共价晶体2025-2026学年高二化学人教版选择性必修2

第三章

晶体结构与性质第二节

分子晶体与共价晶体第2课时

共价晶体学习目标知道共价晶体结构特点，认识金刚石晶体中碳原子的三维骨架结构，能借助共价晶体模型说明共价晶体中粒子间的相互作用。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。干冰熔点/℃-56.2(527kPa)沸点/℃-78.5二氧化硅熔点/℃1723沸点/℃2230思考碳和硅元素同为第四主族的元素，从其形成的化合物外形来看，均为晶体，而两种晶体的熔沸点却相差很大，这是为什么呢？分子晶体分子间作用力熔沸点低原子共价键微观空间里没有分子共价晶体任务一共价晶体的概念与性质1.概念相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体，整个晶体是一个共价键三维骨架结构，不存在单个的小分子，是一个“巨分子”，也称原子晶体。碳原子共价键2.构成微粒及微粒间作用力构成微粒原子相互作用共价键判断方法注意：不存在单个分子，无分子式。化学式表示原子最简整数比。原子晶体中唯一的作用力是共价键，即影响化学性质稳定性，又影响物理性质熔沸点、硬度的大小。任务一共价晶体的概念与性质问题1：“具有共价键的晶体叫做共价晶体”，这种说法对吗？为什么？不对，分子晶体中通常也含有共价键。如干冰，只有分子内部才通过共价键结合，而分子间通过范德华力结合成分子晶体；此外，某些离子晶体中也含共价键，如NaOH、NH4Cl。问题2：由原子构成的晶体一定是共价晶体吗？不一定，金属晶体也是由原子构成的（下一节学习）；还有分子晶体，如稀有气体He、Ne、Ar等（单原子分子）问题3：什么元素能构成共价晶体呢？常见的共价晶体有哪些？任务一共价晶体的概念与性质3.常见的原子晶体

①某些单质：金刚石（C）、硅（Si）、锗（Ge）、灰锡（Sn）、硼（B）、高聚氮等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(Al2O3)、Mn2O7、Cr2O3等硼刚玉碳化硅任务一共价晶体的概念与性质4.物理特性问题：下表列出了一些原子晶体的熔点和硬度，请根据表中数据分析：原子晶体的有什么特点？并从微观角度解释原因。共价晶体金刚石氮化硼碳化硅石英硅锗硬度109.59.576.56.0熔点/℃>350030002700171014101211①熔点高（结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越稳定，晶体的熔点、沸点越高。）

②硬度很大③一般不导电，但晶体硅和锗是半导体④难溶于一般溶剂金刚石钻石氮化硅（Si3N4）航天耐高温材料碳化硅（SiC）砂轮任务一共价晶体的概念与性质从原子结构的角度解释金刚石、硅和锗的熔点和硬度均依次降低？晶体锗①三种物质中，每个原子均以sp3杂化形式与相邻的四个原子形成σ键，整体上形成三维骨架结构，同属于共价晶体，熔点都比较高。熔点的相对高低与共价键的强弱有关，共价键越强，熔点越高。②金刚石、硅和锗的结构差别在于碳、硅、锗原子半径依次递增。C-C键、Si-Si键、Ge-Ge键的键长依次递增，键长越长，键能越小，所以熔点和硬度依次下降。任务一共价晶体的概念与性质比较物质的熔点的方法依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力判断依据性质判断。共价晶体分子晶体有氢键只有范德华力判断晶体的类型键能越大熔点越高氢键的数目多少相对分子质量大小判断键能的大小判断分子间的作用力任务一共价晶体的概念与性质晶体类型共价晶体分子晶体概念组成微粒

作用力熔沸点硬度溶解性导电性相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构分子间以分子间作用力结合原子分子共价键分子间作用力很大较小很大较小不溶于任何溶剂部分溶于水不导电，个别为半导体固体和熔融态都不导电，部分溶于水导电思考：金刚石——钻石的前身，具有怎样的结构呢?共价键具有方向性和饱和性。使共价晶体中某个原子周围结合的其他原子是有限的，因此比较松散。共价晶体中的微粒堆积不服从紧密堆积原理。任务二典型共价晶体的结构特征⑴金刚石晶体的结构①金刚石晶体中每个碳原子与它直接相邻的＿＿＿个碳原子形成＿＿＿＿结构，其碳原子的杂化类型为＿＿＿，C-C-C的夹角为＿＿＿②金刚石晶体中平均每个碳原子形成＿＿个C-C键，所以金刚石中碳原子数与C-C键数之比为＿＿＿，12g金刚石中C—C键数为＿＿＿NA个③金刚石中最小的环是＿＿＿，环上有＿＿＿个碳原子,且不在同一平面内，最多有

个碳原子在同一平面。4正四面体sp3109º28´21:22六元环6最小环为六元环4任务二典型共价晶体的结构特征在金刚石晶体中每个碳原子被几个六元环共用？每个碳原子成4个碳碳键a、b、c、d，四个碳碳键中任选2个，有六种情况：ab、ac、ad、bc、bd、cd。abcd每两个碳碳键被两个六元环公用，所以四个碳碳键被12个六元环共用。所以1个碳原子被12个六元环共用，1个碳环占有的碳原子为

0.5个。结论：金刚石中六元环结构与碳原子数目比为

2:1结论：金刚石中六元环结构与C−C键数目比为

1:1在金刚石晶胞中：六元环结构:碳原子数目:C−C键数目＝2:1:2归纳总结任务二典型共价晶体的结构特征金刚石晶胞示意图金刚石的晶体结构在金刚石的晶胞中，碳原子分别位于立方体的8个顶点、6个面心、按面心立方堆积方式排列，4个碳原子填入一半的碳原子所成的四面体空隙，填隙率50%。⑵金刚石晶胞①晶胞的碳原子数：8×1/8＋6×1/2＋4＝8每个晶胞的碳碳共价键数：4×4＝16晶胞中的原子数：8个配位数：4已知晶胞参数为apm，则金刚石的密度为________g·cm－3。任务二典型共价晶体的结构特征体对角线的1/4⑵金刚石晶胞任务二典型共价晶体的结构特征⑵金刚石晶胞A、B、C、D、E、②晶体中微粒的关系：金刚石晶胞的参数(边长)为a，C半径为r。a4r8r4r立方体体对角线长度就是C—C键的键长2r的4倍。所以2r＝，r＝③晶体中C的空间坐标(以晶胞参数(棱长)a为单位长度)(0,0,0)(0.5,0.5,0)(0,0.5,0.5)(0.5,0,0.5)(0.25,0.25,0.25)任务二典型共价晶体的结构特征(1)与碳同族单质(如Si、Ge)都具有与金刚石相似的结构；(2)第ⅣA族相邻元素间也可形成相似结构的晶体(如SiC)；(3)

BN、GaAs等也可形成与金刚石结构相似的晶体。金刚石晶体硅SiCGaAs

金刚石模型的演变任务二典型共价晶体的结构特征金刚石模型的衍生(方石英SiO2)晶体硅的晶胞中，在Si−Si键之间插入O原子，即得到以硅氧四面体为骨架的方石英的晶胞(最常见的SiO2晶胞)。任务二典型共价晶体的结构特征①.晶体中1个Si与__个O以共价键结合，形成________结构；1个O与__个Si结合，故SiO2晶体中Si与O之比为______。在SiO2晶体中，

单个的SiO2分子存在。没有4正四面体1:22③.最小环上有_____个原子(____个Si和____个O)。②.1molSiO2晶体中含_____molSi-O键。41266（3）SiO2晶体④每个Si原子被

个12元环共用，每个O原子被

个12元环共用。126⑤SiO2晶胞中包含有

个Si原子

个O原子。816任务二典型共价晶体的结构特征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(α­SiO2)。遍布海滩河岸的黄沙、带状的石英矿脉、花岗石里的白色晶体以及透明的水晶都是低温石英。低温石英的结构中由顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，没有封闭的环状结构，这一结构决定了它具有手性(左型与右型)，被广泛应用在压电材料，如制作石英手表。（3）SiO2晶体任务二典型共价晶体的结构特征SiO2有许多重要用途，是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。制作水泥制作玻璃光导纤维单晶硅电池板作芯片二氧化硅熔点：1723℃干冰熔点：-56.2℃CO2晶体是分子晶体，CO2之间存在范德华力，这种分子间作用力很弱，较容易破坏它使晶体变成液体或气体，故CO2的熔点很低。SiO2是共价晶体，晶体中不存在SiO2分子。由于晶体是由硅原子和氧原子按1：2的比例通过共价键结合形成的共价晶体，破坏这些共价键需要很高的能量，故SiO2的熔点很高。【思考与讨论】碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族，为什么CO2晶体的熔点很低，而SiO2晶体的熔点很高？共价晶体硬度大，分子晶体硬度小且较脆。分子晶体和共价晶体的判断方法①依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力判断组成共价晶体的粒子是原子，粒子间的作用力是共价键；组成分子晶体的粒子是分子或原子(稀有气体)，粒子间的的作用力是分子间作用力。②依据晶体的熔点判断共价晶体的熔沸点高，常在1000℃以上；分子晶体的熔、沸点低，常在数百摄氏度以下。③依据晶体的硬度与机械性能判断④依据导电性判断分子晶体为非导体，但部分溶于水后能导电。共价晶体多数为非导体，但晶体硅、锗是半导体。⑤依据物质的状态判断一般常温常压下，呈气态或液态的单质与化合物，在固态时属于分子晶体。锗Ge硅Si主要应用：低压、低频、中功率晶体管、光电探测器，取代了笨重的电子管，导致了集成电路的可能性砷化镓GaAs磷化铟InP主要应用：毫米波器件、发光器件、卫星通讯、移动通讯、光通讯、GPS导航等，较好的电子迁移率、带隙等材料特性，资源稀缺，有毒性，污染环境碳化硅Sic、氮化铝AlN、氮化镓GaN、氧化锌ZnO、金刚石C主要应用：高温、高频、抗辐射、大功率器件；蓝、绿、紫光二极管、半导体激光器，更优的电子迁移率、带隙、击穿电压、高频、高温特性第一代半导体第二代半导体第三代半导体第三代半导体：中国半导体的希望！拓展延伸科学·技术·社会天然金刚石人类把天然金刚石当作宝石珍藏已有三千余年的历史。经过琢磨的金刚石称为钻石，透光度高。纯净的金刚石无色透明，含杂质则呈蓝、黄、棕、绿、黑等色。天然金刚石是火山爆发带到地表来的。金刚石的用途科学·技术·社会人工合成金刚石（1）高压合成：高压合成金刚石的原料是廉价的石墨。用高压釜施加高温高压并加入金属镍等金属催化剂，石墨可转化为金刚石（如图3-26）。（2）低压合成：甲烷等简单的碳氢化合物跟大量氢气混合，在微波炉里形成低温低压的等离子体在硅等基质上沉积，能得到颗粒微小的金刚石的薄膜。1、正误判断(1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体(

)(2)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(

)(5)共价晶体均是化合物(

)2.设NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法正确的是

（）A.28g晶体硅中含有Si—Si键的个数为2NAB.124g白磷（P4）晶体中含有P—P键的个数为4NAC.12g金刚石中含有C—C键的个数为4NAD.SiO2晶体中1mol硅原子可与氧原子形成2NA个共价键（Si—O键）A3.氮化硼是一种新合成的结构材料，它具有硬度大、耐磨、耐高温的性质。下列各组物质熔化时所克服的粒子间作用力与氮化硼熔化时所克服的粒子间作用力相同的是（）A.C60和金刚石B.晶体硅和水晶C.冰和干冰D.碘和金刚砂

BPPPP白磷分子结构4、下列关于SiO2晶体空间结构的叙述正确的是（）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C5.下列关于SiO2和金刚石的叙述正确的是（

）A．SiO2的晶体结构中，每个Si原子与2个O原子直接相连B．通常状况下，1molSiO2晶体中含有的分子数为NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)C．金刚石的网状结构中，由共价键形成的最小环上有6个碳原子D．1mol金刚石中含有4NA个C-C键(NA表示阿伏加德罗常数的值)C②SiCl4和SiF4：_________________________________________________________________________________________________________________________________________。①SiO2和SiCl4：__________________________________________________________________________