高中化学人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子晶体与共价晶体学案

第三章   晶体结构与性质

第二节   分子晶体与共价晶体

第一课时   分子晶体

1.借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点。

2.能够从化学键的特征，分析理解共价晶体的物理特性。

教学重点：共价晶体的结构特点与性质之间的关系

教学难点：共价晶体的结构特点与性质之间的关系

一、共价晶体

1.常见晶体的结构分析

(1)金刚石晶体

①在晶体中每个碳原子以        个共价单键与相邻的      个碳原子相结合，成为正四面体。

②晶体中C-C-C夹角为        ，碳原子采取了      杂化。

③最小环上有        个碳原子。

④晶体中碳原子个数与C-C键数之比为             。

⑤在一个晶胞中，碳原子位于立方体的8个顶点、6个面心以及晶胞内部，由“均摊法”可求出该晶胞中实际含有的碳原子数为                      。

(2)  二氧化硅晶体

①每个硅原子与相邻的       个氧原子以共价键相结合构成          结构，硅原子在正四面体的中心，4个氧原子在正四面体的4个顶点。晶体中Si原子与O原子个数比为      。

②每个Si原子与4个O原子成键，每个O原子与      个Si原子成键，最小的环是

     元环。

③每个最小的环实际拥有的硅原子为          ，氧原子数为         。

④1molSiO2晶体中含Si—O键数目为         ，在SiO2晶体中Si、O原子均采取        杂化。

⑤SiO2具有许多重要用途，是制造水泥、玻璃、人造红宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。

【小结】

一、共价晶体

1、共价晶体的概念：                                        

2、组成微粒：               

3、微粒间的作用力：               

4、分类：

5、共价晶体的通性

①熔点            。共价晶体中，原子间以较强的共价键相结合，要使物质熔化就要克服共价键，需要很高的能量。

②硬度            。

③一般不导电，但晶体硅是半导体。

④难溶于一般溶剂。

【思考·讨论】

(1)SiO2是二氧化硅的分子式吗？

(2)观察对比晶体硅、碳化硅、二氧化硅的晶胞，并总结结构特征。

晶体硅晶胞　　碳化硅晶胞　　二氧化硅晶胞

(3)“具有共价键的晶体叫做共价晶体”这种说法对吗？为什么？

(4)怎么从原子结构的角度理解金刚石、硅 、锗的熔点和硬度依次下降？

【知识构建】

1.   判断共价晶体和分子晶体的方法

2.   共价晶体与分子晶体熔沸点高低的比较方法

3.   共价晶体与分子晶体的比较

【答案】

一、共价晶体

1.常见晶体的结构分析

(1)金刚石晶体

四    4    109°28'   sp3     6    1:2  8

(2)二氧化硅晶体

4   正四面体   1∶2     2   12   1/2   1    4NA     sp3     

【小结】

1.   概念：所有原子都以共价键相互结合形成三维的立体网状结构的晶体
2.   组成微粒：原子
3.   微粒间的作用力：共价键，气化或熔化时破坏的作用力为共价键。
4.   分类：

某些单质：如硼（B）、硅（Si）、锗（Ge）和锡（Sn）等

某些非金属化合物：如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)等

极少数金属氧化物，如刚玉(α-Al2O3)

5.   共价晶体的通性

很高    很大

【思考·讨论】

(1)  二氧化硅为共价晶体，晶体中不存在单个分子，其化学式为Si与O的最简个数比，而不是分子式。

(2)  金刚石(晶体硅)、碳化硅、二氧化硅的晶胞的结构特征

①晶体硅

晶体硅晶胞的每个顶点和面心均有1个Si原子，晶胞内部有4个Si原子，每个晶体硅晶胞中含有8个Si原子。

②碳化硅晶胞

1. 碳、硅原子都采取sp3杂化，C—Si键角为109°28′。
2. 每个硅(碳)原子与周围紧邻的4个碳(硅)原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成空间网状结构。
3. 最小碳环由6个原子组成且不在同一平面内，其中包括3个C原子和3个Si原子。
4. 每个SiC晶胞中含有4个C原子和4个Si原子。

③二氧化硅晶胞

SiO2晶体结构相当于在晶体硅结构中每2个Si原子中间插入一个O原子，参照金刚石晶胞模型，在SiO2晶胞中有8个Si原子位于立方晶胞的顶点，有6个Si原子位于立方晶胞的面心，还有4个Si原子与16个O原子在晶胞内构成4个硅氧四面体，均匀排列于晶胞内。每个SiO2晶胞中含有8个Si原子和16个O原子。

(3)不对。如HCl、H2O、CO2、CH3CH2OH分子中都有共价键，而它们都是分子晶体；如金刚石、晶体Si、SiC、SiO2中都有共价键，它们都是原子晶体；只有相邻原子间以共价键相结合形成空间网状结构的晶体才是原子晶体。

(4)金刚石、硅 、锗的键长依次增大，键能依次减小，熔点和硬度依次下降。

【知识构建】

1.   判断共价晶体和分子晶体的方法

(1)依据组成晶体的微粒和微粒间的相互作用判断

组成共价晶体的微粒是原子，微粒间的相互作用是共价键；组成分子晶体的微粒是分子，微粒间的相互作用是分子间作用力。

(2)依据物质的分类判断

常见的共价晶体单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等，常见的共价晶体化合物有SiC、BN、AlN、Si3N4、C3N4、SiO2等；

大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外)、气态氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、酸、绝大多数有机物(除有机盐外)都是分子晶体。

(3)依据晶体的熔点判断

共价晶体的熔点更高，常在1 000 ℃至几千摄氏度；分子晶体的熔点低，常在数百摄氏度以下甚至更低温度。

(4)依据导电性判断

共价晶体一般为非导体；分子晶体为非导体，分子晶体中的电解质(主要是酸和非金属氢化物)溶于水，使分子内的化学键断裂形成自由移动的离子也能导电。

(5)依据硬度和机械性能判断

共价晶体硬度大；分子晶体硬度小且较脆。

2.分子晶体、共价晶体的熔、沸点比较

(1)不同类型的晶体

熔、沸点：原子晶体>分子晶体。

(2)同一类型的晶体

分子晶体

①分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高；非金属氢化物分子间含有氢键的分子晶体，熔、沸点比同族元素的氢化物反常得高。如H2O>H2Te> H2Se> H2S。

②组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔、沸点越高。如SnH4>GeH4> SiH4> CH4。

③组成和结构不相似的物质（相对分子质量接近），分子的极性越大，其熔、沸点越高。如CO>N2，CH3OH>CH3CH3。

④同分异构体的支链越多，熔、沸点越低。如

⑤烃、卤代烃、醇、醛、羧酸等有机物一般随分子里碳原子的增加，熔、沸点升高。如C2H6>CH4，C2H5Cl>CH3Cl，CH3COOH>HCOOH。

共价晶体

①晶体的熔、沸点高低取决于共价键的键长和键能。键长越短，键能越大，共价键越稳定，物质的熔、沸点越高。.

②若没有告知键长或键能数据时，可比较原子半径的大小。一般原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。如比较金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点高低：原子半径：C<Si，则键长：C—C<C—Si<Si—Si，故键能：C—C<C—Si<Si—Si，熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。

3.共价晶体与分子晶体的比较

1. 下列说法正确的是

A. 晶体中存在共价键
B. 溶于水能电离出和，所以硫酸是离子化合物
C. 属于原子晶体，熔化破坏共价键和分子间作用力
D. 是分子晶体，加热升华过程中只需克服分子间作用力

【答案】D

【解析】

A.晶体中存在离子键，故A错误；
B.溶于水能电离出和，而硫酸是共价化合物，二者无因果关系，故B错误；
C.属于原子晶体，熔化只破坏共价键，故C错误；
D.是分子晶体，加热升华过程中，状态发生变化，分子不变，只需克服分子间作用力，故D正确；
故选D．

2. 图分别代表NaCl、金刚石、干冰、石墨结构的一部分．下列说法正确的是

A. 如图，NaCl晶体只有在熔融状态下离子键被完全破坏，才能形成自由移动的离子
B. 如图，金刚石中存在的化学键只有共价键，不能导电
C. 如图，干冰中的化学键只需吸收很少的热量就可以破坏，所以干冰容易升华
D. 如图，石墨中碳原子的最外层电子都参与了共价键的形成，故熔点很高、硬度很大

【答案】B

【解析】

A.氯化钠为离子晶体，熔融状态下离子键被削弱，而不是离子键被完全破坏，氯化钠溶于水离子键也能被破坏，故A错误；
B.金刚石是原子晶体，原子间通过共价键结合形成空间网状结构，无自由电子，所以不能导电，故B正确；
C.干冰是分子晶体，干冰升华克服的是分子间作用力而不是化学键，故C错误；
D.石墨中碳原子的最外层电子只有三个电子参与形成共价键，层与层之间滑动，很软，故D错误。
故选B。

3. 以下关于晶体性质说法不正确的是   

A. 熔点：金刚石碳化硅晶体硅
B. 沸点：
C. 冰和干冰都是分子晶体，每个分子周围都有12个紧邻的分子
D. 区分晶体和非晶体最可靠的方法是射线衍射实验

【答案】C

【解析】

A.原子晶体中共价键的键长越短，共价键越强，熔点越高，由键长，则熔点：金刚石碳化硅晶体硅，故A正确；
B.根据分子晶体中分子的相对分子质量越大，范德华力越大，熔沸点越高，则沸点：，故B正确；
C.冰和干冰都是分子晶体，冰的晶体中每个分子周围有4个紧邻的水分子，故C错误；
D.区分晶体和非晶体最可靠的方法是射线衍射实验，故D正确。

4. 氮化硼晶体有多种相结构。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。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. 立方相氮化硼含有键和键，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平面三角形

【答案】D

【解析】

A晶体中存在可以自由移动的电子才能够导电，六方相氮化硼晶体中没有可以自由移动的电子，所以不导电，故A错误；
B由晶体结构可知，立方相氮化硼为空间网状结构与金刚石的结构类似，属于原子晶体，所以硬度大，而立方相氮化硼中只含有键，没有键，故B错误；
C六方相氮化硼中存在共价键和分子间作用力，与石墨一样属于混合晶体，立方相氮化硼与金刚石的晶体类型一样，是原子晶体，故C错误；
D由图可知六方相氮化硼晶体层内有一个硼原子与相邻的氮原子构成的空间构型是平面三角型，故D正确；

5. 下列晶体性质的比较中，错误的是

A. 熔点：金刚石碳化硅晶体硅 B. 沸点：
C. 硬度：白磷冰二氧化硅 D. 熔点：

【答案】C

【解析】

A.因原子半径，则键长，共价键键长越长，键能越小，则熔点越低，应为金刚石碳化硅晶体硅，故A正确；
B.分子间含有氢键，沸点较高，则沸点：，故B正确；
C.二氧化硅为原子晶体，硬度最大，故C错误；
D.均为分子晶体，相对分子质量越大，熔点越大，则熔点：，故D正确。
故选C。