物质结构与性质学案分子晶体与共价晶体

分子晶体与共价晶体

第1课时分子晶体

［核心素养发展目标］1.能辨识常见的分子晶体，并能从微观角度分析分子晶体中各构成微粒

之间的作用和对分子晶体物理性质的影响。2.能利用分子晶体的通性推断常见的分子晶体，

理解分子晶体中微粒的堆积模型，并能用均摊法对晶胞进行分析。

一、分子晶体的概念和性质

1.分子晶体的概念

只含分子的晶体,或者分子间以分子间作用力结合形成的晶体叫分子晶体。

2.分子晶体中的粒子及粒子间的相互作用

T构成微粒存］

I分子晶体I-T微粒间的作用力H分子间作用力I

T分子内各原子间1T共价键|

3.常见的典型分子晶体

(1)所有非金属氢化物:如H2O、H2S>NH3、CH4、HX(卤化氢)等。

(2)部分非金属单质:如X2(卤素单质)、。2、H2、S8、P4、C60、稀有气体等。

(3)部分非金属氧化物:如CO2、SO2、NO2、P4o6>P4O10等。

(4)几乎所有的酸：如H2SO4、HNO3>H3Po4、IbSiCh等。

(5)绝大多数有机物：如苯、四氯化碳、乙醇、冰醋酸、蔗糖等。

4.分子晶体的物理性质

⑴分子晶体熔、沸点较低,硬度很小。

(2)分子晶体不导电。

(3)分子晶体的溶解性一般符合“相似相溶”规律。

|■判断正误」

(1)组成分子晶体的微粒是分子，在分子晶体中一定存在共价键和分子间作用力()

(2)分子晶体熔化时一定破坏范德华力，有些分子晶体还会破坏氢键()

(3)分子晶体熔化或溶于水均不导电()

(4)分子晶体的熔、沸点越高，分子晶体中共价键的键能越大()

(5)水分子间存在着氢键，故水分子较稳定()

(6)NH3极易溶于水的原因一是NH3、H2O均为极性分子，二是NH3和H2O之间形成分子间

氢键()

答案(1)X(2)V(3)X(4)X(5)X(6)V

r理解应用」

i.下列各组物质各自形成晶体，均属于分子晶体的化合物是()

A.NH3、HD、CioHisB.PCb、CO2、H2SO4

C.SO2、C60、P2O5D.CCI4、Na2S>H2O2

答案B

解析分子晶体的构成微粒为分子，分子内部以共价键结合。HD属于分子晶体，但为单质，

故A错误；PCb、C02>H2sO4均属于分子晶体，且为化合物，故B正确；C60属于分子晶体，

但为单质，故C错误；Na2s中含有离子键，不属于分子晶体，故D错误。

2.(2019・贵州思南中学高二月考)医院在进行外科手术时，常用HgCb稀溶液作为手术刀的消

毒剂，已知HgCb有如下性质：①HgCb晶体熔点较低；②HgCL熔融状态下不导电；③HgCb

在水溶液中可发生微弱电离。下列关于HgCb的叙述中正确的是()

A.HgCh晶体属于分子晶体

B.HgCb属于离子化合物

C.HgCb属于电解质，且属于强电解质

D.HgCL属于非电解质

答案A

解析由HgCL的性质可知，HgCb晶体属于分子晶体，属于共价化合物，是弱电解质。

3.下列分子晶体的熔、沸点由高到低的顺序是()

①HC1②HBr③HI®CO⑤N2@H2

A.①②③④⑤⑥B.③②①⑤④⑥

C.③②①④⑤⑥D.⑥⑤④③②①

答案C

解析相对分子质量越大，分子间的范德华力越大，分子晶体的熔、沸点越高，相对分子质

量接近的分子，极性越强，熔、沸点越高，故选C。

-归纳总结

1.分子晶体的判断方法

⑴依据物质的类别判断

部分非金属单质、所有非金属氢化物、部分非金属氧化物、几乎所有的酸、绝大多数有机物

都是分子晶体。

⑵依据组成晶体的粒子及粒子间作用判断

组成分子晶体的微粒是分子，粒子间的作用力是分子间作用力。

(3)依据物质的性质判断

分子晶体的硬度小，熔、沸点低，在熔融状态或固体时均不导电。

2.分子晶体熔、沸点高低的判断

⑴组成和结构相似，不含氢键的分子晶体，相对分子质量越大，范德华力越强，熔、沸点越

高，l2>Br2>C12>F2,HI>HBr>HCl„

⑵组成和结构不相似的分子晶体(相对分子质量接近)，分子的极性越大，熔、沸点越高，如

CH3OH>CH3CH3O

(3)含有分子间氢键的分子晶体的熔、沸点反常升高，如H2O>H2Te>H2Se>H2S。

(4)对于有机物中的同分异构体，支链越多，熔、沸点越低，如CH3—CH2—CH2—CH2—CH3

CH

I3

CH—CH—CH—CHCH—C—CH

3I233I3

>CH3>CH3O

(5)煌、卤代煌、醇、醛、竣酸等有机物一般随分子中碳原子数的增加，熔、沸点升高，如

C2H6>CH4,C2H5OCH3CI,CH3COOH>HCOOHO

二、典型的分子晶体的结构和性质

1.分子晶体的结构特征

分子密堆积分子非密堆积

微粒间作用力范德华力范德华力和氢键

通常每个分子周围有12个紧每个分子周围紧邻的分子数小于12

空间特点

邻的分子个，空间利用率不高

举例C60、干冰、12、。2HF、NH3>冰

2.常见分子晶体的结构分析

(1)冰晶体

①结构：冰晶体中，水分子间主要通过氢键形成晶体。由于氢键具有一定的方向性,一个水

分子与周围四个水分子结合，这四个水分子也按照同样的规律再与其他的水分子结合。这样,

每个。原子周围都有四个H原子，其中两个H原子与0原子以共价键结合，另外两个H原

子与。原子以氢键结合，使水分子间构成四面体骨架结构。其结构可用下图表示。

H.。V

H%f?、Q

②性质：由于氢键具有方向性，冰晶体中水分子未采取密堆积方式，这种堆积方式使冰晶体

中水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙。当冰刚刚融化成液态水时，水分子间的空

隙减小，密度反而增大，超过4℃时，分子间距离加大，密度逐渐减小。

⑵干冰

①结构：固态CCh称为干冰，干冰也是分子晶体。CCh分子内存在C=0共价键，分子间存

在范德华力,CO2的晶胞呈面心立方体形，立方体的每个顶角有一个CO2分子，每个面上也

有一个CO2分子。每个CO2分子与y个CO2分子等距离相邻（在三个互相垂直的平面上各4

个或互相平行的三层上，每层上各4个）（如图所示）。

与一个co2分子距离最

干冰的晶胞模型（面心晶胞）近的CO2分子共有12个

②性质：干冰的外观很像冰，硬度也跟冰相似,熔点却比冰低得多，在常压下极易升华，在

工业上广泛用作制冷剂；由于干冰中的CO2之间只存在范德华力不存在氢键，密度比冰的高。

r判断正误」

（1）干冰和冰都是由分子密堆积形成的晶体（）

（2）干冰比冰的熔点低很多，常压下易升华（）

（3）干冰晶体中只存在范德华力不存在氢键，一个分子周围有12个紧邻的分子（）

（4）冰晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的分子；1mol冰中含有1mol氢键（）

答案⑴义（2）V（3）V（4）X

r深度思考」

1.硫化氢和水分子结构相似，但硫化氢晶体中，一个硫化氢分子周围有12个紧邻的分子，

而冰中一个水分子周围只有4个紧邻分子，为什么？

提示硫化氢晶体中只存在范德华力，属于分子密堆积，而冰中主要作用力是氢键，氢键具

有方向性，氢键的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子

相互吸引。

2.如图为干冰的晶体结构示意图。

（1）通过观察分析，有种取向不同的CO2分子。将CO2分子视作质点，设晶胞边长为

6/pm,则紧邻的两个CO2分子的距离为pmo

-10

（2）其密度p为（1pm=IOcm）o

y[24X44

答案（1）42a⑵必w^^-陟gem

解析顶角一种取向，三对平行面分别为三种取向，所以共有4种取向。两个紧邻CO2分子

以「为工匚上2匹以.Imol晶胞质量4X44-

的距局为面对角线的一半。.=]1noi晶胞体积=刈（〃义10r0）3gtm。

随堂演练知识落实

1.下列物质固态时，一定是分子晶体的是（）

A.酸性氧化物B.非金属单质

C.碱性氧化物D.含氧酸

答案D

2.水的沸点为100°C,硫化氢的分子结构跟水相似，但它的沸点却很低，是一60.7℃,引起

这种差异的主要原因是（）

A.范德华力B.共价键

C.氢键D.相对分子质量

答案C

解析水和H2s的结构相似，二者形成的晶体也都是分子晶体。但由于水分子间存在氢键，

所以导致水的沸点高于H2s的沸点。

3.干冰熔点很低是由于（）

A.CCh是非极性分子B.C=O的键能很小

C.CCh化学性质不活泼D.CCh分子间的作用力较弱

答案D

解析干冰是分子晶体，分子晶体的相对分子质量越小，分子间的作用力越弱，熔、沸点越

低，所以干冰熔点很低是由于CCh分子间的作用力较弱，与键能、化学性质等无关。

4.干冰气化时，下列所述内容发生变化的是（）

A.分子内共价键B.分子间作用力

C.分子的性质D.分子间的氢键

答案B

解析干冰是分子晶体，分子间存在分子间作用力，不存在氢键，分子气化时破坏分子间作

用力，分子内原子间共价键没有被破坏，所以分子的性质不发生改变。

5.下列属于分子晶体的一组物质是（）

A.CaO、NO、COB.CCI4、H2O、He

C.82、SO2、NaClD.CH4、02、Na2O

答案B

6.下列有关分子晶体熔点高低的叙述中，正确的是（）

A.氯气〉碘单质

B.四氯化硅〉四氟化硅

C.NH3<PH3

D.异戊烷>正戊烷

答案B

解析碘常温下为固体，氯气为气体，碘的熔点较高，A错误；四氯化硅、四氟化硅对应的

晶体都为分子晶体，四氯化硅的相对分子质量大，熔点较高，B正确；氨分子间存在氢键，

熔点较高，C错误；同分异构体中，含有的支链越多，熔点越低，D错误。

7.自从英国化学家巴特列（N.Bartlett）首次合成了第一种稀有气体的化合物XePtFe以来，人们

又相继发现了氤的一系列化合物，如XeF2、XeF4等。巴特列为开拓稀有气体化学作出了历

史性贡献。

（1）请根据XeF4的结构示意图（图1）判断这个分子是极性分子还是非极性分子？=

（2）XeF2晶体是一种无色晶体，图2为它的晶胞结构图。XeF2晶体属于哪种类型的晶体？

—000

QXe

OF

O0jD---------OQ0

O<K>---------o4o

图1图2

答案（1）非极性分子（2）分子晶体

解析（l）XeF4分子中含有Xe—F极性键,由于XeF4分子是平面正方形结构，结构对称，所

以XeF4分子为非极性分子。（2）根据晶胞结构可知，XeF2晶体是由分子构成的，是分子晶体。

课时对点练

g对点训练

题组一分子晶体及其性质

1.下列有关分子晶体的说法中一定正确的是（）

A.分子内均存在共价键

B.分子间一定存在范德华力

C.分子间一定存在氢键

D.其结构一定为分子密堆积

答案B

解析稀有气体元素组成的晶体中，不存在由多个原子组成的分子，而是原子间通过范德华

力结合成晶体，所以不存在任何化学键，A错误；分子间作用力包括范德华力和氢键，范德

华力存在于所有的分子晶体中，而氢键只存在于含有与电负性较强的氮、氧、氟原子结合的

氢原子的分子之间或者分子之内，B正确、C错误；只存在范德华力的分子晶体才采用分子

密堆积的方式，D错误。

2.分子晶体具有某些特征的本质原因是（）

A.组成晶体的基本微粒是分子

B.熔融时不导电

C.晶体内微粒间以分子间作用力相结合

D.熔点一般比较低

答案C

解析分子晶体相对于其他晶体来说，熔、沸点较低，硬度较小，本质原因是其基本构成微

粒间的相互作用——范德华力及氢键相对于化学键来说比较弱。

3.下列晶体由原子直接构成，但属于分子晶体的是（）

A.固态氢B.固态航

C.磷D.三氧化硫

答案B

解析根据题意可知必须是单原子分子，符合条件的只有稀有气体，故选B。

4.支持固态氨是分子晶体的事实为（）

A.氮原子不能形成阳离子

B.钱离子不能单独存在

C.常温下氨是气态物质

D.氨极易溶于水

答案C

解析常温下氨是气态物质，说明NH3的熔点和沸点低，微粒之间的结合力小，所以固态的

氨是分子晶体；只有分子晶体在常温下才可能呈气态，反之，常温下呈气态的物质一定属于

分子晶体。

5.碘的熔、沸点低，其原因是（）

A.碘的非金属性较弱

B.1一1的键能较小

C.碘晶体属于分子晶体

D.I—I共价键的键长较长

答案C

解析碘单质为双原子分子，属于分子晶体，分子间作用力较弱，其熔、沸点较低，与非金

属性、I—I的键能和键长无关，C正确。

6.下列性质适合于分子晶体的是（）

①熔点1070℃,易溶于水，水溶液导电

②熔点10.31°C,液态不导电，水溶液导电

③能溶于CS2，熔点112.8C,沸点444.6℃

④熔点97.81℃,质软、导电，密度为0.97g-cmT

A.①②B.①③

C.②③D.②④

答案C

解析②熔点10.31°C,液态不导电，说明液态时，只存在分子，没有离子，溶于水后，电

离出自由移动的离子，水溶液中能导电，属于分子晶体，符合题意；③能溶于CS2,熔点

112.8℃,沸点444.6°C,符合分子晶体的特点，符合题意，C正确。

7.目前，科学界拟合成一种“双重结构”的球形分子，即把足球烯C60的分子容纳在Si60分

子中，外面的硅原子与里面的碳原子以共价键相结合，下列叙述错误的是（）

A.该晶体属于分子晶体

B.该分子内原子间都以极性共价键相连接

C.该物质是一种新化合物

D.该物质的相对分子质量为2400

答案B

解析A项，由于该物质是“双重结构”的球形分子，所以该晶体类型是分子晶体，正确；

B项，该分子内同种元素的原子间都以非极性共价键相结合，不同种元素的原子间以极性共

价键相结合，错误；C项，该物质含有两种元素，是纯净物，因此属于一种新化合物，正确；

D项，该物质的相对分子质量为12X60+28X60=2400,正确。

题组二分子晶体的晶胞

8.（2019•河北衡水中学月考）正硼酸（H3BO3）是一种片层状结构的白色晶体，层内的H3BO3分

子通过氢键相连（如图所示）。下列有关说法正确的是（）

A.正硼酸晶体不属于分子晶体

B.H3BO3分子的稳定性与氢键有关

C.分子中硼原子最外层为8电子稳定结构

D.含1molH3BO3的晶体中有3mol氢键

答案D

解析A项，正硼酸晶体属于分子晶体；B项，H3BO3分子的稳定性与分子内部的共价键有

关，与分子间氢键无关；C项，分子中的硼原子不符合8电子稳定结构；D项，1个H3BO3

分子中含有3个氢键。

9.冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞类似，其晶胞结构如图所示。下列有关说法

正确的是（）

A.冰晶胞内水分子间以共价键结合

B.每个冰晶胞平均含有4个水分子

C.水分子间的氢键具有方向性和饱和性，也是。键的一种

D.已知冰中氢键的作用力为18.5kJ.moPi,而常见的冰的熔化热为336J・g-I这说明冰变

成水，氢键部分被破坏（假设熔化热全部用于破坏氢键）

答案D

解析冰晶胞内水分子间主要以氢键结合，A项错误；由冰晶胞的结构可知，每个冰晶胞平

均占有的分子个数为4+1X8+6x[=8,B项错误；水分子间的氢键具有方向性和饱和性，

但氢键不属于化学键，C项错误；冰中氢键的作用力为18.5klmol-,1mol冰中含有2moi

氢键，而常见的冰的熔化热为336也可写为6.05kJnoPi,说明冰变为液态水时只是

破坏了一部分氢键，液态水中仍存在氢键，D项正确。

10.（2019•合肥一中月考）如图是甲烷晶体的晶胞结构，图中每个小球代表一个甲烷分子（甲烷

分子分别位于立方体的顶角和面心），下列有关该晶体的说法正确的是（）

A.该晶体与HI的晶体类型不同

B.该晶体熔化时只需要破坏共价键

C.SiE分子的稳定性强于甲烷

D.每个顶角上的甲烷分子与之距离最近且等距的甲烷分子有12个

答案D

解析甲烷、HI晶体均属于分子晶体，A项错误；甲烷晶体属于分子晶体，熔化时只需要破

坏分子间作用力，不需要破坏共价键，B项错误；C的非金属性比Si强，所以SiH4分子的稳

定性弱于甲烷，C项错误；根据晶胞的结构可知，以晶胞中顶角上的甲烷分子为研究对象，

与它距离最近且等距的甲烷分子分布在立方体的3个面心上，每个顶角上的甲烷分子被8个

立方体共用，每个面心上的甲烷分子被2个立方体共用，所以每个甲烷分子周围与它距离最

3X8

近且等距的甲烷分子有三一=12个，D项正确。

%综合强化

11.海底有大量的天然气水合物，可满足人类1000年的能源需要。天然气水合物是一种晶

体，晶体中平均每46个水分子构建成8个笼，每个笼可容纳1个CH4分子或1个游离H2O

分子。若晶体中每8个笼只有6个容纳了CH4分子，另外2个笼被游离H2O分子填充，则天

然气水合物的平均组成可表示为()

A.CH4-14H2OB.CH48H2O

23

C.CH4yH2OD.CH4-6H,O

答案B

解析“可燃冰”是一种晶体，晶体中平均每46个H2O分子构建8个笼，每个笼内可容纳

1个CH4分子或1个游离压0分子。若晶体中每8个笼只有6个容纳了CH4分子，另外2个

笼被游离的H2O分子填充，因此6个笼中有6个甲烷分子，水分子有46+2=48个，贝4“可

燃冰”平均分子组成可表示为6cH4-48H2。，CH48H2O;答案选B。

12.(1)比较下列化合物的熔、沸点的高低(填“>”或

®CO2SO2；②NH3PH3；®O3O2；@NeAr；

⑤CH3cH20HCH3OH；@CON2»

(2)已知A1C13的熔点为190℃,但它在180°C即开始升华。请回答：

①AlCb固体是晶体。

②设计实验判断氯化铝是离子化合物还是共价化合物：

答案(1XD<②>③〉⑤〉⑥〉

(2)①分子②在熔融状态下，验证其是否导电，若不导电则是共价化合物

解析(1)各组物质均为分子晶体，根据分子晶体熔、沸点的判断规律，可比较六组物质熔、

沸点的高低。⑵①由AlCb的熔点低以及在180°C时开始升华可判断A1C13固体为分子晶体。

②要验证一种化合物是共价化合物还是离子化合物，可测其在熔融状态下是否导电，不导电

则是共价化合物，导电则是离子化合物。

13.据报道，科研人员应用计算机模拟出结构类似C60的物质N60。

已知：①N60分子中每个氮原子均以N—N结合三个N原子而形成8电子稳定结构；

②N—N的键能为167kJmol^

请回答下列问题：

⑴N60分子组成的晶体为晶体，其熔、沸点比N2(填“高”或“低”)，原

因是o

(2)1molN60分解成N2时(填“吸收”或“放出”)的热量是kJ(已知N三N的

键能为942kJ-mo「)，表明稳定性N60(填或“="»2。

(3)由(2)列举N6O的用途(举一种)：=

答案(1)分子高N60、N2均形成分子晶体，且N60的相对分子质量大，分子间作用力大,

故熔、沸点高

(2)放出13230<

(3)N6O可作高能炸药(答案合理即可)

解析(l)N60、N2形成的晶体均为分子晶体，因跖(N60)>跖(N2),故N60晶体中分子的范德华

力比N2晶体的大,N6O晶体的熔、沸点比用晶体的高。(2)因N60中每个氮原子形成三个N—N,

每个N—N被2个N原子共用，故1molN6o中存在N—N:1molX60X3x1=90moL发

生的反应为N6O=3ON2,故A//=90molX167kJ-moP'-SOmolX942kJ-mor^-B230kJ

<0,为放热反应，表明稳定性：N2>N6O=(3)由于反应放出大量的热，同时生成大量气体，因

此N60可用作高能炸药。

14.按要求回答下列问题。

(1)水分子的空间结构是，实验测得冰中氢键的作用能为18.5kJ-mori,而冰的熔化

热为5.0kJmoF1,这说明o

(2)在冰的结构中，每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接。在冰晶体中除氢键外，还

存在范德华力(11kJ-moF^o已知冰的升华热是51kJ-moF1,则冰晶体中氢键的能量是

kJmol1

(3)下图是部分卤素单质和XY型卤素互化物的沸点与其相对分子质量的关系。它们的沸点随

着相对分子质量的增大而升高，其原因是。

Br2-J

Cl2

相对分子质量

试推测IC1的沸点所处的最小范围是o

答案(1)V形冰融化为液态水时只是破坏了一部分氢键，也说明液态水中仍存在氢键

⑵20(3)相对分子质量越大，分子间作用力越强介于B"的沸点和IBr的沸点之间

解析(2)1mol冰中含有2moi氢键，冰升华既克服氢键，又克服范德华力，所以氢键的能

51kJmol1—11kJ-mol1

=20kJ-moL

量为:2

(3)C1、Br、I三种元素形成的单质或互化物的相对分子质量为Cb：71;Br2:160,12：254,

BrCl:115.5:IBr:207。题目所给的IC1的相对分子质量为162.5,介于Br?和IBr之间。

15.据《新科学》杂志报道，科研人员在20℃、1个大气压和其他一定的实验条件下，给水

施加一个弱电场，水就可以结成冰，称为“热冰”。如图是水和“热冰”微观结构的计算机

模拟图。请回答下列问题：

(1)以上信息体现了水分子具有性，水分子中氧原子的杂化方式为o

⑵参照热冰的图示，以一个水分子为中心，画出水分子间最基本的连接方式(用结构式表

示)___________________________________________________________________________

(3)①固体二氧化碳外形似冰，受热气化无液体产生，俗称“干冰”。根据如图干冰的晶胞的

结构回答：

OOO代表一个CC>2分子

干冰的结构

一个晶胞中有个二氧化碳分子；在一个二氧化碳分子中所含的化学键类型与数目为

②在干冰中撒入镁粉，用红热的铁棒引燃后，再盖上另一块干冰，出现的现象为

,反应的化学方程式是。

答案(1)极Sp3杂化

H

O—H

HHH

O—H…O—HO—H

H

(2)乩H

(3)①42个。键，2个无键②镁粉在干冰中继续燃烧，发出耀眼的白光，并有黑色物质生

占燃

成2Mg+CC>2三二三2MgO+C

解析(1)水分子为极性分子，在外加电场作用下，水分子可以发生运动。

第2课时共价晶体

［核心素养发展目标］1.能辨识常见的共价晶体，并能从微观角度分析共价晶体中各构成微粒

之间的作用对共价晶体物理性质的影响。2.能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体，并

能利用均摊法对晶胞进行分析。

一、共价晶体的概念及其性质

1.共价晶体的结构特点及物理性质

⑴概念

相邻原子间以共价键相结合形成共价键三维骨架结构的晶体。

(2)构成微粒及微粒间作用

构成微粒运

共价晶体一

微粒间作用力.共价键

(3)物理性质

①共价晶体中，由于各原子均以强的共价键相结合，因此一般熔点很高,硬度很大,难溶于

常见溶剂，一般丕导电。

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。

2.常见共价晶体及物质类别

(1)某些单质：如硼(B)、硅(Si)、错(Ge)、金刚石等。

(2)某些非金属化合物：如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。

(3)极少数金属氧化物，如刚玉(a-AbCh)等。

r判断正误」

(1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体()

⑵具有共价键的晶体一定是共价晶体()

(3)共价晶体在固态或熔化时均不导电()

(4)共价晶体由于硬度及熔、沸点都较高，故常温时不与其他物质反应()

答案(1)X(2)X(3)X(4)X

r深度思考」

i.怎样从原子结构角度理解金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降。

提示从碳到硅，核电荷数增大，电子层数增多，原子半径增大，C-C、C—Si、Si-Si的

键长依次增大，键长越短，共价键越牢固，共价晶体熔化时破坏的是共价键，而键能大小是

C—OC—Si>Si—Si,所以，金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降。

2.下表是某些共价晶体的熔点和硬度，分析表中的数据，判断下列叙述正确的是（）

共价晶体金刚石氮化硼碳化硅石英硅错

熔点/℃390030002700171014101211

硬度109.59.576.56.0

①构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高

②构成共价晶体的原子间的共价键的键能越大，晶体的熔点越高

③构成共价晶体的原子半径越大，晶体的硬度越大

④构成共价晶体的原子半径越小，晶体的硬度越大

A.①②B.③④C.①③D.②④

答案D

解析共价晶体的熔、沸点和硬度等物理性质取决于晶体内的共价键，构成共价晶体的原子

半径越小，键长越短，键能越大，对应共价晶体的熔、沸点越高，硬度越大。

3.（2019•长沙高二检测）下列物质的晶体直接由原子构成的一组是（）

①C02②SiCh③晶体Si④白磷⑤氨基乙酸⑥固态He

A.①②③④⑤⑥B.②③④⑥

C.②③⑥D.①②⑤⑥

答案C

解析CO2、白磷、氨基乙酸、固态He是分子晶体，其晶体由分子构成，稀有气体He由单

原子分子构成；SiO2>晶体Si属于共价晶体，其晶体直接由原子构成。

二、常见共价晶体结构分析

1.金刚石晶体

金刚石的晶体结构模型

金刚石晶体中，每个碳原子均以4个共价单键对称地与相邻的工个碳原子相结合，形成

C—C—C夹角为109。28'的正四面体结构（即金刚石中的碳采取型1杂化轨道形成共价键），

整块金刚石晶体就是以共价键相连的三维骨架结构。其中最小的环是六元环。

2.二氧化硅晶体

二氧化硅的晶体结构模型

(1)二氧化硅晶体中，每个硅原子均以4个共价键对称地与相邻的4个氧原子相结合,每个氧

原子与爰个硅原子相结合，向空间扩展，形成三维骨架结构。晶体结构中最小的环上有色个

硅原子和自个氧原子，硅、氧原子个数比为1：2。

(2)低温石英的结构中有顶角相连的硅氧四面隹形成螺旋上升的长链，而没有封闭的环状结

构。这一结构决定了它具有手性。

|■判断正误」

(1)金刚石晶体中最小碳环是六元环，且6个碳原子在同一平面内()

(2)金刚石晶体中每个碳原子被12个碳原子环所共有，每个C—C被6个六元环共用()

(3)1mol金刚石晶体中含有4mol碳碳键()

(4)1mol二氧化硅晶体中含有4mol硅氧键()

答案⑴X(2)V(3)X(4)V

解析(2)任意两条相邻的C—C参加了2个六元环的形成，每个C原子可形成4条C—C,

两面相邻的组合有C?=6种，故每个C原子被6X2=12个六元环共用。而每条C—C可以

与相邻的3条C—C两两相邻，故每条C—C被3X2=6个六元环共用。

r深度思考」

i.金刚石晶胞结构如图所示，回答下列问题。

(1)一个金刚石晶胞中含有个碳原子。

答案8

解析8XT+6X^+4=8O

oZ

(2)已知晶胞参数为apm,则金刚石的密度为g-cm-3o

(3)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为pm。

答案.a

解析两个最近的碳原子之间的距离为晶胞内体对角线的/即事。

2.（2019•厦门外国语学校期中）2017年中外科学家团队共同合成了T-碳。T-碳的结构是将立

方金刚石中的每个碳原子用一个由4个碳原子组成的正四面体结构单元取代，形成碳的一种

新型三维立体晶体结构，如图所示（图中的j表示碳形成的正四面体结构心、。已知T-碳晶

胞参数为apm,NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法错误的是（）

A.每个T-碳晶胞中含32个碳原子

B.T-碳中C—C的最小夹角约为109。28'

C.T-碳属于共价晶体

]2X32

D.D碳的密度为NAX^XIO-吗3gym"

答案B

解析1个金刚石晶胞中，含有碳原子的数目为8X1+6x[+4=8,将每个C原子换成一个

由4个碳原子组成的正四面体结构单元，则1个T-碳晶胞中含有的碳原子数目为8X4=32,

故A正确；T-碳中C—C的最小夹角为60。，故B错误；T-碳中碳原子间以共价键结合成空

间网状结构，属于共价晶体，故C正确；1个T-碳晶胞中含碳原子的数目为32,则该晶体的

…,12X32-“

密度为必乂（叱10」。）3gw，故D正确。

随堂演练知识落实

1.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

答案D

解析在金刚石中，碳原子之间以共价键结合形成空间三维骨架结构，不存在具有固定组成

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很高，所以金刚石的硬度很大，

故A、B、C选项正确；由于金刚石是碳的单质，高温下可以在空气或氧气中燃烧生成C02,

故D选项错误。

2.美国《科学》杂志曾报道：在40GPa的高压下，用激光加热到1800K,人们成功制得了

共价晶体CCh，下列对该物质的推断一定不正确的是（）

A.该共价晶体中含有极性键

B.该共价晶体易气化，可用作制冷材料

C.该共价晶体有很高的熔、沸点

D.该共价晶体的硬度大，可用作耐磨材料

答案B

解析共价晶体具有高硬度，高熔、沸点等性质，不易气化，不可用作制冷材料，B项错误。

3.下列关于SiO2晶体空间结构的叙述中正确的是（）

A.最小的环上，有3个硅原子和3个氧原子

B.最小的环上，硅原子数和氧原子数之比为1：2

C.最小的环上，有6个硅原子和6个氧原子

D.存在四面体结构单元，O原子处于中心，Si原子处于4个顶角

答案C

解析SiO2晶体中，每个硅原子与4个氧原子成键，每个氧原子与2个硅原子成键，晶体中

的硅氧四面体中Si原子处于中心，O原子处于4个顶角。最小的环是十二元环，环上有6个

Si原子、6个O原子，Si、O原子数之比是1：1。

4.设NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法中正确的是（）

A.28g晶体硅中含有Si—Si的个数为2NA

B.124g白磷（P。晶体中含有P—P的个数为4NA

C.12g金刚石中含有C—C的个数为4NA

D.SiO2晶体中1mol硅原子可与氧原子形成2NA个共价键（Si—O）

答案A

解析晶体硅的结构与金刚石相似，每个硅原子与周围4个原子形成4个共价键，依据''均

摊法”，1个硅（或碳）原子分得的共价键数为4X3=2,A正确、C错误；白磷为正四面体结

构，每个分子中含有6个P—P,B错误；SiCh晶体中每个硅原子与周围4个氧原子形成4

个Si—O,D错误。

5.如图所示是某共价晶体A的空间结构片段，A与某物质B反应生成C,其实质是在每个

A—A中插入一个B原子，则C物质的化学式可能为（）

A

A.ABB.A5B4

C.AB2D.A2B5

答案c

6.单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答问题:

金刚石晶体硅晶体硼

熔点/℃>355014102573

沸点/℃510023552823

硬度107.09.5

⑴晶体硼属于晶体，理由是o

(2)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，下列判断正确的是(填字母)。

A.金刚石中C—C的键角均为109。28',所以金刚石和CR的晶体类型相同

B.金刚石的熔点高与C—C的键能无关

C.金刚石中碳原子个数与C-C数之比为1：2

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

(3)已知晶体硼的结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图所示)，该结构单元中有20个正

三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角上各有一个硼原子。通过观察图形及推算，得出此

结构单元是由_______个硼原子构成的,其中B-B的键角为_________,该结构单元共含

有________个B—B。

答案⑴共价晶体硼的熔、沸点高，硬度大(2)C(3)1260°30

解析(1)从题表可知，晶体硼的熔、沸点以及硬度都介于晶体硅和金刚石之间。而金刚石和

晶体硅均为共价晶体，在元素周期表中B与C相邻，与Si处于对角线位置，则晶体硼也属

于共价晶体。

(2)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C—C断裂，因C—C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C—C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C—C数之比为《义多：4=1：2;选项D,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。

(3)从题图可得出，每个顶角上的硼原子均被5个正三角形所共有，故分摊到每个正三角形的

硼原子为!个，每个正三角形含有玄X3个硼原子，每个结构单元含硼原子数为20义g义3=12,

而每个B—B被2个正三角形所共有，故每个结构单元含B—B的个数为20x1x3=30o

课时对点练

g对点训练

题组一共价晶体及其性质

1.下列晶体中①SiC)2②CO2③P4④晶体硅⑤H2s。4@p2o5⑦SO3⑧Sic⑨冰

醋酸⑩金刚石，属于共价晶体的一组是()

A.①③④⑤⑥⑩B.①④⑧⑩

C.③④⑧⑨⑩D.全部

答案B

解析十种物质中属于分子晶体的有CO2、P4、H2so4、P2O5、SO3、冰醋酸，其余的4种物

质均为共价晶体。

2.下列物质中，属于共价晶体的化合物是()

A.水晶B.晶体硅

C.金刚石D.干冰

答案A

解析A项，水晶是共价晶体，属于化合物；B项，晶体硅是单质；C项，金刚石是单质；

D项，干冰是分子晶体。

3.晶体AB型共价化合物，若原子最外层电子数之和为8,常是具有半导体性质的共价晶体。

已知金刚石不导电、导热，错石(ZrCh)不导电、不导热，却硬似钻石，近期用制耐热器的碳

化硅也制成假钻石，则识别它们的可靠方法是()

A.能在玻璃上刻画出痕迹的为金刚石

B.很硬不导电而导热的是金刚石

C.既可导电又可导热的是碳化硅

D.不导电的为钻石

答案B

解析比玻璃硬度大的物质比较多，用刻画玻璃的方法不可靠，由题干知金刚石导热但不导

电，而错石不导电也不导热，故选B。

4.根据下列性质判断，属于共价晶体的物质是（）

A.熔点为2700℃,导电性好，延展性强

B.无色晶体，熔点为3500℃,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°C,熔化时能导电

D.熔点为一56.6°C,微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电

答案B

解析共价晶体的熔点高，但不导电，因此熔点为2700℃,导电性好，延展性强应该是金

属，A不正确；无色晶体，熔点为3500℃,不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂，符合共

价晶体的性质特点，B正确；无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800°C,熔化时能导

电，不符合共价晶体的性质，C不正确；熔点为-56.6℃,微溶于水，硬度小，固态或液态

时不导电，符合分子晶体的性质，属于分子晶体，D不正确。

5.我国的激光技术在世界上处于领先地位，据报道，有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上

的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。

据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。其原因可能是（）

A.碳、氮原子构成平面结构的晶体

B.碳氮键比金刚石中的碳碳键键长更短

C.氮原子电子数比碳原子电子数多

D.碳、氮的单质的化学性质均不活泼

答案B

解析碳、氮原子结合成的碳氮化合物比金刚石更坚硬，说明该化合物为共价晶体，为立体

三维骨架结构，A错误；由于原子半径：N<C,原子半径越小，共价键的键长越短，则键能

越大，所以碳氮化合物比金刚石更坚硬，B正确；共价晶体的熔、沸点和硬度，与共价键有

关，与电子数的多少无关，C错误；碳、氮的单质的化学性质均不活泼，与两种元素形成的

化合物的性质无关，D错误。

6.碳化硅的晶体有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。它与晶体硅和

金刚石相比较，正确的是（）

A.熔点从高到低的顺序：金刚石>碳化硅〉晶体硅

B.熔点从高到低的顺序：金刚石＞晶体硅〉碳化硅

C.三种晶体中的结构单元都是三角锥结构

D.三种晶体都是共价晶体且均为电的良导体

答案A

解析碳化硅的晶体有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的，这说明碳

化硅形成的晶体是共价晶体。则形成共价晶体的原子半径越小，共价键键能越大，其熔、沸

点越高。原子半径：C＜Si,则熔点从高到低的顺序：金刚石＞碳化硅＞晶体硅，A正确、B

错误；三种晶体中的结构单元都是四面体结构，C错误；三种晶体都是共价晶体且都不是电

的良导体，D错误。

7.氮氧化铝（A10N）属于共价晶体，是一种高强度透明材料，下列叙述错误的是（）

A.A1ON和SiCh所含化学键的类型相同

B.电解熔融A1ON可得到A1

C.A10N中N元素的化合价为一1

D.A1ON和SiCh的晶体类型相同

答案B

解析A1ON和SiCh均属于共价晶体，均只含有共价键，A