2026版人教版高中化学选择性必修2第3章第2节第2课时共价晶体学案+练习

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和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、共价晶体的概念及性质1.共价晶体2.常见的共价晶体与物质类别物质类别实例某些单质晶体硼(B)、晶体硅(Si)、晶体锗(Ge)、金刚石、灰锡(Sn)等某些非金属化合物二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等3.共价晶体的物理性质熔点熔点很高。共价晶体中，原子间以较强的共价键相结合，熔化时破坏共价键，需要很高的能量。如金刚石的熔点大于3500℃硬度硬度很大。共价键三维骨架结构决定了共价晶体的硬度，如金刚石是天然存在的最硬的物质导电性一般不导电，但晶体硅、锗、砷化镓是半导体溶解性难溶于一般的溶剂1.“具有共价键的晶体叫做共价晶体”。这种说法对吗？为什么？提示此说法不对。“具有共价键”并不是判定共价晶体的唯一条件，大部分分子晶体中也有共价键，如冰和干冰晶体都是分子晶体，但H2O和CO2中存在共价键。对共价晶体的认识除了要求“具有共价键”外，还要求形成晶体的粒子是原子。2.金刚石、碳化硅、晶体硅均具有相似的结构，下表列出了它们的键长、键能、熔点和硬度的数据。晶体键长/pm键能/(kJ·mol-1)熔点/℃硬度金刚石154347.7>350010碳化5晶体硅23522614106.5(1)使共价晶体熔化，需要破坏粒子间的作用力是什么？使金刚石、碳化硅、晶体硅熔化分别破坏的这种具体的作用力又是什么？提示使共价晶体熔化，需要破坏共价键。使金刚石、碳化硅、晶体硅熔化分别破坏的是C—C、C—Si、Si—Si。(2)共价晶体的熔点和硬度等物理性质与共价晶体中共价键的键长、键能之间存在什么关系？提示结构相似的共价晶体，其原子间形成共价键的键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高，硬度就越大。(3)如果不提供上述表格中的数据，根据元素周期表，你能判断金刚石、碳化硅、晶体硅的键长、键能、熔点和硬度的相对大小吗？说出你的判断方法。提示能。根据元素周期表，碳和硅为同一主族元素，原子半径：C<Si，因此键长大小顺序为C—C<C—Si<Si—Si，键能大小顺序为C—C>C—Si>Si—Si，熔点和硬度大小顺序为金刚石>碳化硅>晶体硅。1.正误判断(1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体()(2)共价晶体的化学式不表示其实际组成，只表示其各组成原子的最简整数比()(3)共价晶体中只有共价键，但含有共价键的晶体不一定是共价晶体()(4)共价晶体在固态或熔化时均不导电()(5)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()(6)二氧化硅和干冰虽然是同一主族元素的氧化物，但属于不同的晶体类型()答案(1)×(2)√(3)√(4)×(5)×(6)√2.下列物质的晶体直接由原子构成的一组是()①CO2②SiO2③晶体Si④白磷⑤氨基乙酸⑥固态HeA.①②③④⑤⑥ B.②③④⑥C.②③⑥ D.①②⑤⑥答案C解析CO2、白磷、氨基乙酸均属于分子晶体，其晶体由分子构成；固态He为单质，属于单原子的分子晶体；SiO2、晶体Si属于共价晶体，其晶体直接由原子构成。3.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锗熔点/℃390030002700171014101211硬度109.59.576.56.0①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.①② B.③④C.①③ D.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。4.(2024·安徽安庆期中)将SiCl4与过量的液氨反应可生成化合物Si(NH2)4。将该化合物在无氧条件下高温灼烧，可得到氮化硅(Si3N4)固体，氮化硅是一种新型耐高温、耐磨材料，在工业上有广泛的应用。下列推断正确的是()A.SiCl4、Si3N4的晶体类型相同B.Si3N4晶体具有共价键三维骨架结构C.共价晶体C3N4的熔点比Si3N4的低D.SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂答案B解析SiCl4是分子晶体，在熔化过程中克服的是分子间作用力，化学键不断裂，A、D错误；Si3N4是共价晶体，具有共价键三维骨架结构，B正确；根据C、Si的原子半径推知C—N的键能比Si—N的键能大，故C3N4的熔点比Si3N4的高，C错误。分子晶体与共价晶体熔、沸点和硬度的比较方法(1)先判断晶体类型。对于不同类型的晶体，一般来说，共价晶体的熔、沸点、硬度高于分子晶体。(2)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，硬度越大。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。二、典型共价晶体的结构分析1.金刚石晶体(1)在金刚石晶体中，每个碳原子以4个共价单键对称地与相邻的4个碳原子结合，C—C—C夹角为109°28'，即金刚石中的碳采取sp3杂化轨道形成共价键三维骨架结构。(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，每个C—C占有12个C，即C原子与C—C数目之比为1∶2(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122.二氧化硅(1)二氧化硅晶体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。③最小环由6个Si原子和6个O原子构成。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。(2)低温石英低温石英的结构中，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。1.金刚石晶胞结构如图所示：(1)已知晶胞参数为apm，则金刚石的密度为g·cm-3。

提示12(2)碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？提示2r=34apm，即r=38a2.二氧化硅晶体中Si原子与Si—O数目之比是多少？60gSiO2晶体中含Si—O的数目是多少？提示SiO2晶体中Si原子与Si—O数目之比为1∶4；60gSiO2晶体中含Si—O的数目为4NA。1.(2024·西安高二月考)碳化硅的晶体结构与金刚石晶体类似。碳化硅晶体中硅原子与Si—C的数目之比为()A.1∶4 B.1∶3 C.1∶2 D.1∶1答案A解析SiC属于共价晶体，晶体中每个Si原子形成4个Si—C，故Si和Si—C数目之比为1∶4。2.氮化铝属类金刚石氮化物、六方晶系，最高可稳定到2200℃，硬度大，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料，氮化铝晶胞结构如图所示。下列有关描述错误的是()A.AlN是共价晶体B.与每个铝原子距离相等且最近的氮原子共有4个C.AlN属于离子化合物D.与每个铝原子距离相等且最近的铝原子共有12个答案C解析氮化铝属类金刚石氮化物，所以AlN是共价晶体，A项正确；AlN属于共价化合物，C项错误；以顶角的铝原子为研究对象，与之距离最近的铝原子位于面心上，每个顶角上的铝原子为8个晶胞共用，每个面上的铝原子为2个晶胞共用，故与每个铝原子距离相等且最近的铝原子共有8×32=123.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/℃>350014102573沸点/℃510023552823硬度106.59.5(1)晶体硼属于晶体，理由是

。

(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，下列判断错误的是

(填字母)。A.金刚石中C—C的键角均为109°28'，所以金刚石和CH4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(1)共价晶体硼的熔、沸点高，硬度大(2)ABC(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与C—C键能有关；选项C，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，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15个，每个正三角形含有15×3个硼原子，每个结构单元含硼原子数为20×15×3=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20×1课时对点练[分值：100分][1~9题，每小题4分]题组一共价晶体的性质1.(2024·云南师大附中检测)下列说法错误的是()A.凡是共价晶体都含有共价键B.金刚石是共价晶体，化学性质稳定，不与任何物质发生反应C.凡是共价晶体都具有三维骨架结构D.凡是共价晶体都具有很高的熔点答案B2.下列事实能说明刚玉(Al2O3)是一种共价晶体的是()①Al2O3是两性氧化物②硬度很大③它的熔点为2045℃④自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石A.①②③ B.②③ C.④ D.②答案B解析①指的是Al2O3的分类，④指的是刚玉的种类，这两项都无法说明Al2O3是一种共价晶体。3.(2024·湖北名校联盟测评)氮化硅(Si3N4)常用作飞船返回舱耐高温结构材料，可由石英和焦炭在高温的氮气中通过以下反应制备：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO。下列说法错误的是()A.SiO2和Si3N4均属于共价晶体B.基态硅原子核外电子有8种空间运动状态C.对石英进行X射线衍射实验可确定其是否为晶体D.C3N4与Si3N4结构相似，硬度：C3N4<Si3N4答案D解析SiO2和Si3N4均是由原子通过共价键形成的共价晶体，A正确；基态硅原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p2，核外电子占有原子轨道数为1+1+3+1+2=8，则有8种空间运动状态，B正确；X射线衍射实验是检验晶体最科学的方法，C正确；C3N4与Si3N4都是共价晶体，键能：C—N>Si—N，硬度：C3N4>Si3N4，D错误。4.下列关于SiO2和CO2的描述不正确的是()A.SiO2为共价晶体，CO2为分子晶体B.两者中心原子采取的杂化方式不同C.SiO2和CO2都是非极性分子D.SiO2晶体的熔点比CO2晶体高答案C解析二氧化硅晶体中每个硅原子周围有4个氧原子，则硅原子的杂化方式为sp3，二氧化碳分子中碳原子的价层电子对数为2，孤电子对数为0，碳原子的杂化方式为sp，故B正确；二氧化硅是硅原子和氧原子形成的共价晶体，晶体中不存在分子，故C错误；一般共价晶体的熔、沸点高于分子晶体，则二氧化硅晶体的熔点高于二氧化碳晶体，故D正确。5.AlN、GaN属于第三代半导体材料，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件，在光电子和微电子领域具有重要的应用价值。二者成键结构与金刚石相似，晶体中只存在N—Al、N—Ga。下列说法错误的是()A.GaN的熔点低于AlNB.晶体中所有化学键均为极性键C.晶体中所有原子均采取sp3杂化D.基态Al原子有3个未成对电子，所以化合物中常显正三价答案D解析AlN、GaN为结构相似的共价晶体，由于Al的原子半径小于Ga，N—Al的键长小于N—Ga的键长，则N—Al的键能较大，故GaN的熔点低于AlN，A正确；不同种元素的原子之间形成的共价键为极性键，故两种晶体中所有化学键均为极性键，B正确；金刚石中C原子均采取sp3杂化，由于AlN、GaN与金刚石结构相似，则其晶体中所有原子均采取sp3杂化，C正确；基态铝原子只有1个未成对电子，D错误。题组二共价晶体的结构6.已知NA为阿伏加德罗常数的值，下列叙述正确的是()A.60gSiO2晶体中含有2NA个Si—OB.12g金刚石中含有的C—C数目为4NAC.18g冰中含有的氢键数目为4NAD.三氧化硒(SeO3)的熔点为165℃，在126℃时升华，SeO3的晶体类型是分子晶体答案D解析SiO2中每个Si原子与相邻的4个O原子形成Si—O，60gSiO2的物质的量为1mol，则含4NA个Si—O，故A错误；金刚石中每个C原子与相邻4个C原子形成C—C，每个C—C被两个C原子共用，12g金刚石含1mol碳原子，则C—C数目为2NA，故B错误；18g冰中含有1mol水分子，则氢键数目为2NA，故C错误；三氧化硒熔、沸点较低，则SeO3的晶体类型是分子晶体，故D正确。7.单质硅的晶体结构如图所示。下列关于单质硅晶体的说法不正确的是()A.是一种三维骨架结构的晶体B.晶体中每个硅原子与4个硅原子相连C.晶体中最小环上的原子数目为8D.晶体中最小环上的原子数目为6答案C解析根据单质硅的晶体结构可判断晶体中最小环上的原子数目为6，C错误、D正确。8.(2024·湖北黄冈质检)磷化硼(BP)是一种半导体材料，熔点1100℃，晶胞如图1所示，晶胞参数为apm。下列有关说法正确的是()A.每个P周围距离最近且相等的P有6个B.晶体密度为168×10C.平均每1molBP晶体含2mol共价键D.磷化硼晶胞在x、y、z轴方向的投影图均如图2所示答案D解析由图1可知，每个P周围距离最近且相等的P有12个，A错误；根据均摊法可知，晶胞中含有4个B、8×18+6×12=4个P，则晶体密度为31+11×4NAa3×10-30g·cm-3=168×1030NAa3g·cm-3，B错误；由图可知，每个B、P原子均形成4个共价键，即1个BP含4个共价键，则平均每1molBP晶体含4mol9.Ga和As均位于元素周期表第四周期，砷化镓(GaAs)是优良的半导体材料，可用于制作微型激光器或太阳能电池的材料等，其晶胞结构如图所示，其中原子1的坐标为(0，0，0)，原子2的坐标为(1，1，1)。下列说法错误的是()A.原子3的坐标为1B.根据元素周期律，原子半径：Ga>AsC.GaAs的熔点为1238℃，硬度大，晶体类型为共价晶体D.若晶胞边长为apm，则晶胞中Ga和As之间的最短距离为32答案D解析由图可知，原子3的坐标为14，14，34，A正确；根据晶胞结构可知，晶胞中Ga和As之间的最短距离为体对角线长的14[10~13题，每小题8分]10.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℃，熔化时能导电D.熔点为-56.6℃，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，一般不导电，A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，D不正确。11.根据量子力学计算，氮化碳结构有五种，其中一种β⁃氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料，已知该氮化碳的二维晶体结构如图所示。下列有关氮化碳的说法不正确的是()A.该晶体中的碳、氮原子核外都满足8电子稳定结构B.氮化碳中碳元素显+4价，氮元素显-3价C.该晶体中，C—N的键长比金刚石中C—C的键长短D.氮化碳的分子式为C3N4答案D解析根据题图可知，每个碳原子形成4个共价键，每个氮原子形成3个共价键，碳原子最外层形成四个共价键后满足8电子稳定结构，氮原子最外层形成3个共价键后，也满足8电子稳定结构，A正确；由于元素的非金属性：N>C，所以形成共价键时，共用电子对偏向N原子，偏离C原子，所以氮化碳中碳元素显+4价，氮元素显-3价，B正确；由于氮化碳是共价晶体，不存在分子，因此没有分子式，D错误。12.(2024·河北张家口高二检测)氮化硼是一种重要的无机非金属材料，在工业生产中有着重要的应用。常见的两种氮化硼晶体结构如图：下列叙述错误的是()A.c⁃BN晶体为共价晶体B.c⁃BN晶体中由B、N构成最小的环为6元环C.w⁃BN晶体中B的配位数为12D.w⁃BN晶体的密度可表示为503a答案C解析c⁃BN晶体类似于金刚石晶体，故c⁃BN晶体中由B、N构成最小的环为6元环，B正确；以w⁃BN晶体结构中上面面心的B为中心，周围有6个距离相等且最近的N，故B的配位数为6，C错误；一个w⁃BN晶体结构中含有N的个数为3，B的个数为12×16+2×12=3，则该晶体结构的质量为3×(11+14)NAg，该晶体结构的体积为332a2b×10-21cm3，故w⁃BN晶体的密度可表示为313.2017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方晶体结构，如图所示(图中的表示碳形成的正四面体结构)。已知T⁃碳晶胞参数为apm，NA为阿伏加德罗常数的值。下列有关说法错误的是()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D.T⁃碳的密度为12×32答案B解析1个金刚石晶胞中，含有碳原子的数目为8×18+6×12+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8×4=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三维骨架结构，属于共价晶体，故C正确；1个T⁃碳晶胞中含有碳原子的数目为32，则该晶体的密度为12×32NA14.(20分)(2024·泰安一中高二月考)请回答下列问题。(1)立方氮化硼的结构与金刚石类似、硬度与金刚石相当，其晶胞结构如图所示。立方氮化硼晶胞中有个硼原子，个氮原子，硼原子的杂化类型为。

(2)已知氮化硼晶胞参数为γcm，则在此晶胞中，任意两个原子之间的最短距离是cm，D、E原子之间的距离是cm

(3)以晶胞边长为单位长度建立的坐标可以表示晶胞中各原子的相对位置，称作原子分数坐标。已知三个原子分数坐标参数：A(0，0，0)、B(0，1，1)、C(1，1，0)，则E原子分数坐标为。

(4)氮化硼晶胞的俯视投影图是(填字母)。

(5)金刚砂(SiC)的硬度为9.5，其晶胞结构如图所示，在SiC中每个C原子周围最近且等距的C原子数为；若该晶胞的棱长为apm，则金刚砂的密度表达式为g·cm-3。金刚砂的熔点低于金刚石的原因为。

答案(1)44sp3(2)34γ22γ(3)34，14，34(4)b(5解析(1)硼原子位于晶胞内，氮原子位于顶角和面心，则在一个晶胞中，含有4个硼原子，氮原子的个数为8×18+6×12=4。(2)已知氮化硼晶胞参数为γcm，在题图晶胞中，原子之间的最短距离为相连的N与B之间的距离，为晶胞体对角线长的14，即34γcm，D、E原子为晶体中两个距离最近的B原子，二者之间的距离为晶胞面对角线长的12，即22γcm。(4)由晶胞结构示意图知，氮化硼晶胞的俯视投影图中位于体内的硼原子投影在面对角线上，位于面心的氮原子投影到棱上和面心，位于顶角的氮原子投影到顶点，b正确。(5)金刚砂中每个碳原子周围最近且等距的碳原子数为12；该晶胞中