2026版高中化学人教版选择性必修2《物质结构与性质》第三章第2课时　共价晶体

第2课时共价晶体课时目标1.知道共价晶体的概念及典型的共价晶体,认识共价晶体中的微粒种类及微粒间的相互作用。2.借助金刚石、二氧化硅等模型认识共价晶体的结构特点及物理性质。一、共价晶体的概述1.共价晶体的概念晶体中相邻原子间都以共价键结合,整个晶体是一个共价键三维骨架结构,叫作共价晶体。2.共价晶体的组成与结构(1)构成微粒及微粒间作用(2)空间结构:整块晶体是一个三维的共价键网状结构,不存在单个的小分子,是一个“巨分子”。3.常见的共价晶体及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)等小题对点过(1)“具有共价键的晶体叫做共价晶体”。这种说法对吗?为什么?

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(2)下列说法中错误的是。

①由原子直接构成的晶体一定是共价晶体②含有共价键的晶体叫做共价晶体③共价晶体中相邻原子间不一定只存在非极性共价键④“硅—锗”晶体管为我国首创,单晶硅锗均为共价晶体(3)下列物质中,化学式能真实表示该物质分子组成的是。

①C②S③SiO2④SO2⑤P4⑥CO⑦SiC⑧Na答案(1)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)①②(3)④⑤⑥正确理解共价晶体(1)共价晶体中不存在单个分子,化学式仅仅表示的是物质中的原子个数比关系,不是分子式。(2)由原子组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。(3)共价晶体中一定存在共价键,但晶体中有共价键却不一定都是共价晶体,还可以是分子晶体或离子晶体。4.共价晶体的熔、沸点(1)由于共价晶体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。(2)结构相似的共价晶体,其熔、沸点高低取决于共价键的键能大小。一般来说,键长越短、键能越大,共价晶体的熔、沸点越高。小题对点过金刚石、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?

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(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?

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(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。

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答案(1)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)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)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.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解析根据共价晶体的性质判断,共价晶体没有自由移动的电子,不导电,A错误;共价晶体熔点高,不导电,质硬,难溶于水和有机溶剂,B正确;共价晶体难溶于水,C错误;共价晶体熔点高,难溶于水,硬度大,D错误。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.金刚石是典型的共价晶体,下列关于金刚石的说法错误的是()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三维骨架结构,不存在分子;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CO2或CO,故D项错误。4.有下列几种晶体:A.水晶,B.冰醋酸,C.白磷,D.金刚石,E.晶体氩,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。

②属于共价晶体的化合物是。

③直接由原子构成的晶体是。

④受热熔化时,化学键不发生变化的是,需克服共价键的是。

答案①BCEFE②A③ADE④BCFAD解析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,其中晶体氩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。共价晶体与分子晶体的比较晶体类型共价晶体分子晶体定义相邻原子间以共价键结合而成的具有三维骨架结构的晶体只含分子的晶体组成粒子原子分子粒子间的作用力共价键(极性键、非极性键)范德华力(某些含氢键)熔化时需克服的作用力很强的共价键较弱的分子间作用力物理性质熔、沸点很高较低硬度很大较小导电性固态和熔融状态时都不导电,但个别为半导体固态和熔融状态时都不导电,但某些分子晶体溶于水导电,如HCl溶解性难溶于一般溶剂相似相溶决定熔、沸点高低的因素共价键的强弱分子间作用力的大小二、常见共价晶体的结构模型及分析1.金刚石晶体(1)在金刚石晶体中,每个碳原子以四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,每个C—C被6个六元环共用。小题对点过(1)根据金刚石晶胞结构,回答下列问题。①一个金刚石晶胞中含有个碳原子。

②已知晶胞参数为apm,则金刚石的密度为g·cm-3。

③晶体中两个最近的碳原子之间的距离为pm。

④碳原子的半径为r,则a、r有什么关系?

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(2)依据金刚石的结构判断12g金刚石晶体中含C—C共价键的数目是多少?

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答案(1)①8②12×8NA(a④2r=34apm,即r=38a(2)依据均摊法可知,金刚石中每个碳原子形成4个共价键,其中碳原子数与C—C共价键数之比是1∶2,故12g金刚石中含有的C—C数目是2NA2.二氧化硅(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,每个Si—O被6个12元环共用。(2)低温石英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。小题对点过(1)二氧化硅晶体中Si原子与Si—O数目之比是,60gSiO2晶体中含Si—O的数目是。

(2)设NA为阿伏加德罗常数的值,下列说法正确的是()A.124gP4含有的P—P的个数为6NAB.28g晶体硅中含有的Si—Si的个数为4NAC.12g金刚石中含有的C—C的个数为1.5NAD.60gSiO2中含Si—O的个数为2NA答案(1)1∶44NA(2)A解析(1)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。(2)白磷是正四面体结构,1个白磷分子中含有6个P—P,124g白磷的物质的量是124g÷124g·mol-1=1mol,124gP4中含P—P的数目为6NA,A正确;28g晶体硅中n(Si)=1mol,每个Si原子形成4条Si—Si,每个Si—Si由2个Si原子共用,则28g晶体硅中含Si—Si的数目为2NA,B不正确;12g金刚石中n(C)=1mol,金刚石中n(C)∶n(C—C)=1∶2,12g金刚石中含有的C—C的个数为2NA,C不正确;60gSiO2的物质的量为1mol,二氧化硅中平均每个硅原子形成的Si—O的个数为4,则60gSiO2中含Si—O的个数为4NA,D不正确。1.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∶2C.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。2.已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度,且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于C3N4晶体的说法错误的是()A.该晶体属于共价晶体,其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固B.该晶体中每个碳原子连接4个氮原子,每个氮原子连接3个碳原子C.该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构D.该晶体与金刚石相似,都是原子间以非极性键形成三维骨架结构答案D解析C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度,该晶体为共价晶体,其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固,A正确;碳原子最外层有4个电子,氮原子最外层有5个电子,则该晶体中每个碳原子连接4个氮原子,每个氮原子连接3个碳原子,B正确;构成该晶体的微粒间只以单键结合,每个碳原子连接4个氮原子,每个氮原子连接3个碳原子,则晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构,C正确;金刚石只含有非极性共价键,但是C3N4晶体中碳、氮之间以极性共价键结合,原子间以极性键形成三维骨架结构,D错误。3.(1)单质硅存在与金刚石结构类似的晶体,其中原子与原子之间以相结合,其晶胞中共有8个原子,其中在面心位置贡献

个原子。(2)金刚砂(SiC)与金刚石具有相似的晶体结构(如图所示),在金刚砂的空间网状结构中,碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。试回答:①金刚砂属于晶体,金刚砂的熔点比金刚石的熔点。

②在金刚砂的结构中,一个硅原子周围结合了个碳原子,其键角是。

③金刚砂的结构中含有共价键形成的原子环,其中最小的环上有个硅原子。

答案(1)共价键3(2)①共价低②4109°28'③3解析(1)硅晶体和金刚石晶体相似,即硅原子间以共价键相结合。晶胞每个面心上的硅原子为2个晶胞共有,则面心位置贡献的原子为6×12=3个。(2)①由于金刚砂是空间网状结构,碳原子和硅原子交替以共价单键结合,所以金刚砂是共价晶体;硅原子的半径比碳原子的半径大,所以金刚砂的熔点比金刚石的低。②硅和碳是同主族元素,所以硅原子周围同样有4个碳原子,键角为109°28'。③构成的六元环中,有3个碳原子、3A级合格过关练选择题只有1个选项符合题意题组一共价晶体及其性质1.下列有关共价晶体的叙述错误的是()A.共价晶体中,只存在共价键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答案D解析A项,共价晶体中原子之间通过共价键相连;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,共价晶体中原子是通过共价键连接的,熔化时需要破坏共价键。2.下列晶体中①SiO2②CO2③P4④晶体硅⑤H2SO4⑥P2O5⑦SO3⑧SiC⑨冰醋酸⑩金刚石,属于共价晶体的一组是()A.①③④⑤⑥⑩ B.①④⑧⑩C.③④⑧⑨⑩ D.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,其余的四种物质均为共价晶体。3.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;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。4.氮氧化铝(AlON)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.AlON和SiO2所含化学键的类型相同B.电解熔融AlON可得到AlC.AlON中N元素的化合价为-1D.AlON和SiO2的晶体类型相同答案B解析AlON和SiO2均属于共价晶体,均只含有共价键,A、D项正确;AlON属于共价晶体,熔融时不导电,B项错误;AlON中O为-2价,Al为+3价,所以N元素的化合价为-1价,C项正确。题组二常见共价晶体的结构特征5.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解析单质硅是一种三维骨架结构的共价晶体,A正确;晶体中每个硅原子与4个硅原子相连,B正确;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。6.磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料。如图为其晶体结构中最小的重复单元,其中每个原子最外层均满足8电子稳定结构。下列有关说法正确的是()A.磷化硼的化学式为BP,其晶体属于分子晶体B.磷化硼晶体的熔点高,且熔融状态下能导电C.磷化硼晶体中每个原子均参与形成4个共价键D.磷化硼晶体在熔化时需克服范德华力答案C解析由磷化硼的晶胞结构可知,P位于顶角和面心,数目为18×8+6×12=4,B位于晶胞内,数目为4,故磷化硼的化学式为BP,磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料,所以磷化硼晶体属于共价晶体,A项错误;磷化硼属于共价化合物,熔融状态下不能导电,B项错误;由磷化硼晶胞结构可知,磷化硼晶体中每个原子均参与形成4个共价键,C项正确;磷化硼晶体为共价晶体,熔化时需克服共价键7.氮化硼(BN)晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相,与石墨相似,具有层状结构,可作高温润滑剂;立方相氮化硼是超硬材料,有优异的耐磨性。它们的晶体结构如图所示,下列关于这两种晶体的说法正确的是()A.六方相氮化硼与石墨一样可以导电B.立方相氮化硼含有σ键和π键,所以硬度大C.两种晶体均为分子晶体D.六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间结构为平面三角形答案D解析A项,六方相氮化硼晶体中没有可以自由移动的电子或离子,所以不导电,错误。B项,立方相氮化硼中只含有σ键,错误。C项,立方相氮化硼是共价晶体,错误。D项,由六方相氮化硼的晶体结构可知,每个硼原子与相邻3个氮原子构成平面三角形,正确。8.如图所示是某共价晶体A的空间结构的一个单元,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物质的化学式为()A.AB B.A5B4 C.AB2 D.A2B5答案C解析由图可知,每个A原子形成4个键,每个A—A中插入一个B原子,每个B原子形成2个键,故C物质中每个A原子形成4个A—B,每个B原子形成2个A—B,则A、B原子个数比为1∶2,所以其化学式是AB2。9.(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5,其晶胞结构如图甲所示,则金刚砂晶体类型为;在SiC中,每个C原子周围最近的C原子数目为;若晶胞的边长为apm,阿伏加德罗常数的值为NA,则金刚砂的密度表达式为。

(2)硅的某种单质的晶胞结构如图乙所示。GaN晶体晶胞结构与该硅晶体相似。则GaN晶体中,每个Ga原子与个N原子相连,与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为。若该硅晶体的密度为ρg·cm-3,阿伏加德罗常数的值为NA,则晶体中最近的两个硅原子之间的距离为cm(用代数式表示即可)。

答案(1)共价晶体124×40(a(2)4正四面体形34×解析(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5,硬度大,属于共价晶体;每个碳原子周围最近的碳原子数目为12;该晶胞中C原子个数为8×18+6×12=4,Si原子个数为4,晶胞边长为a×10-10cm,V=(a×10-10cm)3,ρ=mV=4×40(a×10-10)3NAg·cm-3。(2)根据物质的晶胞结构可知,在GaN晶体中,每个Ga原子与4个N原子相连,与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为正四面体形。在晶体Si的晶胞中含有Si原子的数目是8×18+6×12+4=8,则1个晶胞的体积为28×8NAρcm3=224ρ·NAB级素养培优练10.SiO2是合成“中国蓝”的重要原料之一。如图是SiO2晶胞中Si原子沿z轴方向在xy平面的投影图(即俯视投影图,O原子略去),Si原子旁标注的数字是Si原子位于z轴的高度,SiA与SiB的距离是()A.12d B.2C.33d D.答案B解析根据题图可知,SiA与SiB的距离是面对角线长的一半,即22d,故B11.金刚石是由碳原子所形成的正四面体结构向空间无限延伸而得到的具有空间网状结构的共价晶体。在立方体中,若一碳原子位于立方体体心,则与它直接相邻的四个碳原子位于该立方体互不相邻的四个顶角上(如图中的小立方体)。请问,图中与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数为多少,它们分别位于大立方体的什么位置()A.12,大立方体的12条棱的中点B.8,大立方体的8个顶角C.6,大立方体的6个面的中心D.14,大立方体的8个顶角和6个面的中心答案A解析与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子分别位于大立方体的12条棱的中点,共12个。如图所示:12.我国科学家预言的T-碳已被合成。T-碳的晶体结构可看作将金刚石中的碳原子用由四个碳原子组成的正四面体结构单元取代所得,金刚石和T-碳的晶胞如图所示。下列说法正确的是()A.金刚石中每个碳原子被6个最小环共用B.T-碳晶胞由32个碳原子组成C.T-碳属于分子晶体D.T-碳中键角是109°28'答案B解析在金刚石晶体中,C原子所连接的最小环为六元环,每个C原子连接4个碳原子,连接的4个C原子中每个C原子形成3个六元环,所以金刚石晶体中每个C原子能形成12个六元环,A错误;由晶胞结构可知,在T-碳晶胞中四个碳原子组成的正四面体结构单元有8个位于顶角,6个位于面心,4个位于体内,个数为:8×18+6×12+4=8,则碳原子个数为32,B正确;由晶胞结构可知T-碳也是以四面体为结构单元的空间网状结构,为共价晶体,C错误;T-碳中4个碳原子围成正四面体结构,该结构中键角为13.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=