2021-2022学年新教材人教版化学选择性必修第二册学案：第三章 第二节 第2课时 共 价 晶 体

第2课时共价晶体

新课程标准学业质量目标

1.能辨识常见的共价晶体,能从微观角度分析共价晶体中各构

L知道共价晶体的概念及强型的共价晶体成微粒之间的作用力及对共价晶体物理性质的影响,(宏观

2.认识共价晶体中的微粒种类及微粒间的相互作用.辨识与微观探析)

3.借助金刚石、二氧化琳等模型认识共价晶体的结构特点及物2.能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体物理性质.理解

理性质。共价晶体中微粒的堆枳模型,并能利用均摊法对体胞进行分

析和相关计算。(证据推理与模型认知),

\_____________________________________________________

必备知识•自主学习

一、共价晶体的结构和性质

1,共价晶体的结构特点

⑴构成粒子及作用力

构成粒子：原子

共价晶体

粒子间作用力：共价键

⑵空间结构：整块晶体是一个三维的共价键殴性结构，不存在单个

的小分子，是一个“巨分子二

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、晶体褚、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)等

3.共价晶体的熔、沸点

⑴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。

⑵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。

J自主探索.

（1）判断下列说法是否正确

①具有共价键的晶体都是共价晶体。（x）

提示：冰、干冰晶体中H2O.CO2的分子内都含有共价键，但属于分

子晶体。

②共价晶体中，共价键越强，熔点越高。（4）

提示：共价晶体中原子间由共价键相结合，熔化时破坏共价键，共价

键越强，熔化时所需能量越多，熔点越高。

③共价晶体的化学式表示其分子式。（X）

提示：共价晶体中不含分子。

⑵有下列几种晶体：A水晶，B.冰醋酸，C.白磷，D.金刚石，E.晶体

氮,F.干冰。

①属于分子晶体的是_______（填字母，下同），直接由原子构成的分

子晶体是_______O

②属于共价晶体的化合物是_______O

③直接由原子构成的晶体是_______O

④受热熔化时，化学键不发生变化的是________需克服共价键的是

根据构成晶体的粒子不同，分子晶体仅由分子组成，共价晶体中无分

子。分子晶体有B、C、E、F,其中晶体氮是单原子分子构成的晶体；

共价晶体和单原子分子晶体都由原子直接构成，共价晶体有A、D,

但化合物只有A；分子晶体熔化时，一般不破坏化学键；共价晶体熔

化时，破坏化学键。

答案：①BCEFE②A③ADE④BCFAD

二、常见的共价晶体

1.金刚石

⑴在晶体中每个碳原子以生个共价键与相邻的支个碳原子相结合，

成为正四面体。

⑵晶体中C—C键夹角为109。28,,碳原子采取了冠杂化。

(3)最小环上有6个碳原子。

金刚石的晶体结构模型

(4)晶体中碳原子个数与C-C键数之比为1:(4x1)=1:2O

2.二氧化硅

(1)二氧化硅的结构

二氧化硅是自然界含量最高的固态二元氧化物，有多种结构，最常见

的是低温石英(a-SiCh)。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。

石1英晶体中的硅氧四面体石英的左、右型晶体

相连构成的螺1旋链••

（2）二氧化硅的用途

二氧化硅是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的

原料。

,自主探索.

（情境思考）金刚砂又名碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木

屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。

碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，如莫桑石。碳化硅又称碳硅石。

在当代c、N、B等非氧化物高技术耐火原料中,碳化硅为应用最广

泛、最经济的一种。

⑴制备金刚砂的化学方程式_____________。

提示：SiO2+3C旦外SiC+2coT。

⑵金刚砂的熔点比金刚石的熔点O

提示:低。

⑶金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合一个碳原子，含有共价

键形成的原子环，其中最小的环上有一个硅原子。

提示：43O

关键能力•合作学习

知识点二…常见的共价晶体

1.常见的共价晶体

⑴金刚石

①每个碳原子都采取sp3杂化，与相邻的4个碳原子以共价键相结合,

正四面体形结构，键角109。28,。

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键，每个C占有2个C—C键，即C原子

与C—C键之比为1:2O

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0.5个。

⑤每个C—C键被6个六元环共用。

(2)二氧化硅

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。

②1molSiO2中含4molSi—O键

③最小环是由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。

⑤每个Si—O键被6个12元环共用。

2.共价晶体熔沸点的比较

原子半径越小|一|键长越短|一|键能越大|一|熔、沸点越高

3.共价晶体与分子晶体熔沸点比较

熔、沸点：共价晶体〉分子晶体。

【归纳总结】晶体熔、沸点和硬度的比较方法

(1)先判断晶体类型。主要依据构成晶体的微粒及其微粒间的作用力。

对于不同类型的晶体，一般来说，共价晶体的熔、沸点高于分子晶体,

共价晶体的硬度大于分子晶体。

⑵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。

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。

」合作探究.

金刚石的晶胞如图所示：

(1)1mol金刚石中含________个共价键。

提ZE:2NAO

⑵晶胞棱长为a,碳原子半径为roa、r之间有什么关系？

提示：2r=1x小a。

/典例示范,.

【典例】（2021.昆明高二检测）已知SiC晶体具有较大的硬度，目原子

间均以单键结合，下列关于晶体的说法正确的是（）

A.SiC晶体是分子晶体

B.SiC晶体中，C-Si键的键长比金刚石中C-C键的键长要短

C.SiC晶体中微粒间通过离子键结合

D.SiC晶体中每个C原子连接4个Si原子，而每个Si原子连接4

个C原子

教师专用【解题指南】解答本题要注意以下两点：

⑴利用晶体性质正确判断晶体类型。

⑵熟知共价晶体的结构特点及键参数的应用。

【解析】选D。SiC晶体具有较大的硬度，因此SiC属于共价晶体，

故A项错误；根据元素周期律可知，Si的原子半径比C的原子半径

大，则SiC晶体中，C-Si键的键长比金刚石中C-C键的键长要长,

故B项错误；SiC晶体中构成的微粒为原子，故微粒之间通过共价键

结合，而非离子键,故C项错误；根据C和Si原子元素均属于第IVA

族元素可知，SiC晶体中每个C原子连接4个Si原子，而每个Si原

子连接4个C原子，故D项正确。

规律方法、⑴共价晶体都是空间网状结构。

⑵共价晶体中原子之间以共价键结合，键长越短、键能越大，共价

键越强，共价晶体的熔沸点越高，硬度越大。

卜素养训练：

1.（2021.南京高二检测）我们可以将SiO2的晶体结构想象为在晶体硅

的Si—Si键之间插入O原子。根据SiO2晶体结构图，下列说法不正

确的是（）

A.石英晶体中每个Si原子通过Si-O极性键与4个O原子作用

B.每个O原子也通过Si-0极性键与2个Si原子作用

C.石英晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1:2,可用“SiO2”

来表示石英的组成

D.在晶体中存在石英分子，故能叫分子式

【解析】选D。晶体硅的结构是五个硅原子形成正四面体结构，其中

有一个位于正四面体的中心，另外四个位于四面体的顶点，故SiO2

的结构为每个硅原子周围有四个氧原子，而每个氧原子周围有两个硅

原子，在晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1:2,“SiCh”仅表

示石英的组成，故没有单个的SiCh分子。

2.金刚石和二氧化硅的晶体结构模型如下图：

⑴分析金刚石、二氧化硅的晶体结构模型，判断共价晶体的化学式

是否可以代表其分子式？

提示：不能。因为共价晶体是三维的网状结构，无小分子存在，化学

式只是晶体中组成原子的个数比。

⑵以金刚石为例，说明共价晶体的微观结构与分子晶体有哪些不

同？

提示：①构成粒子不同，共价晶体中只存在原子，没有小分子；分子

晶体存在分子。

②所含作用力不同，共价晶体中存在的是共价键；分子晶体中存在分

子间作用力。

(3)分析SiO2晶体结构模型，判断晶体中最小的环有多少个原子？

提示：SiO2晶体中最小环上有12个原子。

知识点二…分子晶体与共价晶体的比较

1,分子晶体与共价晶体的比较

晶体类型共价晶体分子晶体

相邻原子间以共价键相结合

概念只含分子的晶体

而形成空间网状结构的晶体

组成微粒原子分子

微粒间作用力共价键分子间作用力

熔、沸点很高较低

硬度很大较小

溶解性一般不溶于各种溶剂部分溶于水

导电性不导电，个别为半导体不导电，部分水溶液导电

熔化时破坏的作用力共价键分子间作用力

实例金刚石干冰

其最小的碳原子环中有6个

结构特点碳原子，碳碳键夹角为CO?日日体中存在CO2了

109。28'

2.分子晶体与共价晶体的判断

(1)依据构成晶体的微粒种类和微粒间的作用力判断。

构成共价晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键；构成分子晶

体的微粒是分子，微粒间的作用力是分子间作用力。

⑵依据晶体的熔点判断。

共价晶体的熔点高，常在1000℃以上；而分子晶体熔点低，常在数

百度以下甚至更低温度。

⑶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HC1O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。

（5）依居物质的分类判断。

①大多数非金属单质（除金刚石、石墨、晶体硅等）、非金属氢化物、

非金属氧化物（除SiO2外）、几乎所有的酸、绝大多数有机物（除有机

盐外）是分子晶体。

②常见的单质类共价晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等；常见的化合

物类共价晶体有碳化硅、二氧化硅等。

-特别量队对分子晶体和共价晶体的认识误区

⑴共价晶体是一个三维的共价键网状结构，是一个“巨分子"没有小

分子存在；而分子晶体中存在真实的分子。

⑵共价晶体的化学式不表示实际组成，只表示组成原子的个数比，

如SiCh只是表示晶体中Si与O的原子个数比为1:2。而分子晶体的

化学式表示真实的组成。

⑶由原子构成的晶体不一定是共价晶体，如稀有气体组成的晶体属

于分子晶体。

」合作探究.

⑴常见的单质共价晶体有哪些？

提示：金刚石、单质硅、单质硼。

⑵常见的共价晶体化合物有哪些？

提示：SiO2,SiC、C3N4、Si3示、BNSAIN、BP、GaAs等。

P典例示范一

【典例】（2021.洛阳高二检测）下列晶体性质的比较中不正确的是

A.沸点:NH3>PH3

B.熔点：Sil4>SiBr4>SiC14

C.硬度：白磷〉冰〉二氧化硅

D.硬度：金刚石>碳化硅〉晶体硅

【思维建模】解答有关晶体熔沸点I：匕较问题的思维流程如下：

晶体类型------------作用力-------------熔沸点

III

共价晶体------------>共价键----->共价键强•熔沸点高

I分子间作用力分子间作用

公孑晶//k--------------->—>

（氢键、范德华力）力强，熔沸点高

【解析】选c。A项中注意NH3分子间存在氢键，故沸点NH3>PH3,

正确；B项中三种物质的组成和结构相似，目均为分子晶体，熔点随

相对分子质量的增大而升高，正确；C项中白磷和冰都是分子晶体，

硬度小，而二氧化硅是共价晶体，硬度大，错误；D项中的三种物

质都是共价晶体,由于原子半径C<Si所以键长C-C<C-Si<Si-Si,

故键能c—OC—Si>Si—Si,而键能越大，共价晶体的硬度越大,正

确。

【母题追问】NH3的溶解度比PH3大的原因是什么？

提示：NH3为极性分子，NH3与水分子间形成氢键，NH3与水发生反

应生成NH3-H2。。

规律方法'晶体熔沸点比较方法

①判断晶体类型一＞分析作用力强弱一＞得出熔沸点高低。

②不同晶体熔沸点：共价晶体＞分子晶体；③分子晶体熔沸点影响的

三要素：氢键、范德华力、极性。④共价晶体的作用力为共价键：键

长短、键能大，熔沸点高。

户素养训练

1.（2021.贵阳高二检测）下列说法正确的是（）

A.冰融化时，分子中H-0键发生断裂

B.分子晶体中，共价键键能越大，分子晶体的熔沸点越高

C.共价晶体中，共价键越强，熔点越高

D.分子晶体中，分子间作用力越大该物质越稳定

【解析】选C。冰融化克服氢键与范德华力，属于物理变化，H-O

键没有断裂，故A错误；影响分子晶体熔沸点高低的因素是分子间

作用力的大小，与共价键的键能无关，故B错误；影响共价晶体熔

沸点高低的因素是键能的大小，共价键的键长越短，键能越大，熔点

就越高，故C正确；分子的稳定性与分子间作用力无关，稳定性取

决于键能，故D错误。

2.神化镶是第二代半导体，熔点为1238℃,具有空间网状结构，

性能比硅更优良。碑化锈半导体材料的一个重要特性就是光电特性。

由于它具有直接带隙以及宽禁带等结构,它的光发射效率比硅褚等半

导体材料高，广泛用于雷达、电子计算机、人造卫星、宇宙飞船等尖

端技术中。碎化钱晶体其晶胞结构如图所示。

，Q

OAs•Ga

(1)神化钱属于晶体。

提示：共价。

⑵础化钱与氮化硼属于同种晶体类型。则两种晶体熔点较高的是

其理由是

提示：BN二者均为共价晶体，B、N间的键长比Ga、As的键长短,

键能大。

11

(3)Ga和As的摩尔质量分别为MGag-moG和MAsg-moG,原子

半径分别为

rcapm和rAspm，阿伏加德罗常数值为NA，则GaAs晶胞中原子的体

积占晶胞体积的百分率为O

,4

提ZF该晶胞中含有4个Ga、4个As，则晶胞中原子的体积为57r(rGax

44(MGH+MAS)

10-*l0cm)3+^兀(侬*10」忆01)3卜4,晶胞的体积为cm-

4

3

,则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为57r(rGaxlO-

4

x

")cm)3+g7r(rAs

4(Moa+MAS)47rxiO-30NAP(自+也)

l03

10-cm)]x4/NTPxlOO%=

3(MGa+MAs)

xlOO%。

--------------课堂小结--------------

构成微粒：原子空间结构：三维网状

作用力：共价共价晶底H物理性质：坚硬难溶

.，三言两谙语重点？

1.共价晶体由原子构成，只含有共价键。

2.共价晶体是三维空间网状结构，不存在单个小分子。

3.共价晶体一般熔点高，硬度大，且原子半径越小，键长越短，键

能越大，熔点越高。

4.金刚石晶体中，C-C键夹角为109。28"碳原子采取sp3杂化，为

正四面体形空间网状结构，最小环上有6个碳原子。

课堂检测•素养达标

1.（2021・杭州高二检测）下列有关共价晶体的叙述错误的是（）

A.共价晶体中，原子不遵循紧密堆积原则

B.共价晶体具有空间网状结构

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

【解析】选D。A项，共价晶体中原子之间通过共价键相连，而共价

键具有方向性和饱和性，所以共价晶体中，原子不遵循紧密堆积原则；

B项，共价晶体是相邻原子之间通过共价键结合而成的空间网状结

构；C项，共价晶体是由原子以共价键相结合形成的，不存在独立的

分子；D项，共价晶体是原子通过共价键连接的，熔化时需要破坏共

价键。

2.(2021.泰州高一检测)科学家成功地在高压下将CO2转化为具有类

似SiCh结构的共价晶体，下列关于CO?的共价晶体说法，正确的是

()

A.CO2的共价晶体和分子晶体互为同分异构体

B.在一定条件下，CCh共价晶体转化为CO2分子晶体是物理变化

C.COz的共价晶体和CO2分子晶体具有相同的物理性质和化学性质

D.在CCh的共价晶体中，每一个C原子周围结合4个O原子，每

一个O原子跟2个C原子相结合

【解析】选D。CO?的共价晶体不存在分子形式，与分子晶体不互为

同分异构体，故A错误；二氧化碳共价晶体和二氧化碳分子晶体不

是一种物质，所以在一定条件下，CCh共价晶体转化为分子晶体是化

学变化不是物理变化，故B错误；二氧化碳分子晶体和二氧化碳共

价晶体的构成微粒不同，空间构型不同，所以其物理性质和化学性质

不同，故C错误；利用知识迁移的方法分析，把二氧化硅结构中的

硅原子替换成碳原子，所以在二氧化碳的共价晶体中，每个C原子

周围结合4个O原子，每个O原子跟两个C原子相结合，故D正确。

3.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

①SiO2和SO3②金刚石和白磷③CO2和SO2④晶体硅和金刚石

⑤晶体氯和晶体氮⑥硫黄和单质碘

A.①②③B.④⑤⑥

C.③④⑥D.①③⑤

【解析】选C。属于分子晶体的有S03、CO2、SO2、白磷、晶体完、

晶体氮、硫黄和单质碘。属于共价晶体的有SiCh、晶体硅和金刚石。

但晶体就是单原子分子，晶体中不存在化学键。

4.（2021.徐州高二检测）一种新型材料B4C,它可用于制作切削工具

和高温热交换器。关于B4c的推断正确的是（）

A.B4C分子是由4个硼原子和1个碳原子构成的

B.B4C是一种共价晶体

C.B4C是一种分子晶体

D.B4C晶体中存在离子键

【解析】选BoB4C由非金属元素组成，可用于制作切削工具和高温

热交换器，说明熔点高，应为原子晶体，不存在单个分子，构成微粒

为原子，碳、硼原子之间以共价键结合。

5.碳化硅SiC的一种晶体具有类似金刚石的结构，其中C原子和Si

原子的位置是交替的。在下列三种晶体①金刚石、②晶体硅、③碳化

硅中，它们的熔点从高到低的顺序是（）

A.①③②B.②③①

C.③①②D.②①③

【解析】选A。C与Si同为第IVA族元素，它们的相似性表现在金

刚石是共价晶体，晶体硅、碳化硅也是共价晶体。从碳到硅原子半径

逐渐增大，形成共价键的键能逐渐减弱，熔点取决于它们的键能，故

熔点从高到低的顺序是金刚石、碳化硅、晶体硅。

6.晶体硅是良好的半导体材料，被广泛用于信息技术和能源科学等领

域。晶体硅是与金刚石结构类似的晶体（其晶胞如图所示），硅晶体的

1个晶胞中含_________个Si原子，在晶体硅的空间网状结构中最小

环为__________元环，每最小环独立含有个Si原子，含1

molSi原子的晶体中Si-Si键的数目为o

【解析】根据Si的晶胞计算，顶点粒子占上，面心粒子占3,晶胞

OZ

内部粒子为整个晶胞所有，则硅晶体的I个晶胞中含Si原子的数目

为8x1+6x；+4=

8个，最小环是六元环，Si处在四面体中，每一个面上产生3