第三章 第二节 第2课时 共价晶体（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高二化学选择性必修2教师用书（人教版 浙苏）

第2课时　共价晶体 ［核心素养发展目标］　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。2.能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体，并能利用均摊法对晶胞进行分析。 一、共价晶体的概念及性质 1.共价晶体的概念 晶体中相邻原子间都以共价键结合，整个晶体是一个共价键三维骨架结构，叫作共价晶体。 2.构成微粒及微粒间作用力 3.常见的共价晶体与物质类别 物质类别 实例 某些单质 晶体硼(B)、晶体硅(Si)、晶体锗(Ge)、金刚石、灰锡(Sn)等 某些非金属化合物 二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等 4.共价晶体的物理性质——熔、沸点很高 (1)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)结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。 1.“具有共价键的晶体叫做共价晶体”。这种说法对吗？为什么？ 提示　此说法不对。“具有共价键”并不是判定共价晶体的唯一条件，大部分分子晶体中也有共价键，如冰和干冰晶体都是分子晶体，但H2O和CO2中存在共价键。对共价晶体的认识除了要求“具有共价键”外，还要求形成晶体的粒子是原子。 2.金刚石、碳化硅、晶体硅均具有相似的结构，下表列出了它们的键长、键能、熔点和硬度的数据。 晶体 键长/pm 键能/(kJ·mol-1) 熔点/℃ 硬度 金刚石 154 347.7 >3 500 10 碳化硅 184 318 2 700 9.5 晶体硅 235 226 1 410 6.5 (1)使共价晶体熔化，需要破坏粒子间的作用力是什么？使金刚石、碳化硅、晶体硅熔化分别破坏的这种具体的作用力又是什么？ 提示　使共价晶体熔化，需要破坏共价键。使金刚石、碳化硅、晶体硅熔化分别破坏的是C—C、C—Si、Si—Si。 (2)共价晶体的熔点和硬度等物理性质与共价晶体中共价键的键长、键能之间存在什么关系？ 提示　结构相似的共价晶体，其原子间形成共价键的键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高，硬度就越大。 (3)如果不提供上述表格中的数据，根据元素周期表，你能判断金刚石、碳化硅、晶体硅的键长、键能、熔点和硬度的相对大小吗？说出你的判断方法。 提示　能。根据元素周期表，碳和硅为同一主族元素，原子半径：C<Si，因此键长大小顺序为C—C<C—Si<Si—Si，键能大小顺序为C—C>C—Si>Si—Si，熔点和硬度大小顺序为金刚石>碳化硅>晶体硅。 1.正误判断 (1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体 (　　) (2)共价晶体在固态或熔化时均不导电 (　　) (3)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 (　　) (4)二氧化硅和干冰虽然是同一主族元素的氧化物，但属于不同的晶体类型 (　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√ 2.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.共价晶体具有三维骨架结构 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　共价晶体中原子间是通过共价键连接的，熔化时需要破坏共价键，D项错误。 3.金刚石是典型的共价晶体，下列关于金刚石的说法错误的是 (　　) 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.是自然界中硬度最大的物质 D.化学性质稳定，即使在高温下也不会与氧气发生反应 答案　D 解析　在金刚石中，碳原子之间以共价键结合形成三维骨架结构，不存在分子；由于碳的原子半径比较小，碳与碳之间的共价键键能很高，所以金刚石的硬度很大，故A、B、C项正确；由于金刚石是碳的单质，高温下可以在空气或氧气中燃烧生成CO2或CO，故D项错误。 4.下列物质的晶体直接由原子构成的一组是 (　　) ①CO2　②SiO2　③晶体Si　④白磷　⑤氨基乙酸　⑥固态He A.①②③④⑤⑥ B.②③④⑥ C.②③⑥ D.①②⑤⑥ 答案　C 解析　CO2、白磷、氨基乙酸均属于分子晶体，其晶体由分子构成；固态He为单质，属于单原子的分子晶体；SiO2、晶体Si属于共价晶体，其晶体直接由原子构成。 分子晶体与共价晶体熔、沸点和硬度的比较方法 (1)对于不同类型的晶体，一般来说，共价晶体的熔、沸点、硬度高于分子晶体。 (2)对于同一类型的晶体 ①共价晶体的熔点高低、硬度大小取决于共价键的强弱。原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越强，熔点越高，硬度越大。 ②分子晶体的熔、沸点高低取决于分子间作用力，分子间作用力与相对分子质量有关，同时还要考虑分子极性及是否存在氢键。 二、常见共价晶体结构分析 1.金刚石晶体 (1)在金刚石晶体中，每个碳原子以四个共价单键对称地与相邻的4个碳原子结合，C—C—C夹角为109°28'，即金刚石中的碳采取sp3杂化轨道形成共价键三维骨架结构。 (2)晶体中最小的碳环由6个碳原子组成，且不在同一平面内，最多有4个碳原子在同一平面。 (3)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1∶2。 (4)每个C原子被12个六元环共用，1个碳环占有的碳原子为个。 2.二氧化硅 (1)二氧化硅晶体 ①1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个O原子和2个Si原子相结合。 ②1 mol SiO2中含4 mol Si—O。 ③最小环由6个Si原子和6个O原子组成。 ④每个Si原子被12个12元环共用，每个O原子被6个12元环共用。 (2)低温石英 低温石英的结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，这一结构决定了它具有手性。 1.金刚石晶胞结构如图所示，回答下列问题。 (1)一个金刚石晶胞中含有　　　　个碳原子。  提示　8 (2)已知晶胞参数为a pm，则金刚石的密度为　　　　 g·cm-3。  提示　 (3)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为　　 pm。  提示　a (4)碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？ 提示　2r=a pm，即r=a pm。 2.依据金刚石的结构判断12 g金刚石晶体中含C—C共价键的数目是多少？ 提示　依据均摊法可知，金刚石中每个碳原子形成4个共价键，其中碳原子数与C—C共价键数之比是1∶2，故12 g金刚石中含有的C—C数目是2NA。 3.二氧化硅晶体中硅原子与和硅原子直接相连的氧原子构成的空间结构是什么？ 提示　二氧化硅晶体中Si原子与其周围相连的4个氧原子形成正四面体结构。 4.二氧化硅晶体中Si原子与Si—O数目之比是多少？60 g SiO2晶体中含Si—O的数目是多少？ 提示　SiO2晶体中Si原子与Si—O数目之比为1∶4；60 g SiO2晶体中含Si—O的数目为4NA。 1.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。 2.(2024·西安高二月考)碳化硅的晶体结构与金刚石晶体类似。碳化硅晶体中硅原子与Si—C的数目之比为 (　　) A.1∶4　　　　　B.1∶3　　　　　C.1∶2　　　　　　D.1∶1 答案　A 解析　SiC属于共价晶体，晶体中每个Si原子形成4个Si—C，故Si和Si—C数目之比为1∶4。 3.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.与每个铝原子距离相等且最近的氮原子共有4个 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；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。 4.单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答问题： 金刚石 晶体硅 晶体硼 熔点/℃ >3 500 1 410 2 573 沸点/℃ 5 100 2 355 2 823 硬度 10 6.5 9.5 (1)晶体硼属于　　　　晶体，理由是　　　　 　　　　。  (2)金刚石具有硬度大、熔点高等特点，大量用于制造钻头、金属切割刀具等。其结构如图所示，下列判断错误的是　　　　(填字母)。  A.金刚石中C—C的键角均为109°28'，所以金刚石和CH4的晶体类型相同 B.金刚石的熔点高与C—C的键能无关 C.金刚石的熔点高，所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却 (3)已知晶体硼的结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图所示)，该结构单元中有20个正三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角上各有一个硼原子。通过观察图形及推算，得出此结构单元是由　　　　个硼原子构成的，其中B—B的键角为　　　　，该结构单元共含有　　　　个B—B。  答案　(1)共价　晶体硼的熔、沸点高，硬度大 (2)ABC　(3)12　60°　30 解析　(1)从题表可知，晶体硼的熔、沸点以及硬度都介于晶体硅和金刚石之间。而金刚石和晶体硅均为共价晶体，在元素周期表中B与C相邻，与Si处于对角线位置，则晶体硼属于共价晶体。(2)选项A，金刚石是共价晶体，CH4是分子晶体，二者的晶体类型不同；选项B，金刚石熔化过程中C—C断裂，因C—C的键能大，断裂时需要的能量多，故金刚石的熔点很高与C—C键能有关；选项C，金刚石的熔点高，但在打孔过程中会产生很高的温度，如不浇水冷却，会导致钻头熔化。(3)从题图可得出，每个顶角上的硼原子均被5个正三角形所共有，故分摊到每个正三角形的硼原子为个，每个正三角形含有×3个硼原子，每个结构单元含硼原子数为20××3=12，而每个B—B被2个正三角形所共有，故每个结构单元含B—B的个数为20××3=30。 课时对点练　［分值：100分］ (选择题1~13题，每小题6分，共78分) 题组一　共价晶体及其性质 1.下列关于共价晶体的说法错误的是 (　　) A.共价晶体熔点高低取决于共价键的强弱 B.共价晶体中所有原子之间以共价键结合成三维骨架结构 C.共价晶体中的共价键没有方向性 D.共价晶体中必有共价键，不存在分子间作用力 答案　C 2.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。 3.(2023·广州高二期末)根据下列性质判断，属于共价晶体的物质是 (　　) A.熔点为10.31 ℃，液态不导电，水溶液导电 B.无色晶体，熔点为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.熔点为-56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态不导电 答案　B 解析　熔点低，固态或液态不导电，硬度小，一般为分子晶体的特征，A、D项不正确；能溶于水不是共价晶体的特征，C项不正确。 4.下列关于SiO2和CO2的描述不正确的是 (　　) A.SiO2为共价晶体，CO2为分子晶体 B.两者中心原子采取的杂化方式不同 C.SiO2和CO2都是非极性分子 D.SiO2晶体的熔点比CO2晶体高 答案　C 解析　二氧化硅晶体中每个硅原子周围有4个氧原子，则硅原子的杂化方式为sp3，二氧化碳分子中碳原子的价层电子对数为2，孤电子对数为0，碳原子的杂化方式为sp，故B正确；二氧化硅是硅原子和氧原子形成的共价晶体，晶体中不存在分子，故C错误；共价晶体的熔、沸点高于分子晶体，则二氧化硅晶体的熔点高于二氧化碳晶体，故D正确。 题组二　共价晶体的晶体结构 5.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.是一种三维骨架结构的晶体 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 答案　C 解析　单质硅是一种三维骨架结构的共价晶体，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。 6.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，其中每个原子最外层均满足8电子稳定结构。下列有关说法正确的是 (　　) A.磷化硼的化学式为BP，其晶体属于分子晶体 B.磷化硼晶体的熔点高，且熔融状态下能导电 C.磷化硼晶体中每个原子均参与形成4个共价键 D.磷化硼晶体在熔化时需克服范德华力 答案　C 解析　由磷化硼的晶胞结构可知，P位于顶角和面心，数目为×8+6×=4，B位于晶胞内，数目为4，故磷化硼的化学式为BP，磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料，所以磷化硼晶体属于共价晶体，A项错误；磷化硼属于共价化合物，熔融状态下不能导电，B项错误；由磷化硼晶胞结构可知，磷化硼晶体中每个原子均参与形成4个共价键，C项正确；磷化硼晶体为共价晶体，熔化时需克服共价键，D项错误。 7.如图所示是某共价晶体A的空间结构的一个单元，A与某物质B反应生成C，其实质是在每个A—A中插入一个B原子，则C物质的化学式为 (　　) A.AB B.A5B4 C.AB2 D.A2B5 答案　C 解析　由图可知，每个A原子形成4个键，每个A—A中插入一个B原子，每个B原子形成2个键，故C物质中每个A原子形成4个A—B，每个B原子形成2个A—B，则A、B原子个数比为1∶2，所以其化学式是AB2。 8.我国科学家预测并合成了新型碳材料：T⁃碳。可以看做金刚石结构中的一个碳原子被四个碳原子构成的正四面体单元替代(如图所示，所有小球代表碳原子)。下列说法不正确的是 (　　) A.T⁃碳与金刚石互为同位素 B.T⁃碳与金刚石晶体中所含化学键类型相同 C.T⁃碳与金刚石中碳原子采取的杂化方式相同 D.T⁃碳与金刚石晶体类型相同，熔化时均需破坏共价键 答案　A 解析　T⁃碳是由C元素组成的单质，与金刚石互为同素异形体，A选项错误；T⁃碳晶体和金刚石晶体中含有的化学键均是共价键，B选项正确；T⁃碳与金刚石中的碳原子均采取sp3杂化，C选项正确；T⁃碳可以看作金刚石结构中的一个碳原子被四个碳原子构成的正四面体结构单元替代，属于共价晶体，两者熔化时均需破坏共价键，D选项正确。 9.(2024·大连高二期中)SiO2是合成“中国蓝”的重要原料之一。如图是SiO2晶胞中Si原子沿z轴方向在xy平面的投影图(即俯视投影图，O原子略去)，Si原子旁标注的数字是Si原子位于z轴的高度，SiA与SiB的距离是 (　　) A.d B.d C.d D.d 答案　B 解析　根据题图可知，SiA与SiB的距离是面对角线长的一半，即d，故B正确。 10.根据量子力学计算，氮化碳结构有五种，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。下列有关氮化碳的说法不正确的是 (　　) A.该晶体中的碳、氮原子核外都满足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.该晶体中，C—N的键长比金刚石中C—C的键长短 D.氮化碳的分子式为C3N4 答案　D 解析　根据题图可知，每个碳原子形成4个共价键，每个氮原子形成3个共价键，碳原子最外层形成四个共价键后满足8电子稳定结构，氮原子最外层形成3个共价键后，也满足8电子稳定结构，A正确；由于元素的电负性：N>C，所以形成共价键时，共用电子对偏向N原子，偏离C原子，所以氮化碳中碳元素显+4价，氮元素显-3价，B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。 11.(2023·丽江高二期末)利用反应CCl4+4NaC(金刚石)+4NaCl可实现人工合成金刚石。下列有关说法错误的是 (　　) A.C(金刚石)属于共价晶体 B.该反应利用了Na的强还原性 C.NaCl和C(金刚石)的晶体类型不同 D.每个金刚石晶胞中含有4个碳原子 答案　D 解析　反应中Na元素的化合价由0价升高为+1价，Na在该反应中作还原剂，反应利用了钠的强还原性，故B正确；NaCl属于离子晶体，金刚石属于共价晶体，故C正确。 12.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三维骨架结构的共价晶体。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： 13.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，1个硅原子与4个硅原子形成4个Si—Si，1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。 14.(12分)(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　　　　　　　。  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。 15.(10分)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，立方氮化硼晶胞中含有　　　　个氮原子、　　　　　　个硼原子。  答案　(1)共价　(2)Si3N4 (3)3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl (4)4　4 解析　(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。 学科网（北京）股份有限公司 $