3.3 共价键 共价晶体 第2课时（同步讲义）化学苏教版选择性必修2

专题3 微粒间作用力与物质性质 第三单元 共价键 共价晶体 第2课时 共价键的键能与与化学反应的反应热 共价晶体 教学目标 1．知道共价键键能、键长的概念，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．能辨识常见的共价晶体，理解晶体中微粒间相互作用对共价晶体性质的影响。 3．了解常见共价晶体的晶体结构。 重点和难点 重点：共价键的键能与化学反应能量变化的关系；共价晶体的性质；常见共价晶体的结构。 难点：共价晶体的结构分析和计算。 ◆知识点一 共价键键能与化学反应的反应热 1．共价键的键能和键长 (1)键能的定义： 共价键的键能是在101 kPa、298 K条件下，1mol______AB分子生成______A原子和B原子的过程中所______的能量，称为AB间共价键的键能。其单位为_________。 如：断开1 mol H—H键吸收的能量为436 kJ，即H—H键的键能为_________。 (2)键长的定义： 两原子间形成共价键时，____________的平均间距。 (3)键能与键长的关系： 当两个原子形成共价键时，原子轨道发生重叠，重叠程度越大，键长______，键能______。 2．键能与反应热的关系 (1)反应物和生成物中化学键的______直接决定着化学反应过程中的______变化。 (2)若化学反应中旧化学键断裂所吸收的总能量______新化学键形成所放出的总能量，该反应通常为______反应。反之，该反应为______反应。 (3)由键能计算化学反应的反应热 ΔH＝__________________－__________________。 【特别提醒】定性判断键长的方法 (1)根据原子半径进行判断。在其他条件相同时，成键原子的半径越小，键长越短。 (2)根据共用电子对数判断。就相同的两原子形成的共价键而言，当两个原子形成双键或者三键时，由于原子轨道的重叠程度增大，原子之间的核间距减小，键长变短，故单键键长＞双键键长＞三键键长。 即学即练 1．请判断下列说法的正误(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)键能越小，表示化学键越牢固，越难以断裂(　 　) (2)成键的两原子核间距越近，键长越短，化学键越牢固，性质越稳定(　 　) (3)键能越大，表示含有该共价键的分子受热越容易分解(　 　) (4)已知H—H、Cl—Cl、H—Cl键的键能分别为436 kJ·mol－1、243 kJ·mol－1、431 kJ·mol－1。可计算H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)的反应热ΔH＝－183 kJ·mol－1(　 　) 2．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) 348 413 358 化学键 Si—Si Si—H Si—O 键能/(kJ·mol－1) 226 323 368 (1)通常条件下，稳定性：CH4_____(填“<”“>”或“＝”)SiH4，原因是____________________________________。 (2)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 ____________________________________________________________________________。 (3)SiH4的稳定性较弱，Si更易生成氧化物，原因是_____________________________________ ________________________________________________。 3．已知下列化学键的键能： 化学键 C—C N—N O—O O===O O—H 键能/(kJ·mol－1) 347.7 193 142 497.3 462.8 化学键 S—H Se—H N—H As—H 键能/(kJ·mol－1) 363.5 276 390.8 247 回答下列问题： (1)过氧化氢不稳定，易发生分解反应2H2O2(g)===2H2O(g)＋O2(g)，利用键能数据计算该反应的反应热为_____________。 (2)O—H键、S—H键、Se—H键的键能逐渐减小，原因是_____________________________________，据此可推测P—H键的键能范围为________＜P—H键的键能＜________。 (3)有机物是以碳骨架为基础的化合物，即碳原子间易形成C—C长链，而氮原子与氮原子间，氧原子与氧原子间难形成N—N长链和O—O长链，原因是_____________________________________________。 ◆知识点二 共价晶体 1．共价晶体 (1)概念：晶体中所有原子通过______结合，形成_________结构，这样的晶体叫做共价晶体。 (2)共价晶体中只存在______键，原子间全部通过______相结合。 (3)共价晶体中不存在单个分子。如SiO2代表硅原子也氧原子的原子个数比为______，并不代表分子。 2．常见的共价晶体 (1)某些单质，如：_________、_________、晶体硼、晶体Ge等。 (2)某些化合物，如：_________、_________、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅（Si3N4）等。 3．共价晶体的物理性质 (1)共价晶体一般有______的熔点、沸点和______的硬度。 (2)结构相似的共价晶体，共价键的键长越长，键能越小，晶体的熔、沸点______，硬度______。 【易错提醒】 (1)共价晶体中不存在单个的分子，构成晶体的微粒是原子，这些原子以共价键结合形成三维骨架结构，因此共价晶体的化学式代表的是各种原子的个数比。 (2)共价晶体汽化或熔化时破坏的作用力是共价键。 (3)共价晶体中只有共价键，但含有共价键的晶体不一定是共价晶体。 即学即练 1．请判断下列说法的正误(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体(　 　) (2)含有共价键的晶体一定是共价晶体(　 　) (3)共价晶体中原子间是以共价键相结合(　 　) (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(　 　) 2．下列晶体属于共价晶体的是(　　) A．晶体碘 B．氯化钠晶体 C．干冰 D．二氧化硅晶体 3．根据下列性质判断，属于共价晶体的物质是(　　) A．熔点2 700 ℃，导电性好，延展性强 B．无色晶体，熔点3 550 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂 C．无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800 ℃，熔化时能导电 D．熔点－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电 ◆知识点三 常见共价晶体的结构 1．金刚石晶体的结构 (1)成键特征：每个碳原子与相邻的______个碳原子形成______个共价键，键长______，键角为______，每个碳原子的配位数为______。 (2)结构单元：每个碳原子均与相邻的______个碳原子构成正四面体，向空间无限延伸得到立体网状结构的晶体，在1个正四面体中含有__________个碳原子。 (3)晶胞：①8个顶点，6个面心上各有1个碳原子；②把晶胞分割分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______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键数比为____________。因此12g（1mol）金刚石中含有______molC—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______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______个碳原子、______个硅原子。 (3)1mol晶体硅中含有______molSi—Si键，1molSiC中含有______molSi—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______个氧原子结合，硅原子位于正四面体的______，氧原子位于正四面体的______。 (2)每个氧原子为______个正四面体共有，每个正四面体中占有______个完整的硅原子。因此硅氧原子的个数比为____________。因此二氧化硅晶体中并______单个的SiO2分子，它是由硅原子和氧原子按______的比例组成的空间立体网状结构的晶体。 (3)晶体中最小的环为______个硅原子、______个氧原子组成的______元环。 (4)每个二氧化硅晶胞中含有______个硅原子和______个氧原子。 (5)1molSiO2含有______molSi—O键。 即学即练 1．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 2．二氧化硅有晶体和无定形两种形态，晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。除石英外，SiO2还有磷石英和方英石等多种变体。方英石结构和金刚石相似，其结构单元如图。下列有关说法不正确的是(　　) A．方英石晶体中存在着SiO4结构单元 B．1 mol Si形成2 mol Si—O键 C．图示结构单元中实际占有8个硅原子 D．方英石晶体中，Si原子和其紧邻的4个O构成正四面体 3．下列有关共价晶体的叙述不正确的是(　　) A．金刚石和二氧化硅晶体的最小结构单元都是正四面体结构 B．含1 mol C的金刚石中C—C键数目是4NA，1 mol SiO2晶体中Si—O键数目是2NA C．金刚石和二氧化硅在熔化时，晶体中的共价键会断裂 D．SiO2晶体是共价晶体，所以晶体中不存在分子，SiO2不是它的分子式 一、共价键键能和键长及应用 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（946kJ·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＝反应物键能总和－生成物键能总和，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。键能越短，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、Cl-Cl、Br-Br、I-I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，成键原子的原子半径越小，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。如：当两个原子间形成双键、叁键时，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、C=C、C≡C的键长分别为154pm、133pm、120pm。 实践应用 1．某些化学键的键能(单位：kJ·mol－1)如表所示： 化学键 H—H Cl—Cl Br—Br I—I H—Cl H—Br H—I 键能 436 243 193 151 431 366 298 (1)1 mol H2在2 mol Cl2中燃烧，放出热量______ kJ。 (2)在一定条件下，1 mol H2与足量的Cl2、Br2、I2分别反应，放出热量由多到少的顺序是________(填字母)。 a．Cl2＞Br2＞I2 b．I2＞Br2＞Cl2 c．Br2＞I2＞Cl2 预测1 mol H2在足量F2中燃烧比在Cl2中燃烧放热________(填“多”或“少”)。 2．下列分子中，最难分裂成原子的是(　　) A．HF B．HCl C．HBr D．HI 3．下表是从实验中测得的不同物质中的键长和键能数据： O—O O O O2 O 键长/(10－12 m) 149 128 121 112 键能/(kJ·mol－1) x y a＝494 b＝628 其中x、y的键能数据尚未测定，但可根据规律推导键能大小的顺序是b>a>y>x，该规律性是(　　) A．成键时，电子数越多，键能越大 B．键长越短，键能越大 C．成键所用的电子数越少，键能越小 D．成键时电子对越偏移，键能越大 二、共价晶体的性质及判断 (1)共价晶体的物理性质 ①熔、沸点很高。共价晶体中各原子间以共价键相结合，要熔化必须破坏其中的共价键，需要较高的温度，所以共价晶体有很高的熔、沸点。 ②硬度很大。 ③难溶于一般溶剂。 ④一般不导电，但晶体硅是半导体。 (2)共价晶体熔沸点的比较 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＞碳化硅＞晶体硅。 (2)共价晶体的判断方法 ①从构成微粒或作用力类型判断 离子晶体和共价晶体的构成微粒间作用力列表如下： 晶体类型 离子晶体 共价晶体 构成微粒 离子 原子 微粒间作用力 离子键 共价键 ②从物质的类别判断 a．非金属单质中的金刚石、晶体硅、晶体硼属于共价晶体。 b．共价化合物中的SiO2、SiC、Si3N4、BN、AlN等属于共价晶体。 ③从晶体的物理性质判断 共价晶体熔点高，硬度大，大部分熔融及固体不导电，个别为半导体(如晶体硅)。 实践应用 1．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 2．下列属于共价晶体的化合物的是(　　) A．晶体硅 B．H3PO4 C．金刚石 D．SiO2 3．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 2 600 1 710 1 415 1 211 摩氏硬度 10 9 9 7 7 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 金刚石和二氧化硅结构比较 金刚石 (1)每个碳原子与相邻4个碳原子以共价键结合，形成正四面体结构 (2)键角均约为109°28′ (3)最小碳环由6个C组成且六个碳原子不在同一平面内 (4)每个C参与4个C—C键的形成，每个C—C键被2个碳原子共用，故C原子数与C—C键个数之比为1∶2 SiO2 (1)每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构 (2)每个正四面体占有1个Si，4个“O”，n(Si)∶n(O)＝1∶2 (3)最小环上有12个原子，即6个O，6个Si (4)1 mol SiO2中含有4 mol Si—O键 实践应用 1．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 2．二氧化硅晶体是空间网状结构，其结构如图所示。 下列关于二氧化硅晶体的说法不正确的是(　　) A．晶体中每个硅原子与4个氧原子相连 B．晶体中硅、氧原子个数比为1∶2 C．晶体中最小环上的原子数为8 D．晶体中硅、氧原子最外层都满足8电子结构 3．单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答问题： 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．金刚石的熔点高与C—C键的键能无关 B．金刚石中碳原子个数与C—C键键数之比为1∶2 C．金刚石的熔点高，所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却 考点一 有关共价晶体的分析和计算 【例1】共价晶体因具有熔、沸点高，硬度大，耐磨等优良特性而具有广泛的用途。设NA为阿伏加德罗常数的值。 (1)晶体硅是良好的半导体材料，被广泛用于信息技术和能源科学等领域。晶体硅是与金刚石结构类似的晶体(其晶胞如图甲所示)，晶体硅的1个晶胞中含________个Si原子，在晶体硅的空间网状结构中最小环为__________元环，每个最小环独立含有__________个Si原子，含1 mol Si原子的晶体硅中Si—Si键的数目为________。 (2)金刚砂(SiC)也与金刚石具有相似的晶体结构(如图乙所示)，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。试回答下列问题： ①金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是_________________________(均用化学式表示)。 ②在金刚砂的结构中，一个硅原子结合了________个碳原子，其中的键角是________。 ③金刚砂的结构中含有C、Si原子以共价键结合形成的环，其中一个最小的环上独立含有________个C—Si键。 ④金刚砂的晶胞结构如图丙所示，在SiC中，每个C原子周围最近且等距的C原子数目为________；若金刚砂的密度为ρ g·cm－3，则晶体中最近的碳、硅原子之间的距离为______pm(用代数式表示即可)。 解题要点 常见共价晶体结构的分析 晶体 晶体结构 结构分析 金刚石 (1)每个C与相邻4个C以共价键结合，形成正四面体结构 (2)键角均为109°28′ (3)最小碳环由6个C组成且6个C不在同一平面内 (4)每个C参与4个C—C键的形成，C原子数与C—C键个数之比为1∶2 (5)ρ＝ g·cm－3(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值) SiO2 (1)每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构 (2)每个正四面体占有1个Si,4个“O”，因此二氧化硅晶体中Si与O的个数比为1∶2 (3)最小环上有12个原子，即6个O、6个Si (4)ρ＝ g·cm－3(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值) SiC、BP、AlN (1)每个原子与另外4个不同种类的原子形成正四面体结构 (2)密度：ρ(SiC)＝ g· cm－3； ρ(BP)＝ g·cm－3； ρ(AlN)＝ g·cm－3(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值) 【变式1-1】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晶胞结构图，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，故石英的分子式为SiO2 【变式1-2】氮化硼(BN)是一种新型无机非金属材料，具有多种结构，其中一种氮化硼的硬度仅次于金刚石，它是一种共价晶体，其晶胞结构如图所示。 回答下列问题： (1)每个B周围有____个N，每个N周围有____个B原子，每个N周围有____个N。 (2)在BN中有配位键，其中配位键________→________(填“B”或“N”)。 基础达标 1．下列事实不能用键能的大小来解释的是(　　) A．N元素的电负性较大，但N2的化学性质很稳定 B．稀有气体一般难发生化学反应 C．HF、HCl、HBr、HI的热稳定性逐渐减弱 D．F2比O2更容易与H2反应 2．二氯化二硫(S2Cl2)，非平面结构，常温下是一种黄红色液体，有刺激性恶臭，熔点：－80 ℃，沸点：137.1 ℃。下列对于二氯化二硫叙述正确的是(　　) A．二氯化二硫的电子式为 B．分子中既有极性键又有非极性键 C．分子中S—Cl键的键长大于S—S键的键长 D．分子中S—Cl键的键能小于S—S键的键能 3．H2和I2在一定条件下能发生反应：H2(g)＋I2(g)2HI(g)　ΔH＝－a kJ·mol－1，下列说法正确的是(　　) 已知：(a、b、c均大于零) A．H2、I2和HI分子中的化学键都是非极性共价键 B．断开2 mol HI分子中的化学键所需能量约为(c＋b＋a) kJ C．相同条件下，1 mol H2(g)和1 mol I2(g)的总能量小于2 mol HI (g)的总能量 D．向密闭容器中加入2 mol H2(g)和2 mol I2(g)，充分反应后放出的热量为2a kJ 4．已知1 g氢气完全燃烧生成液态水时放出热量143 kJ，18 g水蒸气变成液态水放出44 kJ的热量。其他相关数据如下表： 化学键 O==O(g) H—H(g) H—O(g) 键能/ (kJ·mol－1) 496 436 x 则表中x为(　　) A．920 B．557 C．463 D．188 5．碳化硅(SiC)的一种晶体具有类似金刚石的结构，其中碳原子与硅原子的位置是交替的，在下列三种晶体中，它们的熔点从高到低的顺序是(　　) ①金刚石　②晶体硅　③碳化硅 A．①③② B．②③① C．③①② D．②①③ 6．氮氧化铝(AlON)属共价晶体，是一种超强透明材料，下列描述错误的是(　　) A．AlON和石英的化学键类型相同 B．AlON和石英晶体类型相同 C．AlON和Al2O3的化学键类型不同 D．AlON和Al2O3晶体类型相同 7．下列有关叙述错误的是(　　) A．金刚石晶体和二氧化硅晶体的最小结构单元都是正四面体 B．1 mol金刚石中C—C键的数目是4NA(设NA为阿伏加德罗常数的值) C．水晶在熔化时，晶体中的共价键会断裂 D．SiO2晶体是共价晶体，其中不存在分子 8．利用反应CCl4＋4NaC(金刚石)＋4NaCl可实现人工合成金刚石。下列有关说法错误的是(　　) A．C(金刚石)属于共价晶体 B．该反应利用了Na的强还原性 C．NaCl和C(金刚石)的晶体类型不同 D．每个金刚石晶胞中含有4个碳原子 9．下列说法正确的是(　　) A．在含4 mol Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4NA B．金刚石晶体中，碳原子个数与C—C键个数之比为1∶2 C．30 g二氧化硅晶体中含有0.5NA个二氧化硅分子 D．晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的共价晶体 10．下列关于SiO2和金刚石的叙述正确的是(　　) A．SiO2的晶体结构中，每个Si原子与2个O原子直接相连 B．通常状况下，1 mol SiO2晶体中含有的分子数为NA(NA表示阿伏加德罗常数的值) C．金刚石的网状结构中，由共价键形成的最小环上有6个碳原子 D．1 mol SiO2晶体中含有2NA个Si—O键(NA表示阿伏加德罗常数的值) 综合应用 11．氮化碳结构如图所示，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晶体中微粒间通过离子键结合 B．C3N4晶体中，C－N键的键长比金刚石中C－C键的键长要大 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3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 12．我国的激光技术在世界上处于领先地位，据报道，有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。其原因可能是(　　) A．碳、氮原子构成平面结构的晶体 B．碳氮键比金刚石中的碳碳键键长更短 C．氮原子电子数比碳原子电子数多 D．碳、氮的单质的化学性质均不活泼 13．GaAs作为第二代半导体材料的代表，具有宽禁带、高频、高压、抗辐射、耐高温及发光效率高的特点，被广泛应用于移动通信、无线通信、光纤通信、LED、卫星导航等领域。GaAs晶胞结构如图所示，晶胞边长为a pm，下列说法正确的是(　　) A．基态砷原子外围电子轨道表示式为 B．GaAs属于分子晶体 C．As的配位数为8 D．该晶体密度为 g·cm－3 14．在高压下氮气会聚合生成高聚氮，这种高聚氮的晶体中每个氮原子都通过三个单键与其他氮原子结合并向空间发展构成立体网状结构。已知晶体中N—N键的键能为160 kJ·mol-1，而N≡N的键能为942 kJ·mol-1。则下列有关说法不正确的是(　　) A．键能越大说明化学键越牢固．所构成物质越稳定 B．高聚氮晶体属于共价晶体 C．高聚氮晶体中n(N)∶n(N—N)=1∶3 D．用作炸药或高能材料可能是高聚氮潜在的应用 拓展培优 15．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空间网状结构的共价晶体。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 16．Ⅰ.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在13 000 ℃时反应获得。 (1)氮化硅晶体属于________晶体。 (2)已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且N原子和N原子，Si原子与Si原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式：___________。 (3)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得到较高纯度的氮化硅。反应的化学方程式为______________________________________________________。 Ⅱ.六方氮化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5 pm，立方氮化硼晶胞中含有______个氮原子、________个硼原子，立方氮化硼的密度是______________ g·cm－3(只要求列算式，不必计算出数值，阿伏加德罗常数的值为NA)。 17．金刚石晶胞结构如图所示，回答下列问题。 (1)已知晶胞参数为a pm，则金刚石的密度为____________g·cm－3(写出计算表达式，用NA表示阿伏加德罗常数的值)。 (2)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为______ pm。 (3)碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？ (4)金刚石晶胞在z轴方向的投影如图，请补齐原子的位置。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 专题3 微粒间作用力与物质性质 第三单元 共价键 共价晶体 第2课时 共价键的键能与与化学反应的反应热 共价晶体 教学目标 1．知道共价键键能、键长的概念，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．能辨识常见的共价晶体，理解晶体中微粒间相互作用对共价晶体性质的影响。 3．了解常见共价晶体的晶体结构。 重点和难点 重点：共价键的键能与化学反应能量变化的关系；共价晶体的性质；常见共价晶体的结构。 难点：共价晶体的结构分析和计算。 ◆知识点一 共价键键能与化学反应的反应热 1．共价键的键能和键长 (1)键能的定义： 共价键的键能是在101 kPa、298 K条件下，1mol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。其单位为kJ·mol－1。 如：断开1 mol H—H键吸收的能量为436 kJ，即H—H键的键能为436kJ·mol－1。 (2)键长的定义： 两原子间形成共价键时，两原子核间的平均间距。 (3)键能与键长的关系： 当两个原子形成共价键时，原子轨道发生重叠，重叠程度越大，键长越短，键能越大。 2．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。 【特别提醒】定性判断键长的方法 (1)根据原子半径进行判断。在其他条件相同时，成键原子的半径越小，键长越短。 (2)根据共用电子对数判断。就相同的两原子形成的共价键而言，当两个原子形成双键或者三键时，由于原子轨道的重叠程度增大，原子之间的核间距减小，键长变短，故单键键长＞双键键长＞三键键长。 即学即练 1．请判断下列说法的正误(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)键能越小，表示化学键越牢固，越难以断裂(　×　) (2)成键的两原子核间距越近，键长越短，化学键越牢固，性质越稳定(　√　) (3)键能越大，表示含有该共价键的分子受热越容易分解(　×　) (4)已知H—H、Cl—Cl、H—Cl键的键能分别为436 kJ·mol－1、243 kJ·mol－1、431 kJ·mol－1。可计算H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)的反应热ΔH＝－183 kJ·mol－1(　√　) 2．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) 348 413 358 化学键 Si—Si Si—H Si—O 键能/(kJ·mol－1) 226 323 368 (1)通常条件下，稳定性：CH4_____(填“<”“>”或“＝”)SiH4，原因是____________________________________。 (2)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 ____________________________________________________________________________。 (3)SiH4的稳定性较弱，Si更易生成氧化物，原因是_____________________________________ ________________________________________________。 答案　(1)>　C—H键的键能大于Si—H键的键能，所以CH4比SiH4稳定 (2)C—C键和C—H键的键能比Si—H键和Si—Si键的键能都大，因此烷烃比较稳定，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 (3)Si—H的键能小于Si—O键，所以Si—H键不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O键 3．已知下列化学键的键能： 化学键 C—C N—N O—O O===O O—H 键能/(kJ·mol－1) 347.7 193 142 497.3 462.8 化学键 S—H Se—H N—H As—H 键能/(kJ·mol－1) 363.5 276 390.8 247 回答下列问题： (1)过氧化氢不稳定，易发生分解反应2H2O2(g)===2H2O(g)＋O2(g)，利用键能数据计算该反应的反应热为_____________。 (2)O—H键、S—H键、Se—H键的键能逐渐减小，原因是_____________________________________，据此可推测P—H键的键能范围为________＜P—H键的键能＜________。 (3)有机物是以碳骨架为基础的化合物，即碳原子间易形成C—C长链，而氮原子与氮原子间，氧原子与氧原子间难形成N—N长链和O—O长链，原因是_____________________________________________。 答案　(1)－213.3 kJ·mol－1 (2)O、S、Se位于同一主族，原子半径逐渐增大，O—H键、S—H键、Se—H键的键长逐渐变长，因而键能依次减小　247 kJ·mol－1　363.5 kJ·mol－1 (3)C—C键的键能较大，较稳定，因而易形成C—C长链，而N—N键、O—O键的键能小，不稳定易断裂，因此难以形成N—N、O—O长链 解析　(1)反应2H2O2(g)===2H2O(g)＋O2(g)的反应热ΔH＝反应物的键能之和－生成物的键能之和＝(462.8×4＋142×2) kJ·mol－1－(462.8×4＋497.3) kJ·mol－1＝－213.3 kJ·mol－1。(2)O、S、Se位于同一主族，原子半径逐渐增大，导致O—H键、S—H键、Se—H键的键长逐渐变长，键长越长，键能越小，所以O—H键、S—H键、Se—H键的键能逐渐减小；N、P、As位于同一主族，原子半径逐渐增大，导致N—H键、P—H键、As—H键的键长逐渐变长，N—H键、P—H键、As—H键的键能依次减小，所以As—H键的键能＜P—H键的键能＜N—H键的键能，同时P—H键的键长＞S—H键的键长，故P—H键的键能＜S—H键的键能，即247 kJ·mol－1＜P—H键的键能＜363.5 kJ·mol－1。(3)键能越大，化学键越稳定，越不容易断裂，分子越稳定，由表中数据可知，C—C键的键能较大(347.7 kJ·mol－1)，易形成C—C长链，而N—N键、O—O键的键能较小(键能分别为193 kJ·mol－1、142 kJ·mol－1)，化学键不稳定，容易断裂，所以氮原子与氮原子间，氧原子与氧原子间难形成N—N长链和O—O长链。 ◆知识点二 共价晶体 1．共价晶体 (1)概念：晶体中所有原子通过共价键结合，形成空间网状结构，这样的晶体叫做共价晶体。 (2)共价晶体中只存在共价键，原子间全部通过共价键相结合。 (3)共价晶体中不存在单个分子。如SiO2代表硅原子也氧原子的原子个数比为1：2，并不代表分子。 2．常见的共价晶体 (1)某些单质，如：金刚石、晶体硅、晶体硼、晶体Ge等。 (2)某些化合物，如：金刚砂(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅（Si3N4）等。 3．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)结构相似的共价晶体，共价键的键长越长，键能越小，晶体的熔、沸点越低，硬度越小。 【易错提醒】 (1)共价晶体中不存在单个的分子，构成晶体的微粒是原子，这些原子以共价键结合形成三维骨架结构，因此共价晶体的化学式代表的是各种原子的个数比。 (2)共价晶体汽化或熔化时破坏的作用力是共价键。 (3)共价晶体中只有共价键，但含有共价键的晶体不一定是共价晶体。 即学即练 1．请判断下列说法的正误(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体(　×　) (2)含有共价键的晶体一定是共价晶体(　×　) (3)共价晶体中原子间是以共价键相结合(　√　) (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(　×　) 2．下列晶体属于共价晶体的是(　　) A．晶体碘 B．氯化钠晶体 C．干冰 D．二氧化硅晶体 答案　D 解析　晶体碘、干冰不属于共价晶体，NaCl晶体是离子晶体，SiO2属于共价晶体。 3．根据下列性质判断，属于共价晶体的物质是(　　) A．熔点2 700 ℃，导电性好，延展性强 B．无色晶体，熔点3 550 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂 C．无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800 ℃，熔化时能导电 D．熔点－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电 答案　B 解析　A项中延展性好，不是共价晶体的特征，因为共价晶体中原子与原子之间以共价键结合，而共价键有一定的方向性，使共价晶体质硬而脆，A项不正确，B项符合共价晶体的特征，C项不是共价晶体，D项不符合共价晶体的特征。 ◆知识点三 常见共价晶体的结构 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，键角为109°28’，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个碳原子构成正四面体，向空间无限延伸得到立体网状结构的晶体，在1个正四面体中含有1+4×1/4=2个碳原子。 (3)晶胞：①8个顶点，6个面心上各有1个碳原子；②把晶胞分割分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键数比为1∶(4×1/2)=1∶2。因此12g（1mol）金刚石中含有2molC—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。 (3)1mol晶体硅中含有2molSi—Si键，1molSiC中含有4molSi—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。因此硅氧原子的个数比为1：（4×1/2）=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的比例组成的空间立体网状结构的晶体。 (3)晶体中最小的环为6个硅原子、6个氧原子组成的12元环。 (4)每个二氧化硅晶胞中含有8个硅原子和16个氧原子。 (5)1molSiO2含有4molSi—O键。 即学即练 1．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 解析　单质硅是一种立体三维骨架结构的共价晶体，A正确；晶体中每个硅原子与4个硅原子相连，B正确；根据单质硅的晶体结构可判断晶体中最小环上的原子数目为6，C错误、D正确。 2．二氧化硅有晶体和无定形两种形态，晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。除石英外，SiO2还有磷石英和方英石等多种变体。方英石结构和金刚石相似，其结构单元如图。下列有关说法不正确的是(　　) A．方英石晶体中存在着SiO4结构单元 B．1 mol Si形成2 mol Si—O键 C．图示结构单元中实际占有8个硅原子 D．方英石晶体中，Si原子和其紧邻的4个O构成正四面体 答案　B 解析　由方英石结构示意图知，方英石晶体中存在着SiO4的结构单元，A项正确；1 mol Si形成4 mol Si—O，B项错误；题图所示的结构单元实际占有的硅原子数：8×＋6×＋4＝8个，C项正确；方英石晶体中存在着SiO4四面体的结构单元，D项正确。 3．下列有关共价晶体的叙述不正确的是(　　) A．金刚石和二氧化硅晶体的最小结构单元都是正四面体结构 B．含1 mol C的金刚石中C—C键数目是4NA，1 mol SiO2晶体中Si—O键数目是2NA C．金刚石和二氧化硅在熔化时，晶体中的共价键会断裂 D．SiO2晶体是共价晶体，所以晶体中不存在分子，SiO2不是它的分子式 答案　B 解析　A正确，金刚石是1个中心碳原子连接4个碳原子，二氧化硅是1个中心硅原子连接4个氧原子，均为正四面体结构。B错误，金刚石中，1个C原子与另外4个C原子形成4个C—C键，这个C原子对每个单键的贡献只有，所以1 mol C原子形成的C—C键为4 mol×＝2 mol，而二氧化硅晶体中1个Si原子分别与4个O原子形成4个Si—O键，则1 mol SiO2晶体中Si—O键为4 mol。C正确。金刚石和二氧化硅熔化时，共价键会断裂。D正确，共价晶体中不存在分子。 一、共价键键能和键长及应用 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（946kJ·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＝反应物键能总和－生成物键能总和，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。键能越短，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、Cl-Cl、Br-Br、I-I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，成键原子的原子半径越小，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。如：当两个原子间形成双键、叁键时，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、C=C、C≡C的键长分别为154pm、133pm、120pm。 实践应用 1．某些化学键的键能(单位：kJ·mol－1)如表所示： 化学键 H—H Cl—Cl Br—Br I—I H—Cl H—Br H—I 键能 436 243 193 151 431 366 298 (1)1 mol H2在2 mol Cl2中燃烧，放出热量______ kJ。 (2)在一定条件下，1 mol H2与足量的Cl2、Br2、I2分别反应，放出热量由多到少的顺序是________(填字母)。 a．Cl2＞Br2＞I2 b．I2＞Br2＞Cl2 c．Br2＞I2＞Cl2 预测1 mol H2在足量F2中燃烧比在Cl2中燃烧放热________(填“多”或“少”)。 答案　(1)183　(2)a　多 解析　(1)根据键能数据可得，H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)　ΔH＝436 kJ·mol－1＋243 kJ·mol－1－431 kJ·mol－1×2＝－183 kJ·mol－1，1 mol H2在2 mol Cl2中燃烧，参加反应的H2和Cl2都是 1 mol，生成2 mol HCl，故放出的热量为183 kJ。(2)由表中数据计算知1 mol H2在Cl2中燃烧放热最多，在I2中燃烧放热最少；由以上结果分析，生成物越稳定，放出热量越多。因稳定性：HF＞HCl，故1 mol H2在足量F2中燃烧比在Cl2中燃烧放热多。 2．下列分子中，最难分裂成原子的是(　　) A．HF B．HCl C．HBr D．HI 答案　A 解析　一般来说，原子半径越小，其原子形成的共价键键长越短，键能越大，就越难断键。原子半径：F<Cl<Br<I，所以键长：HF<HCl<HBr<HI，键能：E(H—F)>E(H—Cl)>E(H—Br) >E(H—I)，即HF最难分裂成原子。 3．下表是从实验中测得的不同物质中的键长和键能数据： O—O O O O2 O 键长/(10－12 m) 149 128 121 112 键能/(kJ·mol－1) x y a＝494 b＝628 其中x、y的键能数据尚未测定，但可根据规律推导键能大小的顺序是b>a>y>x，该规律性是(　　) A．成键时，电子数越多，键能越大 B．键长越短，键能越大 C．成键所用的电子数越少，键能越小 D．成键时电子对越偏移，键能越大 答案　B 解析　观察表中数据发现，测定的化学键都是O—O键，因此不存在成键时电子数多少的问题，也不存在电子对偏移的问题，但是O2与O比较，键能大的对应的键长短，据此分析O的键长比O的键长长，所以O中O—O键的键能比O的小。若按照此规律，键长由短到长的顺序为O＜O2＜O＜O，键能大小的顺序应为b＞a＞y＞x，所以B项正确。 二、共价晶体的性质及判断 (1)共价晶体的物理性质 ①熔、沸点很高。共价晶体中各原子间以共价键相结合，要熔化必须破坏其中的共价键，需要较高的温度，所以共价晶体有很高的熔、沸点。 ②硬度很大。 ③难溶于一般溶剂。 ④一般不导电，但晶体硅是半导体。 (2)共价晶体熔沸点的比较 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＞碳化硅＞晶体硅。 (2)共价晶体的判断方法 ①从构成微粒或作用力类型判断 离子晶体和共价晶体的构成微粒间作用力列表如下： 晶体类型 离子晶体 共价晶体 构成微粒 离子 原子 微粒间作用力 离子键 共价键 ②从物质的类别判断 a．非金属单质中的金刚石、晶体硅、晶体硼属于共价晶体。 b．共价化合物中的SiO2、SiC、Si3N4、BN、AlN等属于共价晶体。 ③从晶体的物理性质判断 共价晶体熔点高，硬度大，大部分熔融及固体不导电，个别为半导体(如晶体硅)。 实践应用 1．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 答案　B 解析　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。 2．下列属于共价晶体的化合物的是(　　) A．晶体硅 B．H3PO4 C．金刚石 D．SiO2 答案　D 解析　晶体硅是单质，A错误；H3PO4不是共价晶体，B错误；金刚石是单质，C错误；SiO2是共价晶体，且属于化合物，D正确。 3．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 2 600 1 710 1 415 1 211 摩氏硬度 10 9 9 7 7 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 答案　D 解析　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。 三、常见共价晶体的结构 金刚石和二氧化硅结构比较 金刚石 (1)每个碳原子与相邻4个碳原子以共价键结合，形成正四面体结构 (2)键角均约为109°28′ (3)最小碳环由6个C组成且六个碳原子不在同一平面内 (4)每个C参与4个C—C键的形成，每个C—C键被2个碳原子共用，故C原子数与C—C键个数之比为1∶2 SiO2 (1)每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构 (2)每个正四面体占有1个Si，4个“O”，n(Si)∶n(O)＝1∶2 (3)最小环上有12个原子，即6个O，6个Si (4)1 mol SiO2中含有4 mol Si—O键 实践应用 1．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 答案 C 解析 A项，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，所以是共价晶体，熔沸点高、硬度大，故A正确；B项，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2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，故B正确；C项，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，故C错误；D项，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，故D正确。 2．二氧化硅晶体是空间网状结构，其结构如图所示。 下列关于二氧化硅晶体的说法不正确的是(　　) A．晶体中每个硅原子与4个氧原子相连 B．晶体中硅、氧原子个数比为1∶2 C．晶体中最小环上的原子数为8 D．晶体中硅、氧原子最外层都满足8电子结构 答案　C 解析　由二氧化硅晶体结构图可知，每个硅原子连有4个氧原子，每个氧原子连有2个硅原子，硅原子、氧原子个数比为1∶2，晶体中最小环上含有6个硅原子和6个氧原子，最小环上的原子总数为12；晶体中每个硅原子形成四对共用电子对，每个氧原子形成两对共用电子对，二者都满足最外层8电子稳定结构。 3．单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答问题： 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．金刚石的熔点高与C—C键的键能无关 B．金刚石中碳原子个数与C—C键键数之比为1∶2 C．金刚石的熔点高，所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却 答案　(1)共价　晶体硼的熔、沸点高，硬度大　(2)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，金刚石熔化过程中C—C键断裂，因C—C键的键能大，断裂时需要的能量多，故金刚石的熔点很高；选项B，金刚石中每个C都参与了4个C—C键的形成，而每个C对每条键的贡献只有一半，故碳原子个数与C—C键键数之比为(4×)∶4＝1∶2；选项C，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。 考点一 有关共价晶体的分析和计算 【例1】共价晶体因具有熔、沸点高，硬度大，耐磨等优良特性而具有广泛的用途。设NA为阿伏加德罗常数的值。 (1)晶体硅是良好的半导体材料，被广泛用于信息技术和能源科学等领域。晶体硅是与金刚石结构类似的晶体(其晶胞如图甲所示)，晶体硅的1个晶胞中含________个Si原子，在晶体硅的空间网状结构中最小环为__________元环，每个最小环独立含有__________个Si原子，含1 mol Si原子的晶体硅中Si—Si键的数目为________。 (2)金刚砂(SiC)也与金刚石具有相似的晶体结构(如图乙所示)，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。试回答下列问题： ①金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是_________________________(均用化学式表示)。 ②在金刚砂的结构中，一个硅原子结合了________个碳原子，其中的键角是________。 ③金刚砂的结构中含有C、Si原子以共价键结合形成的环，其中一个最小的环上独立含有________个C—Si键。 ④金刚砂的晶胞结构如图丙所示，在SiC中，每个C原子周围最近且等距的C原子数目为________；若金刚砂的密度为ρ g·cm－3，则晶体中最近的碳、硅原子之间的距离为______pm(用代数式表示即可)。 答案　(1)8　6　　2NA　(2)①Si<SiC<C　②4　109°28′　③1　④12　×1010 解析　(1)晶体硅是与金刚石结构类似的晶体，晶体硅的1个晶胞中含Si原子的数目为4＋8×＋6×＝8，在晶体硅的空间网状结构中最小环为6元环，每个硅原子被12个环共用，因此每个最小环独立含有Si原子的数目为6×＝，每个Si原子与周围4个Si原子形成4个共价键，每2个Si原子共用1个Si—Si键，即含1 mol Si原子的晶体硅中Si—Si键的数目为2NA。(2)①共价晶体中，共价键键长越短，键能越大，熔、沸点越高，因此金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是Si<SiC<C。②根据金刚砂的结构可知一个硅原子结合了4个碳原子，形成正四面体结构，其键角是109°28′。③金刚砂的结构中含有C、Si原子以共价键结合形成的环，一个最小环里共有6个C—Si键，1个C—Si键被6个环共用，因此一个最小的环上独立含有C—Si键的个数为6×＝1。④以SiC晶胞顶点的碳原子为研究对象，每个C原子周围最近且等距的C原子数目为12；1个金刚砂晶胞中含有4个碳原子、4个硅原子，若金刚砂的密度为ρ g·cm－3，则晶体中最近的碳、硅原子之间的距离为晶胞体对角线长的四分之一，1个晶胞的体积为 cm3，因此最近的碳、硅原子之间的距离为×1010 pm。 解题要点 常见共价晶体结构的分析 晶体 晶体结构 结构分析 金刚石 (1)每个C与相邻4个C以共价键结合，形成正四面体结构 (2)键角均为109°28′ (3)最小碳环由6个C组成且6个C不在同一平面内 (4)每个C参与4个C—C键的形成，C原子数与C—C键个数之比为1∶2 (5)ρ＝ g·cm－3(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值) SiO2 (1)每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构 (2)每个正四面体占有1个Si,4个“O”，因此二氧化硅晶体中Si与O的个数比为1∶2 (3)最小环上有12个原子，即6个O、6个Si (4)ρ＝ g·cm－3(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值) SiC、BP、AlN (1)每个原子与另外4个不同种类的原子形成正四面体结构 (2)密度：ρ(SiC)＝ g· cm－3； ρ(BP)＝ g·cm－3； ρ(AlN)＝ g·cm－3(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值) 【变式1-1】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晶胞结构图，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，故石英的分子式为SiO2 答案　D 解析　由题图可知每个硅原子与四个氧原子相连，而每个氧原子与两个硅原子相连，在晶体中Si原子与O原子的个数比为1∶2，“SiO2”仅表示石英的组成，不存在单个的SiO2分子，故D错误。 【变式1-2】氮化硼(BN)是一种新型无机非金属材料，具有多种结构，其中一种氮化硼的硬度仅次于金刚石，它是一种共价晶体，其晶胞结构如图所示。 回答下列问题： (1)每个B周围有____个N，每个N周围有____个B原子，每个N周围有____个N。 (2)在BN中有配位键，其中配位键________→________(填“B”或“N”)。 答案　(1)4　4　12　(2)N　B 基础达标 1．下列事实不能用键能的大小来解释的是(　　) A．N元素的电负性较大，但N2的化学性质很稳定 B．稀有气体一般难发生化学反应 C．HF、HCl、HBr、HI的热稳定性逐渐减弱 D．F2比O2更容易与H2反应 答案　B 解析　由于N2分子中存在三键，键能很大，破坏共价键需要很大的能量，所以N2的化学性质很稳定；稀有气体都为单原子分子，分子内部没有化学键；卤族元素从F到I原子半径逐渐增大，其氢化物中的化学键键长逐渐增长，键能逐渐减小，所以热稳定性逐渐减弱；由于H—F键的键能大于H—O键的键能，所以二者相比较，更容易生成HF。 2．二氯化二硫(S2Cl2)，非平面结构，常温下是一种黄红色液体，有刺激性恶臭，熔点：－80 ℃，沸点：137.1 ℃。下列对于二氯化二硫叙述正确的是(　　) A．二氯化二硫的电子式为 B．分子中既有极性键又有非极性键 C．分子中S—Cl键的键长大于S—S键的键长 D．分子中S—Cl键的键能小于S—S键的键能 答案　B 解析　S2Cl2分子中S原子之间形成1对共用电子对，Cl原子与S原子之间形成1对共用电子对，结合非平面结构可知S2Cl2的结构式为Cl—S—S—Cl，电子式为，故A错误；S2Cl2中Cl—S键属于极性键，S—S键属于非极性键，故B正确；同周期主族元素从左往右原子半径逐渐减小，所以氯原子半径小于硫原子半径，键长越短键能越大，所以分子中S—Cl键的键长小于S—S键的键长，S—Cl键的键能大于S—S键的键能，故C、D错误。 3．H2和I2在一定条件下能发生反应：H2(g)＋I2(g)2HI(g)　ΔH＝－a kJ·mol－1，下列说法正确的是(　　) 已知：(a、b、c均大于零) A．H2、I2和HI分子中的化学键都是非极性共价键 B．断开2 mol HI分子中的化学键所需能量约为(c＋b＋a) kJ C．相同条件下，1 mol H2(g)和1 mol I2(g)的总能量小于2 mol HI (g)的总能量 D．向密闭容器中加入2 mol H2(g)和2 mol I2(g)，充分反应后放出的热量为2a kJ 答案　B 解析　HI分子中共价键是由不同种非金属元素形成的，属于极性共价键，A错误；反应热等于断键吸收的能量与成键放出的能量的差值，则－a＝b＋c－2x，解得x＝，所以断开2 mol HI分子中的化学键所需能量约为(c＋b＋a) kJ，B正确；该反应是放热反应，则相同条件下，1 mol H2(g)和1 mol I2(g)的总能量大于2 mol HI (g)的总能量，C错误；该反应是可逆反应，则向密闭容器中加入2 mol H2(g)和2 mol I2(g)，充分反应后放出的热量小于2a kJ，D错误。 4．已知1 g氢气完全燃烧生成液态水时放出热量143 kJ，18 g水蒸气变成液态水放出44 kJ的热量。其他相关数据如下表： 化学键 O==O(g) H—H(g) H—O(g) 键能/ (kJ·mol－1) 496 436 x 则表中x为(　　) A．920 B．557 C．463 D．188 答案　C 解析　根据题意，可得热化学方程式为2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝－572 kJ·mol－1；而18 g水蒸气变成液态水时放出44 kJ热量，则2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)　ΔH＝－484 kJ·mol－1，即－484 kJ·mol－1＝2×436 kJ·mol－1＋496 kJ·mol－1－4x kJ·mol－1，解得x＝463。 5．碳化硅(SiC)的一种晶体具有类似金刚石的结构，其中碳原子与硅原子的位置是交替的，在下列三种晶体中，它们的熔点从高到低的顺序是(　　) ①金刚石　②晶体硅　③碳化硅 A．①③② B．②③① C．③①② D．②①③ 答案　A 解析　这三种晶体属于同种类型，熔化时需破坏共价键，①金刚石中为C—C键，②晶体硅中为Si—Si键，③SiC中为Si—C键，由原子半径可知Si—Si键的键长最长，C—C键的键长最短，键长越短共价键越稳定，破坏时需要的热量越多，故熔点从高到低的顺序为①③②。 6．氮氧化铝(AlON)属共价晶体，是一种超强透明材料，下列描述错误的是(　　) A．AlON和石英的化学键类型相同 B．AlON和石英晶体类型相同 C．AlON和Al2O3的化学键类型不同 D．AlON和Al2O3晶体类型相同 答案　D 解析　AlON与石英(SiO2)均为共价晶体，所含化学键均为共价键，A、B项正确；Al2O3不是共价晶体，晶体中含离子键，不含共价键，C项正确、D项错误。 7．下列有关叙述错误的是(　　) A．金刚石晶体和二氧化硅晶体的最小结构单元都是正四面体 B．1 mol金刚石中C—C键的数目是4NA(设NA为阿伏加德罗常数的值) C．水晶在熔化时，晶体中的共价键会断裂 D．SiO2晶体是共价晶体，其中不存在分子 答案　B 解析　金刚石晶体中，1个C原子连接4个C原子，二氧化硅晶体中，1个Si原子连接4个O原子，二者的最小结构单元均为正四面体，A项正确；金刚石中1个C原子分别与另外4个C原子形成4个C—C键，而每个C—C键是2个C原子共有的，所以1 mol金刚石中C—C键的数目为4NA×＝2NA，B项错误；水晶熔化时共价键会断裂，C项正确；SiO2是由Si原子和O原子构成的共价晶体，所以SiO2晶体中不含分子，D项正确。 8．利用反应CCl4＋4NaC(金刚石)＋4NaCl可实现人工合成金刚石。下列有关说法错误的是(　　) A．C(金刚石)属于共价晶体 B．该反应利用了Na的强还原性 C．NaCl和C(金刚石)的晶体类型不同 D．每个金刚石晶胞中含有4个碳原子 答案　D 解析　金刚石属于共价晶体，故A正确；反应中Na元素的化合价由0价升高为＋1价，Na在该反应中作还原剂，反应利用了钠的强还原性，故B正确；NaCl属于离子晶体，金刚石属于共价晶体，故C正确。 9．下列说法正确的是(　　) A．在含4 mol Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4NA B．金刚石晶体中，碳原子个数与C—C键个数之比为1∶2 C．30 g二氧化硅晶体中含有0.5NA个二氧化硅分子 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　B 解析　二氧化硅晶体中每个硅原子形成4个Si—O键，故含有4 mol Si—O键的二氧化硅晶体的物质的量为1 mol，含有2NA个氧原子，A项错误；金刚石中每个碳原子均与另外4个碳原子形成共价键，且每两个碳原子形成一个C—C键，故1 mol碳原子构成的金刚石中共有2 mol C—C键，因此碳原子个数与C—C键个数之比为1∶2，B项正确；二氧化硅晶体中不存在分子，C项错误；氖晶体是由单原子分子靠分子间作用力结合在一起形成的，不属于共价晶体，D项错误。 10．下列关于SiO2和金刚石的叙述正确的是(　　) A．SiO2的晶体结构中，每个Si原子与2个O原子直接相连 B．通常状况下，1 mol SiO2晶体中含有的分子数为NA(NA表示阿伏加德罗常数的值) C．金刚石的网状结构中，由共价键形成的最小环上有6个碳原子 D．1 mol SiO2晶体中含有2NA个Si—O键(NA表示阿伏加德罗常数的值) 答案　C 解析　SiO2的晶体结构中，每个Si原子与4个O原子直接相连，A错误；SiO2属于共价晶体，不存在SiO2分子，B错误；1 mol SiO2晶体中含有4NA个Si—O键，D错误。 综合应用 11．氮化碳结构如图所示，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晶体中微粒间通过离子键结合 B．C3N4晶体中，C－N键的键长比金刚石中C－C键的键长要大 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3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 答案 C 解析 根据题目所给形式，β－氮化碳硬度超过金刚石晶体，因此氮化碳为共价晶体。A选项，共价晶体中只含有共价键，错误；B选项，N 原子半径比C原子半径小，键长C-N<C-C，错误；C选项，根据结构图，每个C原子连接4个N原子，每个N原子连接3个C原子，正确；D选项，电负性N>C，N显-3价，C显+4价，错误。 12．我国的激光技术在世界上处于领先地位，据报道，有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。其原因可能是(　　) A．碳、氮原子构成平面结构的晶体 B．碳氮键比金刚石中的碳碳键键长更短 C．氮原子电子数比碳原子电子数多 D．碳、氮的单质的化学性质均不活泼 答案　B 解析　碳、氮原子结合成的碳氮化合物比金刚石更坚硬，说明该化合物为共价晶体，为立体三维骨架结构，A错误；由于原子半径：N<C，原子半径越小，共价键的键长越短，则键能越大，所以碳氮化合物比金刚石更坚硬，B正确；共价晶体的熔、沸点和硬度与共价键有关，与电子数的多少无关，C错误；碳、氮的单质化学性质均不活泼，与两种元素形成的化合物的性质无关，D错误。 13．GaAs作为第二代半导体材料的代表，具有宽禁带、高频、高压、抗辐射、耐高温及发光效率高的特点，被广泛应用于移动通信、无线通信、光纤通信、LED、卫星导航等领域。GaAs晶胞结构如图所示，晶胞边长为a pm，下列说法正确的是(　　) A．基态砷原子外围电子轨道表示式为 B．GaAs属于分子晶体 C．As的配位数为8 D．该晶体密度为 g·cm－3 答案　D 解析　砷元素的原子序数为33，外围电子排布式为4s24p3，外围电子轨道表示式为，A错误；由砷化镓为半导体材料及耐高温的特点可知，砷化镓是熔、沸点高的共价晶体，B错误；由晶胞结构可知，与砷原子距离最近的镓原子的个数为4，所以砷原子的配位数为4，C错误；由晶胞结构可知，位于体内的砷原子的个数为4，位于顶点和面心的镓原子个数为8×＋6×＝4，设晶体的密度为d g·cm－3，由晶胞的质量公式可得：＝10—30a3d，解得d＝，D正确。 14．在高压下氮气会聚合生成高聚氮，这种高聚氮的晶体中每个氮原子都通过三个单键与其他氮原子结合并向空间发展构成立体网状结构。已知晶体中N—N键的键能为160 kJ·mol-1，而N≡N的键能为942 kJ·mol-1。则下列有关说法不正确的是(　　) A．键能越大说明化学键越牢固．所构成物质越稳定 B．高聚氮晶体属于共价晶体 C．高聚氮晶体中n(N)∶n(N—N)=1∶3 D．用作炸药或高能材料可能是高聚氮潜在的应用 答案 C 解析 高聚氮晶体中原子间以共价键结合成空间网状结构．所以高聚氮为共价晶体；晶体中每个氮原子与三个氮原子成键，而每个N—N键为两个氮原子共有，所以高聚氮晶体中n(N)∶n(N—N)=2∶3；高聚氮晶体反应时能放出大量的热，并且生成氮气，体积剧烈膨胀，可用作炸药或高能材料。 拓展培优 15．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空间网状结构的共价晶体。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。 16．Ⅰ.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在13 000 ℃时反应获得。 (1)氮化硅晶体属于________晶体。 (2)已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且N原子和N原子，Si原子与Si原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式：___________。 (3)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得到较高纯度的氮化硅。反应的化学方程式为______________________________________________________。 Ⅱ.六方氮化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5 pm，立方氮化硼晶胞中含有______个氮原子、________个硼原子，立方氮化硼的密度是______________ g·cm－3(只要求列算式，不必计算出数值，阿伏加德罗常数的值为NA)。 答案　Ⅰ.(1)共价　(2)Si3N4　(3)3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl Ⅱ.4　4　 解析　Ⅰ.(2)氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且N原子和N原子， Si原子和Si原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构，因此氮化硅的化学式为Si3N4。 Ⅱ.立方氮化硼的结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，在金刚石的一个晶胞中含有C原子的个数：8×＋6×＋4＝8，则在立方氮化硼晶胞中含有4个氮原子、4个硼原子；由于晶胞边长为361.5 pm，所以立方氮化硼的密度是ρ＝＝ g·cm－3。 17．金刚石晶胞结构如图所示，回答下列问题。 (1)已知晶胞参数为a pm，则金刚石的密度为____________g·cm－3(写出计算表达式，用NA表示阿伏加德罗常数的值)。 (2)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为______ pm。 (3)碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？ (4)金刚石晶胞在z轴方向的投影如图，请补齐原子的位置。 答案　(1)　(2)a　(3)2r＝a pm，即r＝a pm。 (4) 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $