新教材適用2024-2025學(xué)年高中化學(xué)第3章晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第2節(jié)分子晶體與共價晶體第2課時共價晶體學(xué)案新人教版選擇性必修2

第2課時共價晶體核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)1．能辨識常見的共價晶體，并能從微觀角度分析共價晶體中各構(gòu)成微粒之間的作用對共價晶體物理性質(zhì)的影響。2．能利用共價晶體的通性推斷常見的共價晶體，并能利用均攤法對晶胞進行分析。一、共價晶體的概念及性質(zhì)1．共價晶體的結(jié)構(gòu)特點及物理性質(zhì)(1)概念相鄰原子間以_共價鍵__相結(jié)合形成共價鍵三維骨架結(jié)構(gòu)的晶體。(2)構(gòu)成微粒及微粒間作用力(3)物理性質(zhì)①共價晶體中，由于各原子均以強的共價鍵相結(jié)合，因此一般熔點_很高_(dá)_，硬度_很大__，_難__溶于常見溶劑，一般_不__導(dǎo)電。②結(jié)構(gòu)相像的共價晶體，原子半徑越小，鍵長_越短__，鍵能越大，晶體的熔點越高。2．常見共價晶體及物質(zhì)類別(1)某些單質(zhì)：如_硼(B)__、_硅(Si)__、鍺(Ge)、_金剛石__等。(2)某些非金屬化合物：如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。(3)極少數(shù)金屬氧化物：如剛玉(Al2O3)等。正誤推斷1.由原子干脆構(gòu)成的晶體肯定是共價晶體。(×)2．共價晶體在固態(tài)或熔化時均不導(dǎo)電。(×)3．共價晶體由于硬度及熔、沸點都較高，故常溫時不與其他物質(zhì)反應(yīng)。(×)4．二氧化硅和干冰雖然是同一主族的氧化物，但屬于不同的晶體類型。(√)深度思索1.“具有共價鍵的晶體叫做共價晶體”。這種說法對嗎？為什么？提示：此說法不對?！熬哂泄矁r鍵”并不是判定共價晶體的唯一條件，大部分分子晶體中也有共價鍵，如冰和干冰晶體都是分子晶體，但H2O和CO2中存在共價鍵。對共價晶體的相識除了要求“具有共價鍵”外，還要求形成晶體的粒子是原子。2．碳和硅同主族，它們的氧化物CO2和SiO2，為什么物理性質(zhì)差異很大？提示：CO2的晶體是分子晶體，晶體中CO2分子之間通過范德華力相結(jié)合，每個CO2分子是由一個碳原子和兩個氧原子構(gòu)成的。SiO2是共價晶體，硅原子和氧原子之間通過共價鍵相互結(jié)合形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，晶體中不存在小分子。3．金剛石、碳化硅、晶體硅均具有相像的結(jié)構(gòu)，下表列出了它們的鍵長、鍵能、熔點和硬度的數(shù)據(jù)。晶體鍵長/pm鍵能/(kJ·mol－1)熔點/℃硬度金剛石154348>350010碳化5晶體硅23422614106.5(1)使共價晶體熔化，須要破壞的粒子間作用力是什么？使金剛石、碳化硅、晶體硅熔化分別破壞的這種詳細(xì)的作用力又是什么？提示：使共價晶體熔化，須要破壞共價鍵。使金剛石、碳化硅、晶體硅熔化分別破壞的是C—C、C—Si、Si—Si。(2)共價晶體的熔點和硬度等物理性質(zhì)與共價晶體中共價鍵的鍵長、鍵能之間存在什么關(guān)系？提示：結(jié)構(gòu)相像的共價晶體，其原子間形成共價鍵的鍵長越短，鍵能越大，晶體的熔點就越高，硬度就越大。(3)假如不供應(yīng)上述表格中的數(shù)據(jù)，依據(jù)元素周期表，你能推斷金剛石、碳化硅、晶體硅的鍵長、鍵能、熔點和硬度的相對大小嗎？說出你的推斷方法。提示：能。依據(jù)元素周期表，碳和硅為同一主族元素，原子半徑：C<Si，因此鍵長大小依次為C—C<C—Si<Si—Si，鍵能大小依次為C—C>C—Si>Si—Si，熔點和硬度大小依次為金剛石>碳化硅>晶體硅。應(yīng)用體驗1.下列物質(zhì)中，屬于共價晶體的化合物是(A)A．無色水晶 B．晶體硅C．金剛石 D．干冰解析：A項，無色水晶是共價晶體，屬于化合物，符合題意；B項，晶體硅是單質(zhì)，不符合題意；C項，金剛石是單質(zhì)，不符合題意；D項，干冰屬于化合物，但它是分子晶體，不符合題意。2．下列晶體性質(zhì)的比較中不正確的是(C)A．熔點：金剛石>碳化硅>晶體硅B．沸點：NH3>PH3C．硬度：K>Na>LiD．熔點：SiI4>SiBr4>SiCl4解析：三種物質(zhì)都是共價晶體，因為C的原子半徑小于Si的，所以鍵長：C—C鍵<C—Si鍵<Si—Si鍵，鍵能：C—C鍵>C—Si鍵>Si—Si鍵，鍵能越大，共價晶體的熔點越高，A正確；NH3和PH3都是分子晶體，但NH3分子間存在氫鍵，故NH3的沸點較高，B正確；Li、Na、K位于同一主族，從上到下核電荷數(shù)遞增、原子半徑與離子半徑遞增，金屬鍵的強度遞減，則硬度：Li>Na>K，C錯誤；鹵化硅為分子晶體，它們的組成和結(jié)構(gòu)相像，分子間不存在氫鍵，故相對分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大，熔點越高，D正確。故選C。晶體熔、沸點和硬度的比較方法(1)先推斷晶體類型。主要依據(jù)構(gòu)成晶體的微粒及其微粒間的作用力。對于不同類型的晶體，一般來說，共價晶體的熔、沸點高于分子晶體，共價晶體的硬度大于分子晶體。(2)對于同一類型的晶體①共價晶體的熔點凹凸、硬度大小取決于共價鍵的強弱。原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，共價鍵越強，熔點越高。②分子晶體的熔、沸點凹凸取決于分子間作用力，分子間作用力與相對分子質(zhì)量有關(guān)，同時還要考慮分子極性及是否存在氫鍵。二、常見共價晶體結(jié)構(gòu)分析1．金剛石晶體(1)在金剛石晶體中，每個碳原子以四個共價單鍵對稱地與相鄰的4個碳原子結(jié)合，C—C—C夾角為_109°28′__，即金剛石中的碳實行_sp3__雜化軌道形成共價鍵三維骨架結(jié)構(gòu)。(2)晶體中最小的碳環(huán)由_6__個碳原子組成，且不在同一平面內(nèi)，最多有_4__個碳原子在同一平面。(3)每個C形成4個C—C，每個C—C占有_2__個C，即C原子與C—C之比為_12__。(4)每個C原子被_12__個六元環(huán)共用，1個碳環(huán)占有的碳原子為_0.5__個。2．晶體硅把金剛石中的C原子換成Si原子，得到晶體硅的結(jié)構(gòu)，不同的是Si—Si鍵長_>__C—C鍵長。3．二氧化硅(1)二氧化硅晶體①1個Si原子和_4__個O原子形成4個_共價鍵__，每個O原子和_2__個Si原子相結(jié)合。②1molSiO2中含_4__molSi—O。③最小環(huán)由_6__個Si原子和_6__個O原子組成。④每個Si原子被_12__個12元環(huán)共用，每個O原子被_6__個12元環(huán)共用。(2)低溫石英低溫石英的結(jié)構(gòu)中，頂角相連的_硅氧四面體__形成螺旋上升的長鏈，這一結(jié)構(gòu)確定了它具有_手性__。正誤推斷1.金剛石晶體中最小碳環(huán)是六元環(huán)，且6個碳原子在同一平面內(nèi)。(×)2．金剛石晶體中每個碳原子被12個碳原子環(huán)所共有，每個C—C被6個六元環(huán)共用。(√)3．1mol金剛石晶體中含有4mol碳碳鍵。(×)4．1mol二氧化硅晶體中含有4mol硅氧鍵。(√)深度思索1.金剛石晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示，回答下列問題。(1)一個金剛石晶胞中含有8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＋4＝8個碳原子。(2)已知晶胞參數(shù)為apm，則金剛石的密度為eq\f(12×8,NA(a×10－10)3)g·cm－3。(3)晶體中兩個最近的碳原子之間的距離為eq\f(\r(3),4)apm。(4)碳原子的半徑為r，則a、r有什么關(guān)系？提示：2r＝eq\f(\r(3),4)apm，即r＝eq\f(\r(3),8)apm。2．依據(jù)金剛石的結(jié)構(gòu)推斷12g金剛石晶體中含C—C共價鍵的數(shù)目是多少？提示：依據(jù)均攤法可知，金剛石中每個碳原子形成4條共價鍵，其中碳原子數(shù)與C—C共價鍵數(shù)之比是12，故12g金剛石中含有的C—C數(shù)目是2NA。3．二氧化硅晶體中硅原子與和硅原子干脆相連的氧原子構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)是什么？提示：二氧化硅晶體中Si原子與其四周相連的4個氧原子形成正四面體結(jié)構(gòu)。4．二氧化硅晶體中Si原子與Si—O鍵數(shù)目之比是多少？60gSiO2晶體中含Si—O鍵的數(shù)目是多少？提示：SiO2晶體中Si原子與Si—O鍵數(shù)目之比為14；60gSiO2晶體中含Si—O鍵的數(shù)目為4NA。應(yīng)用體驗1.在二氧化硅晶體中原子未排列成緊密積累結(jié)構(gòu)，其緣由是(A)A．共價鍵具有飽和性和方向性B．共價鍵鍵能大C．二氧化硅是化合物D．二氧化硅是由非金屬元素原子構(gòu)成的解析：由于共價鍵具有方向性和飽和性導(dǎo)致SiO2中Si和O必需依據(jù)肯定的方向和肯定的數(shù)目比例進行結(jié)合，故導(dǎo)致在二氧化硅晶體中原子未排列成緊密積累結(jié)構(gòu)，且不是全部化合物、全部非金屬元素原子構(gòu)成的物質(zhì)都是原子未排列成緊密積累結(jié)構(gòu)。故選A。2．下列關(guān)于SiO2和金剛石的敘述正確的是(C)A．SiO2的晶體結(jié)構(gòu)中，每個Si原子與2個O原子干脆相連B．通常狀況下，1molSiO2晶體中含有的分子數(shù)為NA(NA表示阿伏加德羅常數(shù)的值)C．金剛石的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，由共價鍵形成的最小環(huán)上有6個碳原子D．1mol金剛石中含有4NA個C—C鍵(NA表示阿伏加德羅常數(shù)的值)解析：SiO2的晶體結(jié)構(gòu)中，每個Si原子與4個O原子干脆相連，A錯誤；SiO2屬于共價晶體，不存在SiO2分子，B錯誤；金剛石的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，每個碳原子與四周的4個成鍵碳原子共同組成正四面體結(jié)構(gòu)，每個碳原子都是sp3雜化，鍵角109°28′，由共價鍵形成的最小環(huán)上有6個碳原子，C正確；金剛石中每個C原子與另外四個C原子形成4個C—C鍵，每個C—C鍵為兩個C原子共享，因此屬于每個C原子的成鍵數(shù)目是4×eq\f(1,2)＝2,1mol金剛石中含有NA個C原子，故含有2NA個C—C鍵，D錯誤。故選C。3．碳有多種同分異構(gòu)體，其中石墨烯與金剛石的晶體結(jié)構(gòu)如圖所示，下列說法不正確的是(B)A．在石墨烯晶體中，每個正六元環(huán)擁有的共價鍵和碳原子數(shù)之比為32B．石墨烯中含碳碳雙鍵C．金剛石晶體中，碳原子采納sp3雜化D．金剛石晶體中最小的碳環(huán)上有6個碳原子解析：在石墨烯晶體中，最小的環(huán)為六元環(huán)，每個碳原子連接3個C—C化學(xué)鍵，每個六元環(huán)占有的碳原子數(shù)為6×eq\f(1,3)＝2個，個數(shù)比為32，A正確；石墨烯晶體中，單層上的碳原子除形成單鍵外，還形成大π鍵，不存在碳碳雙鍵，B錯誤；金剛石晶體中，每個碳原子形成4個σ鍵，采納sp3雜化，C正確；由金剛石晶體結(jié)構(gòu)模型可知，最小的環(huán)為6元環(huán)，D正確。故選B。1．下列關(guān)于金剛石的說法中，錯誤的是(D)A．晶體中不存在獨立的分子B．碳原子間以共價鍵相結(jié)合C．是自然存在的硬度最大的物質(zhì)D．化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在高溫下也不與氧氣發(fā)生反應(yīng)解析：金剛石屬于共價晶體，共價晶體由原子組成，故A正確；金剛石中碳原子以共價鍵的形式結(jié)合，故B正確；在自然存在的物質(zhì)中，金剛石的硬度最大，故C正確；在高溫下金剛石可以與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳，故D錯誤。故選D。2．下列關(guān)于共價晶體、分子晶體的敘述中，正確的是(A)A．金剛石為共價鍵三維骨架結(jié)構(gòu)，晶體中的最小環(huán)上有6個碳原子B．分子晶體中肯定存在共價鍵C．HI的相對分子質(zhì)量大于HF，所以HI的沸點高于HFD．在SiO2晶體中，1個硅原子和2個氧原子形成2個共價鍵解析：金剛石屬于共價晶體，其中的碳實行sp3雜化軌道與四周的4個碳原子形成正四面體結(jié)構(gòu)，以共價鍵形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，晶體中最小環(huán)上有6個碳原子，A項正確；分子晶體中不肯定存在共價鍵，如稀有氣體形成的晶體為分子晶體，稀有氣體是單原子分子，原子間沒有共價鍵，B項錯誤；HF分子間存在氫鍵，HI分子間不存在氫鍵，故HI的沸點低于HF，C項錯誤；SiO2屬于共價晶體，在SiO2晶體中1個Si原子和4個O原子形成4個共價鍵，D項錯誤。故選A。3．下列關(guān)于晶體的說法正確的組合是(B)①全部分子晶體中都存在共價鍵②在晶體中只要有陽離子就肯定有陰離子③金剛石、SiC、NaF、NaCl、H2O、H2S晶體的熔點依次降低④離子晶體中只有離子鍵⑤SiO2晶體中每個硅原子與4個氧原子以共價鍵相結(jié)合⑥晶體中分子間作用力越大，分子越穩(wěn)定⑦氯化鈉熔化時離子鍵被破壞⑧含有共價鍵的晶體熔沸點都比較高，因為熔化時須要破壞共價鍵A．①②⑤ B．③⑤⑦C．⑤⑥⑧ D．④⑦⑧解析：稀有氣體形成的分子晶體中不存在共價鍵，①不正確；金屬晶體中有陽離子，但沒有陰離子，②不正確；金剛石、SiC形成共價晶體，NaF、NaCl形成離子晶體，H2O、H2S形成分子晶體，金剛石的熔點比SiC高，NaF的熔點比NaCl高，H2O分子間能形成氫鍵，熔點比H2S高，所以晶體的熔點依次降低，③正確；離子晶體中肯定有離子鍵，可能有共價鍵，④不正確；Si的最外層電子數(shù)為4，能形成4個共價鍵，所以SiO2晶體中每個硅原子與4個氧原子以共價鍵相結(jié)合，⑤正確；晶體中分子間作用力越大，熔沸點越高，但不影響分子的穩(wěn)定性，⑥不正確；氯化鈉熔化時，離子鍵被破壞，轉(zhuǎn)化為自由移動的Na＋、Cl－，⑦正確；分子晶體熔化時不須要破壞共價鍵，所以含有共價鍵的晶體熔沸點不肯定高，⑧不正確。故選B。4．金剛石、石墨、C60和石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖所示，下列說法不正確的是(D)A．金剛石和石墨烯中碳原子的雜化方式不同B．金剛石、石墨、C60和石墨烯的關(guān)系：互為同素異形體C．這四種物質(zhì)完全燃燒后的產(chǎn)物都是CO2D．石墨與C60的晶體類型相同解析：金剛石中每個碳原子形成4個C—Cσ鍵，金剛石中碳原子實行sp3雜化，石墨烯中每個碳原子形成3個碳碳σ鍵，碳原子上沒有孤電子對，石墨烯中碳原子實行sp2雜化，A項正確；金剛石、石墨、C60和石墨烯是碳元素形成的不同單質(zhì)，互為同素異形體，B項正確；金剛石、石墨、C60和石墨烯是碳元素形成的不同單質(zhì)，四種物質(zhì)完全燃燒后的產(chǎn)物都是CO2，C項正確；石墨屬于混合型晶體，