3.3 共价晶体和分子晶体 第1课时（同步讲义）化学沪科版选择性必修2

第三章 晶体结构与性质 第三节 共价晶体和分子晶体 第1课时 共价晶体 教学目标 1．能根据晶体的结构、性质等辨识常见的共价晶体。 2．知道共价晶体的概念及熔、沸点、硬度等物理性质的特点和规律。 3．能从微观角度分析共价晶体中各微粒及微粒之间的作用力对其物理性质的影响。 4．能借助金刚石、二氧化硅等典型晶体的晶胞模型，理解共价晶体中微粒的堆积模型。 重点和难点 重点：共价晶体的结构、性质及微粒数的计算 难点：共价晶体的晶胞及有关计算 ◆知识点一 共价晶体的概念及结构特点 1．概念：所有原子都以 键相互结合形成共价三维骨架结构的晶体叫共价晶体。 2．结构特点 （1）构成微粒： 通过共价键结合形成。 （2）微粒间作用力：只存在（原子间） 一种作用力。 （3）结构特征： ①晶体中的原子间全部通过 相结合，且晶体中原子的空间排列主要取决于共价键的 ，所以共价晶体中 球密堆积的特征。 ②整块晶体是一个三维的共价键 结构， 单个分子，是一个“巨分子”，又称原子晶体。 3．常见的共价晶体 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 某些化合物 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)等 某些非金属氧化物 二氧化硅(SiO2)等 极少数金属氧化物 刚玉(ɑ-Al2O3) 4．共价晶体的物理性质 （1）主要物理性质 ①熔点 ：共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时必须破坏 ，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硬度 ：共价键三维骨架结构决定了共价晶体的硬度，如金刚石是天然存在的 的物质。 ③导电性：一般 ，但晶体硅、锗是 ，且难溶于一般的溶剂。 （2）熔、沸点高低的比较方法： ①规律：一般原子半径越小，键长 ，键能 ，晶体的熔点就 。 ②原因：原子半径越小，则化学键的键长 ，化学键就 ，键就越牢固，破坏化学键需要的能量就 ，键能 ，故晶体的熔点就越高。 ③实例：在金刚石、碳化硅、晶体硅中，原子半径C<Si，则键长C-C<C-Si<Si-Si，故键能C-C C-Si Si-Si，故熔点金刚石 碳化硅 晶体硅。 【特别提醒】 （1）共价晶体是一个三维的共价键网状结构，不存在单个的小分子，因此，共价晶体的化学式 表示其实际组成，只表示其组成的原子 。 （2）共价晶体熔化时被破坏的作用力是 。 （3）共价晶体中只有共价键，但含有共价键的晶体 是共价晶体。如CO2、H2O等分子晶体中也含有共价键。 （4）由原子构成的晶体 是共价晶体，如稀有气体组成的晶体属于分子晶体。 即学即练 1．已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于C3N4晶体的说法不正确的是 A．该晶体属于共价晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固 B．该晶体中每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子 C．该晶体与金刚石相似，碳原子个数与碳氮键个数之比为1∶2 D．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子稳定结构 2．下表是某些共价晶体的熔点 共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 晶体硅 晶体锗 熔点/℃ 大于3500 3000 2830 1710 1412 1211 分析表中的数据，下列叙述正确的是 A．构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高 B．硬度：晶体硅＜SiC＜金刚石 C．键能：C－C＜Si－Si＜Si－O D．石英的分子式： 3．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1 300 ℃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______________________________________________________________。 （4）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)。 ◆知识点二 几种典型的共价晶体 1．金刚石（C） 金刚石晶体结构、键角和晶胞示意图 晶体结构模型 键角为 金刚石的晶胞 原子半径与边长的关系：8r= （1）成键特征：每个碳原子都采取 杂化，每个碳原子与相邻的4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 。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，碳原子的个数与C—C键数比为 。因此12g(1mol)金刚石中含有 mol(2NA个)C—C键。 （2）结构特征：每个碳原子均与相邻的4个碳原子构成 结构，向空间无限延伸得到立体网状结构的晶体。最小碳环由 个碳原子组成，并且 同一平面(实际为椅式结构)，但最小环上有 个碳原子在同一平面内。故每个碳原子被 个六元环共用，每个共价键被 个六元环共用，一个六元环实际拥有 个碳原子。 （3）晶胞结构：8个顶点，6个面心上各有1个碳原子；把晶胞分割分 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）密度＝ (a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数)。 2．晶体（Si） 硅的晶体结构模型 硅晶体的晶胞 （1）由于Si与碳同主族，晶体Si的结构同金刚石的结构 。将金刚石晶胞中的C原子全部换成Si原子，健长稍长些便可得到晶体硅的晶胞。每个硅原子均以 个共价键对称地与相邻的4个硅原子相结合，形成 结构，键角均为 。 （2）每个硅晶胞中含有 个硅原子，最小的碳环为 元环，硅原子为 杂化。 （3）每个硅原子被 个六元环共用，每个共价键被 个六元环共用，一个六元环实际拥有 个硅原子。 （4）硅原子数与Si—Si键数之比为 ，1mol Si中含有 mol共价键。 3．二氧化硅晶体（SiO2） SiO2的晶体结构模型 SiO2的晶胞 （1）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 个Si原子位于立方晶胞的顶点，有 个Si原子位于立方晶胞的面心，还有 个Si原子与 个O原子在晶胞内构成4个硅氧 结构，均匀排列于晶胞内。 （2）SiO2晶体中最小的环为 元环，最小的环有 个硅原子和 个氧原子。 （3）SiO2晶体中，每个Si原子与 个O原子结合，Si在正四面体的中心，O在正四面体的顶点，每个O原子为 个正四面体共有，正四面体内O－Si－O夹角为 ，而正四面体之间Si－O－Si夹角为104°30′。 （4）每个硅原子都采取 杂化，以4个共价单键与4个氧原子结合，每个氧原子与2个硅原子结合，向空间扩展，构成 结构，硅、氧原子个数比为 ，每个SiO2晶胞中含有 个Si原子，含有 个O原子。 （5）每个Si原子被 个十二元环共用，每个O原子被 个十二元环共用。 （6）Si与Si—O共价键之比为 ，1mol Si O2晶体中有 mol共价键。 （7）密度＝ (a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数)。 3．SiC（或BN）晶体 SiC晶胞 （1）SiC晶胞和BN晶胞与金刚石晶胞 ，每个SiC晶胞含有 个Si原子和 个C原子；每个BN晶胞含有 个B原子和 个N原子。 （2）碳、硅原子都采取 杂化，C—Si键角为 。 （3）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 结构，向空间伸展形成 结构。 （4）最小碳环由 个原子组成且不在同一平面内，其中包括 个C原子和 个Si原子 （5）每个SiC晶胞中含有 个C原子和 个Si原子。 （6）若Si与C最近距离为d，则边长(a)与最近距离(d)的关系：4d= ⑥密度：ρ(SiC)＝ 。 即学即练 1．可以从金刚石的晶体结构建立金刚石晶胞结构。下列说法正确的是 A．晶体结构和晶胞结构是金刚石结构的两种呈现方式 B．晶体结构中，晶胞结构中 C．晶体结构中的最小环是6元环，晶胞结构中的最小环是12元环 D．晶体结构中所有的碳原子都参与成键，晶胞结构中部分碳原子没有成键 2．SiO2的晶体结构想象为：在晶体硅的Si－Si 键之间插入O原子(见下图)。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.晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2，可用“SiO2”作为石英晶体的分子式 D.SiO2晶体中所有键的键长都相同 3．（1）金刚砂(SiC)的硬度为9.5，其晶胞结构如图甲所示，则金刚砂晶体类型为____________；在SiC中，每个C原子周围最近的C原子数目为______；若晶胞的边长为a pm，阿伏加德罗常数的值为NA，则金刚砂的密度表达式为___________________________________。 （2）硅的某种单质的晶胞结构如图乙所示。GaN晶体晶胞结构与该硅晶体相似。则GaN晶体中，每个Ga原子与______个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为______________。若该硅晶体的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA，则晶体中最近的两个硅原子之间的距离为__________________cm(用代数式表示即可)。 一、共价晶体的结构与性质 1．两种典型结构模型 金刚石晶体 ①金刚石晶体中，每个C与另外4个C形成共价键，碳原子采取sp3杂化，C—C—C夹角是109°28′，最小的环是6元环。每个C被12个六元环共用。含有1 mol C的金刚石中形成的C—C共价键有2 mol。 ②在金刚石的晶胞中，内部的C在晶胞的体对角线的处。每个晶胞含有8个C 二氧化硅晶体 SiO2晶体中，每个Si原子与4个O原子成键，每个O原子与2个Si原子成键，最小的环是12元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是Si原子。1 mol SiO2晶体中含Si—O键数目为4NA，在SiO2晶体中Si、O原子均采取sp3杂化。低温石英结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，具有手性。 （1）由于共价键的饱和性和方向性，使每个中心原子周围排列的原子数目是固定的。 （2）由于所有原子间均以共价键相结合，所以晶体中不存在单个分子。 2．性质特点 共价晶体 构成微粒 原子 粒子间的相互作用力 共价键 硬度 很大 熔、沸点 很高 溶解性 难溶于任何溶剂 导电、导热性 一般不具有导电性 物质类别及举例 部分非金属单质(如金刚石、硅、晶体硼、晶体锗)、部分非金属化合物(如SiC、Si3N4、SiO2)，氮化硼(BN) 实践应用 1．常见晶体的结构分析 （1）金刚石晶体        ①在晶体中每个碳原子以共价单键与相邻的___________个碳原子相结合，成为____________构型。 ②晶体中C—C—C夹角为____________，碳原子采取了____________杂化。 ③最小环上有___________个碳原子。 ④晶体中碳原子个数与C—C键数之比为______________。 ⑤在一个晶胞中，碳原子位于立方体的8个顶点、6个面心以及晶胞内部，由“均摊法”可求出该晶胞中实际含有的碳原子数为______________。 （2）二氧化硅晶体 ①每个硅原子与相邻的四个氧原子以共价键相结合构成正四面体结构，硅原子在正四面体的中心，4个氧原子在正四面体的4个顶点。晶体中Si原子与O原子个数比为_____________。 ②每个Si原子与4个O原子成键，每个O原子与_____________个Si原子成键，1molSiO2晶体中含Si-O键数目为______________。 2．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3 500 ℃，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 二、共价晶体的判断方法 （1）依据构成晶体的微粒种类和微粒间的作用力判断：构成共价晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键。 （2）依据晶体的熔点判断：共价晶体的熔点高，常在1 000 ℃以上。 （3）依据晶体的导电性判断：共价晶体多数为非导体，但晶体Si、晶体Ge为半导体。 （4）依据晶体的硬度和机械性能判断：共价晶体硬度大。 （5）依据物质的分类判断：常见的单质类共价晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等；常见的化合物类共价晶体有碳化硅、二氧化硅等。 （6）根据溶解性判断：共价晶体一般不溶于任何溶剂。 实践应用 1．下列说法中，错误的是 A．稀有气体只含原子，但稀有气体的晶体属于分子晶体 B．共价晶体中，共价键越强，熔点越高 C．冰融化时，分子中H—O键发生断裂 D．分子晶体的熔点一般比共价晶体的熔点低 2．2023年春节期间，国产科幻电影《流浪地球》火遍全网，电影中涉及很多有趣的知识。下列说法错误的是 A．影片幻想了太阳氦闪，地球将被摧毁。氦气属于稀有气体、是空气的成分之一 B．电影中由硅、碳、氧、硫等元素经过一系列变化能变成铁，该过程属于化学变化 C．固定太空电梯的缆绳材料最有可能是碳纳米管(如图)，碳纳米管与互为同素异形体 D．建造行星发动机需要耐高温材料，这种材料很可能是一种共价晶体 考点一 共价晶体类型的判断 【例1】下列我国科研成果所涉及材料中，是共价晶体的是 A.4.03米大口径碳化硅反射镜 B.2022年冬奥会聚氨酯速滑服 C.能屏蔽电磁波的碳包覆银纳米线 D.“玉兔二号”钛合金筛网轮 【变式1-1】化学起源于生活，同时促进社会的发展，下列叙述中，错误的是 A．神舟系列飞船返回舱使用氮化硅耐高温结构材料，Si3N4属于共价晶体 B．高铁酸钠(Na2FeO4)是一种新型绿色消毒剂，主要用于饮用水的处理 C．绿色化学的核心思想是凡污染必治理 D．“纳米酶”的提出，模糊了无机材料与有机生物界限，促进了纳米科学与医学的交融 【变式1-2】A、B为原子序数依次增大的短周期主族元素，基态原子的最外层均有2个未成对电子，A、B形成的二元化合物在自然界中普遍存在，并有多种结构，如图是其中一种结构的晶胞示意图。下列说法正确的是 A．该二元化合物是分子晶体 B．每个晶胞拥有A原子的数目为6个 C．该二元化合物A、B 两原子的杂化方式不同 D．该二元化合物中只有B原子满足8电子稳定结构 考点二 共价晶体的结构与性质 【例2】AlN、GaN属于第三代半导体材料，二者成键结构与金刚石相似，晶体中只存在键、键。下列说法错误的是 A．晶体中所有原子的配位数均相同 B．晶体中所有化学键均为极性键 C．晶体中的外围电子排布式为 D．的熔点高于 【变式2-1】已知氮化碳晶体是新发现的高硬度材料，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于该晶体的说法错误的是 A．氮化碳属于共价晶体，比金刚石的硬度更大 B．该晶体中每个碳原子与4个氮原子相连，每个氮原子与3个碳原子相连，氮化碳的化学式为C3N4 C．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构 D．该晶体与金刚石相似，都是原子间以非极性键形成空间网状结构 【变式2-1】下表是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/ 3900 3000 2600 1710 1415 1211 硬度 10 9.5 9.5 7.0 6.5 6.0 分析表中的数据，判断下列叙述正确的是 A．构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高 B．一般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 C．构成共价晶体的原子的半径越大，晶体的硬度越大 D．构成共价晶体的原子的相对原子质量越大，晶体的硬度越大 考点三 常见典型共价晶体 【例3】下列为碳元素形成的几种同素异形体，有关晶体结构说法正确的是 A．1个金刚石晶胞中含8个C原子，最小的六圆环最多有3个原子共面 B．石墨晶体，C原子与C-C键个数比为1：3，六圆环与C原子数之比为1：6 C．三种晶体中C原子均为sp2杂化，都属于共价晶体，熔点石墨>金刚石>C60 D．C60晶胞属于分子密堆积，每个晶胞中含240个C原子 【变式3-1】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 【变式2-2】共价晶体是由原子直接通过共价键形成的空间网状结构的晶体，因其具有高熔、沸点，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1molSi原子的晶体硅中键的数目为_______。 （2）金刚砂()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_______个键。 ④金刚砂的晶胞结构如图丙所示，在中，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，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)。 考点四 共价晶体的晶胞及有关计算 【例4】磷化硼(BP)是一种超硬耐磨涂层材料，其结构与金刚石类似，晶胞结构如图所示，设晶胞参数为apm，下列说法不正确的是 A．基态磷原子的核外电子运动状态有 15种 B．P与B原子的最近距离为 C．与P原子最近的等距离的P原子有 12个 D．该晶体的密度为 【变式3-1】金刚砂的晶胞结构如图所示，下列说法正确的是 已知：NA为阿伏加德罗常数的值，晶胞的边长为a pm。 A．a原子的坐标参数为() B．熔点：金刚砂>二氧化硅>石墨>金刚石 C．该晶体的密度为 D．金刚砂硬度大，在较大外力的锤击下，化学键不发生断裂 【变式3-2】砷化镓（GaAs）的晶胞结构如图甲所示，将Mn掺杂到晶体中得到稀磁性半导体材料，其晶胞结构如图乙所示，下列说法错误的是 A．Ga、As均属于p区元素 B．图甲中，Ga原子位于As原子构成的正四面体空隙中 C．图甲中，若Ga—As的键长为，则晶胞边长为 D．稀磁性半导体材料中，Mn、As的原子个数比为 基础达标 1．下列有关共价晶体的叙述错误的是 A．共价晶体中，只存在共价键 B．共价晶体具有空间网状结构 C．共价晶体中不存在独立的分子 D．共价晶体熔化时不破坏共价键 2．下列关于金刚石的说法中，错误的是 A．晶体中不存在独立的分子 B．碳原子间以共价键相结合 C．是天然存在的硬度最大的物质 D．化学性质稳定，在高温下也不与氧气发生反应 3．美国《科学》杂志曾报道：在40 GPa的高压下，用激光加热到1800 K，人们成功制得了共价晶体CO2，下列对该物质的推断一定不正确的是 A．该共价晶体中含有极性键 B．该共价晶体易气化，可用作制冷材料 C．该共价晶体有很高的熔点 D．该共价晶体硬度大，可用作耐磨材料 4．下列关于SiO2晶体结构的叙述正确的是 A．存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶角 B．最小的环为3个Si原子和3个O原子组成的六元环 C．最小的环上实际占有的Si原子和O原子个数之比为1∶1 D．最小的环为6个Si原子和6个O原子组成的十二元环 5．最近科学家成功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一种空间网状的无限伸展结构，下列对该晶体叙述错误的是 A.该晶体类型是共价晶体 B.该晶体中碳原子和氧原子的个数比为1∶2 C.晶体中碳原子数与C－O化学键数之比为1∶4 D.该晶体中碳原子轨道杂化类型与二氧化碳分子中碳原子的轨道杂化类型相同 6．下列有关叙述不正确的是 A．金刚石和二氧化硅晶体的最小结构单元都是正四面体 B．含1molC的金刚石中C-C键数目是2NA，晶体中Si-O键数目是4NA C．黄色，熔点2 200 ℃，熔融态不导电的碳化铝晶体不属于共价晶体 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 7．氮化铝属类金刚石氮化物、六方晶系，最高可稳定到2 200 ℃，硬度大，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料，氮化铝晶胞结构如图所示。下列有关描述错误的是 A．AlN是共价晶体 B．Al的配位数为4 C．AlN属于离子化合物 D．与每个铝原子距离相等且最近的铝原子共有12个 8．制造光导纤维的材料是一种很纯的硅氧化物，它是具有立体网状结构的晶体（如图1），简化的平面示意图如图2所示。下列关于该硅氧化物的说法正确的是 图1 图2 A．该晶体中硅原子与氧原子的数目之比是1︰4 B．这种氧化物形成的晶体是共价晶体 C．该晶体中存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶角 D．该晶体中最小的环上有3个硅原子和3个氧原子 9．Al2O3在一定条件下可转化为硬度、熔点都很高的氮化铝晶体，氮化铝的晶胞如图所示。下列说法正确的是 A．氮化铝属于分子晶体 B．氮化铝可用于制造切割金属的刀具 C．1个氮化铝晶胞中含有9个Al 原子 D．氮化铝晶体中Al的配位数为2 10．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晶体是立体网状结构 C．共价晶体C3N4的熔点比Si3N4的低 D．SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂 11．根据量子力学计算，氮化碳有五种结构，其中一种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，已知该氮化碳的二维晶体结构如图所示。下列有关该氮化碳的说法不正确的是 A．该晶体中的碳、氮原子核外最外层都满足8电子稳定结构 B．氮化碳中碳元素显+4价，氮元素显-3价 C．每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子和三个碳原子相连 D．氮化碳的分子式为C3N4 12．硅是制作光伏电池的关键材料。在Si晶体中掺杂不同种类的元素，可形成多电子的n型或缺电子的p型半导体。n型和p型半导体相互叠加形成p-n结，此时自由电子发生扩散运动，在交界面处形成电场。下列说法正确的是 A．1 mol Si晶体中含有的Si—Si数目为4NA B．若在Si晶体中掺入P元素，可得n型半导体 C．p-n结中，n型一侧带负电，p型一侧带正电 D．光伏电池的能量转化形式：光能→化学能→电能 综合应用 13．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 14．短周期主族元素X、Y、Z、W的原子序数依次增大，W的最外层电子数比X的最外层电子数少1个，X、Y、Z为同一周期元素，X、Y、Z组成一种化合物(ZXY)2的结构式如图所示。下列说法错误的是 A．W位于元素周期表的p区 B．第一电离能：Y＞Z＞X C．W的原子中有9种运动状态不同的电子 D．Y、W可形成共价晶体 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．美国某实验室成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体，下列关于CO2的共价晶体的说法正确的是 A．CO2的共价晶体和分子晶体互为同素异形体 B．在一定条件下，CO2的共价晶体转化为CO2的分子晶体是物理变化 C．CO2的共价晶体和CO2的分子晶体具有相同的物理性质和化学性质 D．在CO2的共价晶体中，每个C原子结合4个O原子，每个O原子跟2个C原子相结合 17．金刚砂与金刚石具有相似的晶体结构，硬度为9.5，熔点为2700℃，其晶胞结构如图所示。下列说法正确的是 A．该晶体属于共价晶体，熔点比金刚石高 B．C位于Si构成的正四面体空隙中 C．C—Si的键长为apm，则晶胞边长为2apm D．金刚砂中C原子周围等距且最近的C原子数为6 拓展培优 18．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 19．磷化硼的晶胞及某些原子的分数坐标如图所示，下列说法正确的是 A．磷化硼中P的价层电子对数为3 B．相同条件下的熔点：BN＞BP C．磷化硼不溶于水，但可能溶于苯 D．a原子的分数坐标为(0，，) 20．碳有金刚石(晶体模型如图a)、(分子结构如图b，每个分子内有32个面，均为正五边形或正六边形)等单质，碳能形成甲醛、氮化碳(分子结构如图c，分子内N和C均达到稳定结构)等化合物，下列说法不正确的是 A．金刚石结构中最小环是六元环，平均每个六元环有0.5个C，1条C—C B．γ-氮化碳的分子式为C6N8 C．甲醛中C为sp2杂化 D．分子中有16个五元环和16个六元环 21．有X、Y、Z、W、M五种短周期元素，其中X、Y、Z、W同周期，Z、M同主族；X+与M2-具有相同的电子层结构；离子半径：Z2->W-；Y的单质晶体熔点高、硬度大，是一种重要的半导体材料。下列说法中，正确的是 A．X、M两种元素只能形成X2M型化合物 B．由于W、Z、M元素的简单氢化物相对分子质量依次减小，所以其沸点依次降低 C．元素Y、Z、W的单质晶体属于同种类型的晶体 D．元素W和M的某些单质可作为水处理中的消毒剂 22．氮化铝晶体为共价晶体，是一种新型的无机非金属材料，有其重大用途。 （1）某一种制取方法是Al2O3+C+N2—AlN+CO(未配平)。 ①每个N2中含 个键，碳单质常见的是金刚石、石墨，其碳原子通常依次采用 、 杂化； ②碳单质与生石灰在高温下生成电石与CO，CaC2晶体属于含离子键和 (填非极性或极性)共价键的离子晶体，而CO与CO2比较，CO中键更短，其主要原因是 。 （2）AlN也可由(CH3)3Al和NH3在一定条件下制取，该反应的化学方程式是 (可以不写反应条件)，氨属于含极性共价键的 (填非极性或极性)分子。 （3）已知晶胞如图所示： ①空心球(原子)半径大于黑心球(原子)半径，空心球代表的是 (写名称)原子，理由是r(空心球) (黑心球)[填写某一种原子(X)的原子半径r(X)，X的单质通常不形成共价晶体]； ②设NA为阿伏加德罗常数的值，晶胞的边长acm，则的晶体密度为 。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $ 第三章 晶体结构与性质 第三节 共价晶体和分子晶体 第1课时 共价晶体 教学目标 1．能根据晶体的结构、性质等辨识常见的共价晶体。 2．知道共价晶体的概念及熔、沸点、硬度等物理性质的特点和规律。 3．能从微观角度分析共价晶体中各微粒及微粒之间的作用力对其物理性质的影响。 4．能借助金刚石、二氧化硅等典型晶体的晶胞模型，理解共价晶体中微粒的堆积模型。 重点和难点 重点：共价晶体的结构、性质及微粒数的计算 难点：共价晶体的晶胞及有关计算 ◆知识点一 共价晶体的概念及结构特点 1．概念：所有原子都以共价键相互结合形成共价三维骨架结构的晶体叫共价晶体。 2．结构特点 （1）构成微粒：原子通过共价键结合形成。 （2）微粒间作用力：只存在（原子间）共价键一种作用力。 （3）结构特征： ①晶体中的原子间全部通过共价键相结合，且晶体中原子的空间排列主要取决于共价键的空间指向，所以共价晶体中没有球密堆积的特征。 ②整块晶体是一个三维的共价键网状结构，不存在单个分子，是一个“巨分子”，又称原子晶体。 3．常见的共价晶体 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 某些化合物 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)等 某些非金属氧化物 二氧化硅(SiO2)等 极少数金属氧化物 刚玉(ɑ-Al2O3) 4．共价晶体的物理性质 （1）主要物理性质 ①熔点很高：共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时必须破坏共价键，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硬度很大：共价键三维骨架结构决定了共价晶体的硬度，如金刚石是天然存在的最硬的物质。 ③导电性：一般不导电，但晶体硅、锗是半导体，且难溶于一般的溶剂。 （2）熔、沸点高低的比较方法： ①规律：一般原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。 ②原因：原子半径越小，则化学键的键长越短，化学键就越强，键就越牢固，破坏化学键需要的能量就越多，键能越大，故晶体的熔点就越高。 ③实例：在金刚石、碳化硅、晶体硅中，原子半径C<Si，则键长C-C<C-Si<Si-Si，故键能C-C>C-Si>Si-Si，故熔点金刚石>碳化硅>晶体硅。 【特别提醒】 （1）共价晶体是一个三维的共价键网状结构，不存在单个的小分子，因此，共价晶体的化学式不表示其实际组成，只表示其组成的原子个数比。 （2）共价晶体熔化时被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。如CO2、H2O等分子晶体中也含有共价键。 （4）由原子构成的晶体不一定是共价晶体，如稀有气体组成的晶体属于分子晶体。 即学即练 1．已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于C3N4晶体的说法不正确的是 A．该晶体属于共价晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固 B．该晶体中每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子 C．该晶体与金刚石相似，碳原子个数与碳氮键个数之比为1∶2 D．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子稳定结构 【答案】C 【解析】C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，则该晶体属于共价晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固，A正确；C的最外层有4个电子，因此一个碳原子连接4个N原子，N的最外层有5个电子，因此一个N原子连接3个C原子，B、D正确；根据以上分析可知该晶体中碳原子个数与碳氮键个数之比为1∶4，C错误。 2．下表是某些共价晶体的熔点 共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 晶体硅 晶体锗 熔点/℃ 大于3500 3000 2830 1710 1412 1211 分析表中的数据，下列叙述正确的是 A．构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高 B．硬度：晶体硅＜SiC＜金刚石 C．键能：C－C＜Si－Si＜Si－O D．石英的分子式： 【答案】B 【解析】A．共价晶体的熔点与构成晶体的原子种类无关，与原子间的共价键键能有关，键能越大熔点越高，故A错误；B．原子半径C＜Si，构成共价晶体的原子半径越小，其共价键的键能越大硬度越大，键能：C－C＞Si－C＞Si－Si，硬度：金刚石＞碳化硅＞硅，故B正确；C．构成共价晶体的原子半径越小，其共价键的键能越大，则C－C＞Si－Si，Si－O＞Si－Si，故C错误；D．石英是共价晶体，不属于分子晶体、不存在分子，其化学式为SiO2，故D错误；故选B。 3．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1 300 ℃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______________________________________________________________。 （4）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】（1）共价　 （2）Si3N4 （3）3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl （4）4　4　 【解析】(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。(4)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 g·cm－3。 ◆知识点二 几种典型的共价晶体 1．金刚石（C） 金刚石晶体结构、键角和晶胞示意图 晶体结构模型 键角为109°28′ 金刚石的晶胞 原子半径与边长的关系：8r=a （1）成键特征：每个碳原子都采取sp3杂化，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。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，碳原子的个数与C—C键数比为1∶2。因此12g(1mol)金刚石中含有2 mol(2NA个)C—C键。 （2）结构特征：每个碳原子均与相邻的4个碳原子构成正四面体结构，向空间无限延伸得到立体网状结构的晶体。最小碳环由6个碳原子组成，并且不在同一平面(实际为椅式结构)，但最小环上有4个碳原子在同一平面内。故每个碳原子被12个六元环共用，每个共价键被6个六元环共用，一个六元环实际拥有个碳原子。 （3）晶胞结构：8个顶点，6个面心上各有1个碳原子；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×＋6×＋4＝8个碳原子。 （4）密度＝ (a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数)。 2．晶体（Si） 硅的晶体结构模型 硅晶体的晶胞 （1）由于Si与碳同主族，晶体Si的结构同金刚石的结构相同。将金刚石晶胞中的C原子全部换成Si原子，健长稍长些便可得到晶体硅的晶胞。每个硅原子均以4个共价键对称地与相邻的4个硅原子相结合，形成正四面体结构，键角均为109°28′。 （2）每个硅晶胞中含有8个硅原子，最小的碳环为6元环，硅原子为sp3杂化。 （3）每个硅原子被12个六元环共用，每个共价键被6个六元环共用，一个六元环实际拥有个硅原子。 （4）硅原子数与Si—Si键数之比为1∶2，1mol Si中含有2 mol共价键。 3．二氧化硅晶体（SiO2） SiO2的晶体结构模型 SiO2的晶胞 （1）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个硅氧四面体结构，均匀排列于晶胞内。 （2）SiO2晶体中最小的环为12元环，最小的环有6个硅原子和6个氧原子。 （3）SiO2晶体中，每个Si原子与4个O原子结合，Si在正四面体的中心，O在正四面体的顶点，每个O原子为两个正四面体共有，正四面体内O－Si－O夹角为109°28′，而正四面体之间Si－O－Si夹角为104°30′。 （4）每个硅原子都采取sp3杂化，以4个共价单键与4个氧原子结合，每个氧原子与2个硅原子结合，向空间扩展，构成空间网状结构，硅、氧原子个数比为1∶2，每个SiO2晶胞中含有8个Si原子，含有16个O原子。 （5）每个Si原子被12个十二元环共用，每个O原子被 6个十二元环共用。 （6）Si与Si—O共价键之比为1：4，1mol Si O2晶体中有4 mol共价键。 （7）密度＝ (a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数)。 3．SiC（或BN）晶体 SiC晶胞 （1）SiC晶胞和BN晶胞与金刚石晶胞相似，每个SiC晶胞含有4个Si原子和4个C原子；每个BN晶胞含有4个B原子和4个N原子。 （2）碳、硅原子都采取sp3杂化，C—Si键角为109°28′。 （3）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。 （4）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 （5）每个SiC晶胞中含有4个C原子和4个Si原子。 （6）若Si与C最近距离为d，则边长(a)与最近距离(d)的关系：4d=a ⑥密度：ρ(SiC)＝。 即学即练 1．可以从金刚石的晶体结构建立金刚石晶胞结构。下列说法正确的是 A．晶体结构和晶胞结构是金刚石结构的两种呈现方式 B．晶体结构中，晶胞结构中 C．晶体结构中的最小环是6元环，晶胞结构中的最小环是12元环 D．晶体结构中所有的碳原子都参与成键，晶胞结构中部分碳原子没有成键 【答案】A 【解析】A．晶胞和晶体结构相似的地方是都与晶体有关，不同之处在于，晶体结构是指晶体中所有原子排布方式，而晶胞则是表示晶体中最小重复单元结构，因此晶体结构和晶胞结构是两种不同的呈现方式，故A正确；B．无论是金刚石的晶体还是晶胞结构，均是4个碳原子围成正四面体结构，该结构中键角均为109°28′，故B错误；C．在金刚石晶体中，C原子所连接的最小环为六元环，晶胞结构中的最小环也是六元环，故C错误；D．金刚石晶体中的碳原子以sp3杂化轨道与四个碳原子形成共价单键，晶体结构中所有的碳原子都参与成键；晶胞中部分碳原子没有成键的情况主要出现在石墨的结构中，其中每个碳原子通过共价键与相邻的三个碳原子相连，但金刚石晶胞中所有碳原子均成键，故D错误；故答案选A。 2．SiO2的晶体结构想象为：在晶体硅的Si－Si 键之间插入O原子(见下图)。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.晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2，可用“SiO2”作为石英晶体的分子式 D.SiO2晶体中所有键的键长都相同 【答案】C 【解析】根据石英晶体的结构图可知，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，A正确；每个O原子通过Si—O极性键与2个Si原子作用，B正确；石英中并不存在分子，故“SiO2”只能称之为石英的化学式而不是分子式，C错误；SiO2晶体中只有Si—O极性键，所以键长都相等，D正确。 3．（1）金刚砂(SiC)的硬度为9.5，其晶胞结构如图甲所示，则金刚砂晶体类型为____________；在SiC中，每个C原子周围最近的C原子数目为______；若晶胞的边长为a pm，阿伏加德罗常数的值为NA，则金刚砂的密度表达式为___________________________________。 （2）硅的某种单质的晶胞结构如图乙所示。GaN晶体晶胞结构与该硅晶体相似。则GaN晶体中，每个Ga原子与______个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为______________。若该硅晶体的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA，则晶体中最近的两个硅原子之间的距离为__________________cm(用代数式表示即可)。 【答案】（1）共价晶体　12　 g·cm－3 （2）4　正四面体形　× 【解析】（1）金刚砂(SiC)的硬度为9.5，硬度大，属于共价晶体；每个碳原子周围最近的碳原子数目为12；该晶胞中C原子个数为8×＋6×＝4，Si原子个数为4，晶胞边长为a×10－10 cm，V＝(a×10－10 cm)3，ρ＝＝ g·cm－3。 （2）根据物质的晶胞结构可知，在GaN晶体中，每个Ga原子与4个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为正四面体形。在晶体Si的晶胞中含有Si原子的数目是8×＋6×＋4＝8，则1个晶胞的体积为 cm3＝ cm3，晶胞的边长为 cm，在晶胞中两个最近的Si原子之间的距离为晶胞体对角线长的，即× cm。 一、共价晶体的结构与性质 1．两种典型结构模型 金刚石晶体 ①金刚石晶体中，每个C与另外4个C形成共价键，碳原子采取sp3杂化，C—C—C夹角是109°28′，最小的环是6元环。每个C被12个六元环共用。含有1 mol C的金刚石中形成的C—C共价键有2 mol。 ②在金刚石的晶胞中，内部的C在晶胞的体对角线的处。每个晶胞含有8个C 二氧化硅晶体 SiO2晶体中，每个Si原子与4个O原子成键，每个O原子与2个Si原子成键，最小的环是12元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是Si原子。1 mol SiO2晶体中含Si—O键数目为4NA，在SiO2晶体中Si、O原子均采取sp3杂化。低温石英结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，具有手性。 （1）由于共价键的饱和性和方向性，使每个中心原子周围排列的原子数目是固定的。 （2）由于所有原子间均以共价键相结合，所以晶体中不存在单个分子。 2．性质特点 共价晶体 构成微粒 原子 粒子间的相互作用力 共价键 硬度 很大 熔、沸点 很高 溶解性 难溶于任何溶剂 导电、导热性 一般不具有导电性 物质类别及举例 部分非金属单质(如金刚石、硅、晶体硼、晶体锗)、部分非金属化合物(如SiC、Si3N4、SiO2)，氮化硼(BN) 实践应用 1．常见晶体的结构分析 （1）金刚石晶体        ①在晶体中每个碳原子以共价单键与相邻的___________个碳原子相结合，成为____________构型。 ②晶体中C—C—C夹角为____________，碳原子采取了____________杂化。 ③最小环上有___________个碳原子。 ④晶体中碳原子个数与C—C键数之比为______________。 ⑤在一个晶胞中，碳原子位于立方体的8个顶点、6个面心以及晶胞内部，由“均摊法”可求出该晶胞中实际含有的碳原子数为______________。 （2）二氧化硅晶体 ①每个硅原子与相邻的四个氧原子以共价键相结合构成正四面体结构，硅原子在正四面体的中心，4个氧原子在正四面体的4个顶点。晶体中Si原子与O原子个数比为_____________。 ②每个Si原子与4个O原子成键，每个O原子与_____________个Si原子成键，1molSiO2晶体中含Si-O键数目为______________。 【答案】（1）4     正四面体     109°28'     sp3     6     1：2     8 （2）1：2     2     4NA 【解析】（1）①在金刚石晶体中每个碳原子以共价单键与相邻的4个碳原子相结合，为sp3杂化，无孤对电子，成为正四面体构型； ②在金刚石晶体里，每个碳原子以四个共价键对称的与相邻的4个碳原子结合，碳原子采取sp3杂化方式形成共价键，所以碳原子与其周围的4个碳原子形成正四面体结构，所以夹角是 109°28′； ③金刚石是原子晶体，在原子晶体里，原子间以共价键相互结合，形成三维的空间网状结构，最小的环上有6个C原子； ④最小的环是立体六元环，每个C原子周围有4条共价键，而每2个碳原子形成1个共价键，则金刚石晶体中C原子数与C-C键数之比为1：2； ⑤碳原子位于立方体的8个顶点、6个面心以及晶胞内部，由“均摊法”该晶胞中实际含有的碳原子数为8×1/8+6×1/2+4=8； （2）①晶体中每个Si原子连接4个O原子、每个O原子连接2个Si原子，所以石英晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1：2； ②每个Si原子与4个O原子成键，每个O原子与2个Si原子成键，每个Si原子和4个氧原子形成4个Si-O键，1molSiO2晶体中含Si-O键数目为4NA。 2．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3 500 ℃，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】共价晶体的熔点高，但不能导电，延展性差，故A不符合题意；无色晶体，熔点3 500 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂，符合共价晶体的性质特点，故B符合题意；无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点800 ℃，熔化时能导电，不属于共价晶体，故C不符合题意；熔点-56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电，符合分子晶体的性质，属于分子晶体，故D不符合题意。 二、共价晶体的判断方法 （1）依据构成晶体的微粒种类和微粒间的作用力判断：构成共价晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键。 （2）依据晶体的熔点判断：共价晶体的熔点高，常在1 000 ℃以上。 （3）依据晶体的导电性判断：共价晶体多数为非导体，但晶体Si、晶体Ge为半导体。 （4）依据晶体的硬度和机械性能判断：共价晶体硬度大。 （5）依据物质的分类判断：常见的单质类共价晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等；常见的化合物类共价晶体有碳化硅、二氧化硅等。 （6）根据溶解性判断：共价晶体一般不溶于任何溶剂。 实践应用 1．下列说法中，错误的是 A．稀有气体只含原子，但稀有气体的晶体属于分子晶体 B．共价晶体中，共价键越强，熔点越高 C．冰融化时，分子中H—O键发生断裂 D．分子晶体的熔点一般比共价晶体的熔点低 【答案】C 【解析】A．稀有气体只含原子，是单原子分子，原子互相之间只存在分子间作用力，因此形成晶体也是分子晶体，A正确；B．共价晶体是由原子间通过共价键结合形成的晶体，当共价晶体熔化时，需要破坏这些共价键，键能越大，熔点越高，B正确；C．冰属于分子晶体，冰晶体中分子间的主要作用力是氢键，所以冰融化时主要克服氢键作用，共价键不变，C错误；D．分子晶体融化破坏分子间作用力，共价晶体融化破坏共价键，分子间作用力的强度弱于共价键，则分子晶体的熔点一般比共价晶体的熔点低，D正确；故选C。 2．2023年春节期间，国产科幻电影《流浪地球》火遍全网，电影中涉及很多有趣的知识。下列说法错误的是 A．影片幻想了太阳氦闪，地球将被摧毁。氦气属于稀有气体、是空气的成分之一 B．电影中由硅、碳、氧、硫等元素经过一系列变化能变成铁，该过程属于化学变化 C．固定太空电梯的缆绳材料最有可能是碳纳米管(如图)，碳纳米管与互为同素异形体 D．建造行星发动机需要耐高温材料，这种材料很可能是一种共价晶体 【答案】B 【解析】A．氦气属于稀有气体、是空气的成分之一，故A正确；B．电影中由硅、碳、氧、硫等元素经过一系列变化能变成铁，该过程元素种类发生变化，不属于化学变化，故B错误；C．碳纳米管与是C元素形成的不同单质，互为同素异形体，故C正确；D．共价晶体熔点高、耐高温，建造行星发动机需要耐高温材料，这种材料很可能是一种共价晶体，故D正确；故选B。 考点一 共价晶体类型的判断 【例1】下列我国科研成果所涉及材料中，是共价晶体的是 A.4.03米大口径碳化硅反射镜 B.2022年冬奥会聚氨酯速滑服 C.能屏蔽电磁波的碳包覆银纳米线 D.“玉兔二号”钛合金筛网轮 【答案】A 【解析】碳化硅是由碳原子和硅原子形成的共价晶体，故A正确；聚氨酯是有机合成高分子材料，不是共价晶体，故B错误。 【变式1-1】化学起源于生活，同时促进社会的发展，下列叙述中，错误的是 A．神舟系列飞船返回舱使用氮化硅耐高温结构材料，Si3N4属于共价晶体 B．高铁酸钠(Na2FeO4)是一种新型绿色消毒剂，主要用于饮用水的处理 C．绿色化学的核心思想是凡污染必治理 D．“纳米酶”的提出，模糊了无机材料与有机生物界限，促进了纳米科学与医学的交融 【答案】C 【解析】A．氮化硅熔点为1900℃、具有高强度、高韧性、耐高温的性质，由性质可知氮化硅为共价晶体，故A正确；B．高铁酸钠(Na2FeO4)具有强氧化性，能使蛋白质变性，产物可转化为氢氧化铁胶体，能吸附水中悬浮物形成沉淀，可用于饮用水的处理，故B正确；C．绿色化学的核心思想是利用化学原理和技术手段，从源头上减少或消除工业生产对环境的污染，不是污染后再治理，故C错误；D．“纳米酶”具有纳米材料的特性，又有生物酶所特有的性质，所以“纳米酶”的提出，模糊了无机材料与有机生物界限，但促进了纳米科学与医学的交融，故D正确；故选：C。 【变式1-2】A、B为原子序数依次增大的短周期主族元素，基态原子的最外层均有2个未成对电子，A、B形成的二元化合物在自然界中普遍存在，并有多种结构，如图是其中一种结构的晶胞示意图。下列说法正确的是 A．该二元化合物是分子晶体 B．每个晶胞拥有A原子的数目为6个 C．该二元化合物A、B 两原子的杂化方式不同 D．该二元化合物中只有B原子满足8电子稳定结构 【答案】B 【解析】A．SiO2是共价晶体，故A错误；B．由图可知晶胞中B原子（即Si原子）所在位置有4个在棱上，2个在面上，1个在晶胞内该晶胞中含有Si原子个数为 +2 +1=3，按照Si与O原子1:2，所以含有6个氧原子，故B正确；C．SiO2中Si原子和O原子都是sp3杂化，杂化方式相同，故C错误；D．硅最外层四个电子，一个硅与周围4个氧原子形成共价键，O原子最外层有6个电子，与2个硅形成共价键，因此Si原子和O原子都满足8电子稳定结构，故D错误；答案选B。 考点二 共价晶体的结构与性质 【例2】AlN、GaN属于第三代半导体材料，二者成键结构与金刚石相似，晶体中只存在键、键。下列说法错误的是 A．晶体中所有原子的配位数均相同 B．晶体中所有化学键均为极性键 C．晶体中的外围电子排布式为 D．的熔点高于 【答案】D 【解析】由题意可知，AlN、GaN都形成共价晶体，每个Al或Ga原子周围有4个N原子，每个N原子周围有4个Al或Ga原子。A．AlN、GaN都形成共价晶体，晶体结构类似于金刚砂(SiC)，则晶体中所有原子的配位数均为4，A正确；B．晶体中所有化学键都由不同元素的原子形成，则均为极性键，B正确；C．Ga为第四周期元素，与Al同主族，则晶体中Ga的外围电子排布式为4s24p1，C正确；D．AlN、GaN都形成共价晶体，Ga原子半径大于Al原子半径，则GaN的熔点低于AlN，D错误；故选D。 【变式2-1】已知氮化碳晶体是新发现的高硬度材料，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于该晶体的说法错误的是 A．氮化碳属于共价晶体，比金刚石的硬度更大 B．该晶体中每个碳原子与4个氮原子相连，每个氮原子与3个碳原子相连，氮化碳的化学式为C3N4 C．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构 D．该晶体与金刚石相似，都是原子间以非极性键形成空间网状结构 【答案】D 【解析】氮化碳为高硬度材料且是由非金属元素组成的，因此该晶体为共价晶体，又因为C—C的键长大于C—N的键长，故C—N的键能大于C—C的键能，硬度更大的是氮化碳，A正确；每个C原子与4个N原子形成共价单键，每个N原子与3个C原子形成共价单键，C原子和N原子的最外层都达到8电子稳定结构，所以氮化碳的化学式为C3N4，N的非金属性大于C的非金属性，氮化碳中C显＋4价，N显－3价，B和C均正确；氮化碳晶体原子间以N—C极性键形成空间网状结构，D不正确。 【变式2-1】下表是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/ 3900 3000 2600 1710 1415 1211 硬度 10 9.5 9.5 7.0 6.5 6.0 分析表中的数据，判断下列叙述正确的是 A．构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高 B．一般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 C．构成共价晶体的原子的半径越大，晶体的硬度越大 D．构成共价晶体的原子的相对原子质量越大，晶体的硬度越大 【答案】B 【解析】A项，共价晶体的熔点与晶体中原子间的共价键强弱有关，与构成晶体的原子种类无关，故A错误；B项，共价晶体的熔点与晶体中原子间的共价键强弱有关，原子间的键能越大，共价键越强，晶体的熔点越高，故B正确；C项，共价晶体的硬度与晶体中原子间的共价键强弱有关，构成共价晶体的原子的半径越小，共价键越强，晶体的硬度越大，故C错误；D项，共价晶体的硬度与晶体中原子间的共价键强弱有关，与构构成共价晶体的原子的相对原子质量无关，故D错误；故选B。 考点三 常见典型共价晶体 【例3】下列为碳元素形成的几种同素异形体，有关晶体结构说法正确的是 A．1个金刚石晶胞中含8个C原子，最小的六圆环最多有3个原子共面 B．石墨晶体，C原子与C-C键个数比为1：3，六圆环与C原子数之比为1：6 C．三种晶体中C原子均为sp2杂化，都属于共价晶体，熔点石墨>金刚石>C60 D．C60晶胞属于分子密堆积，每个晶胞中含240个C原子 【答案】D 【解析】A．金刚石晶胞中最小的六圆环最多有4个原子共面，故A错误；B．石墨晶体C原子与C-C键个数比为2：3，六圆环与C原子数之比为1：2，故B错误；C．石墨晶体为混合晶体C原子为sp2杂化，C60晶体为分子晶体C原子为sp2杂化，金刚石晶体为共价晶体C原子为sp3杂化，熔点石墨>金刚石>C60，故C错误；D．C60晶胞属于分子密堆积，每个晶胞中含有4个C60分子240个C原子，故D正确；答案为D。 【变式3-1】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 【答案】D 【解析】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。 【变式2-2】共价晶体是由原子直接通过共价键形成的空间网状结构的晶体，因其具有高熔、沸点，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1molSi原子的晶体硅中键的数目为_______。 （2）金刚砂()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_______个键。 ④金刚砂的晶胞结构如图丙所示，在中，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，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) Si＜SiC＜C     4     109°28′     1     12     【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，根据结构分析，可知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，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1molSi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。④以SiC晶胞顶角上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，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，因此最近的碳、硅原子之间的距离为。 考点四 共价晶体的晶胞及有关计算 【例4】磷化硼(BP)是一种超硬耐磨涂层材料，其结构与金刚石类似，晶胞结构如图所示，设晶胞参数为apm，下列说法不正确的是 A．基态磷原子的核外电子运动状态有 15种 B．P与B原子的最近距离为 C．与P原子最近的等距离的P原子有 12个 D．该晶体的密度为 【答案】D 【解析】A．磷元素的原子序数为15，由泡利不相容原理可知，基态磷原子的核外电子运动状态有15种，故A正确；B．由晶胞结构可知，晶胞中位于顶点的磷原子与位于体对角线处的硼原子的距离最近，则磷原子与硼原子的最近距离为/4 a pm，故B正确；C．由晶胞结构可知，晶胞中位于顶点的磷原子与位于面心的磷原子的距离最近，则与磷原子最近的等距离的磷原子有12个，故C正确；D．由晶胞结构可知，位于顶点和面心的磷原子个数为8×1/8+6×1/2=4，位于体内的硼原子个数为4，由晶胞的密度公式可得：，故D错误；故答案选D。 【变式3-1】金刚砂的晶胞结构如图所示，下列说法正确的是 已知：NA为阿伏加德罗常数的值，晶胞的边长为a pm。 A．a原子的坐标参数为() B．熔点：金刚砂>二氧化硅>石墨>金刚石 C．该晶体的密度为 D．金刚砂硬度大，在较大外力的锤击下，化学键不发生断裂 【答案】C 【解析】A．根据图像中坐标系的建立情况，a原子在x、y、z轴上的投影分别为，坐标参数为()，故A错误；B．金刚砂、二氧化硅、金刚石都是共价晶体，键长C-C＜O-Si＜C-Si，故熔点金刚石>二氧化硅>金刚砂；石墨是混合型晶体，石墨的层内共价键键长比金刚石的键长短，作用力更大，所以熔点石墨＞金刚石，即熔点石墨＞金刚石>二氧化硅>金刚砂，故B错误；C．该晶胞中含有4个SiC，晶胞的质量为，晶胞的体积为，该晶体的密度为==，故C正确；D．金刚砂中只含有共价键，硬度大，在较大外力的锤击下，共价键将发生断裂，故D错误；答案选C。 【变式3-2】砷化镓（GaAs）的晶胞结构如图甲所示，将Mn掺杂到晶体中得到稀磁性半导体材料，其晶胞结构如图乙所示，下列说法错误的是 A．Ga、As均属于p区元素 B．图甲中，Ga原子位于As原子构成的正四面体空隙中 C．图甲中，若Ga—As的键长为，则晶胞边长为 D．稀磁性半导体材料中，Mn、As的原子个数比为 【答案】D 【解析】A．镓元素、砷元素的原子序数分别为4s23p2、4s23p3，均处于元素周期表p区，故A正确；B．由晶胞结构可知，砷化镓晶胞中距离Ga原子最近且等距离的As原子数是4个，且4个As原子构成正四面体结构，所以Ga位于As原子构成的正四面体空隙中，故B正确；C．由晶胞结构可知，砷化镓晶胞中Ga-As的键长为晶胞体对角线长度的1/4，则晶胞边长为4/3 apm，故C正确；D．由晶胞结构可知，稀磁性半导体材料中位于顶点和面心的锰原子个数为1×1/8+1×1/2=5/8，位于体内的砷原子个数为4，则锰、砷的原子个数比为5：32，故D错误；故选D。 基础达标 1．下列有关共价晶体的叙述错误的是 A．共价晶体中，只存在共价键 B．共价晶体具有空间网状结构 C．共价晶体中不存在独立的分子 D．共价晶体熔化时不破坏共价键 【答案】D 【解析】A项，共价晶体中原子之间通过共价键相连；B项，共价晶体是相邻原子之间通过共价键结合而成的空间网状结构；C项，共价晶体是由原子以共价键相结合形成的，不存在独立的分子；D项，共价晶体中原子是通过共价键连接的，熔化时需要破坏共价键。 2．下列关于金刚石的说法中，错误的是 A．晶体中不存在独立的分子 B．碳原子间以共价键相结合 C．是天然存在的硬度最大的物质 D．化学性质稳定，在高温下也不与氧气发生反应 【答案】D 【解析】金刚石是碳原子间以共价键结合形成的空间网状结构的共价晶体，不存在单个的分子。在天然存在的物质中，金刚石的硬度最大。在高温下金刚石可以与氧气反应生成二氧化碳。 3．美国《科学》杂志曾报道：在40 GPa的高压下，用激光加热到1800 K，人们成功制得了共价晶体CO2，下列对该物质的推断一定不正确的是 A．该共价晶体中含有极性键 B．该共价晶体易气化，可用作制冷材料 C．该共价晶体有很高的熔点 D．该共价晶体硬度大，可用作耐磨材料 【答案】B 【解析】CO2由固态时形成的分子晶体变为共价晶体，其成键情况也发生了变化，但化学键依然为极性共价键，故A正确。CO2共价晶体具有高硬度、高熔点等特点，故C、D选项正确，B项错误。 4．下列关于SiO2晶体结构的叙述正确的是 A．存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶角 B．最小的环为3个Si原子和3个O原子组成的六元环 C．最小的环上实际占有的Si原子和O原子个数之比为1∶1 D．最小的环为6个Si原子和6个O原子组成的十二元环 【答案】D 【解析】二氧化硅晶体中存在四面体结构单元，每个硅原子能形成4个共价键，每个氧原子能形成2个共价键，Si处于中心，O处于4个顶角，A错误；最小的环为6个Si原子和6个O原子组成的十二元环，每个环实际占有的硅原子数为6×＝、氧原子数为6×＝1，故最小的环上实际占有的Si原子和O原子个数之比为1∶2，B、C错误，D正确。 5．最近科学家成功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一种空间网状的无限伸展结构，下列对该晶体叙述错误的是 A.该晶体类型是共价晶体 B.该晶体中碳原子和氧原子的个数比为1∶2 C.晶体中碳原子数与C－O化学键数之比为1∶4 D.该晶体中碳原子轨道杂化类型与二氧化碳分子中碳原子的轨道杂化类型相同 【答案】D 【解析】根据题意可知该物质是由C原子和O原子通过共价键聚集而成的共价晶体，A正确；每个C原子结合4个O原子，而每个O原子被两个C原子共用，所以一个C占有4×＝2个O原子，即该晶体中碳原子和氧原子的个数比为1∶2，B正确；每个C原子结合4个O原子，即形成4个C—O键，所以晶体中碳原子数与C－O化学键数之比为1∶4，C正确；该物质中每个C原子形成4个单键，所以为sp3杂化，而CO2分子中C原子为sp杂化，二者杂化类型不同，D错误。 6．下列有关叙述不正确的是 A．金刚石和二氧化硅晶体的最小结构单元都是正四面体 B．含1molC的金刚石中C-C键数目是2NA，晶体中Si-O键数目是4NA C．黄色，熔点2 200 ℃，熔融态不导电的碳化铝晶体不属于共价晶体 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】C 【解析】A．金刚石是1个中心C原子连接4个C原子，二氧化硅是1个中心Si原子连接4个O原子，均为正四面体，A项正确；B．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1/2，所以1molC原子形成的C—C键为4mol×1/2=2mol，而SiO2晶体中1个Si原子分别与4个O原子形成4个Si—O键，则1molSiO2晶体中Si—O键为4mol，B项正确；C．熔点很高且熔融态不导电，可判断该晶体属于共价晶体，C项错误；D．共价晶体的构成微粒是原子不是分子，D项正确。选C。 7．氮化铝属类金刚石氮化物、六方晶系，最高可稳定到2 200 ℃，硬度大，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料，氮化铝晶胞结构如图所示。下列有关描述错误的是 A．AlN是共价晶体 B．Al的配位数为4 C．AlN属于离子化合物 D．与每个铝原子距离相等且最近的铝原子共有12个 【答案】C 【解析】氮化铝属类金刚石氮化物，所以AlN是共价晶体，A项正确；每个黑球周围有4个白球，每个白球周围有4个黑球，故Al、N的配位数都为4，B项正确；AlN属于共价化合物，C项错误；以顶角的铝原子为研究对象，与之距离最近的铝原子位于面心上，每个顶角上的铝原子为8个晶胞共用，每个面上的铝原子为2个晶胞共用，故与每个铝原子距离相等且最近的铝原子共有＝12个，D项正确。 8．制造光导纤维的材料是一种很纯的硅氧化物，它是具有立体网状结构的晶体（如图1），简化的平面示意图如图2所示。下列关于该硅氧化物的说法正确的是 图1 图2 A．该晶体中硅原子与氧原子的数目之比是1︰4 B．这种氧化物形成的晶体是共价晶体 C．该晶体中存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶角 D．该晶体中最小的环上有3个硅原子和3个氧原子 【答案】B 【解析】A．由题意可知，该晶体具有立体网状结构，存在硅氧共价四面体结构，硅原子处于中心，氧原子处于4个顶角，属于共价晶体，1个Si原子与4个O原子形成4个Si－O键，1个O原子与2个Si原子形成2个Si－O键，则硅原子与氧原子的数目之比是1︰2，A错误；B．由题意可知，该晶体具有立体网状结构，存在硅氧共价四面体结构，硅原子处于中心，氧原子处于4个顶角，属于共价晶体，B正确；C．由题意可知，该晶体具有立体网状结构，存在硅氧共价四面体结构，硅原子处于中心，氧原子处于4个顶角，C错误；D．在SiO2晶体中，每6个硅原子和6个氧原子形成一个十二元环(最小环)，D错误；故选B。 9．Al2O3在一定条件下可转化为硬度、熔点都很高的氮化铝晶体，氮化铝的晶胞如图所示。下列说法正确的是 A．氮化铝属于分子晶体 B．氮化铝可用于制造切割金属的刀具 C．1个氮化铝晶胞中含有9个Al 原子 D．氮化铝晶体中Al的配位数为2 【答案】B 【解析】A项，硬度高、熔点高一般不会是分子晶体，描述错误，A不符题意；B项，硬度高、熔点高正好适合在高温环境下切割金属的道具材料，描述正确，B符合题意；C项，根据晶胞结构，顶点和体心有Al原子，故晶胞含有Al原子个数为，描述错误，C不符题意；D项，由晶胞体心的Al原子周围的N原子个数可知，Al原子的配位数应是4，描述错误，D不符题意。 10．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晶体是立体网状结构 C．共价晶体C3N4的熔点比Si3N4的低 D．SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂 【答案】B 【解析】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。Si3N4是共价晶体，为立体网状结构。根据C、Si的原子半径推知C—N键的键能比Si—N键的键能大，故C3N4的熔点比Si3N4的高。选B。 11．根据量子力学计算，氮化碳有五种结构，其中一种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，已知该氮化碳的二维晶体结构如图所示。下列有关该氮化碳的说法不正确的是 A．该晶体中的碳、氮原子核外最外层都满足8电子稳定结构 B．氮化碳中碳元素显+4价，氮元素显-3价 C．每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子和三个碳原子相连 D．氮化碳的分子式为C3N4 【答案】D 【解析】根据题图结构可知，每个碳原子周围有四个共价键，每个氮原子周围有三个共价键，碳原子最外层有4个电子，形成四个共价键后成8电子稳定结构，氮原子最外层有5个电子，形成三个共价键后也是8电子稳定结构，A正确；由于元素的非金属性N>C，所以形成共价键时，共用电子对偏向N，偏离C，所以氮化碳中碳元素显+4价，氮元素显-3价，B正确；根据晶体结构可知每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子和三个碳原子相连，C正确；由于氮化碳是共价晶体，不存在分子，因此没有分子式，D错误。 12．硅是制作光伏电池的关键材料。在Si晶体中掺杂不同种类的元素，可形成多电子的n型或缺电子的p型半导体。n型和p型半导体相互叠加形成p-n结，此时自由电子发生扩散运动，在交界面处形成电场。下列说法正确的是 A．1 mol Si晶体中含有的Si—Si数目为4NA B．若在Si晶体中掺入P元素，可得n型半导体 C．p-n结中，n型一侧带负电，p型一侧带正电 D．光伏电池的能量转化形式：光能→化学能→电能 【答案】B 【解析】硅晶体中，一个硅原子与4个硅原子形成4个Si—Si，一个Si—Si为2个硅原子共用，平均1 mol Si晶体中含有的Si—Si数目为2NA，故A错误；若在Si晶体中掺入P元素，P最外层是5个电子，可形成多电子的n型半导体，故B正确；光伏电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，能量转化形式为光能→电能，故D错误。 综合应用 13．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；Al2O3是离子晶体，晶体中含有离子键。 14．短周期主族元素X、Y、Z、W的原子序数依次增大，W的最外层电子数比X的最外层电子数少1个，X、Y、Z为同一周期元素，X、Y、Z组成一种化合物(ZXY)2的结构式如图所示。下列说法错误的是 A．W位于元素周期表的p区 B．第一电离能：Y＞Z＞X C．W的原子中有9种运动状态不同的电子 D．Y、W可形成共价晶体 【答案】C 【解析】A．W为Al，位于元素周期表的p区，A正确；B．由于氮元素的2p轨道电子处于半充满稳定状态，第一电离能大于相邻元素，所以第一电离能：，B正确；C．原子中每个电子的运动状态均不相同，元素Al的原子中共有13种运动状态不同的电子，C错误；D．氮元素和铝元素形成的化合物AlN属于共价晶体，D正确；答案选C。 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．美国某实验室成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体，下列关于CO2的共价晶体的说法正确的是 A．CO2的共价晶体和分子晶体互为同素异形体 B．在一定条件下，CO2的共价晶体转化为CO2的分子晶体是物理变化 C．CO2的共价晶体和CO2的分子晶体具有相同的物理性质和化学性质 D．在CO2的共价晶体中，每个C原子结合4个O原子，每个O原子跟2个C原子相结合 【答案】D 【解析】同素异形体的研究对象是单质，CO2是化合物，故A错误；二氧化碳的共价晶体和二氧化碳的分子晶体属于不同物质，所以在一定条件下，CO2的共价晶体转化为CO2的分子晶体是化学变化，故B错误；二氧化碳的分子晶体和二氧化碳的共价晶体的构成微粒的空间构型不同，所以其物理性质和化学性质不同，故C错误；利用知识迁移的方法分析，把二氧化硅结构中的硅原子替换成碳原子，在二氧化碳的共价晶体中，每个C原子结合4个O原子，每个O原子跟2个C原子相结合，故D正确。 17．金刚砂与金刚石具有相似的晶体结构，硬度为9.5，熔点为2700℃，其晶胞结构如图所示。下列说法正确的是 A．该晶体属于共价晶体，熔点比金刚石高 B．C位于Si构成的正四面体空隙中 C．C—Si的键长为apm，则晶胞边长为2apm D．金刚砂中C原子周围等距且最近的C原子数为6 【答案】B 【解析】A项，金刚砂与金刚石具有相似的晶体结构，SiC属于共价晶体，C-Si键长长于C-C键，故熔点比金刚石低，故A错误；B项，距离C原子最近且等距离的Si原子个数是4，且四个Si原子构成正四面体结构，所以C位于Si构成的四面体空隙中，故B正确；C项，C-Si键的长度为晶胞体对角线长度的，设晶胞棱长为x，则，所以x=，故C错误；D项，以SiC晶胞顶角上的碳原子为研究对象，每个C原子周围最近且等距的C原子位于面心，由于顶点碳原子为8个晶胞共有，则C原子周围等距且最近的C原子数为12，故D错误；故选B。 拓展培优 18．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】由“这种化合物可能比金刚石更坚硬”可知该晶体应该是一种共价晶体，共价晶体是一种空间网状结构而不是平面结构，所以A选项是错误的。由于氮原子的半径比碳原子的半径要小，所以二者所形成的共价键的键长要比碳碳键的键长短，所以该晶体的熔、沸点和硬度应该比金刚石更高，因此B选项是正确的。而原子的电子数和单质的活泼性一般不会影响到所形成的晶体的硬度等，所以C、D选项也是错误的。 19．磷化硼的晶胞及某些原子的分数坐标如图所示，下列说法正确的是 A．磷化硼中P的价层电子对数为3 B．相同条件下的熔点：BN＞BP C．磷化硼不溶于水，但可能溶于苯 D．a原子的分数坐标为(0，，) 【答案】B 【解析】A．由晶胞图可知，磷化硼中P形成4个共价键，其价层电子对数为4，A错误；B．已知BN、BP均为共价晶体，其N的电负性比P的大，N的原子半径比P的大，则B-N的键能比B-P的大，故相同条件下的熔点：BN＞BP，B正确；C．已知BP为共价晶体，则磷化硼不溶于水，也不能溶于苯等常见溶剂中，C错误；D．由题干晶胞示意图可知，a原子位于后面面心上，故其的分数坐标为(0，，)，D错误；故答案为：B。 20．碳有金刚石(晶体模型如图a)、(分子结构如图b，每个分子内有32个面，均为正五边形或正六边形)等单质，碳能形成甲醛、氮化碳(分子结构如图c，分子内N和C均达到稳定结构)等化合物，下列说法不正确的是 A．金刚石结构中最小环是六元环，平均每个六元环有0.5个C，1条C—C B．γ-氮化碳的分子式为C6N8 C．甲醛中C为sp2杂化 D．分子中有16个五元环和16个六元环 【答案】D 【解析】A项，在金刚石的晶体结构中每个碳原子与周围的4个碳原子形成四个碳碳单键，最小的环为6元环，每个单键为6个环共有，则每个C原子连接4×3=12个六元环，平均每个六元环有0.5个C，=1条C—C，故A正确；B项，由γ-氮化碳的分子结构可知，γ-氮化碳的分子式为C6N8，故B正确；C项，甲醛中存在碳氧双键，C为sp2杂化，故C正确；D项，C60的结构是由20个六元环和12个五元环构成的，其中每个六元环都与两个相邻的五元环相连，故D错误；故选D。 21．有X、Y、Z、W、M五种短周期元素，其中X、Y、Z、W同周期，Z、M同主族；X+与M2-具有相同的电子层结构；离子半径：Z2->W-；Y的单质晶体熔点高、硬度大，是一种重要的半导体材料。下列说法中，正确的是 A．X、M两种元素只能形成X2M型化合物 B．由于W、Z、M元素的简单氢化物相对分子质量依次减小，所以其沸点依次降低 C．元素Y、Z、W的单质晶体属于同种类型的晶体 D．元素W和M的某些单质可作为水处理中的消毒剂 【答案】D 【解析】Y的单质晶体熔点高、硬度大，是一种重要的半导体材料，则Y是Si。X、Y、Z、W、M五种短周期元素，其中X、Y、Z、W同周期，Z、M同主族；X+与M2-具有相同的电子层结构，离子半径：Z2->W-，所以X是Na，Z是S，W是Cl，M是O。O与Na还可以形成Na2O2，A错误；W、Z、M元素的简单氢化物分别是HCl、H2S、H2O，因为水分子间存在氢键，所以三者中H2O沸点最高，B错误；Si是共价晶体，S和Cl2是分子晶体，C错误；臭氧和氯气都可以作为水处理中的消毒剂，D正确。 22．氮化铝晶体为共价晶体，是一种新型的无机非金属材料，有其重大用途。 （1）某一种制取方法是Al2O3+C+N2—AlN+CO(未配平)。 ①每个N2中含 个键，碳单质常见的是金刚石、石墨，其碳原子通常依次采用 、 杂化； ②碳单质与生石灰在高温下生成电石与CO，CaC2晶体属于含离子键和 (填非极性或极性)共价键的离子晶体，而CO与CO2比较，CO中键更短，其主要原因是 。 （2）AlN也可由(CH3)3Al和NH3在一定条件下制取，该反应的化学方程式是 (可以不写反应条件)，氨属于含极性共价键的 (填非极性或极性)分子。 （3）已知晶胞如图所示： ①空心球(原子)半径大于黑心球(原子)半径，空心球代表的是 (写名称)原子，理由是r(空心球) (黑心球)[填写某一种原子(X)的原子半径r(X)，X的单质通常不形成共价晶体]； ②设NA为阿伏加德罗常数的值，晶胞的边长acm，则的晶体密度为 。 【答案】（1）2 sp3 sp2 非极性 CO中存在C≡O，CO2中存在C=O （2） (CH3)3Al+NH3→AlN+3CH4 极性 （3） 铝 r(P) 【解析】（1）①N2分子中存在N≡N，含有1个σ键和2个π键；金刚石中每个C原子与周围4个C原子形成4个C—C键，为sp3杂化，石墨为层状结构，同一层中每个C原子与3个C原子形成3个C—C键，为sp2杂化，答案为：2;sp3;sp2。 ②C22-中存在C≡C，为非极性共价键；CO中存在C≡O，CO2中存在C=O，叁键的键长比双键的键长短，故CO中C—O键更短，故答案为：非极性；CO中存在C≡O，CO2中存在C=O。 （2）(CH3)3Al和NH3在一定条件下能生成AlN和CH4，该反应的化学方程式是 (CH3)3Al+NH3→AlN+3CH4；氨分子中存在孤电子对，正负电荷重心不重合，为极性分子，答案为： (CH3)3Al+NH3→AlN+3CH4；极性。 （3）①X的单质通常不形成共价晶体，则X为P，Al、P位于同一周期，P、N位于同一主族，同一周期从左向右原子半径逐渐减小，同一主族从上到下原子半径逐渐增大，原子半径：r(Al)>r(P)>r(N)，则空心球为铝，答案为：铝；r(P)； ②Al原子位于顶点和面心，个数为，4个N原子为体内，晶胞质量为，晶胞体积为a3cm3，晶胞密度，答案为：。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $