資源簡介

3.2 第3課時　共價晶體
【學習目標】
1.了解共價晶體的空間結構特點及性質。
2.能描述金剛石、二氧化硅等共價晶體的結構與性質的關系。 　
【自主預習】
1.共價晶體的概念及物理性質
概念 相鄰原子間以　　　　結合而形成的具有　　　　　　結構的晶體
構成微粒 　　
微粒間的 作用力 　　　
結構 特點 (1)由于共價鍵具有　　　與　　　,所以每個中心原子周圍排列的原子數目是有限的 (2)由于所有原子間均以　　　相結合成網狀結構,所以晶體中不存在單個　　　
常見共 價晶體 (1)單質:晶體　　、晶體　　、晶體　　、金剛石等 (2)化合物:碳化硅(　　)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、二氧化硅(　　　)等
2.典型共價晶體的結構分析
(1)金剛石
①碳原子采取　　　雜化,C—C鍵的鍵長為0.154 nm,鍵角為　　　,鍵能為347 kJ·mol-1。
②每個碳原子與周圍緊鄰的　　　個碳原子以共價鍵結合成　　　　結構,向空間伸展形成空間網狀結構。
③最小碳環由　　　個碳原子構成,且最小環上碳原子不在同一平面內,形成立體的六元環狀結構。每個碳原子參與的六元環數為12。
(2)碳化硅
①晶體結構特點
把金剛石中的C原子換成Si與C原子相互交替,就得到碳化硅的結構。晶體中Si與C原子個數之比為　　　　。
②物理性質
碳化硅　　　,具有　　　、耐氧化性和耐腐蝕性。
③用途
可用作　　　　、　　　　、電熱元件等,還可用來制造機械工程中的結構件和化學工程中的密封件等。
(3)晶體硅
把金剛石中的C原子換成Si原子,便可得到晶體硅的結構,不同的是Si—Si鍵長>C—C鍵長。
(4)二氧化硅晶體
①Si原子采取　　　　雜化,正四面體內O—Si—O鍵角為　　　　。
②一個Si原子與　　　個O原子形成　　　個共價鍵,　　　原子位于正四面體的中心,　　　原子位于正四面體的頂點,同時每個O原子被　　　個硅氧正四面體共用;每個O原子和　　　個Si原子形成　　　個共價鍵,晶體中Si原子與O原子個數之比為　　　　。
③最小環上有　　　個原子,包括　　　個O原子和　　　個Si原子。
3.共價晶體的物理性質
晶體 鍵能/(kJ·mol-1) 熔點/ ℃ 硬度
金剛石 (C—C)347 大于3500 10
碳化硅 (C—Si)301 2830 9
晶體硅 (Si—Si)226 1412 7
(1)鍵能:C—C　　　C—Si　　　Si—Si;熔點:金剛石　　　碳化硅　　　晶體硅;硬度:金剛石　　　碳化硅　　　晶體硅(用“>”或“<”填空)。
(2)規律:共價晶體具有　　　　　的熔點,　　　　的硬度;對結構相似的共價晶體來說,原子半徑　　　　,鍵長　　　　,鍵能　　　　,晶體的熔點就越高。
【參考答案】1.共價鍵　空間立體網狀　原子　共價鍵　飽和性　方向性　共價鍵　分子　硼　硅　鍺　SiC　SiO2
2.sp3　109°28'　四　正四面體　六　1∶1　硬度大　耐熱性　磨料　耐火材料　sp3　109°28'　四　四　Si
O　兩　兩　兩　1∶2　12　六　六
3.(1)>　>　>　>　>　>　(2)很高　很大　越小　越短　越大
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)CO2、SiO2均屬于共價晶體。 (　　)
(2)硬度很大、熔點很高的晶體可能是共價晶體。 (　　)
(3)SiC熔化時斷裂非極性共價鍵。 (　　)
(4)共價晶體一定不是電解質。 (　　)
【答案】(1)×　(2)√　(3)×　(4)√
2.含有共價鍵的晶體都是共價晶體嗎
【答案】不是。共價晶體中都有共價鍵,但含有共價鍵的不一定是共價晶體。如CO2、H2O中也含有共價鍵,卻是分子晶體。
3.為什么共價晶體結構比金屬晶體和離子晶體結構更松散,卻比金屬晶體和離子晶體有更強的穩定性
【答案】共價鍵具有方向性和飽和性,使共價晶體中某個原子周圍結合的其他原子數目是有限的,因此比較松散。但由于整個晶體中各原子都以強作用力的共價鍵相互結合,且構成了空間網狀結構,所以共價晶體更穩定。
4.ⅢA、ⅤA族元素組成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的新型半導體材料,其晶體結構與單晶硅相似。
①在GaN晶體中,每個Ga原子與幾個N原子相連
【答案】4。GaN與單晶硅結構相似,所以每個Ga原子與4個N原子形成共價鍵,每個N原子與4個Ga原子形成共價鍵。
②與同一個Ga原子相連的N原子構成的是什么空間結構
【答案】正四面體。可類比晶體硅的空間結構。
【合作探究】
任務1　共價晶體的結構與性質
情境導入　金剛砂又名碳化硅(SiC),是用石英砂、石油焦(或煤焦)等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然中存在罕見的礦物,如莫桑石。碳化硅又稱碳硅石。在當代C、N、B等非氧化物高技術耐火原料中,碳化硅為應用最廣泛、最經濟的一種。碳化硅可用作磨料、耐火材料、電熱元件,制造機械工程的結構件、化學工程中的密封件等。
問題生成
(1)寫出制備金剛砂的化學方程式。
【答案】SiO2+3CSiC+2CO↑。
(2)比較金剛砂與金剛石的熔點。
【答案】熔點:金剛砂<金剛石。
(3)金剛砂的結構中,一個硅原子周圍結合幾個碳原子 含有共價鍵形成的原子環,其中最小的環上有幾個硅原子
【答案】4;3。
【核心歸納】
1.概念及物理性質
概念 相鄰原子間以共價鍵結合而形成的具有空間立體網狀結構的晶體
構成微粒 原子
微粒間的 作用力 共價鍵
物理性質 (1)由于共價晶體原子間以較強的共價鍵相結合,所以其具有很高的熔點和很大的硬度。 (2)結構相似的共價晶體,原子半徑越小,鍵長越短,鍵能越大,晶體的熔點越高,硬度越大
2.共價晶體與物質的類別
物質種類 實例
某些非金屬單質 晶體硼、晶體硅、金剛石等
某些非金屬 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
【典型例題】
【例1】根據下列性質判斷,屬于共價晶體的物質是(　　)。
A.熔點為2700 ℃,導電性好,延展性強
B.無色晶體,熔點為3550 ℃,不導電,質硬,難溶于水和有機溶劑
C.無色晶體,能溶于水,質硬而脆,熔點為800 ℃,熔化時能導電
D.熔點為-56.6 ℃,微溶于水,硬度小,固態或液態時不導電
【答案】B
【解析】A項中延展性好,符合金屬晶體的特征,不是共價晶體的特征,因為共價晶體中原子與原子之間以共價鍵結合,而共價鍵有一定的方向性,使共價晶體質硬而脆,不符合題意;C項符合離子晶體的特征;D項符合分子晶體的特征。
【例2】某些共價晶體的熔點如表所示:
共價晶體 金剛石 氮化硼 硅 鍺
熔點/℃ 3550 3000 1415 1211
根據上表中的數據回答下列問題:
(1)從原子結構角度分析,金剛石、硅、鍺的熔點逐漸降低的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)ⅣA族與ⅤA族元素組成的晶體多是共價晶體,如氮化碳、氮化硅等。寫出氮化碳、氮化硅的熔點大小關系: 　　　　　　　　　　　　　　　　　　(用化學式表示)。
【答案】(1)碳、硅、鍺的原子半徑逐漸增大,共價鍵的鍵能逐漸減小
(2)C3N4>Si3N4
特別提醒
(1)共價晶體的熔、沸點不一定高于金屬晶體和離子晶體。如MgO(2800 ℃)>SiO2(1713 ℃)、鎢(3410 ℃)>SiO2(1713 ℃)。
(2)平面網狀結構的晶體不屬于共價晶體。
(3)共價晶體中只存在共價鍵,不存在離子鍵和范德華力。
(4)稀有氣體原子組成的晶體不是共價晶體。
任務2　幾種典型的共價晶體
情境導入　科學研究表明,30 億年前,在地殼下 200 km 左右的地幔中,處在高溫、高壓巖漿中的碳元素逐漸形成了具有正四面體結構的金剛石?；鹕奖l時,金剛石夾在巖漿中上升到接近地表時冷卻,形成含有少量金剛石的原生礦床。金剛石具有諸多不同凡響的優良性質:熔點高,不導電,硬度極高。這些性質顯然是由金剛石的結構決定的。那么,金剛石具有怎樣的結構呢
問題生成
1.分析金剛石中碳原子的雜化方式和C—C鍵之間的夾角。
【答案】碳原子采取sp3雜化,C—C—C夾角為109°28'。
2.分析金剛石的晶體結構模型,判斷共價晶體的化學式能否代表其分子式。
【答案】金剛石屬于共價晶體,共價晶體的化學式不能代表其分子式。因為共價晶體是一個空間網狀結構,無小分子存在。
3.根據金剛石的結構特點,你能分析其硬度大的原因是什么嗎
【答案】在金剛石晶體內部,每個碳原子都與周圍的4個碳原子緊密結合,形成一種致密的空間網狀結構,破壞這種空間網狀結構中的C—C共價鍵需要很高的能量,所以金剛石的硬度很大。
4.金剛石最小的碳環由幾個碳原子構成 每個碳原子被多少個六元環共用
【答案】最小碳環由6個碳原子構成;每個碳原子被12個六元環共用。
【核心歸納】
常見的共價晶體
金剛石(晶體硅) 碳化硅 二氧化硅
晶胞
中心原子 雜化類型 sp3 sp3 sp3
鍵角 109°28' 109°28' 109°28'
晶胞中微 粒數目 8個C C:4個 Si:4個 Si:8個 O:16個
1 mol物 質中化學 鍵數目 2NA C—C鍵 2NA C—Si鍵 4NA Si—O鍵
【典型例題】
【例3】我們可以將SiO2的晶體結構想象為在晶體硅的Si—Si鍵之間插入O原子。根據SiO2晶體結構圖,下列說法不正確的是(　　)。
A.SiO2晶體中每個Si原子通過Si—O極性鍵與4個O原子作用
B.每個O原子通過Si—O極性鍵與2個Si原子作用
C.SiO2晶體中Si原子與O原子的原子個數之比為1∶2,可用“SiO2”來表示石英的組成
D.在晶體中存在石英分子,故SiO2能叫分子式
【答案】D
【解析】晶體硅的結構單元是五個硅原子形成正四面體結構,其中有一個位于正四面體的中心,另外四個位于四面體的頂點,故SiO2的結構為每個硅原子周圍有四個氧原子,而每個氧原子周圍有兩個硅原子,在晶體中Si原子與O原子的原子個數之比為1∶2,“SiO2”僅表示石英的組成,故沒有單個的SiO2分子。
【例4】碳化硅(SiC)俗稱金剛砂,與金剛石具有相似的晶體結構,硬度為9.5,熔點為2700 ℃,其晶胞結構如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)。
A.SiC晶體中碳原子和硅原子均采用sp3雜化
B.距離硅原子最近的硅原子數為12
C.金剛石的熔點低于2700 ℃
D.若晶胞參數為a pm,則該晶體的密度為 g·cm-3
【答案】C
【解析】SiC晶體中碳原子周圍有4個硅原子,而硅原子連有4個碳原子,均采用sp3雜化,故A項正確;以4個Si原子形成立體結構看,距離最短的Si位于頂點和面心,每個頂點為12個面共有,則距離硅原子最近的硅原子數為12,故B項正確;共價鍵的鍵長越短,鍵能越大,則熔沸點越高,C—C鍵鍵長比Si—Si鍵鍵長短,金剛石的熔點高于2700 ℃,故C項錯誤;碳原子位于晶胞的頂點和面心,C原子個數為8×+6×=4,硅原子位于體內,個數為4,若晶胞參數為a pm,則該晶體的密度為≈ g·cm-3,故D項正確。
【例5】科學家用激光將置于鐵室中石墨靶上的碳原子炸松,與此同時再用射頻電火花噴射氮氣,此時碳、氮原子結合成碳氮化合物薄膜。據稱,這種化合物可能比金剛石更堅硬,其原因可能是(　　)。
A.碳、氮原子構成平面結構的晶體
B.碳氮鍵的鍵長比金剛石中碳碳鍵的鍵長短
C.氮原子電子數比碳原子電子數多
D.碳、氮單質的化學性質均不活潑
【答案】B
【解析】由“這種化合物可能比金剛石更堅硬”可知,該晶體應該是一種共價晶體,共價晶體為空間立體網狀結構而不是平面結構,A項不符合題意;氮原子的半徑比碳原子的半徑小,二者所形成的共價鍵的鍵長要比碳碳鍵的鍵長短,所以該晶體的硬度應該比金剛石更高,B項符合題意;原子的電子數和單質的活潑性一般不會影響所形成的晶體的硬度等,所以C、D兩項均不符合題意。
【隨堂檢測】
1.下列物質屬于共價晶體的是(　　)。
①干冰?、赟iO2?、劬w硅?、馨琢住、莅被宜帷、薰虘BHe
A.①②③④⑤⑥ B.②③④⑥ C.②③ D.①②⑤⑥
【答案】C
【解析】干冰、白磷、氨基乙酸和固態He屬于分子晶體,SiO2和晶體硅屬于共價晶體。
2.某共價晶體A,其空間結構中的一部分如圖所示。A與B反應生成C,其實質是在每個A—A鍵中插入一個B原子,則C的化學式為(　　)。
A.AB B.A5B4 C.AB2 D.A2B5
【答案】C
【解析】由于處于中心的A原子實際結合的B原子為×4=2個,故C的化學式為AB2,其空間結構如圖。
3.將SiCl4與過量的液氨反應可生成化合物Si(NH2)4。將該化合物在無氧條件下高溫灼燒,可得到氮化硅(Si3N4)固體,氮化硅是一種新型耐高溫、耐磨材料,在工業上有廣泛的應用。下列推斷可能正確的是(　　)。
A.SiCl4、Si3N4的晶體類型相同
B.Si3N4晶體是空間網狀結構
C.共價晶體C3N4的熔點比Si3N4的低
D.SiCl4晶體在熔化過程中化學鍵斷裂
【答案】B
【解析】SiCl4是分子晶體,在熔化過程中克服的是分子間作用力,化學鍵不斷裂。Si3N4是共價晶體,為空間網狀結構。根據C、Si的原子半徑推知C—N鍵的鍵能比Si—N鍵的鍵能大,故C3N4的熔點比Si3N4的高。
4.氮化碳部分結構如圖所示,其中β-氮化碳的硬度超過金剛石晶體,成為首屈一指的超硬新材料。下列有關氮化碳的說法錯誤的是(　　)。
A.氮化碳屬于共價晶體,其化學鍵比金剛石的更穩定
B.該晶體中碳原子和氮原子的最外層都滿足8電子穩定結構
C.β-氮化碳的化學式為C3N4,其中氮顯-3價,碳顯+4價
D.該晶體與金剛石結構相似,都是原子間以非極性鍵結合形成的空間網狀結構
【答案】D
【解析】N原子半徑小于C原子,鍵長:C—N鍵5.(2021·福建卷,節選)類石墨相氮化碳(g-C3N4)作為一種新型光催化材料,在光解水產氫等領域具有廣闊的應用前景。研究表明,非金屬摻雜(O、S等)能提高其光催化活性。g-C3N4具有和石墨相似的層狀結構,其中一種二維平面結構如圖所示。
回答下列問題:
(1)2g-C3N4晶體中存在的微粒間作用力有　　　　(填字母)。
a.非極性鍵 b.金屬鍵 c.π鍵 d.范德華力
(2)g-C3N4中,C原子的雜化軌道類型為　　　　。
(3)每個基本結構單元(圖中實線圈部分)中兩個N原子(圖中虛線圈所示)被O原子代替,形成O摻雜的g-C3N4(OPCN)。OPCN的化學式為　　　　　　。
【答案】(1)cd
(2)sp2雜化
(3)C3N3O
【解析】(1)根據題意,g-C3N4晶體具有和石墨相似的層狀結構,結合二維平面結構圖,可知其存在極性鍵、π鍵和范德華力。
(2)g-C3N4中,結合二維平面結構圖得知,C原子與N原子形成三個σ鍵,層內存在大π鍵,不存在孤電子對,故C原子的雜化軌道類型為sp2雜化。
(3)從基本結構單元分析得知,N原子的成鍵有連兩個C原子和連三個C原子的兩種情況,連兩個C原子的N原子完全屬于該基本結構單元,連三個C原子的N原子處在中心的完全屬于該基本結構單元,處在頂點上的屬于三個基本結構單元,故一個基本結構單元含有6個C原子和7+3×=8個N原子;將圖中虛線圈所示的N原子用O原子代替,則O原子完全屬于該基本結構單元,故該基本結構單元含有6個C原子、6個N原子、2個O原子,則形成O摻雜的g-C3N4(OPCN)的化學式為C3N3O。
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