2020化學(xué)材導(dǎo)學(xué)提分教程人教選修三講義第三章第二節(jié)第2課時(shí)原子晶體

第2課時(shí)原子晶體[明確學(xué)習(xí)目標(biāo)]了解原子晶體的晶體結(jié)構(gòu)模型及其性質(zhì)的一般特點(diǎn)；能描述金剛石、二氧化硅等原子晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系。學(xué)生自主學(xué)習(xí)一、原子晶體及其物理性質(zhì)1．原子晶體所有原子都以eq\o(□,\s\up4(01))共價(jià)鍵相互結(jié)合形成eq\o(□,\s\up4(02))三維的共價(jià)鍵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體叫原子晶體。原子晶體又叫eq\o(□,\s\up4(03))共價(jià)晶體。2．常見的原子晶體(1)某些單質(zhì)，如硼(B)、eq\o(□,\s\up4(04))硅(Si)、鍺(Ge)、eq\o(□,\s\up4(05))灰錫(Sn)等。(2)某些非金屬化合物，如eq\o(□,\s\up4(06))碳化硅(SiC)，俗稱eq\o(□,\s\up4(07))金剛砂、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。3．原子晶體的物理性質(zhì)(1)熔點(diǎn)eq\o(□,\s\up4(08))很高。原子晶體中，原子間以較強(qiáng)的共價(jià)鍵相結(jié)合，要使物質(zhì)熔化就要克服共價(jià)鍵，需要很高的能量。因此，原子晶體一般都具有很高的eq\o(□,\s\up4(09))熔點(diǎn)。如金剛石的熔點(diǎn)eq\o(□,\s\up4(10))大于3550℃。(2)硬度eq\o(□,\s\up4(11))高。如金剛石是天然存在的eq\o(□,\s\up4(12))最硬的物質(zhì)。(3)一般不導(dǎo)電，但晶體硅是eq\o(□,\s\up4(13))半導(dǎo)體。(4)難溶于一般的溶劑。二、典型原子晶體的結(jié)構(gòu)分析金剛石(1)每個(gè)碳原子都采取eq\o(□,\s\up4(01))sp3雜化，被相鄰的eq\o(□,\s\up4(02))4個(gè)碳原子包圍，以eq\o(□,\s\up4(03))共價(jià)單鍵跟4個(gè)碳原子結(jié)合，形成eq\o(□,\s\up4(04))正四面體，被包圍的碳原子處于eq\o(□,\s\up4(05))正四面體的中心。(2)這些正四面體向空間發(fā)展，構(gòu)成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的、彼此聯(lián)結(jié)的空間網(wǎng)狀晶體。(3)金剛石晶體中所有的C—C鍵鍵長eq\o(□,\s\up4(06))相等(154pm)，鍵角eq\o(□,\s\up4(07))相等(eq\o(□,\s\up4(08))109°28′)。(4)晶體中最小的碳環(huán)由eq\o(□,\s\up4(09))6個(gè)碳組成，且eq\o(□,\s\up4(10))不在同一平面內(nèi)。(5)晶體中每個(gè)碳參與了eq\o(□,\s\up4(11))4條C—C鍵的形成，而在每條鍵中的貢獻(xiàn)只有eq\o(□,\s\up4(12))一半，故碳原子與C—C鍵鍵數(shù)之比為eq\o(□,\s\up4(13))1∶2。1．從結(jié)構(gòu)上說明同族氧化物CO2和SiO2的性質(zhì)差異。提示：CO2屬于分子晶體，由分子間作用力形成晶體，硬度小、熔點(diǎn)低，而SiO2為原子晶體，由共價(jià)鍵構(gòu)成立體空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，硬度大，熔點(diǎn)高。2．晶體硅中的最小環(huán)為幾元環(huán)？提示：Si與C為同族元素，晶體硅的結(jié)構(gòu)與金剛石相同，只不過是金剛石結(jié)構(gòu)中的碳原子改為硅原子了。因此晶體硅中的最小環(huán)為六元環(huán)。課堂互動(dòng)探究一、原子晶體及其物理性質(zhì)1．分子晶體與原子晶體的比較2．非金屬單質(zhì)是原子晶體還是分子晶體的判斷方法(1)依據(jù)構(gòu)成晶體的粒子和粒子間的作用判斷：構(gòu)成原子晶體的粒子是原子，微粒間的作用是共價(jià)鍵；構(gòu)成分子晶體的粒子是分子，微粒間的作用是分子間作用力。(2)依據(jù)晶體的熔點(diǎn)判斷：原子晶體的熔點(diǎn)高，常在1000℃以上；分子晶體的熔點(diǎn)低，常在數(shù)百攝氏度以下甚至更低。(3)依據(jù)導(dǎo)電性判斷：分子晶體為非導(dǎo)體，但部分分子晶體溶于水后能導(dǎo)電；原子晶體多數(shù)為非導(dǎo)體，但晶體硅、晶體鍺是半導(dǎo)體。(4)依據(jù)硬度和機(jī)械性能判斷：原子晶體硬度大，分子晶體硬度小且較脆。[即時(shí)練]1．下列關(guān)于原子晶體和分子晶體的說法不正確的是()A．原子晶體硬度通常比分子晶體大B．原子晶體的熔點(diǎn)較高C．分子晶體中有的水溶液能導(dǎo)電D．金剛石、水晶和干冰都屬于原子晶體答案D解析由于原子晶體中粒子間以共價(jià)鍵結(jié)合，而分子晶體中分子間以分子間作用力結(jié)合，故原子晶體比分子晶體的熔點(diǎn)高，硬度大。有些分子晶體溶于水后能電離出自由移動(dòng)的離子而導(dǎo)電，如H2SO4、HCl等；D選項(xiàng)中的干冰(CO2)是分子晶體，D錯(cuò)。2．氮化碳晶體是新發(fā)現(xiàn)的高硬度材料，該晶體類型應(yīng)該是________晶體。試根據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)推測(cè)，氮化碳晶體與金剛石相比較，硬度更大的應(yīng)該是________晶體，熔點(diǎn)較低的應(yīng)是________晶體。答案原子氮化碳金剛石解析由于氮化碳為高硬度材料且是由非金屬元素組成的，因此該晶體應(yīng)為原子晶體，又因?yàn)镃—C鍵的鍵長大于C—N鍵的鍵長，故C—N鍵的鍵能大于C—C鍵，硬度更大的是氮化碳，熔點(diǎn)較低的為金剛石。二、二氧化硅晶體的結(jié)構(gòu)分析(1)SiO2晶體可看成在晶體硅(結(jié)構(gòu)類似于金剛石)的每個(gè)Si—Si鍵中插入1個(gè)氧原子而形成的，1個(gè)硅原子和4個(gè)氧原子形成4個(gè)共價(jià)鍵，同時(shí)，每個(gè)氧原子與2個(gè)硅原子相結(jié)合形成2個(gè)共價(jià)鍵。(2)每個(gè)硅原子與相鄰的4個(gè)氧原子以共價(jià)鍵相結(jié)合構(gòu)成正四面體結(jié)構(gòu)，硅原子在正四面體的中心，4個(gè)氧原子在正四面體的4個(gè)頂點(diǎn)，則每個(gè)正四面體占有1個(gè)完整的硅原子、2個(gè)氧原子。因此，二氧化硅晶體中硅原子和氧原子的個(gè)數(shù)比為1∶eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4×\f(1,2)))＝1∶2，化學(xué)式為SiO2。最小的環(huán)由6個(gè)硅原子和6個(gè)氧原子組成的12元環(huán)；1molSiO2中含有4molSi—O鍵。[即時(shí)練]3．下列說法正確的是()A．在含4molSi—O鍵的二氧化硅晶體中，氧原子的數(shù)目為4NAB．金剛石晶體中，碳原子數(shù)與C—C鍵數(shù)之比為1∶2C．30g二氧化硅晶體中含有0.5NA個(gè)二氧化硅分子D．晶體硅、晶體氖均是由相應(yīng)原子直接構(gòu)成的原子晶體答案B解析在二氧化硅晶體中，每個(gè)硅原子形成4個(gè)Si—O鍵，故含有4molSi—O鍵的二氧化硅晶體的物質(zhì)的量為1mol，即含有2NA個(gè)氧原子，A項(xiàng)錯(cuò)誤；金剛石中每個(gè)碳原子均與另外4個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，且每兩個(gè)碳原子形成一個(gè)C—C鍵，故1mol金剛石中共有2molC—C鍵，因此碳原子與C—C鍵數(shù)目之比為1∶2，B項(xiàng)正確；二氧化硅晶體中不存在分子這種微粒，C項(xiàng)錯(cuò)誤；氖晶體是由單原子分子靠分子間作用力結(jié)合在一起形成的，屬于分子晶體，D項(xiàng)錯(cuò)誤。4．根據(jù)SiO2晶體的結(jié)構(gòu)，回答下列問題。(1)在二氧化硅晶體中有若干環(huán)狀結(jié)構(gòu)，最小的環(huán)狀結(jié)構(gòu)由________個(gè)原子構(gòu)成。(2)在二氧化硅晶體中，硅原子的價(jià)電子層原子軌道發(fā)生了雜化，雜化的方式是________，O—Si—O夾角是________。(3)二氧化硅屬于重要的無機(jī)非金屬材料之一，請(qǐng)列舉兩項(xiàng)二氧化硅的主要用途：①________；②________。(4)下列說法中正確的是________。①凡是原子晶體都含有共價(jià)鍵②凡是原子晶體都有正四面體結(jié)構(gòu)③凡是原子晶體都具有空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)④凡是原子晶體都具有很高的熔點(diǎn)答案(1)12(2)sp3109°28′(3)①制造石英玻璃②制造石英表中的壓電材料(也可以答制造光導(dǎo)纖維等)(4)①③④本課歸納總結(jié)學(xué)習(xí)效果檢測(cè)1．在金剛石的晶體結(jié)構(gòu)中含有由共價(jià)鍵形成的碳原子環(huán)，其中最小的環(huán)上所需碳原子數(shù)及每個(gè)碳原子上任意兩個(gè)C—C鍵間的夾角分別是()A．6、120° B．5、108°C．4、109°28′ D．6、109°28′答案D解析金剛石中最小的碳環(huán)含有6個(gè)碳原子，兩個(gè)C—C鍵間的夾角是109°28′。2．W、X、Y、Z是元素周期表中短周期主族元素，其中X元素的某種原子其核內(nèi)無中子，Y元素在地殼中含量最豐富，Z元素形成的單質(zhì)是一種半導(dǎo)體材料，W與Z是同主族元素。下列有關(guān)敘述不正確的是()A．點(diǎn)燃WX4前要驗(yàn)純B．W與Z均可形成熔點(diǎn)高、硬度大的單質(zhì)C．Z、W可形成原子晶體D．Y和Z、Y和W都可形成結(jié)構(gòu)相似的AB2物質(zhì)答案D解析根據(jù)題意可推出：X為H，Y為O，Z為Si，W為C。CH4是可燃性氣體，點(diǎn)燃可燃性氣體前要驗(yàn)純，A正確；C與Si均可形成熔點(diǎn)高、硬度大的單質(zhì)，B正確；SiC是原子晶體，C正確；Y和Z、Y和W分別形成SiO2和CO2，二者結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。3．C3N4晶體和Si3N4晶體的結(jié)構(gòu)相似，下列說法正確的是()A．C3N4晶體和Si3N4晶體中都含有共價(jià)鍵B．C3N4和Si3N4都易與水反應(yīng)生成NH3C．C3N4和Si3N4中N的化合價(jià)都為＋3D．C3N4晶體的硬度比Si3N4晶體小答案A解析C3N4、Si3N4都為原子晶體，原子晶體中含有共價(jià)鍵，A正確；原子晶體難溶于水，也不與水反應(yīng)，B錯(cuò)誤；氮元素的非金屬性比碳和硅的強(qiáng)，故在C3N4、Si3N4中氮均顯－3價(jià)，C錯(cuò)誤；C的原子半徑比Si小，故C—N鍵的鍵能比Si—N鍵大，則C3N4晶體的硬度比Si3N4晶體大，D錯(cuò)誤。4．D、E、X、Y、Z是周期表中的前20號(hào)元素，且原子序數(shù)逐漸增大，它們的最簡(jiǎn)氫化物分子的立體結(jié)構(gòu)依次是正四面體、三角錐形、正四面體、V形、直線形?；卮鹣铝袉栴}。(1)Y的最高價(jià)氧化物的化學(xué)式為________。(2)D和Y形成的化合物，其分子的立體結(jié)構(gòu)為________。(3)D和X形成的化合物，其化學(xué)鍵類型為________，其晶體類型為________。(4)試比較D和X的最高價(jià)氧化物熔點(diǎn)的高低并說明理由：________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案(1)SO3(2)直線形(3)共價(jià)鍵原子晶體(4)D的最高價(jià)氧化物是CO2，X的最高價(jià)氧化物是SiO2，前者比后者的熔點(diǎn)低。因?yàn)榍罢邽榉肿泳w，由分子間作用力結(jié)合，而后者為原子晶體，由共價(jià)鍵結(jié)合；共價(jià)鍵強(qiáng)度大于分子間作用力解析前20號(hào)元素的最簡(jiǎn)氫化物分子的立體結(jié)構(gòu)是正四面體的有CH4和SiH4、三角錐形的