专题3 第3单元 第2课时 共价键键能 共价晶体-【新课程学案】2025-2026学年高中化学选择性必修2教师用书word（苏教版）

本高中化学讲义聚焦共价键键能、键长及其应用，共价晶体的概念、结构与性质，以及金刚石、二氧化硅等常见共价晶体的结构分析。从微观键参数到宏观晶体性质，构建完整知识脉络，为学生提供学习支架。 资料通过碳硅键能比较等应用案例，结合晶胞结构投影分析，培养学生科学思维中的证据推理与模型建构能力，强化物质结构决定性质的化学观念。题点多维训练助力课中教学效果提升，课后可帮助学生回顾强化，弥补知识盲点。

第2课时　共价键键能　共价晶体 新知探究(一)——共价键键能与化学反应的反应热 1.共价键的键能 (1)概念:在101 kPa、298 K条件下,1 mol气态AB分子生成1 mol气态A原子和1 mol气态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。 (2)应用 判断共价键的稳定性 当两个原子形成共价键时,原子轨道重叠的程度越大,共价键的键能越大,共价键越稳定 判断分子的稳定性 一般来说,结构相似的分子,共价键的键能越大,分子越稳定 利用键能计算反应热 ΔH=反应物的总键能-生成物的总键能 2.共价键的键长 (1)概念:形成共价键的两个原子核间的平均间距。因此原子半径决定共价键的键长,原子半径越小,共价键的键长越短。 (2)应用:共价键的键长越短,往往键能越大,这表明共价键越稳定,反之亦然。 [微点拨]　在多原子分子中,两个化学键的夹角叫做键角。键角可用于描述多原子分子的空间结构,比如H2O中键角为104°30',所以其分子结构为V形。 应用化学　 　　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 　。  提示:>　C—H键的键能大于Si—H键的键能,所以CH4比SiH4稳定 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 　。  提示: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.SiH4的稳定性较弱,Si更易生成氧化物,原因是 。  提示:Si—H键的键能小于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 [题点多维训练] 1.判断正误(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.下列事实不能用键能的大小来解释的是 (　　) A.氮元素的电负性较大,但N2的化学性质很稳定 B.稀有气体一般难发生反应 C.HF、HCl、HBr、HI的稳定性逐渐减弱 D.HF比H2O稳定 解析:选B　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,没有化学键;卤族元素从F到I,原子半径逐渐增大,其氢化物中化学键的键长逐渐变长,键能逐渐变小,所以稳定性:HF>HCl>HBr>HI;由于H—F键的键能大于H—O键,所以稳定性:HF>H2O。 3.(1)关于键长和键能,下列说法中不正确的是　　　　　。  A.化学键的键能通常为正值 B.键长的长短与成键原子的半径和成键数目有关 C.键能越大,键长越长,共价化合物越稳定 (2)N≡N键的键能是946 kJ·mol-1,N—N键的键能为193 kJ·mol-1,经过计算后可知N2中　 　键比　　　键稳定。(填“σ”或“π”)  解析:(1)键能通常取正值,A正确;键长的长短与成键原子的半径有关,如Cl原子半径小于I原子半径,故Cl—Cl键的键长小于I—I键的键长,此外,键长还和成键数目有关,如乙烯分子中C==C 键的键长比乙炔分子中C≡C键的键长要长,B正确;键能越大,键长越短,共价键越强,共价化合物越稳定,C错误。(2)N≡N键中含有1个σ键和2个π键,π键的键能E==376.5 kJ·mol-1,则N≡N键中π键的键能比σ键的键能大,所以N2中π键比σ键稳定。 答案:(1)C　(2)π　σ 新知探究(二)——共价晶体 1.共价晶体 (1)概念 所有原子通过共价键结合,形成具有空间网状结构的晶体。 (2)结构 (3)结构特点 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.共价晶体的性质 (1)特性 由于共价晶体中原子间以较强的共价键相结合,故共价晶体:①熔、沸点很高,②硬度大,③一般不导电,④难溶于溶剂。 (2)影响共价晶体熔、沸点和硬度的因素 对于结构相似的共价晶体而言,共价键的键长越长,键能就越小,晶体的熔、沸点越低,硬度越小。 [微点拨]　①共价晶体中都有共价键,但含有共价键的不一定是共价晶体。如CO2、H2O等分子晶体中也含有共价键。②共价晶体的化学式表示其比例组成,晶体中不存在分子。 应用化学　 　　在我国青藏高原南部山区有丰富的立方氮化硼资源,它具有很高的硬度、热稳定性和化学惰性。BN的硬度仅次于金刚石。山东日照盛产天然金刚砂(SiC),其为深层矿,颜色深红偏黑,硬度大。 1.立方氮化硼属于什么类型的晶体?其构成微粒是什么?粒子之间的作用力是什么? 提示:共价晶体;原子;共价键。 2.金刚砂属于什么类型的晶体? 提示:共价晶体。 [题点多维训练] 1.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 解析:选D　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。 2.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 解析:选D　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。 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 解析:选B　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,形成空间网状结构,故共价晶体熔、沸点高,质硬,难溶于水和有机溶液。 新知探究(三)——常见共价晶体的结构 1.金刚石　　　　　 金刚石晶体的结构如图所示。 (1)在晶体中每个碳原子以4个共价单键对称地与相邻的4个碳原子结合,形成正四面体结构,这些正四面体向空间发展,构成彼此联结的空间网状结构。 (2)晶体中相邻碳碳键的夹角为109°28'。 (3)最小环上有6个碳原子,晶体中C原子个数与C—C键个数之比为1∶2。 (4)每个金刚石晶胞中含有8个碳原子。 2.晶体硅 若以硅原子代替金刚石晶体结构中的碳原子,便可得到晶体硅的结构,晶体硅中的硅原子,与其他4个硅原子以共价键结合。不同的是Si—Si键键长>C—C键键长。 3.二氧化硅晶体 二氧化硅晶体的结构如图所示。 (1)每个硅原子都以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。 (2)晶体中最小的环为6个硅原子、6个氧原子组成的十二元环。晶体中硅、氧原子个数比为1∶2,Si原子与Si—O键的个数比为1∶4。 (3)每个二氧化硅晶胞中含有8个硅原子和16个氧原子。 　　[典例]　(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,则金刚砂的密度表达式为 　。  (2)硅的某种单质的晶胞如图乙所示。GaN晶体与该硅晶体相似。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)。  (3)金刚石的晶胞如图乙所示,在z轴方向的投影如图,请补齐原子的位置。 　　[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3×4=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,体积V=(a×10-10 cm)3,ρ==g·cm-3。(2)根据物质的晶体结构可知,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。在晶体Si的晶胞中含有Si原子的数目是8×+6×+4=8,则根据晶胞的密度ρ=可知,V=== cm3,晶胞的边长a== 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。 (3)位于上、下面心的原子,沿z轴方向的投影为正方形的中心,体心的4个原子,位于晶胞中的一个顶点三个面心组成的正四面体的中心,所以沿z轴方向的投影为正方形的对角线的四分之一处。 　　[答案]　(1)共价晶体　12 g·cm-3 (2)4　正四面体　× (3) |归纳拓展|晶胞结构投影图 　　通过三维投影图可以确定晶胞中各原子在晶胞中的位置,进一步可确定各原子的原子分数坐标。常考题型如下: (1)知道投影图,确定各原子在晶胞中的位置。 (2)知道晶胞,推断从不同视角得到的投影图。熟练掌握各典型晶胞的结构特点及良好的空间想象能力是解题的关键。 (3)晶胞中不同位置的原子沿z轴投影的规律。 ①顶点投在正方形或长方形的顶点。 ②与z轴垂直面的面心投在正方形或长方形的中心;与z轴平行面的面心投在正方形或长方形的边的中心。 ③正四面体空隙上的点投在对角线的或处,如金刚石。 ④与z轴平行棱上的棱心投在正方形或长方形的顶点;与z轴垂直棱上的棱心投在正方形或长方形的边的中心。 ⑤体心投在正方形或长方形的中心。 [题点多维训练] 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.是一种空间网状结构的晶体 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 解析:选C　单质硅是一种空间网状结构的共价晶体,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.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 解析:选B　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,每个单键对这个C原子的贡献只有,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。 3.铁氮化合物是磁性材料领域研究中的热点课题之一。晶体中铁的堆积方式为面心立方堆积,氮原子位于体心,沿z轴投影如图所示,已知阿伏加德罗常数的值为NA,Fe(Ⅰ)、Fe(Ⅱ)原子最近距离为a pm。 (1)结构中原子分数坐标A为(0,0,0),氮原子为,则B原子分数坐标为　　　　　。  (2)计算该晶体密度为　　　　　 g·cm-3。  解析:(1)晶体中铁的堆积方式为面心立方堆积,氮原子位于体心,铁位于面心和顶点。Fe(Ⅰ)位于顶点,A原子分数坐标为(0,0,0);氮原子位于体心,原子分数坐标为;则Fe(Ⅱ)位于面心,B原子分数坐标为。(2)Fe分别位于晶胞的面心和顶点;晶胞内含有Fe的个数为6×+8×=4;氮原子位于体心,该晶胞内有1个N原子;Fe(Ⅰ)、Fe(Ⅱ)原子最近距离为a pm,即面对角线长的,所以面对角线长为2a pm,根据勾股定理,晶胞的边长为a pm=a×10-10 cm;晶胞的体积V=(a×10-10)3 cm3;ρ== g·cm-3= g·cm-3。 答案:(1)　(2) 学科网（北京）股份有限公司 $