能，不稳定，所以Si更倾向于形成稳定性更强的Si—O键。 (3)硅单质的硬度和熔点均小于二氧化硅晶体的，因为Si—O键的键能大于Si—Si键的键能，所以硅单质的硬度和熔点更大。 3．下列事实不能用键能的大小来解释的是 (　　) A．N的电负性较大，但N2的化学性质很稳定 B．卤族元素氢化物的稳定性逐渐减弱 C．稀有气体一般难发生反应 D．O的电负性大于Cl的，但Cl2比O2活泼性强 答案：C 探究四__共价晶体及性质 二氧化硅又称硅石，化学式为SiO2。自然界中存在有结晶二氧化硅和无定形二氧化硅两种。结晶二氧化硅因晶体结构不同，分为石英、鳞石英和方石英三种。纯石英为无色晶体，大而透明棱柱状的石英叫水晶。含有微量杂质的水晶带有不同颜色，有紫水晶、茶晶、墨晶等。普通的砂是细小的石英晶体，有黄砂(较多的铁杂质)和白砂(杂质少、较纯净)。晶体硅和金刚石晶体结构相似，二氧化硅晶体可以看作晶体硅中Si—Si键断裂插入O原子。 二氧化硅晶体的结构示意图 [问题设计] (1)二氧化硅晶体中每个硅原子与多少个氧原子连接？每个氧原子与多少个硅原子连接？每个硅原子形成多少个共价键？ 提示：4　 2　4 (2)二氧化硅晶体中最小环上有多少个原子？ 提示：12 (3)二氧化硅晶体中每个硅原子周围距离最近的硅原子数多少？ 每个氧原子周围距离最近的氧原子数是多少？ 提示：4　6 (4)60 g二氧化硅晶体中含有Si、O、Si—O键数目分别为多少？(用NA表示阿伏加德罗常数的值) 提示：NA　2NA　 4NA 1．共价晶体的结构特点 (1)共价晶体中不存在分子，晶体中所有原子全部参与形成共价键，故共价晶体中一定存在共价键。但含有共价键的晶体却不一定是共价晶体，只有原子间的共价键形成空间网状结构时才形成共价晶体。 (2)共价晶体的晶胞中，所有原子通过共价键结合，形成空间网状结构，晶体中不存在单个分子，共价晶体的化学式仅表示物质中的原子个数的比例关系，不是分子式。 (3)共价键的饱和性和方向性分别决定了每个原子周围配位数的多少和键角的大小，所以共价晶体不遵循紧密堆积原则，而是较松散排列的结构。例如，金刚石晶体中，每个碳原子周围排列的碳原子只能有四个。 2.常见的共价晶体的结构 (1)金刚石晶体的结构 ①成键特征：每个碳原子与相邻的4个碳原子形成4个共价键，键长相等，键角相等，每个碳原子的配位数为4。 ②结构单元：每个碳原子均与相邻的4个碳原子结合，向空间无限延伸得到空间网状结构的晶体，在1个正四面体中含有1＋4×＝2个碳原子。 ③晶胞：a.8个顶点，6个面心上各有1个碳原子；b.把晶胞分割成8个小立方体，则每个小立方体的互为对角位置的4个顶点各有1个碳原子，4个互不相邻的小立方体的体心各有1个碳原子。则每个金刚石晶胞中有8个碳原子。 ④金刚石晶体中每个C原子形成4个C—C键，而每个键为2个C原子所共有，故碳原子的个数与C—C键数之比为1∶(4×)＝1∶2。因此，12 g(1 mol)金刚石中含有2 mol(2NA个)C—C键 (2)晶体硅、碳化硅晶体的结构 ①晶体硅：将金刚石晶胞中的碳原子换成硅原子，就是晶体硅的晶胞。每个晶体硅晶胞中有8个硅原子。 ②碳化硅：将晶体硅晶胞的顶点、面心上的硅原子换成碳原子，体内4个硅原子不变，就是碳化硅的晶胞。每个碳化硅晶胞中有4个碳原子、4个硅原子。 ③1 mol晶体硅中含有2 mol Si—Si键，1 mol SiC中含有4 mol Si—C键 (3)二氧化硅(石英)晶体的结构 ①二氧化硅晶体可以看作是在晶体硅中2个硅原子之间插入了1个氧原子。每个硅原子与4个氧原子结合，硅原子位于正四面体的中心，氧原子位于正四面体的顶点。 ②每个氧原子为2个正四面体共有，每个正四面体中占有1个完整的硅原子，则硅氧原子的个数比为1∶(4×)＝1∶2。因此二氧化硅晶体中并不存在单个的SiO2分子，它是由硅原子和氧原子按1∶2的比例组成的空间网状结构的晶体。 ③1 mol SiO2含有4 mol Si—O键 [名师总结] 　(1)由原子构成的晶体不一定是共价晶体，如由稀有气体组成的晶体属于分子晶体，共价晶体中不存在范德华力。 (2)在金刚石、晶体硅、碳化硅中，C、Si均与相邻的4个原子结合，最小的环为六元环。 (3)比较不同共价晶体熔、沸点高低时，可依据共价键键长的大小进行比较，键长越短，键能越大，熔、沸点越高，如比较金刚石、晶体硅、碳化硅的熔点高低，键长：C—C＜Si—C＜Si—Si，故熔、沸点：金刚石＞碳化硅＞晶体硅。 【例4】 科学家成功地制成了一种新型的碳氧化合物，该化合物晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为空间网状的无限伸展结构。下列对该晶体叙述错误的是 (　　) A．晶体的熔、沸点高，硬度大 B．该物质的化学式为CO2 C．晶体中C原子数与C—O化学键数之比为1∶6 D．晶体的空间最小环由12个原子构成 C　解析：该化合物晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为空间网状的无限伸展结构，所以该化合物是共价晶体，熔、沸点高，硬度大，A正确；晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合，每个氧原子和两个碳原子以共价单键相结合，所以碳、氧原子个数比为1∶2，则其化学式为CO2，B正确；该晶体中，每个碳原子含有4个C—O共价键，所以C原子与C—O化学键数目之比为1∶4，C错误；该晶体的空间最小环是由6个碳原子和6个氧原子构成的12元环，D正确。 4．氮化碳结构如图，其中β-氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。下列关于氮化碳晶体的说法正确的是 (　　) A．C3N4晶体中微粒间通过共价键结合 B．C3N4晶体中，C—N键的键长比金刚石中C—C键的键长要长 C．C3N4晶体中每个C原子连接4个N原子，而每个N原子连接4个C原子 D．由化学式可知，C3N4晶体中碳元素显－4价，氮元素显＋3价 A　解析：根据C3N4晶体具有比金刚石更大的硬度可推知，C3N4与金刚石一样都是共价晶体，原子间以共价键相结合，A正确；由于N原子的半径比C原子的半径小，所以C—N键的键长比C—C键的键长要短，B错误；由题图可推知，该晶体中碳原子形成4个共价键，氮原子形成3个共价键，即每个碳原子与4个氮原子成键，每个氮原子与3个碳原子成键，C错误；由于氮元素的电负性比碳元素的电负性大，所以该晶体中碳元素显＋4价，氮元素显－3价，D错误。 [对应学生用书P68] 1．下列晶体由极性键形成的共价晶体的是 (　　) A．硝酸钾晶体 B．干冰晶体 C．金刚石晶体 D．二氧化硅晶体 答案：D 2．下列化合物分子中一定既含σ键又含π键的是 (　　) A．N2 B．CO2 C．C2H4O D．H2O2 B　解析：N2的结构式为N≡N，含有1个σ键和2个π键，但不是化合物，A不符合题意；CO2的结构式为O===C===O，含有2个σ键和2个π键，B符合题意；C2H4O可能是醛也可能是环醚，如果是环醚只含有σ键，C不符合题意；H2O2的结构式为H—O—O—H，只含有σ键，D不符合题意。 3．设NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法中正确的是 (　　) A．12 g金刚石中含有C—C键的个数为4NA B．40 g金刚砂晶体(SiC)中含有C—Si键的个数为2NA C．28 g晶体硅中含有Si—Si键的个数为2NA D．SiO2晶体中1 mol硅原子可与氧原子形成2NA个共价键(Si—O键) C　解析：金刚石中每个C原子形成4个C—C键，每个C—C键被两个C原子共用，则每个C拥有4×＝2个C—C键，12 g金刚石含有1 mol碳原子，含有C—C键的个数为2NA，A错误；金刚砂晶体中1个C原子连接4个Si原子，1个Si原子连接4个C原子，40 g金刚砂晶体(SiC)中含有1 mol碳原子和1 mol硅原子，含有C—Si键的个数为4NA，B错误；与金刚石类似，晶体硅中每个Si原子形成4个Si—Si键，28 g晶体硅的物质的量为1 mol，因此28 g晶体硅中含有Si—Si键的个数为2NA，C正确；SiO2晶体中每个Si原子与周围4个O原子结合形成4个Si—O键，因此SiO2晶体中每摩尔硅原子可与氧原子形成4NA个共价键(Si—O键)，D错误。 4．通常人们把在101 kPa、298 K条件下，1 mol气态AB分子生成气态A原子和B原子的过程中所吸收的能量看成该化学键的键能。键能的大小可以衡量化学键的强弱，也可以计算化学反应的反应热。下列是一些化学键的键能。 化学键 C—H C—F H—F F—F 键能/(kJ·mol-1) 414 489 565 155 根据键能数据估算反应CH4(g)＋4F2(g)===CF4(g)＋4HF(g)的反应热为 (　　) A．－1 940 kJ·mol-1 B．＋1 940 kJ·mol-1 C．－485 kJ·mol-1 D．＋485 kJ·mol-1 A　解析：由反应热ΔH＝反应物的键能之和－生成物的键能之和可得，ΔH＝(414 kJ·mol-1×4＋155×4 kJ·mol-1)－(489 kJ·mol-1×4＋565×4 kJ·mol-1)＝－1 940 kJ·mol-1，A正确。 5．我国科学家合成了富集11B的非碳导热材料立方氮化硼晶体，晶胞结构如图。下列说法正确的是 (　　) A.11BN 和10BN的化学性质相似 B．该晶体具有良好的导电性 C．该晶胞中含有14个B原子，4个N原子 D．B原子周围等距且最近的B原子数为6 A　解析：11B和10B互为同位素，11B和10B的化学性质相似，故11BN和10BN的化学性质相似，A正确；该晶体为立方氮化硼晶体，属于由共价键形成的共价晶体，没有导电性，B错误；B原子位于晶胞的8个顶点和6个面心，该晶胞中含B原子数为8×＋6×＝4，N原子都在晶胞内，有4个N原子，C错误；由晶胞可知，B原子位于晶胞的8个顶点和6个面心，以1个顶点的B原子为研究对象，1个晶胞中与顶点B原子等距且最近的B原子有3个(位于3个面心)，由于顶点B原子为8个晶胞共有、面心B原子为2个晶胞共有，则B原子周围等距且最近的B原子数为＝12，D错误。 6．(1)HN3分子的空间结构如图1所示(图中键长单位为10-10m)。 已知：①典型N—N、N===N和N≡N的键长分别为1.41×10-10 m、1.24×10-10 m和1.10×10-10 m；②甲酸根(HCOO－)的两个碳氧键键长相同，处于典型碳氧单键和碳氧双键之间，其结构可以用两个极端电子式的平均杂化体来表示(如上图2) 。画出HN3分子的两个极端电子式：__________________。 (2)是MgCu2的拉维斯结构，Mg以金刚石方式堆积，八面体空隙和半数的四面体空隙中填入以四面体方式排列的Cu，距离Mg原子最近的Mg原子有________个； 是沿立方格子对角面取得的截面，Cu原子的半径为________pm。 答案：(1)　(2)4　 解析：(1)参考甲酸根离子的两个极端电子式可知，书写规律为尽可能地让其中一个成键最多或最少，电子偏向其中一极，则为两种极端形式，参考这种极端形式，可让HN3分子中最右侧原子最多成三键和最少成双键，其余N原子按照8电子理论补齐，则两种极端电子式为；(2)以上表面面心处的Mg原子为例，距离其最近的Mg原子为位于下方四面体空隙中的2个Mg原子以及相应的上方四面体空隙中的2个Mg原子，共4个，由晶胞结构以及截面图可知，Cu原子的半径为面对角线的，即 pm。 [课时梯级训练(10)P148] 学科网（北京）股份有限公司 $$