3.2.2 共价晶体 课件 2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修2

第三章 晶体结构与性质 第二节 分子晶体与共价晶体 第2课时 共价晶体 雪花、钻石、食盐和铜都是晶体，那晶体之间有没有什么不同呢，雪花、钻石、食盐和铜的微粒构成是一样的吗？ 分子间作用力 分子晶体 共价键 水分子 碳原子 共价晶体 雪花 钻石 离子键 离子晶体 钠离子、氯离子 食盐 金属键 金属晶体 铜原子、电子 铜 1.概念 相邻原子之间以共价键相结合形成的具有三维骨架结构的晶体 2.构成微粒及微粒间作用力 构成微粒 原子 相互作用 共价键 判断方法 注意： 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，无分子式，化学式表示原子最简整数比。原子晶体中唯一的作用力是共价键，即影响化学性质稳定性，又影响物理性质熔沸点、硬度的大小。 任务一 共价晶体的概念与性质 思考： 1、由原子构成的晶体一定是共价晶体吗？ 2、含有共价键的晶体一定是共价晶体吗？ 不一定，金属晶体也是由原子构成的（下一节学习） 不一定，共价晶体中含有共价键，但分子晶体中也含有共价键，如 CO2，离子晶体也可能含有共价键，如NaOH 任务一 共价晶体的概念与性质 3.常见的共价晶体 ①某些单质：以碳为中心，同主族向下，同周期向左向右：金刚石（C）、硅（Si）、锗（Ge）、灰锡（Sn） 、硼（B）、高聚氮等 ②某些非金属化合物：如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等 ③极少数金属氧化物，如刚玉(Al2O3) 硼 刚玉 碳化硅 任务一 共价晶体的概念与性质 石墨不是 4.物理特性 问题：下表列出了一些原子晶体的熔点和硬度，请根据表中数据分析：原子晶体的有什么特点？并从微观角度解释原因。 共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗 硬度 10 9.5 9.5 7 6.5 6.0 熔点/℃ >3500 3000 2700 1710 1410 1211 ①熔点高（结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越稳定，晶体的熔点、沸点越高。） ②硬度很大 ③一般不导电，但晶体硅是半导体 ④难溶于一般溶剂 金刚石钻石 氮化硅（Si3N4）航天耐高温材料 碳化硅（SiC） 砂轮 任务一 共价晶体的概念与性质 1.金刚石晶体 ①在晶体中每个碳原子以 个共价单键与 相邻的 个碳原子相结合，成为正四面体，C-C-C夹角为 ，碳原子采取 杂化。 4 4 109°28' sp3 每个C形成4个C—C，每个C—C占有 个C，即C原子与C—C数目之比为 。1mol C原子中含 mol C-C共价键。C原子的配位数为_____个 2 2 1：2 正四面体 任务二 典型共价晶体的结构特征 4 熔点很高：> 3500 0C 硬度最大：摩氏10度 1.金刚石晶体 最小环为六元环 ②晶体中最小的碳环有 个碳原子，且不在同一平面，最多 个碳原子在同一平面。 每个碳原子可形成 个六元环,每个C-C键可以形成 个六元环？ 6 4 正四面体 任务二 典型共价晶体的结构特征 12 6 每个六元环占 碳原子, 个C-C键 0.5 12 6 拓展：金刚石晶胞中的均摊问题 金刚石结构中最小的环状结构为六元环，以标记为O的碳原子为着眼点，通过该碳原子的bOc“V形”可以形成两个六元环；而通过O碳原子的“V形”共有6个(aOb、aOc、aOd、bOc、 bOd、cOd)。 金刚石中六元环结构与碳原子数目比为 2 : 1 因此通过O碳原子的六元环共6×2=12个，(即:一个O碳原子为12个六元环共用)一个六元环对环上任意一个碳原子的占有为1/12，一个六元环实际享有6×1/12 ═ 0.5个碳原子 以标记为aO的C－C为着眼点，通过该C－C的“V形”共有3个(aOb、aOc、aOd)。 因此通过aOC－C键的六元环共3×2=6个，(即:一根aOC－C键为6个六元环共用)一个六元环对环上任意一根C－C键的占有为1/6，一个六元环实际享有6×1/6 ═ 1根C－C键 金刚石中六元环结构与C－C键数目比为 1 : 1 金刚石晶胞中： 六元环结构 : 碳原子数目 : C－C键数目 = 2 : 1 : 2 1.金刚石晶体 (1)与碳同族单质(如Si、Ge)都具有与金刚石相似的结构； (2)第ⅣA族相邻元素间也可形成相似结构的晶体(如SiC)； (3) BN、GaAs等也可形成与金刚石结构相似的晶体。 金刚石 晶体硅 SiC GaAs 任务二 典型共价晶体的结构特征 自然界含量最高的固态二元氧化物，熔点1713℃ 有多种结构，最常见的是低温石英（α-SiO2） 海滩河岸边的黄沙、石英矿脉、花岗石中的白色晶体以及透明的水晶都是低温石英。 应用广泛的高科技产品原料 --- 二氧化硅（SiO2) 任务二 典型共价晶体的结构特征 2.二氧化硅晶体 2.二氧化硅晶体 1.二氧化硅晶体中硅原子采取 杂化 每个Si原子周围结合 个O原子；同时，每个O原子跟 个Si原子相结合。实际上，SiO2晶体是由Si原子和O原子按1︰2的比例所组成的立体网状的晶体。 2. 1mol SiO2中含 Si—O键。 4 2 4mol 3.SiO2晶胞中包含有 个Si原子 个O原子。 8 16 任务二 典型共价晶体的结构特征 sp3 思考讨论 晶体硅结构中最小的环为6元环 二氧化硅晶体结构中最小的环为12元环 任务二 典型共价晶体的结构特征 最小的环是由 6 个Si原子和 6 个O原子组成的 12 元环 2.二氧化硅晶体 任务二 典型共价晶体的结构特征 制作水泥 制作玻璃 光导纤维 单晶硅 电池板 作芯片 碳和硅元素位于元素周期表中同一主族，且二氧化碳和二氧化硅晶体均含有共价键，为什么熔沸点差异那么大？ 晶体 CO2 SiO2 熔点（℃） -56.6 1723 沸点（℃） -78.5 2230 探究课堂 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1：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 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 硬度是衡量固体软硬程度的指标。硬度有不同的标度，最普通的硬度标度是划痕硬度，即摩氏硬度，以固体互相刻画时出现刻痕的固体的硬度较低。 共价晶体的性质特点 熔点高(通常＞1 000 ℃) 硬度大 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 探究课堂 思考2：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？ 共价晶体 金刚石 硅 锗 熔点/℃ ＞3 500 1 410 1 211 硬度* 10 6.5 6.0 三种物质中，每个原子均以sp3杂化形式与相邻的四个原子形成σ键，整体上形成三维骨架结构，同属于共价晶体，熔点都比较高。熔点的相对高低与共价键的强弱有关，共价键越强，熔点越高。金刚石、硅和锗的结构差别在于碳、硅、锗原子半径依次递增。C-C键、Si-Si键、 Ge-Ge键的键长依次递增，键长越长，键能越小，所以熔点和硬度依次下降。 探究课堂 (1)依据构成晶体的微粒和微粒间的作用力 (2)依据晶体的熔点 共价晶体的熔点高,常在1 000 ℃以上; 而分子晶体熔点低,常在数百摄氏度以下甚至更低。 (3)还可以依据晶体的硬度 共价晶体硬度大,分子晶体硬度小。 (4)依据导电性 分子晶体为非导体,但部分溶于水后能导电; 原子晶体多数为非导体,但晶体硅、锗是半导体。 构成共价晶体的微粒是原子,微粒间的作用力是共价键; 构成分子晶体的微粒是分子或原子(稀有气体),微粒间的作用力是分子间作用力。 1.不同类型的晶体 理由：共价晶体的熔、沸点与共价键有关，分子晶体的熔、沸点与分子间作用力有关。共价键的作用力远大于分子间作用力。 2.晶体类型相同 （1）共价晶体 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＞二氧化硅＞碳化硅＞晶体硅。 共价晶体>分子晶体 分子晶体和共价晶体对比 晶体类型 共价晶体 分子晶体 概念 相邻原子间以共价键相结合而形成的空间立体网状结构的晶体 分子间以分子间作用力相结合的晶体 组成微粒 原子 分子 微粒间作用力 共价键 分子间作用力 物理性质 熔、沸点高，硬度大，不溶于常见的溶剂，不导电，个别为半导体 熔、沸点较低，硬度较小，部分溶于水，不导电，部分溶于水导电 熔化时破坏的作用力 破坏共价键 一定破坏范德华力，有时还破坏氢键，如冰熔化 实例 金刚石、二氧化硅等 冰、干冰等 1.设NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法中正确的是 A. 28 g晶体硅中含有Si—Si的个数为2NA B. 124 g白磷(P4)晶体中含有P—P的个数为4NA C. 12 g金刚石中含有C—C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) A 学习评价 2.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 C 学习评价 3.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．1mol金刚石中含有 4 NA个C-C键(NA表示阿伏加德罗常数的值) C　 学习评价 B　 4.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．原子晶体C3N4的熔点比Si3N4的低 D．SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂 学习评价 5.磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料。如图为其晶体结构中最小的重复单元。下列有关说法正确的是(　　) A．磷化硼的化学式为B2P B．磷化硼晶体的熔点高，且熔融状态下能导电 C．磷化硼晶体属于共价晶体 D．磷化硼晶体在熔化时需克服范德华力 C　 学习评价 $