1、第第 2 2 课时课时 共价晶体共价晶体 学业要求 核心素养建构 1.借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点。 2.能够从化学键的特征，分析理解共价晶体的物理特 性。 知识梳理 一、共价晶体的结构和性质 1.共价晶体的结构特点 (1)构成微粒及作用力 共价晶体 构成微粒：原子 微粒间作用力：共价键 (2)空间结构： 整块晶体是一个三维的共价键三维骨架结构， 不存在单个的小分子， 是一个“巨分子”。 2.共价晶体与物质的类别 物质种类 实例 某些非金属单质 晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等 某些非金属化合物 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等 某些氧化物 二氧化硅(SiO2
2、)等 3.共价晶体的熔、沸点 (1)共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时必需破坏共价键，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。 微自测 1.下列物质直接由原子构成的一组是( ) CO2 SiO2 晶体 Si 白磷 乙醇 Fe Na2O 固态 He A. B. C. D. 解析 共价晶体都由原子直接构成， 如； 离子晶体由阴、 阳离子构成， 如； 分子晶体由分子构成，如，但也可称由原子构成；金属晶体由金属阳 离子和自由电子构成，如。 答案 C 二、典型的共价晶体 1.金刚石 (1)碳
3、原子采取 sp3杂化，CCC 夹角为 10928。 (2)每个碳原子与周围紧邻的 4 个碳原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸 展形成空间网状结构。 (3)最小碳环由 6 个碳原子组成，且最小环上有 4 个碳原子在同一平面内；每个碳 原子被 12 个六元环共用。 2.晶体硅 把金刚石中的 C 原子换成 Si 原子，得到晶体硅的结构，不同的是 SiSi 键长 CC 键长。 3.二氧化硅晶体 (1)Si 原子采取 sp3杂化，正四面体内 OSiO 键角为 10928。 (2)每个 Si 原子与 4 个 O 原子形成 4 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， 同时
4、每个 O 原子被 2 个硅氧正四面体共用； 每个 O 原 子和 2 个 Si 原子形成 2 个共价键，晶体中 Si 原子与 O 原子个数比为 12。 (3)最小环上有 12 个原子，包括 6 个 O 原子和 6 个 Si 原子。 微自测 2.金刚石是典型的共价晶体，下列关于金刚石的说法中错误的是( ) 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 解析 在金刚石中，碳原子之间以共价键结合形成空间立体网状结构，不存在具 有有限固定组成的分子。 由于碳的原子半径比较小， 碳与碳之间的共价键键能高， 所以
5、金刚石的硬度很高，因此 A、B、C 选项是正确的；但是由于金刚石是碳的 单质，在高温下可以在空气或氧气中燃烧生成 CO2，故 D 选项的说法是错误的。 答案 D 探究一、共价晶体与分子晶体的比较 从组成、结构与类别对比探析共价晶体与分子晶体 探究素材 1.共价晶体与分子晶体的组成、结构和典型物质的比较 类型 比较 共价晶体 分子晶体 构成晶体 的粒子 原子 分子 微粒间的 作用力 共价键(极性键和非极性 键) 分子间作用力(氢键、范德华 力) 典型物质 部分非金属单质：金刚石、 晶体硅、晶体硼等； 部分非金属化合物：SiC、 BN、AlN、Si3N4、C3N4等； 某些氧化物：SiO2等 大部
6、分非金属单质：O2、I2、 S8、P4、C60、稀有气体等； 所有非金属氢化物：水、氨、 甲烷等； 大部分非金属氧化物：SO2、 SO3等； 几乎所有的酸：H2SO4、H3PO4 等； 绝大多数有机物：苯、乙酸、 葡萄糖等 2.共价晶体与分子晶体的结构特征 (1)共价晶体的结构特征 在共价晶体中，各原子均以共价键结合，因为共价键有方向性和饱和性，所以中 心原子周围的原子数目是有限的，原子不采取密堆积方式。 (2)分子晶体的结构特征 分子间不存在氢键的分子晶体，由于范德华力没有方向性和饱和性，所以分子 尽可能采取密堆积方式。 分子间存在氢键的分子晶体，由于氢键具有方向性和饱和性，所以分子不能采
7、取密堆积方式。 探究题目 1.下列各组晶体物质中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是( ) SiO2和 SO3 晶体硼和 HCl CO2和 SO2 晶体硅和金刚石 晶体氖 和晶体氮 硫黄和碘 A. B. C. D. 解析 属于分子晶体的有 SO3、HCl、CO2、SO2、晶体氖、晶体氮、硫黄和碘。 属于共价晶体的有 SiO2、晶体硼、晶体硅和金刚石。但晶体氖是由稀有气体分子 组成，稀有气体为单原子分子，分子间不存在化学键。 答案 C 从性质对比探析共价晶体与分子晶体 探究素材 1.共价晶体与分子晶体的性质的比较 类型 比较 共价晶体 分子晶体 物 质 的 性 质 熔、沸点 很高 较低 硬度 很
8、大 较小 导电性 一般固态或熔融状态下均不 导电，有的是半导体 固态和熔融状态下都不导电，但 某些分子晶体溶于水能导电 导热性 不良 不良 溶解性 不溶于任何溶剂 一般服从“相似相溶” 决定熔、沸 点高低的因素 共价键的强弱 分子间作用力(包括氢键)的强弱 2.共价晶体与分子晶体熔、沸点高低的比较 (1)晶体类型不同：共价晶体分子晶体 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 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。 分子
9、晶体 a.若分子间有氢键， 则分子间作用力比结构相似的同类晶体大， 故熔、 沸点较高。 如 HFHI；NH3PH3；H2OH2Te。 b.组成和结构相似的分子晶体，一般相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸 点越高。如 I2Br2Cl2F2；SnH4GeH4SiH4CH4。 c.组成和结构不相似的物质(相对分子质量接近)， 分子的极性越大， 范德华力越大， 熔、沸点越高。如 CON2。 d.同类别的同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。如正戊烷异戊烷新戊烷。 探究题目 2.下列有关物质的熔点高低顺序正确的是( ) A.HFHClHBr B.金刚石碳化硅SiO2 D.H2OH2S，SO2SeO2
10、解析 HCl、HBr、SO2、SeO2均为组成和结构相似的分子，相对分子质量越大， 熔点越高。HF、H2O 分子间均存在氢键，所以熔点出现“反常”现象。金刚石、 碳 化 硅和晶体硅中，共价键键长： CCCSiCSiSiSi，共价键键长越短，键能越大，则共价晶体的熔点越高。所 以三者的熔点由高到低的顺序是金刚石碳化硅晶体硅。 答案 D 从多角度对比建构晶体类型判断模型 探究素材 判断共价晶体和分子晶体类型的方法 1.依据构成晶体的粒子和粒子间的作用力判断，构成共价晶体的粒子是原子，粒 子间的作用力是共价键；构成分子晶体的粒子是分子，粒子间的作用力是分子间 作用力。 2.依据晶体的熔点判断，共价晶
11、体的熔点高，常在 1 000 以上；而分子晶体的熔 点低，常在数百度以下甚至温度更低。 3.依据晶体的导电性判断， 分子晶体为非导体， 但部分分子晶体溶于水后能导电， 如 HCl。共价晶体多数为非导体，但晶体 Si、晶体 Ge 为半导体。 4.依据晶体的硬度和机械性能判断，共价晶体硬度大；分子晶体硬度小且较脆。 探究题目 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
12、时不导电 解析 A 项中延展性好，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，而共价键有一定的方向性，使共价晶体质硬而脆，A 项不正确， B 项符合共价晶体的特征，C 项应该是离子晶体，D 项符合分子晶体的特征。 答案 B 探究二、典型的共价晶体 从微观建构金刚石（晶体硅）空间结构模型 探究素材 金刚石(晶体硅) 金刚石(晶体硅)晶胞的每个顶点和面心均有 1 个 C(Si)原子， 晶胞内部有 4 个 C(Si) 原子，每个金刚石(晶体硅)晶胞中含有 8 个 C(Si)原子。 探究题目 4.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
13、列判断正确的是( ) A.金刚石中 CC 键的键角均为 10928，所以金刚石和 CH4的晶体类型相同 B.金刚石的熔点高与 CC 键的键能无关 C.金刚石中碳原子个数与 CC 键键数之比为 12 D.金刚石的熔点高，所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却 解析 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 CC 键断裂，因 CC 键的键能大，断裂时需要的能 量多，故金刚石的熔点很高。选项 C，金刚石中每个 C 都参与了 4 个 CC 键的 形成，而每个 C 对每条键的贡献只有一半，故碳原子个数与 CC 键键数之比为 (41 2)412。 选项 D
14、， 金刚石的熔点高， 但在打孔过程中会产生很高的温度， 如不浇水冷却钻头，会导致钻头熔化。 答案 C 从微观建构碳化硅晶胞空间结构模型 探究素材 碳化硅晶胞 1.碳、硅原子都采取 sp3杂化，CSi 键角为 10928。 2.每个硅(碳)原子与周围紧邻的 4 个碳(硅)原子以共价键结合成正四面体结构，向 空间伸展形成空间网状结构。 3.最小碳环由 6 个原子组成且不在同一平面内， 其中包括 3 个 C 原子和 3 个 Si 原 子。 4.每个 SiC 晶胞中含有 4 个 C 原子和 4 个 Si 原子。 探究题目 5.(1)单质硅存在与金刚石结构类似的晶体，其中原子与原子之间以_相结 合，其晶
15、胞中共有 8 个原子，其中在面心位置贡献_个原子。 (2)金刚砂(SiC)与金刚石具有相似的晶体结构(如图所示)，在金刚砂的空间网状结 构中，碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。试回答： 金刚砂属于_晶体，金刚砂的熔点比金刚石的熔点_。 在金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合了_个碳原子，其键角是 _。 金刚砂的结构中含有共价键形成的原子环，其中最小的环上有_个硅原 子。 解析 (1)硅晶体和金刚石晶体相似，即硅原子间以共价键相结合。晶胞每个面心 上的硅原子为 2 个晶胞共有，则面心位置贡献的原子为 61 23 个。(2)由于金 刚砂是空间网状结构，碳原子和硅原子交替以共价单键结合，所以金刚砂是
16、共价 晶体；硅原子的半径比碳原子的半径大，所以金刚砂的熔点比金刚石的低。硅 和碳是同主族元素，所以硅原子周围同样有 4 个碳原子，键角为 10928。构成 的六元环中，有 3 个碳原子、3 个硅原子。 答案 (1)共价键 3 (2)共价 低 4 10928 3 从微观建构二氧化硅晶胞空间结构模型 探究素材 二氧化硅晶胞 SiO2晶体结构相当于在晶体硅结构中每 2 个 Si 原子中间插入一个 O 原子，参照 金刚石晶胞模型，在 SiO2晶胞中有 8 个 Si 原子位于立方晶胞的顶点，有 6 个 Si 原子位于立方晶胞的面心，还有 4 个 Si 原子与 16 个 O 原子在晶胞内构成 4 个硅 氧
17、四面体， 均匀排列于晶胞内。 每个 SiO2晶胞中含有 8 个 Si 原子和 16 个 O 原子。 探究题目 6.关于 SiO2晶体的叙述正确的是( ) A.60 g SiO2晶体中含有 NA个分子(NA表示阿伏加德罗常数的数值) B.60 g SiO2晶体中，含有 2NA个 SiO 键 C.SiO2晶体中与同一 Si 原子相连的 4 个 O 原子处于同一四面体的 4 个顶点 D.SiO2晶体中，1 个 Si 原子和 2 个 O 原子形成 2 个共价键 解析 SiO2晶体为共价晶体，晶体中不存在单个分子，A 不正确；1 mol SiO2晶 体含有 SiO 键 4 mol，B 不正确；SiO2晶
18、体中，与每个 Si 原子相连的 4 个 O 构 成正四面体结构，O 原子位于顶点，Si 原子位于正四面体的中心，C 正确；SiO2 晶体中，1 个 Si 原子和 4 个 O 原子形成 4 个共价键，D 不正确。 答案 C 1.判断正误，正确的打“”；错误的打“”。 (1)共价晶体内的共价键的键能越大，熔、沸点越高。( ) (2)CO2和 SiO2中中心原子的杂化方式相同。( ) (3)共价晶体中只存在极性共价键，不可能存在其他类型的化学键。( ) (4)含有共价键的晶体都是共价晶体。( ) (5)互为同素异形体的单质的晶体类型一定相同。( ) 答案 (1) (2) (3) (4) (5) 2.
19、下列事实能说明刚玉(Al2O3)是一种共价晶体的是( ) Al2O3是两性氧化物 硬度很大 它的熔点为 2 045 几乎不溶于水 自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石 A. B. C. D. 解析 指的是 Al2O3的分类，指的是刚玉的种类，这两项都无法说明 Al2O3 是一种共价晶体。 答案 B 3.氮化硼是一种新合成的结构材料，它是超硬、耐磨、耐高温的物质，下列各组 物质熔化时所克服的粒子间的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 解析 氮化硼是由两种非金属元素形成的化合物，根据该化合物的性质可知其为 共价晶体
20、，微粒间作用力为共价键。C60和金刚石熔化时分别克服的是分子间作 用力和共价键， A 项错误； 冰和干冰熔化时均克服的是分子间作用力， C 项错误； 碘和金刚砂熔化时分别克服的是分子间作用力和共价键，D 项错误。 答案 B 4.最近科学家在实验室里成功地将 CO2在高压下转化为类似 SiO2的共价晶体。下 列关于该 CO2晶体的叙述中，不正确的是( ) A.该晶体中 C、O 原子个数比为 12 B.该晶体中 COC 的键角为 180 C.该晶体的熔、沸点高，硬度大 D.该晶体中 C、O 原子最外层都满足 8 电子结构 解析 若为共价晶体，则不再是直线形分子，而是转化为与石英(SiO2)相似的空 间立体网状结构。 答案 B 5.有下列物质：水晶 冰醋酸 氧化钙 白磷 晶体氩 氢氧化钠 铝 金刚石 过氧化钠 碳化钙 碳化硅 干冰 过氧化氢。 根据要求填空： (1)属于共价晶体的化合物是_。 (2)直接由原子构成的晶体是_。 (3)直接由原子构成的分子晶体是_。 (4)由极性分子构成的晶体是_，属于分子晶体的单质是_。 解析 属于共价晶体的是金刚石、碳化硅和水晶；属于分子晶体的有晶体氩(无化 学键)、白磷(非极性分子)、干冰(由极性键构成的非极性分子)、过氧化氢和冰醋 酸(由极性键和非极性键构成的极性分子)。 答案 (1) (2) (3) (4)