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3.2 第2課時　共價晶體
【學習目標】
1.借助共價晶體模型認識共價晶體的結構特點。
2.能夠從化學鍵的特征,分析理解共價晶體的物理特性。
【自主預習】
一、共價晶體的結構和性質
1.共價晶體的結構特點
(1)構成粒子及作用力
共價晶體
(2)空間結構:整塊晶體是一個三維的共價鍵　　　　結構,不存在單個的小分子,是一個“巨分子”。
2.共價晶體與物質的類別
物質種類 實例
某些　　　　 晶體硼、晶體硅、晶體鍺、金剛石等
某些　　　　 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等
某些　　　　 二氧化硅(SiO2)等
3.共價晶體的熔、沸點
(1)由于共價晶體原子間以較強的共價鍵相結合,熔化時必須破壞共價鍵,而破壞它們需要很高的溫度,所以共價晶體具有　　　　的熔點。
(2)結構相似的共價晶體,原子半徑越　　　　,鍵長越　　　　,鍵能越　　　　,晶體的熔點越　　　　。
【微點撥】
　　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等分子晶體中也含有共價鍵。
二、典型的共價晶體
1.金剛石
(1)碳原子采取　　　　雜化,C—C—C夾角為　　　　　。
(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　　　　個碳原子組成,且最小碳環上有4個碳原子在同一平面內;每個碳原子被12個六元環共用。
2.二氧化硅晶體
(1)二氧化硅的結構
二氧化硅是自然界含量最高的固態二元氧化物,有多種結構,最常見的是低溫石英(α-SiO2)。在低溫石英的結構,有頂角相連的　　　　　　形成螺旋上升的長鏈,這一結構決定了它具有手性。
①Si原子采取　　　　雜化,正四面體內O—Si—O鍵角為　　　　　　。
②每個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原子個數比為　　　　。
③最小環上有　　　　個原子,包括　　　　個O原子和　　　　個Si原子。
(2)二氧化硅的用途
二氧化硅是制造水泥、玻璃、人造紅寶石、單晶硅、硅光電池、芯片和光導纖維的原料。
【微點撥】
　　二氧化硅為共價晶體,晶體中不存在單個分子,其化學式為Si與O的最簡個數比,而不是分子式。
【參考答案】一、1.(1)原子　共價鍵　(2)網狀　2.單質　非金屬化合物　氧化物　3.(1)很高　(2)小　短　大　高
二、1.(1)sp3　109°28'　(2)4　正四面體　(3)6
2.(1)硅氧四面體　①sp3　109°28'
②4　4　Si　O　2　2　2　1∶2　③12　6　6
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)具有共價鍵的晶體都是共價晶體。 (　　)
(2)二氧化硅晶體熔化時,破壞Si—O。 (　　)
(3)共價晶體中,共價鍵鍵能越大,熔點越高。 (　　)
(4)共價晶體的化學式表示其分子式。 (　　)
(5)共價晶體的熔點一般比分子晶體高。 (　　)
(6)共價晶體都具有空間網狀的結構和較強作用的共價鍵。 (　　)
(7)1 mol SiO2晶體中含4 mol Si—O。 (　　)
(8)由于共價鍵的鍵能遠大于分子間作用力,故共價晶體的熔點比分子晶體高。 (　　)
　　【答案】(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√　(6)√　(7)√　(8)√
2.常見的共價晶體單質有哪些 請列舉兩例。
　　【答案】金剛石、單質硅、單質硼等。
3.常見的共價晶體化合物有哪些 請列舉兩例。
　　【答案】SiO2、SiC、C3N4、Si3N4、BN、AlN、BP、GaAs等。
【合作探究】
任務1：共價晶體的結構與性質
情境導入　素材1: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的。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物中,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。
素材2:C60是一種碳原子簇,它由60個碳原子構成像足球一樣的32面體,包括20個正六邊形、12個正五邊形。這60個C原子在空間進行排列時,形成一個化學鍵最穩定的空間排列位置,恰好與足球表面格的排列一致。這個結構的提出是受到建筑學家富勒的啟發,富勒曾設計一種用六邊形和五邊形構成的球形薄殼建筑結構,因此科學家把C60叫作足球烯,也叫作富勒烯。
問題生成
1.通過素材1寫出制備金剛砂的化學方程式。
　　【答案】SiO2+3CSiC+2CO↑。
2.金剛石晶體和富勒烯晶體的構成微粒相同嗎
　　【答案】不同。富勒烯晶體的構成微粒為分子,金剛石晶體的構成微粒為原子。
3.金剛石晶體和富勒烯晶體受熱熔化時克服的微粒間作用力相同嗎
　　【答案】不同。前者受熱熔化時克服共價鍵,后者受熱熔化時克服分子間作用力。
4.以金剛石為例,說明共價晶體的微觀結構與分子晶體有哪些不同。
　　【答案】①構成微粒不同,共價晶體中只存在原子,沒有分子。②微粒間作用力不同,共價晶體中原子間只存在共價鍵,而分子晶體中分子之間存在分子間作用力。
5.比較金剛砂、金剛石、富勒烯的熔、沸點。
　　【答案】熔、沸點:金剛石>金剛砂>富勒烯。
【核心歸納】
1.判斷共價晶體和分子晶體的方法
(1)依據構成晶體的微粒種類及微粒間的相互作用
對于分子晶體,構成晶體的微粒是分子,微粒間的相互作用是分子間作用力;對于共價晶體,構成晶體的微粒是原子,微粒間的相互作用是共價鍵。分子晶體中存在小分子,共價晶體中不存在小分子。
(2)依據物質的物理性質
一般情況下,共價晶體比分子晶體的熔、沸點高得多,硬度大。共價晶體熔、沸點高,常在1000℃以上;分子晶體熔、沸點低,常在幾百度以下至很低的溫度。
(3)依據物質的分類判斷
①分子晶體:大多數非金屬單質(除金剛石、石墨、晶體硅、晶體硼外)、氣態氫化物、非金屬氧化物(除SiO2外)、酸、絕大多數有機物(除有機鹽外)是分子晶體。
②共價晶體:常見的共價晶體單質有金剛石、晶體硅、晶體硼等;常見的共價晶體化合物有碳化硅、二氧化硅等。
(4)依據導電性判斷
分子晶體為非導體,但部分分子晶體溶于水后能夠導電;共價晶體多數為非導體,但晶體硅、鍺是半導體。
(5)依據物質的狀態判斷
分子晶體常溫下可能會呈氣態或液態,共價晶體常溫下呈固態。
(6)依據硬度和機械性能判斷
共價晶體硬度大,分子晶體硬度小且較脆。
2.共價晶體與分子晶體熔、沸點高低的比較
(1)晶體類型不同:共價晶體>分子晶體
理由:共價晶體的熔、沸點與共價鍵有關,分子晶體的熔、沸點與分子間作用力有關。共價鍵的作用力遠大于分子間作用力。
(2)晶體類型相同
①共價晶體
一般來說,對結構相似的共價晶體來說,鍵長越短,鍵能越大,晶體的熔、沸點越高。例如:金剛石>二氧化硅>碳化硅>晶體硅。
②分子晶體
a.若分子間有氫鍵,則分子間作用力比結構相似的同類晶體大,故熔、沸點較高。如HF>HI;NH3>PH3;H2O>H2Te。
b.組成和結構相似的分子晶體,一般相對分子質量越大,范德華力越大,熔、沸點越高。如I2>Br2>Cl2>F2;SnH4>GeH4>SiH4>CH4。
c.組成和結構不相似的物質(相對分子質量接近),分子的極性越大,范德華力越大,熔、沸點越高。如CO>N2。
d.同類別的同分異構體,支鏈越多,熔、沸點越低。如正戊烷>異戊烷>新戊烷。
【典型例題】
【例1】氮化碳的部分結構如圖所示,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.β-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.該氮化碳的化學式為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原子半徑,鍵長:C—N【例2】根據下表中的有關數據分析,下列說法錯誤的是(　　)。
AlCl3 SiCl4 晶體硼 金剛石 晶體硅
熔點/℃ 194 -70 2180 >3500 1410
沸點/℃ 181 57 3650 4827 2355
A.SiCl4、AlCl3是分子晶體
B.晶體硼是共價晶體
C.晶體硅是共價晶體
D.金剛石中的C—C比晶體硅中的Si-Si弱
　　【答案】D
【解析】根據表格數據可知SiCl4、AlCl3的熔、沸點低,說明SiCl4、AlCl3都是分子晶體,A項正確;根據表格數據可知晶體硼熔、沸點高,說明晶體硼屬于共價晶體,B項正確;根據表格數據可知晶體硅熔、沸點高,說明晶體硅屬于共價晶體,C項正確;金剛石、晶體硅的熔、沸點高,兩者都屬于共價晶體,由于原子半徑:CSi—Si,D項錯誤。
任務2：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。火山爆發時,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三維骨架結構,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,形成一種致密的三維結構,破壞這種三維結構中的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,且最小碳環上有4個碳原子在同一平面內;每個碳原子被12個六元環共用。
【核心歸納】
1.共價晶體與分子晶體的結構特征
(1)共價晶體的結構特征
在共價晶體中,各原子均以共價鍵結合,因為共價鍵有方向性和飽和性,所以中心原子周圍的原子數目是有限的,原子不采取密堆積方式。
(2)分子晶體的結構特征
①分子間不存在氫鍵的分子晶體,由于范德華力沒有方向性和飽和性,所以分子盡可能采取密堆積方式。
②分子間存在氫鍵的分子晶體,由于氫鍵具有方向性和飽和性,所以分子不能采取密堆積方式。
2.常見共價晶體結構判斷的易錯點
(1)金剛石、晶體硅、碳化硅、二氧化硅等共價晶體中的成鍵數目。
①金剛石(或晶體硅)中,1 mol C(或Si)形成2 mol C—C(或Si—Si)。
②碳化硅晶體中,1 mol C或1 mol Si均形成4 mol C—Si。
③1 mol SiO2晶體中有4 mol Si—O。
(2)金剛石、晶體硅、碳化硅、二氧化硅中最小環上的原子數。
①金剛石、晶體硅、碳化硅晶體中最小環上的原子數分別為6個C、6個Si、3個C和3個Si。
②SiO2晶體中最小環上有6個Si和6個O。
(3)金剛石、晶體硅的一個晶胞中,分別含有的碳原子數為8、硅原子數為8。
【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鍵長比Si—Si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。
【隨堂檢測】
課堂基礎
1.下列物質屬于共價晶體的是(　　)。
①干冰　②SiO2　③晶體硅　④白磷　⑤氨基乙酸　⑥固態He
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的鍵能比Si—N的鍵能大,故C3N4的熔點比Si3N4的高。
4.科學家成功研制成了一種新型的碳氧化物,該化合物晶體與SiO2晶體的結構相似,晶體中每個碳原子均以4個共價單鍵與氧原子結合,形成一種無限伸展的空間網狀結構。下列對該晶體的敘述錯誤的是(　　)。
A.該晶體是共價晶體,熔、沸點很高
B.該晶體中碳原子和氧原子的個數之比為1∶2
C.該晶體中碳原子數與C—O數之比為1∶2
D.該晶體中最小的環由12個原子構成
【答案】C
【解析】該化合物晶體中每個碳原子均以4個共價單鍵與氧原子結合,形成一種無限伸展的空間網狀結構,則該化合物晶體中不存在分子,屬于共價晶體,A項正確;晶體中每個碳原子均以4個共價單鍵與氧原子結合,每個氧原子和2個碳原子以共價單鍵相結合,所以碳、氧原子個數之比為1∶2,B項正確;該晶體中每個碳原子形成4個C—O共價鍵,所以碳原子數與C—O數之比為1∶4,C項錯誤;該晶體中最小的環由6個碳原子和6個氧原子構成,D項正確。
對接高考
5.(2021·福建卷,14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)g-C3N4晶體中存在的微粒間作用力有　　　　(填標號)。
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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