2024-2025學年高二化學(人教版)選擇性必修2 第三章 第二節(jié) 第2課時 共價晶體

第2課時共價晶體［核心素養(yǎng)發(fā)展目標］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.共價晶體的概念晶體中相鄰原子間都以共價鍵結合，整個晶體是一個共價鍵三維骨架結構，叫作共價晶體。2.構成微粒及微粒間作用力3.常見的共價晶體與物質(zhì)類別物質(zhì)類別實例某些單質(zhì)晶體硼(B)、晶體硅(Si)、晶體鍺(Ge)、金剛石、灰錫(Sn)等某些非金屬化合物二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等4.共價晶體的物理性質(zhì)——熔、沸點很高(1)共價晶體由于原子間以較強的共價鍵相結合，熔化時必須破壞共價鍵，而破壞它們需要很高的溫度，所以共價晶體具有很高的熔點。(2)結構相似的共價晶體，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，晶體的熔點越高。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。對共價晶體的認識除了要求“具有共價鍵”外，還要求形成晶體的粒子是原子。2.金剛石、碳化硅、晶體硅均具有相似的結構，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154347.7>350010碳化5晶體硅23522614106.5(1)使共價晶體熔化，需要破壞粒子間的作用力是什么？使金剛石、碳化硅、晶體硅熔化分別破壞的這種具體的作用力又是什么？提示使共價晶體熔化，需要破壞共價鍵。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系？提示結構相似的共價晶體，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)如果不提供上述表格中的數(shù)據(jù)，根據(jù)元素周期表，你能判斷金剛石、碳化硅、晶體硅的鍵長、鍵能、熔點和硬度的相對大小嗎？說出你的判斷方法。提示能。根據(jù)元素周期表，碳和硅為同一主族元素，原子半徑：C<Si，因此鍵長大小順序為C—C<C—Si<Si—Si，鍵能大小順序為C—C>C—Si>Si—Si，熔點和硬度大小順序為金剛石>碳化硅>晶體硅。1.正誤判斷(1)由原子直接構成的晶體一定是共價晶體()(2)共價晶體在固態(tài)或熔化時均不導電()(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()(4)二氧化硅和干冰雖然是同一主族元素的氧化物，但屬于不同的晶體類型()答案(1)×(2)×(3)×(4)√2.下列有關共價晶體的敘述錯誤的是()A.共價晶體中只存在共價鍵B.共價晶體具有三維骨架結構C.共價晶體中不存在獨立的分子D.共價晶體熔化時不破壞共價鍵答案D解析共價晶體中原子間是通過共價鍵連接的，熔化時需要破壞共價鍵，D項錯誤。3.金剛石是典型的共價晶體，下列關于金剛石的說法錯誤的是()A.晶體中不存在獨立的分子B.碳原子間以共價鍵相結合C.是自然界中硬度最大的物質(zhì)D.化學性質(zhì)穩(wěn)定，即使在高溫下也不會與氧氣發(fā)生反應答案D解析在金剛石中，碳原子之間以共價鍵結合形成三維骨架結構，不存在分子；由于碳的原子半徑比較小，碳與碳之間的共價鍵鍵能很高，所以金剛石的硬度很大，故A、B、C項正確；由于金剛石是碳的單質(zhì)，高溫下可以在空氣或氧氣中燃燒生成CO2或CO，故D項錯誤。4.下列物質(zhì)的晶體直接由原子構成的一組是()①CO2②SiO2③晶體Si④白磷⑤氨基乙酸⑥固態(tài)HeA.①②③④⑤⑥ B.②③④⑥C.②③⑥ D.①②⑤⑥答案C解析CO2、白磷、氨基乙酸均屬于分子晶體，其晶體由分子構成；固態(tài)He為單質(zhì)，屬于單原子的分子晶體；SiO2、晶體Si屬于共價晶體，其晶體直接由原子構成。分子晶體與共價晶體熔、沸點和硬度的比較方法(1)對于不同類型的晶體，一般來說，共價晶體的熔、沸點、硬度高于分子晶體。(2)對于同一類型的晶體①共價晶體的熔點高低、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，硬度越大。②分子晶體的熔、沸點高低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，同時還要考慮分子極性及是否存在氫鍵。二、常見共價晶體結構分析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個碳原子結合，C—C—C夾角為109°28'，即金剛石中的碳采取sp3雜化軌道形成共價鍵三維骨架結構。(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12個C，即C原子與C—C數(shù)目之比為1∶2(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122.二氧化硅(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原子相結合。②1molSiO2中含4molSi—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構中有頂角相連的硅氧四面體形成螺旋上升的長鏈，這一結構決定了它具有手性。1.金剛石晶胞結構如圖所示，回答下列問題。(1)一個金剛石晶胞中含有個碳原子。

提示8(2)已知晶胞參數(shù)為apm，則金剛石的密度為g·cm-3。

提示12×8(3)晶體中兩個最近的碳原子之間的距離為pm。

提示34(4)碳原子的半徑為r，則a、r有什么關系？提示2r=34apm，即r=38a2.依據(jù)金剛石的結構判斷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個共價鍵，其中碳原子數(shù)與C—C共價鍵數(shù)之比是1∶2，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直接相連的氧原子構成的空間結構是什么？提示二氧化硅晶體中Si原子與其周圍相連的4個氧原子形成正四面體結構。4.二氧化硅晶體中Si原子與Si—O數(shù)目之比是多少？60gSiO2晶體中含Si—O的數(shù)目是多少？提示SiO2晶體中Si原子與Si—O數(shù)目之比為1∶4；60gSiO2晶體中含Si—O的數(shù)目為4NA。1.下列關于SiO2晶體結構的敘述正確的是()A.存在四面體結構單元，O處于中心，Si處于4個頂角B.最小的環(huán)為3個Si原子和3個O原子組成的六元環(huán)C.最小的環(huán)上實際占有的Si原子和O原子個數(shù)之比為1∶1D.最小的環(huán)為6個Si原子和6個O原子組成的十二元環(huán)答案D解析二氧化硅晶體中存在四面體結構單元，每個硅原子能形成4個共價鍵，每個氧原子能形成2個共價鍵，Si處于中心，O處于4個頂角，A錯誤；最小的環(huán)為6個Si原子和6個O原子組成的十二元環(huán)，每個環(huán)實際占有的硅原子數(shù)為6×112=12、氧原子數(shù)為6×16=1，故最小的環(huán)上實際占有的Si原子和O原子個數(shù)之比為1∶2，B、C2.(2024·西安高二月考)碳化硅的晶體結構與金剛石晶體類似。碳化硅晶體中硅原子與Si—C的數(shù)目之比為()A.1∶4B.1∶3C.1∶2D.1∶1答案A解析SiC屬于共價晶體，晶體中每個Si原子形成4個Si—C，故Si和Si—C數(shù)目之比為1∶4。3.氮化鋁屬類金剛石氮化物、六方晶系，最高可穩(wěn)定到2200℃，硬度大，熱膨脹系數(shù)小，是良好的耐熱沖擊材料，氮化鋁晶胞結構如圖所示。下列有關描述錯誤的是()A.AlN是共價晶體B.與每個鋁原子距離相等且最近的氮原子共有4個C.AlN屬于離子化合物D.與每個鋁原子距離相等且最近的鋁原子共有12個答案C解析氮化鋁屬類金剛石氮化物，所以AlN是共價晶體，A項正確；AlN屬于共價化合物，C項錯誤；以頂角的鋁原子為研究對象，與之距離最近的鋁原子位于面心上，每個頂角上的鋁原子為8個晶胞共用，每個面上的鋁原子為2個晶胞共用，故與每個鋁原子距離相等且最近的鋁原子共有8×32=12個，D4.單質(zhì)硼有無定形和晶體兩種，參考下表數(shù)據(jù)回答問題：金剛石晶體硅晶體硼熔點/℃>350014102573沸點/℃510023552823硬度106.59.5(1)晶體硼屬于晶體，理由是

。

(2)金剛石具有硬度大、熔點高等特點，大量用于制造鉆頭、金屬切割刀具等。其結構如圖所示，下列判斷錯誤的是(填字母)。

A.金剛石中C—C的鍵角均為109°28'，所以金剛石和CH4的晶體類型相同B.金剛石的熔點高與C—C的鍵能無關C.金剛石的熔點高，所以在打孔過程中不需要進行澆水冷卻(3)已知晶體硼的結構單元是由硼原子組成的正二十面體(如圖所示)，該結構單元中有20個正三角形的面和一定數(shù)目的頂角，每個頂角上各有一個硼原子。通過觀察圖形及推算，得出此結構單元是由個硼原子構成的，其中B—B的鍵角為，該結構單元共含有個B—B。

答案(1)共價晶體硼的熔、沸點高，硬度大(2)ABC(3)1260°30解析(1)從題表可知，晶體硼的熔、沸點以及硬度都介于晶體硅和金剛石之間。而金剛石和晶體硅均為共價晶體，在元素周期表中B與C相鄰，與Si處于對角線位置，則晶體硼屬于共價晶體。(2)選項A，金剛石是共價晶體，CH4是分子晶體，二者的晶體類型不同；選項B，金剛石熔化過程中C—C斷裂，因C—C的鍵能大，斷裂時需要的能量多，故金剛石的熔點很高與C—C鍵能有關；選項C，金剛石的熔點高，但在打孔過程中會產(chǎn)生很高的溫度，如不澆水冷卻，會導致鉆頭熔化。(3)從題圖可得出，每個頂角上的硼原子均被5個正三角形所共有，故分攤到每個正三角形的硼原子為15個，每個正三角形含有15×3個硼原子，每個結構單元含硼原子數(shù)為20×15×3=12，而每個B—B被2個正三角形所共有，故每個結構單元含B—B的個數(shù)為20×課時對點練［分值：100分］(選擇題1~13題，每小題6分，共78分)題組一共價晶體及其性質(zhì)1.下列關于共價晶體的說法錯誤的是()A.共價晶體熔點高低取決于共價鍵的強弱B.共價晶體中所有原子之間以共價鍵結合成三維骨架結構C.共價晶體中的共價鍵沒有方向性D.共價晶體中必有共價鍵，不存在分子間作用力答案C2.下列我國科研成果所涉及材料中，是共價晶體的是()A.4.03米大口徑碳化硅反射鏡B.2022年冬奧會聚氨酯速滑服C.能屏蔽電磁波的碳包覆銀納米線D.“玉兔二號”鈦合金篩網(wǎng)輪答案A解析碳化硅是由碳原子和硅原子形成的共價晶體，故A正確；聚氨酯是有機合成高分子材料，不是共價晶體，故B錯誤。3.(2023·廣州高二期末)根據(jù)下列性質(zhì)判斷，屬于共價晶體的物質(zhì)是()A.熔點為10.31℃，液態(tài)不導電，水溶液導電B.無色晶體，熔點為3550℃，不導電，質(zhì)硬，難溶于水和有機溶劑C.無色晶體，能溶于水，質(zhì)硬而脆，熔點為800℃，熔化時能導電D.熔點為-56.6℃，微溶于水，硬度小，固態(tài)或液態(tài)不導電答案B解析熔點低，固態(tài)或液態(tài)不導電，硬度小，一般為分子晶體的特征，A、D項不正確；能溶于水不是共價晶體的特征，C項不正確。4.下列關于SiO2和CO2的描述不正確的是()A.SiO2為共價晶體，CO2為分子晶體B.兩者中心原子采取的雜化方式不同C.SiO2和CO2都是非極性分子D.SiO2晶體的熔點比CO2晶體高答案C解析二氧化硅晶體中每個硅原子周圍有4個氧原子，則硅原子的雜化方式為sp3，二氧化碳分子中碳原子的價層電子對數(shù)為2，孤電子對數(shù)為0，碳原子的雜化方式為sp，故B正確；二氧化硅是硅原子和氧原子形成的共價晶體，晶體中不存在分子，故C錯誤；共價晶體的熔、沸點高于分子晶體，則二氧化硅晶體的熔點高于二氧化碳晶體，故D正確。題組二共價晶體的晶體結構5.單質(zhì)硅的晶體結構如圖所示。下列關于單質(zhì)硅晶體的說法不正確的是()A.是一種三維骨架結構的晶體B.晶體中每個硅原子與4個硅原子相連C.晶體中最小環(huán)上的原子數(shù)目為8D.晶體中最小環(huán)上的原子數(shù)目為6答案C解析單質(zhì)硅是一種三維骨架結構的共價晶體，A正確；晶體中每個硅原子與4個硅原子相連，B正確；根據(jù)單質(zhì)硅的晶體結構可判斷晶體中最小環(huán)上的原子數(shù)目為6，C錯誤、D正確。6.磷化硼是一種超硬耐磨涂層材料。如圖為其晶體結構中最小的重復單元，其中每個原子最外層均滿足8電子穩(wěn)定結構。下列有關說法正確的是()A.磷化硼的化學式為BP，其晶體屬于分子晶體B.磷化硼晶體的熔點高，且熔融狀態(tài)下能導電C.磷化硼晶體中每個原子均參與形成4個共價鍵D.磷化硼晶體在熔化時需克服范德華力答案C解析由磷化硼的晶胞結構可知，P位于頂角和面心，數(shù)目為18×8+6×12=4，B位于晶胞內(nèi)，數(shù)目為4，故磷化硼的化學式為BP，磷化硼是一種超硬耐磨涂層材料，所以磷化硼晶體屬于共價晶體，A項錯誤；磷化硼屬于共價化合物，熔融狀態(tài)下不能導電，B項錯誤；由磷化硼晶胞結構可知，磷化硼晶體中每個原子均參與形成4個共價鍵，C項正確；磷化硼晶體為共價晶體，熔化時需克服共價鍵，7.如圖所示是某共價晶體A的空間結構的一個單元，A與某物質(zhì)B反應生成C，其實質(zhì)是在每個A—A中插入一個B原子，則C物質(zhì)的化學式為()A.AB B.A5B4 C.AB2 D.A2B5答案C解析由圖可知，每個A原子形成4個鍵，每個A—A中插入一個B原子，每個B原子形成2個鍵，故C物質(zhì)中每個A原子形成4個A—B，每個B原子形成2個A—B，則A、B原子個數(shù)比為1∶2，所以其化學式是AB2。8.我國科學家預測并合成了新型碳材料：T?碳?？梢钥醋鼋饎偸Y構中的一個碳原子被四個碳原子構成的正四面體單元替代(如圖所示，所有小球代表碳原子)。下列說法不正確的是()A.T?碳與金剛石互為同位素B.T?碳與金剛石晶體中所含化學鍵類型相同C.T?碳與金剛石中碳原子采取的雜化方式相同D.T?碳與金剛石晶體類型相同，熔化時均需破壞共價鍵答案A解析T?碳是由C元素組成的單質(zhì)，與金剛石互為同素異形體，A選項錯誤；T?碳晶體和金剛石晶體中含有的化學鍵均是共價鍵，B選項正確；T?碳與金剛石中的碳原子均采取sp3雜化，C選項正確；T?碳可以看作金剛石結構中的一個碳原子被四個碳原子構成的正四面體結構單元替代，屬于共價晶體，兩者熔化時均需破壞共價鍵，D選項正確。9.(2024·大連高二期中)SiO2是合成“中國藍”的重要原料之一。如圖是SiO2晶胞中Si原子沿z軸方向在xy平面的投影圖(即俯視投影圖，O原子略去)，Si原子旁標注的數(shù)字是Si原子位于z軸的高度，SiA與SiB的距離是()A.12d B.2C.33d D.答案B解析根據(jù)題圖可知，SiA與SiB的距離是面對角線長的一半，即22d，故B10.根據(jù)量子力學計算，氮化碳結構有五種，其中一種β?氮化碳硬度超過金剛石晶體，成為首屈一指的超硬新材料，已知該氮化碳的二維晶體結構如圖所示。下列有關氮化碳的說法不正確的是()A.該晶體中的碳、氮原子核外都滿足8電子穩(wěn)定結構B.氮化碳中碳元素顯+4價，氮元素顯-3價C.該晶體中，C—N的鍵長比金剛石中C—C的鍵長短D.氮化碳的分子式為C3N4答案D解析根據(jù)題圖可知，每個碳原子形成4個共價鍵，每個氮原子形成3個共價鍵，碳原子最外層形成四個共價鍵后滿足8電子穩(wěn)定結構，氮原子最外層形成3個共價鍵后，也滿足8電子穩(wěn)定結構，A正確；由于元素的電負性：N>C，所以形成共價鍵時，共用電子對偏向N原子，偏離C原子，所以氮化碳中碳元素顯+4價，氮元素顯-3價，B正確；由于氮化碳是共價晶體，不存在分子，因此沒有分子式，D錯誤。11.(2023·麗江高二期末)利用反應CCl4+4NaC(金剛石)+4NaCl可實現(xiàn)人工合成金剛石。下列有關說法錯誤的是()A.C(金剛石)屬于共價晶體B.該反應利用了Na的強還原性C.NaCl和C(金剛石)的晶體類型不同D.每個金剛石晶胞中含有4個碳原子答案D解析反應中Na元素的化合價由0價升高為+1價，Na在該反應中作還原劑，反應利用了鈉的強還原性，故B正確；NaCl屬于離子晶體，金剛石屬于共價晶體，故C正確。12.金剛石是由碳原子所形成的正四面體結構向空間無限延伸而得到的具有三維骨架結構的共價晶體。在立方體中，若一碳原子位于立方體體心，則與它直接相鄰的四個碳原子位于該立方體互不相鄰的四個頂角上(如圖中的小立方體)。請問，圖中與小立方體頂角的四個碳原子直接相鄰的碳原子數(shù)為多少，它們分別位于大立方體的什么位置()A.12，大立方體的12條棱的中點B.8，大立方體的8個頂角C.6，大立方體的6個面的中心D.14，大立方體的8個頂角和6個面的中心答案A解析與小立方體頂角的四個碳原子直接相鄰的碳原子分別位于大立方體的12條棱的中點，共12個。如圖所示：13.硅是制作光伏電池的關鍵材料。在Si晶體中摻雜不同種類的元素，可形成多電子的n型或缺電子的p型半導體。n型和p型半導體相互疊加形成p?n結，此時自由電子發(fā)生擴散運動，在交界面處形成電場。下列說法正確的是()A.1molSi晶體中含有的Si—Si數(shù)目為4NAB.若在Si晶體中摻入P元素，可得n型半導體C.p?n結中，n型一側(cè)帶負電，p型一側(cè)帶正電D.光伏電池的能量轉(zhuǎn)化形式：光能→化學能→電能答案B解析硅晶體中，1個硅原子與4個硅原子形成4個Si—Si，1個Si—Si為2個硅原子共用，平均1molSi晶體中含有的Si—Si數(shù)目為2NA，故A錯誤；若在Si晶體中摻入P元素，P最外層是5個電子，可形成多電子的n型半導體，故B正確；光伏電池是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導體薄片，能量轉(zhuǎn)化形式為光能→電能，故D錯誤。14.(12分)(1)金剛砂(SiC)的硬度為9.5，其晶胞結構如圖甲所示，則金剛砂晶體類型為；在SiC中，每個C原子周圍最近的C原子數(shù)目為；若晶胞的邊長為apm，阿伏加德羅常數(shù)的值為NA，則金剛砂的密度表達式為。

(2)硅的某種單質(zhì)的晶胞結構如圖乙所示。GaN晶體晶胞結構與該硅晶體相似。則GaN晶體中，每個Ga原子與個N原子相連，與同一個Ga原子相連的N原子構成的空間結構為。若該硅晶體的密度為ρg·cm-3，阿伏加德羅常數(shù)的值為NA，則晶體中最近的兩個硅原子之間的距離為cm(用代數(shù)式表示即可)。