3.2 几种简单的晶体结构模型 第2课时（教学课件）化学鲁科版选择性必修2

该高中化学课件聚焦共价晶体、分子晶体及晶体结构的复杂性，通过冰与金刚石的性质对比导入，以“微粒排列方式及影响因素”“晶胞特点”等问题驱动，衔接前期晶体类型知识，搭建从宏观性质到微观结构的学习支架。 其亮点在于以微观结构分析为核心，通过金刚石、SiO₂等晶胞模型建构（科学思维），结合键能与熔沸点关系的证据推理（化学观念），落实结构决定性质的观念。采用问题链引导探究（如冰中氢键对结构的影响），典型例题与分层练习结合，帮助学生深化模型认知，也为教师提供清晰的概念建构与应用迁移教学路径。

第三章 不同聚集状态的物质与性质 第二节　 几种简单的晶体结构模型 课时2 共价晶体 分子晶体 晶体结构的复杂性 鲁科版选择性必修2 共价晶体 1 知识导航 分子晶体 2 晶体结构的复杂性 3 知识导航 重点：比较判断晶体类型与性质。 难点：比较判断晶体类型与性质。 1.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。 明·教学目标 教学模型：问题驱动→概念建构→应用迁移 2.了解分子晶体的概念、结构特点及常见的分子晶体，能够从范德华力、氢键的特征，分析理解分子晶体的物理特性。 思考：不同类型的晶体中，微粒在空间如何排列?它们的排列受哪些因素影响?各类晶体的晶胞又有什么特点呢? 引·新课导入 冰和金刚石有什么不同 问题驱动 情景导入 01 共价晶体 探·知识奥秘 金刚石具有诸多优良性质，如熔点高、不导电、硬度极高。这些性质显然是由金刚石的结构决定的。那么，金刚石具有怎样的结构呢？ 一、共价晶体 观察金刚石的结构模型，思考下列问题： 金刚石晶体中碳原子轨道杂化方式？碳原子结合方式？从结构上分析金刚石熔点高、硬度大的原因？共价晶体和金属晶体、离子晶体中微粒排列方式的区别？为什么？ 探·知识奥秘 一、共价晶体 1.共价晶体 相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体称为共价晶体。 2.金刚石结构 碳原子杂化方式： sp3 347KJ·mol-1 键角： 键长： 键能： 0.154nm 109°28′ 在每个碳原子周围排列的碳原子只能有四个，这是由共价键的饱和性与方向性决定的。正是因为在中心原子周围排列的原子的数目是有限的，所以这种比较松散的排列与金属晶体和离子晶体中紧密堆积的排列有很大的不同。 探·知识奥秘 3.几种共价晶体的结构 ⑴金刚石晶胞 一、共价晶体 ①在金刚石的晶胞中，碳原子分别位于立方体的8个顶点、6个面心、按面心立方堆积方式排列，4个碳原子填入一半的碳原子所成的四面体空隙，填隙率50%。 ②晶胞的碳原子数：8×1/8 ＋ 6×1/2 ＋ 4 ＝8，晶胞中的原子数：8个 配位数：4，每个晶胞的碳碳共价键数：4× 4 ＝16 探·知识奥秘 3.几种共价晶体的结构 ⑴金刚石晶胞 一、共价晶体 ③在晶体中每个碳以共价键键与相邻4个碳结合,无限延伸形成空间立体网状结构。碳原子以sp3杂化轨道与周围4个碳原子以共价键相结合,C—C键间的夹角为109028＇，每个最小的碳原子环上有6个碳原子。 探·知识奥秘 一、共价晶体 ⑴金刚石晶胞 A、 B、 C、 D、 E、 ④晶体中微粒的关系： 金刚石晶胞的参数(边长)为a，C半径为r 。 a 4r 8r 4r 立方体体对角线长度就是C—C键的键长2r的4倍。 所以2r＝ ， r＝ ⑤晶体中C的空间坐标(以晶胞参数(棱长)a为单位长度) (0,0,0) (0.5,0.5,0) (0,0.5,0.5) (0.5,0,0.5) (0.25,0.25,0.25) 探·知识奥秘 一、共价晶体 3.几种共价晶体的结构 ⑵碳化硅(SiC)晶体 ①SiC晶胞中，硅原子位于立方体的8个顶点和6个面心位置，碳原子位于由大立方体分割成的8个小立方体中的4个的体心处。每个碳原子与周围的4个硅原子成键。 ②晶胞的原子数：Si原子数：8×1/8 ＋ 6×1/2 ＝4 C原子数：4 每个晶胞的碳硅共价键数：4× 4 ＝16 ③碳化硅的化学式：SiC 探·知识奥秘 一、共价晶体 3.几种共价晶体的结构 ⑶SiO2晶体 向晶体硅结构中每个Si—Si键中间“插入”一个O原子，便得到以硅氧四面体为骨架的SiO2晶体结构。 在二氧化硅晶体里，硅原子和氧原子交替排列，不会出现Si—Si键和O—O键， 而只有 Si—O 键，即一个硅原子与四个氧原子形成四个共价键，每个氧原子与两个硅原子形成两个共价键，因此，二氧化硅晶体中硅原子和氧原子的个数比为 1∶2。 探·知识奥秘 一、共价晶体 ⑶SiO2晶体 ①.晶体中1个Si与__个O以共价键结合，形成________结构；1个O与__个Si结合，故SiO2晶体中Si与O之比为______。在SiO2晶体中， 单个的SiO2分子存在。 没有 4 正四面体 1 : 2 2 ③.最小环上有_____个原子(____个Si和____个O)。 ②.1molSiO2晶体中含_____molSi-O键。 4 12 6 6 探·知识奥秘 一、共价晶体 从表 3-2-4 中的数据可以看出，尽管金刚石、碳化硅和晶体硅都是共价晶体且它们的结构相似，但是它们的熔点和硬度有较大差异，请讨论产生这种差异的原因。 表 3-2-4 部分共价晶体的键能、熔点和硬度 晶体 键能/（kJ·mol⁻¹） 熔点/℃ 硬度* 金刚石 （C—C）347 大于3500 10 碳化硅 （C—Si）301 2830 9 晶体硅 （Si—Si）226 1412 7 探·知识奥秘 4.共价晶体的性质 ①熔点很高、硬度很大。 一、共价晶体 从碳到硅，核电荷数增大，电子层数增多，原子半径增大，C-C、C-Si、Si—Si的键长依次增大，键能依次减小，所以，金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降。 ②原子的半径越小，共价键的键长越短键能越大，晶体的熔点就越高、硬度就越大。 析·典型范例 【例1】设NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法正确的是 （　　） A.28 g晶体硅中含有Si—Si键的个数为2NA B.124 g白磷（P4）晶体中含有P—P键的个数为4NA C.12 g金刚石中含有C—C键的个数为4NA 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） A 一、共价晶体 02 分子晶体 探·知识奥秘 雪花、食盐以及金刚石都是晶体；这些晶体有什么不同呢？ 二、分子晶体 雪花 食盐 钻石 分子间作用力 分子晶体 静电作用力 共价键 离子晶体 水分子 钠离子、氯离子 碳原子 共价晶体 探·知识奥秘 在金属晶体、离子晶体和共价晶体中，原子或离子之间都是通过化学键相互结合的，相应化学键的特点对晶体中微粒的空间排布方式会产生影响。那么，像碘、干冰等这些以分子为基本构成微粒的晶体中，分子会如何排列呢？ 二、分子晶体 探·知识奥秘 二、分子晶体 1.分子晶体 ①分子之间通过分子间作用力结合形成的晶体称为分子晶体。 探·知识奥秘 2.常见的分子晶体 (1)部分非金属单质： 卤素(X2)、氧(O2)、硫(S8)、氮(N2)、白磷(P4)、碳60(C60)、稀有气体 (2)所有非金属氢化物：水、硫化氢、氨、氯化氢、甲烷 (3)部分非金属氧化物：CO2、P4O6、P4O10、SO2 (4)所有的酸(而强碱和多数盐则是离子晶体) (5)绝大多数有机物的晶体 二、分子晶体 探·知识奥秘 3.分子晶体的结构 碘晶体结构 二、分子晶体 晶胞为长方体，每个顶点和面心各有一个分子。 ①平均每个晶胞中有 个碘分子， ②微粒间的作用力是 。 4 范德华力 氯单质、溴单质的晶体结构与碘晶体的结构非常类似，只是晶胞的大小不同。 探·知识奥秘 ①每个晶胞中有____个分子。 ②每个CO2分子周围等距紧邻的CO2分子有_____。 二、分子晶体 干冰(CO2) 3.分子晶体的结构 与碘晶胞的结构不同，干冰的晶胞为立方体。 4 12 探·知识奥秘 二、分子晶体 常温下，液态水中水分子在不停地做无规则的运 动。0 ℃以下，水凝结为冰，其中的水分子排列由杂乱无序变得十分有序。 观察图 3-2-14，思考：冰晶体中存在着哪几种微粒间的相互作用？这对冰晶体的结构与性质产生了怎样的影响？ 水分子之间的主要作用力是氢键(当然也存在范德华力)，尽管氢键比共价键弱得多，不属于化学键，却跟共价键一样具有方向性，即氢键的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引。 探·知识奥秘 3.分子晶体的结构 二、分子晶体 冰 H2O ①水分子之间的作用力是_______、__________。 ②冰中1个水分子周围有__个水分子形成_________。 ③1mol冰中有___mol“氢键”。 氢键 范德华力 4 2 四面体 如：HF 、冰、NH3 探·知识奥秘 3.分子晶体的结构 ①分子间作用力只有范德华力，无方向性、无饱和性，形成紧密堆积。 ②分子间作用力主要是氢键，有方向性、饱和性，形成非密堆积。 二、分子晶体 典型的分子晶体是指有限数目的原子以共价键结合为分子后， 这些分子再通过分子间作用力结合形成晶体。一般来说，分子在无方向性的分子间作用力的作用下堆积时，尽可能利用空间紧密地堆积在一起，这一点与金属晶体相似。 分 子的形状、分子的极性以及分子之间是否存在氢键等，都会影响分子的堆积方式。 探·知识奥秘 二、离子晶体 3.分子晶体的结构 苯甲酸晶体 苯甲酸分子排列形成层状结构，同一平面内分子之间通过氢键相互作用连接，平面之间的分子依靠范德华力维系。 探·知识奥秘 表 3-2-5 列出了一些分子晶体的熔点。请根据表中所列数据猜想：影响不同分子晶 体熔点的原因可能有哪些？ 二、分子晶体 分子晶体在熔化时，破坏的只是分子间作用力，分子间作用力是影响熔点的主要因素。 探·知识奥秘 4.分子晶体的性质 ①分子晶体物理性质：熔沸点低、硬度小 二、分子晶体 ②影响分子晶体熔点的主要因素——分子间作用力 ③组成和结构相似且晶体中没有氢键的分子晶体来说，相对分子量越大，分子间作用力增强，熔沸点升高。 符合此规律的有卤素单质、四卤化碳、稀有气体等的晶体。 析·典型范例 二、分子晶体 【例1】如图为干冰的晶体结构示意图。 (1)通过观察分析，有____种取向不同的CO2分子。将CO2分子视作质点，设晶胞边长为a pm， 则紧邻的两个CO2分子的距离为______ pm。 (2)其密度ρ为________________________(1 pm＝10－10 cm)。 4 03 晶体结构的复杂性 探·知识奥秘 三、晶体结构的复杂性 实验测定，石墨的熔点高达 3850 ℃，这说明石墨晶体具有共价晶体的特点。但是， 石墨很软并且能导电，是非常好的润滑剂，这说明它又不同于共价晶体。那么，石墨究竟属于哪种类型的晶体呢？ 金刚石部分物理性质 熔点 莫氏硬度 电导率/（s·m-1) 3550℃ 10 2.11*10-13 石墨部分物理性质 熔点 莫氏硬度 电导率/（s·m-1) 3850℃ 1 2.5*103 探·知识奥秘 1.混合型晶体 石墨晶体既存在共价键又存在范德华力，同时还存在类似金属键的作用力，我们将这类晶体称为混合型晶体 石墨性质特征 熔点高、 质软、 能导电 共价晶体特征 金属晶体特征 石墨结构特征 混合型晶体 层状结构 分子晶体特征 三、晶体结构的复杂性 探·知识奥秘 2.石墨晶体结构 石墨晶体中的二维平面结构 120° 碳原子杂化方式： 347KJ·mol-1 键角： 键长： 键能： 0.154nm sp2 实验测得：石墨晶体是层状结构的，层内的碳原子的核间距为142 pm，层间距离为335 pm。 三、晶体结构的复杂性 探·知识奥秘 2.石墨晶体结构 ⑴石墨的晶体具有层状结构,同一层中的每个碳原子与邻近的3个碳原子以共价键相结合,形成无限的六边形平面网状结构。每个碳原子还有1个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道,并含有1个未成对电子,能形成遍及整个平面的大π键 ⑶层与层之间以范德华力结合。 ⑷石墨晶体既含有共价键,又有范德华力,同时还存在类似金属键的作用力,这类晶体称为混合型晶体。石墨熔点高、质软、能导电。 ⑵碳原子采取sp2杂化,C—C键之间的夹角为120°。 三、晶体结构的复杂性 探·知识奥秘 三、晶体结构的复杂性 3.黑磷 黑磷有正交、简单立方和菱方等三种晶 型。其中，正交晶型的黑磷具有半导体性质， 可用作电学和光学材料。 探·知识奥秘 三、晶体结构的复杂性 3.黑磷 在晶体中，与石墨相似，黑磷具有层状结构，层间依靠范德华力结合在一起。而在层内，每个磷原子与其他三个磷原子相连，形成二维皱褶蜂巢型结构。 二维的单层黑磷又称磷烯，它具有比石墨烯更大的带隙（0.3~2 eV），磷烯在场效应晶体管、光电子器件、自旋电子学、气体传感器及太阳能电池等方面有着广阔的应用前景。 探·知识奥秘 三、晶体结构的复杂性 金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体等模型都是典型的晶体结构模型，大多数实际晶体结构要复杂得多。 ①一方面，物质组成的复杂性导致晶体中存在多种不同微粒以及不同的微粒间作用，这也使这类晶体具有重要应用。 4.晶体结构的复杂性 O2- Ba2+ Ti4+ 例如：BaTiO3含有一种阴离子O2-和多种阳离子Ti4+、Ba2+ 探·知识奥秘 4.晶体结构的复杂性 ②另一方面，金属键、离子键、共价键、配位键等都是化学键的典型模型，但是，原子之间形成的化学键往往是介于典型模型之间的过渡状态。 如，Na2SiO3 与 Na2CO3 组成看似相似，但结构明显不同。 三、晶体结构的复杂性 探·知识奥秘 4.晶体结构的复杂性 在Na2SiO3固体中并不存在单个的简单SiO32－，Si通过共价键与4个O原子相连，形成硅氧四面体。硅氧四面体通过共用顶角O原子而连成较大的链状硅酸盐{SiO32－}∞单元(如图所示)，带负电的链状硅酸盐{SiO32－}∞单元与金属阳离子以离子键相互作用。 ③由于微粒间的作用存在键型过渡，即使组成简单的晶体，也可能是居于金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体之间的过渡状态，形成过渡晶体。 三、晶体结构的复杂性 析·典型范例 【例1】石墨晶体是层状结构（如图），下列有关石墨晶体的说法正确的一组是 （　　） ①石墨层与层间靠范德华力维系　②石墨中的C为sp2杂化　③石墨的熔、沸点都比金刚石低　④石墨和金刚石的硬度相同　⑤石墨层内导电性和层间导电性不同 A.全对 B.①②③ C.①②⑤ D.②③④ C 三、晶体结构的复杂性 理·核心要点 共价晶体 分子晶体 晶体结构的复杂性 共价晶体 分子晶体 晶体结构的复杂性 共价晶体 金刚石结构 分子晶体 常见的分子晶体 分子晶体的结构 混合型晶体 石墨晶体结构 黑磷 几种共价晶体的结构 晶体结构的复杂性 共价晶体的性质 分子晶体的性质 练·技能实战 1.下列物质固态时，一定是分子晶体的是( ) A.酸性氧化物 B.非金属单质 C.碱性氧化物 D.含氧酸 D 2.水的沸点为100 ℃，硫化氢的分子结构跟水相似，但它的沸点却很低，是－60.7 ℃，引起这种差异的主要原因是( ) A.范德华力 B.共价键 C.氢键 D.相对分子质量 C 练·技能实战 3．二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。下列有关说法正确的是 (　　) A.方英石晶体中存在着SiO2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18个硅原子 D.方英石晶体中，Si—O键之间的夹角为109°28′ D 练·技能实战 4.如图是甲烷晶体的晶胞结构，图中每个小球代表一个甲烷分子（甲烷分子分别位于立方体的顶点和面心），下列有关该晶体的说法正确的是 （　　） A.该晶体与HI的晶体类型不同 B.该晶体熔化时只需要破坏共价键 C.SiH4分子的稳定性强于甲烷 D.每个顶角上的甲烷分子与它最近且等距的甲烷分子有12个 D 练·技能实战 5.冰的晶胞结构如图所示。下列相关说法不正确的是 （　　） A.硫化氢晶体结构和冰相似 B.冰晶体中，相邻的水分子均以氢键结合 C.若晶胞中z方向上的两个氧原子最短距离为d，则冰晶胞中的氢键键长为d D.冰晶体中分子间氢键存在方向性、饱和性，晶体有较大空隙，因此密度比液态水小 A 练·技能实战 6.下列分子晶体的熔、沸点由高到低的顺序是（　） ①HCl　②HBr　③HI　④CO　⑤N2　⑥H2 A.①②③④⑤⑥ B.③②①⑤④⑥ C.③②①④⑤⑥ D.⑥⑤④③②① C 7.氮化硼是一种新合成的结构材料，它具有硬度大、耐磨、耐高温的性质。下列各组物质熔化时所克服的粒子间作用力与氮化硼熔化时所克服的粒子间作用力相同的是（　　） A.C60和金刚石 B.晶体硅和水晶 C.冰和干冰 D.碘和金刚砂 B 练·技能实战 8.磷及其化合物在电池、催化等领域有重要应用。黑磷与石墨类似，也具有层状结构（如图1）。为大幅度提高锂电池的充电速率，科学家最近研发了黑磷—石墨复合材料，其单层结构俯视图如图2所示。 下列说法正确的是 （　　） A.黑磷中P—P键的键能完全相同 B.黑磷与石墨都属于混合型晶体 C.由石墨与黑磷制备该复合材料的过程，未发生化学反应 D.复合材料单层中，P原子与C原子之间的作用力属于范德华力 B 感谢 您的聆听 THANKS 鲁科版选择性必修2 https://www.zxxk.com/user/13354804 $