3.2.2 共价晶体【教学评一体化】同步教学课件- 2025-2026学年高二下学期化学人教版选择性必修2

该高中化学课件聚焦共价晶体，系统讲解其概念、构成微粒、作用力及结构特征，通过干冰与二氧化硅熔沸点差异对比分子晶体引入，形成“分子晶体→共价晶体”知识脉络，以任务驱动和问题链为支架引导概念构建。 其亮点是以结构决定性质为主线，通过金刚石sp³杂化、二氧化硅四面体结构分析培养科学思维，结合键参数与熔沸点关系探究发展证据推理能力，拓展第三代半导体应用体现科学态度与责任。采用对比表格和结构-性质-应用小结框架，助学生深化化学观念，教师可直接用于素养导向教学。

第三章 晶体结构与性质 容山中学 化学科组 第二节 分子晶体与共价晶体 第2课时 共价晶体 主讲人：郭静 目 录 CONTENTS 1 2 共价晶体的概念与性质 典型共价晶体的结构特征 学习目标 知道共价晶体结构特点，认识金刚石晶体中碳原子的三维骨架结构，能借助共价晶体模型说明共价晶体中粒子间的相互作用。 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对共价晶体物理性质的影响。 碳和硅元素同为第四主族的元素，从其形成的化合物外形来看，均为晶体，而两种晶体的熔沸点却相差很大，这是为什么呢？ 干冰 熔点： -56.2 ℃ 沸点： -78.5 ℃ 二氧化硅 熔点： 1723 ℃ 沸点： 2230 ℃ 分子晶体 分子间作用力 熔沸点低 微观空间里没有分子 共价晶体 新课导入 任务一 共价晶体的概念与性质 一、共价晶体 1、概念：原子之间以共价键结合形成共价键三维骨架结构。 2、构成微粒：原子 3、粒子间作用力：共价键 4、空间结构：三维骨架结构 共价晶体 组成共价晶体的粒子和粒子间的作用力是什么？ SiO2晶体结构 原子 共价键 任务一 共价晶体的概念与性质 “具有共价键的晶体叫做共价晶体”这种说法对吗？为什么？ 不对。 共价晶体除具有共价键外，组成粒子是原子。 相邻原子间以共价键相结合形成空间网状结构的晶体才是共价晶体。 共价晶体的微观结构空间内没有分子。 什么元素能构成共价晶体呢？常见的共价晶体有哪些？ 不一定。晶体He Ne Ar Kr等是分子晶体。 只由原子形成的晶体一定是共价晶体吗？ 任务一 共价晶体的概念与性质 二、常见的共价晶体 1、这些元素的单质。 2、这些元素组成的化合物。 金刚石、硼(B)、高聚氮、硅(Si)、锗(Ge) 和灰锡(Sn)等。 碳化硅(SiC，俗称金刚砂)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等 以碳为中心 3、极少数金属氧化物。 刚玉(Al2O3)、Mn2O7、Cr2O3等 任务二 典型共价晶体的结构特征 三、典型共价晶体的结构分析 1、金刚石 ②每个碳原子都采取____杂化; sp3 ③C—C键长相等，键角相等，键角为_________. 109°28' ④晶体中最小的碳环由___个碳组成，且_____同一平面内，最多有___个碳 原子在平面内； 6 不在 ①在金刚石晶体中每个碳原子周围紧邻的碳原子有 个 4 最小环为六元环 109º28´ ⑤ 晶体中每个C参与了4条C—C键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故C原子与C—C键数之比为：_________ 4 1：2 →12g金刚石含有___个C原子，含有____个C-C键 NA 2NA →即金刚石中，1molC平均拥有 mol C—C键 2 任务二 典型共价晶体的结构特征 三、典型共价晶体的结构分析 1、金刚石 在金刚石晶胞中占有的碳原子数____　 8 8×1/8+6×1/2+4=8 键能： 347.7 kJ/mol （很大） 键长：154 pm（很短） 熔点很高：> 3500 0C 硬度最大：摩氏10度 109º 28´，三维骨架，共价键（很多） 结构决定性质 任务二 典型共价晶体的结构特征 三、典型共价晶体的结构分析 1、金刚石 【思考与讨论】硅晶体结构与金刚石极其相似，只是将碳原子换成了硅原子。请推测晶体硅中 Si－Si 键的键参数与金刚石中 C－C 键的键参数相比，有什么变化？ 原子半径：Si C 键长变长，键能变小 硅晶体结构 > 熔点、硬度比金刚石小 探究课堂 任务二 典型共价晶体的结构特征 三、典型共价晶体的结构分析 2、二氧化硅 金刚石晶体结构模型 ① Si原子采取____杂化，正四面体内O—Si—O键角为________。 ② 每个Si原子与____个O原子形成____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。每个O原子和____个Si原子形成____个共价键，晶体中Si原子与O原子个数比为________。 ③ 最小环上有____个原子，包括____个O原子和____个Si原子。 sp3 109°28′ 4 4 2 2 1∶2 12 6 6 任务二 典型共价晶体的结构特征 三、典型共价晶体的结构分析 2、二氧化硅 Si原子个数与Si-O 共价键个数之是 ； O原子个数与Si-O 共价键个数之比是 。 1：4 1：2 5、60 g 二氧化硅含有_____个Si原子 含有_____个O原子 含有_____ 个Si-O键 NA 2NA 4NA 4、1 mol SiO2中含 mol Si-O键 4 任务二 典型共价晶体的结构特征 三、典型共价晶体的结构分析 2、二氧化硅 在低温石英的结构中，顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，而没有封闭的环状结构，这一结构决定了它具有手性(左、右型)，被广泛用作压电材料，如制作石英手表。 ——低温石英 石英晶体中的硅氧四面体相连构成的螺旋链 石英的左、右型晶体 石英手表 任务二 典型共价晶体的结构特征 三、典型共价晶体的结构分析 二氧化硅具有许多用途，是制造水泥、玻璃、人造红宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。 水泥 单晶硅 玻璃 单晶硅制的芯片 硅太阳能 电池 二氧化硅 光导纤维 二氧化硅 熔点：1723℃ 干冰 熔点：-56.2℃ CO2晶体是分子晶体， CO2之间存在范德华力，这种分子间作用力很弱，较容易破坏它使晶体变成液体或气体，故CO2的熔点很低。 SiO2是共价晶体，晶体中不存在SiO2分子。由于晶体是由硅原子和氧原子按1：2的比例通过共价键结合形成的共价晶体，破坏这些共价键需要很高的能量，故SiO2的熔点很高。 【思考与讨论】碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族，为什么CO2晶体的熔点很低，而SiO2晶体的熔点很高？ 探究课堂 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 共价晶体的 结构特点 非密堆积 原子通过共价键形成空间网状结构 共价晶体的 性质特点 熔点高 (＞1000 ℃) 硬度大 【思考与讨论】根据表中数据，归纳共价晶体的性质特点，并从结构角度解释原因？ 探究课堂 分子晶体与共价晶体的比较 晶体类型 共价晶体 分子晶体 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空间网状结构 分子间以分子间作用力结合 原子 分子 共价键 分子间作用力 很高 较低 很大 较小 不溶于任何溶剂 部分溶于水 不导电，个别为半导体 固体和熔化状态都不导电，部分溶于水导电 课堂小结 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 【思考与讨论】怎样从原子结构的角度理解金刚石、硅和锗的熔点和硬度依次下降？ 在金刚石、硅和锗中，每个原子均以sp3杂化轨道与相邻的4个原子形成σ 键，整体上形成三维骨架结构，同属于共价晶体，熔点和硬度都较高。但金刚石、硅和锗的结构差别在于C、Si、Ge原子半径依次递增，C-C 、Si-Si 、Ge-Ge的键长依次递增，键长越大，键能越小，所以熔点和硬度依次降低。 探究课堂 共价晶体硬度大，分子晶体硬度小且较脆。 分子晶体和共价晶体的判断方法 ①依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力判断 组成共价晶体的粒子是原子，粒子间的作用力是共价键； 组成分子晶体的粒子是分子或原子(稀有气体)，粒子间的的作用力是分子间作用力。 ②依据晶体的熔点判断 共价晶体的熔沸点高，常在1000℃以上； 分子晶体的熔、沸点低，常在数百摄氏度以下。 ③依据晶体的硬度与机械性能判断 ④依据导电性判断 分子晶体为非导体，但部分溶于水后能导电。 共价晶体多数为非导体，但晶体硅、锗是半导体。 课堂小结 比较物质的熔点的方法 共价 晶体 分子 晶体 有氢键 只有 范德华力 方 法 依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力判断 依据性质判断 判断 晶体的类型 键长越短 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 课堂小结 锗Ge硅Si 主要应用：低压、低频、中功率晶体管、光电探测器，取代了笨重的电子管，导致了集成电路的可能性 砷化镓GaAs 磷化铟InP 主要应用：毫米波器件、发光器件、卫星通讯、移动通讯、光通讯、GPS导航等，较好的电子迁移率、带隙等材料特性，资源稀缺，有毒性，污染环境 碳化硅Sic、氮化铝AlN、氮化镓GaN、氧化锌ZnO、金刚石C 主要应用：高温、高频、抗辐射、大功率器件；蓝、绿、紫光二极管、半导体激光器，更优的电子迁移率、带隙、击穿电压 、高频、高温特性 第一代 半导体 第二代 半导体 第三代 半导体 第三代半导体：中国半导体的希望！ 拓展延伸 1、正误判断 (1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体(　　) (2)具有共价键的晶体一定是共价晶体(　　) (3)共价晶体在固态或熔化时均不导电(　　) (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(　　) (5)共价晶体均是化合物(　　) 学习评价 2、下列关于SiO2晶体空间结构的叙述正确的是（ ） A、最小的环上，有3个硅原子和3个氧原子 B、最小的环上，硅原子数和氧原子数之比为1∶2 C、最小的环上，有6个硅原子和6个氧原子 D、存在四面体结构单元，O原子处于中心，Si原子处于4个顶角 C 学习评价 3．美国《科学》杂志曾报道：在40GPa的高压下，用激光加热到1800K，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．该共价晶体易汽化，可用作制冷材料 C．该共价晶体有很高的熔沸点 D．该共价晶体的硬度大，可用作耐磨材料 B 学习评价 4、用NA表示阿伏加德罗常数的值。下列说法中正确的是（ ） A.124 g白磷中含有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.28 g晶体硅中含有Si—Si键的个数为2NA D.60 g SiO2中含有Si—O键的个数为2NA P P P P 白磷分子结构 C 学习评价 ②SiCl4和SiF4：__________________________________________________ _______________________________________________________________________________________。 ①SiO2和SiCl4：__________________________________________________ ___________________________________________________________。 5、根据下表中三种物质(晶体)的熔点，简要解释熔点产生差异的原因： 物质 SiO2 SiCl4 SiF4 熔点/℃ 1 710 －70 －90.2 SiO2是共价晶体，微粒间作用力为共价键；SiCl4是分子晶体，分子间作用力为范德华力，故SiO2熔点高于SiCl4 SiCl4和SiF4均为分子晶体，分子间作用力均为范德华力，根据分子结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大，可知SiCl4熔点高于SiF4 学习评价 6、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。 (1/4，1/4，3/4) 12 共价 a 学习评价 结构 性质 应用 共价晶体 构 成 微 粒 微粒间的作用力 结 构 特 征 物 理 特 性 典 型 晶 体 原子 共价键 熔点高、硬度大、一般不导电、难溶于一般的溶剂 金刚石、SiO2晶体 三维骨架结构(空间立体网状) 饰品 磨具 钻头等 制造水泥、玻璃、 人造红宝石、 光导纤维 课堂小结 $