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共價晶體
第二節 分子晶體與共價晶體
第2課時
思考與討論： 碳元素和硅元素處于元素周期表中同一主族，CO2和SiO2熔沸點為什么差距那么大？
熔點/oC 狀態（室溫）
CO2 -56.2 氣態
SiO2 1723 固態
干冰
SiO2
一 、共價晶體的概念及性質
(1)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。
(2)構成共價晶體的微粒及微粒間的作用力
共價晶體
構成粒子
原子
粒子間的作用力
（只有）共價鍵
思考：具有共價鍵的晶體叫做共價晶體，這種說法對嗎？
1.共價晶體的結構特點及物理性質
注意：◆不存在單個分子，無分子式。化學式表示原子最簡整數比
◆整塊晶體是一個三維的空間網狀結構，是一個“巨分子”。
問題探究: 只由原子形成的晶體一定是原子晶體嗎？
不一定。如稀有氣體均由原子構成，為分子晶體
◆熔化時破壞的作用力：共價鍵
◆由原子構成的晶體不一定是共價晶體
◆具有共價鍵的晶體不一定是共價晶體
(如稀有氣體)
金屬晶體
下列有關共價晶體的敘述錯誤的是(　　)
A．共價晶體中，只存在共價鍵 B．共價晶體具有空間網狀結構
C．共價晶體中不存在獨立的分子 D．共價晶體熔化時不破壞共價鍵
D
思考練習
思考討論：
晶體 熔點/℃ 硬度 鍵長/pm 鍵能/(kJ·mol－1)
金剛石 >3 500 10 154 348
碳化硅 2 700 9.5 184 301
晶體硅 1 410 6.5 234 226
金剛石、晶體硅單質、碳化硅均具有相似的晶體結構，它們的熔沸點和硬度的大小關系如何判斷？
結構相似的共價晶體，其原子間形成共價鍵的鍵長越短，鍵能越大，晶體的熔、沸點就越高，硬度就越大。
(3)物理性質
①熔點很高：結構相似的共價晶體，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，共價鍵越穩定，晶體的熔點越高，硬度就越大。
②硬度很大
③一般不導電，但晶體硅是半導體
④難溶于一般溶劑
金剛石鉆石
碳化硅（SiC）砂輪
氮化硅（Si3N4）航天耐高溫材料
①原子晶體為什么熔沸點比較高？
②原子晶體的熔沸點、硬度與什么有關？
對于原子晶體，一般來說，原子間，鍵長越短，鍵能越大，共價鍵越穩定，物質的熔沸點越高，硬度越大。
(4)影響原子晶體熔沸點的因素：
（原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，晶體熔沸點越高）
思考：
晶體熔、沸點和硬度的比較方法
◆先判斷晶體類型
對于不同類型的晶體，一般來說，共價晶體的熔、沸點、硬度都大于分子晶體
◆對于同一類型的晶體
①共價晶體的熔點高低、硬度大小取決于共價鍵的強弱。原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，共價鍵越強，熔點越高。
②分子晶體的熔、沸點高低取決于分子間作用力，分子間作用力與相對分子質量有關，同時還要考慮分子極性及是否存在氫鍵。
分子晶體、共價晶體的熔、沸點比較
(1)不同類型的晶體：原子晶體>分子晶體。
(2)同一類型的晶體
分子晶體
①分子間作用力越大，物質的熔、沸點越高；非金屬氫化物分子間含有氫鍵的分子晶體，熔、沸點比同族元素的氫化物反常得高。如H2O>H2Te> H2Se> H2S。
②組成和結構相似的分子晶體，相對分子質量越大，熔、沸點越高。
如SnH4>GeH4> SiH4> CH4。
③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，其熔、沸點越高。如CO>N2，CH3OH>CH3CH3。
④同分異構體的支鏈越多，熔、沸點越低。如
⑤ 烴、鹵代烴、醇、醛、羧酸等有機物一般隨分子里碳原子的增加，熔、沸點升高。如C2H6>CH4，C2H5Cl>CH3Cl，CH3COOH>HCOOH。
共價晶體
①晶體的熔、沸點高低取決于共價鍵的鍵長和鍵能。鍵長越短，鍵能越大，共價鍵越穩定，物質的熔、沸點越高。
②若沒有告知鍵長或鍵能數據時，可比較原子半徑的大小。一般原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，晶體的熔點就越高。如比較金剛石、碳化硅、晶體硅的熔點高低：原子半徑：C碳化硅>晶體硅。
(5)常見共價晶體及物質類別
③極少數金屬氧化物，如剛玉(Al2O3)，七氧化二錳(Mn2O7) 、三氧化二鉻(Cr2O3) 等。
①某些單質：以碳為中心，同主族向下：硅（Si）鍺（Ge）和灰錫（Sn）金剛石等；同周期向左、向右：硼（B）高聚氮
Si3N4材料的導彈天線罩制品
②某些非金屬化合物：如：碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等
Al2O3有兩種結構，其中一種結構屬于共價晶體，俗稱剛玉。
（6）分子晶體和共價晶體的判斷方法
方法一：根據物質類別
方法二：根據晶體的物理性質
◆依據晶體的熔點判斷。
共價晶體的熔點高,常在1000℃以上;而分子晶體熔點低,常在數百攝氏度以下甚至更低。
◆依據物質的狀態判斷
一般常溫常壓，呈氣態或液態的單質與化合物，在固態時屬于分子晶體
◆還可以依據晶體的硬度與機械性能判斷。
共價晶體硬度大,分子晶體硬度小且較脆。
◆依據導電性判斷。
分子晶體為非導體,但部分溶于水后能導電;原子晶體多數為非導體,但晶體硅、鍺是半導體。
方法三：依據構成晶體的微粒和微粒間的作用力判斷。
構成共價晶體的微粒是原子,微粒間的作用力是共價鍵;構成分子晶體的微粒是分子或原子(稀有氣體),微粒間的作用力是分子間作用力。
(7)分子晶體與共價晶體的比較
晶體類型 共價晶體 分子晶體
概念
組成微粒
作用力
熔沸點
硬度
溶解性
導電性
相鄰原子間以共價鍵相結合而形成三維骨架結構
分子間以分子間作用力結合
原子
分子
共價鍵
分子間作用力
很大
較小
很大
較小
不溶于任何溶劑
部分溶于水
不導電，個別為半導體
固體和熔化狀態都不導電，部分溶于水導電
導思
1. 正誤判斷
(1)由原子直接構成的晶體一定是共價晶體(　　)
(2)具有共價鍵的晶體一定是共價晶體(　　)
(3)共價晶體在固態或熔化時均不導電(　　)
(4)共價晶體由于硬度及熔、沸點都較高，故常溫時不與其他物質反應(　　)
×
×
×
×
2. 碳和硅同主族，它們的氧化物CO2和SiO2物理性質為什么差異很大？
提示　CO2的晶體是分子晶體，晶體中CO2分子之間通過范德華力相結合。SiO2是共價晶體，硅原子和氧原子之間通過共價鍵相互結合形成三維骨架結構，晶體中不存在小分子。
(1)使共價晶體熔化，需要破壞的粒子間作用力是什么？使金剛石、碳化硅、晶體硅熔化分別破壞的這種具體的作用力又是什么？
3. 金剛石、碳化硅、晶體硅均具有相似的結構，下表列出了它們的鍵長、鍵能、熔點和硬度的數據。
晶體 鍵長/pm 鍵能/(kJ·mol－1) 熔點/℃ 硬度
金剛石 154 348 >3 500 10
碳化硅 184 301 2 700 9.5
晶體硅 234 226 1 410 6.5
提示　使共價晶體熔化，需要破壞共價鍵。使金剛石、碳化硅、晶體硅熔化分別破壞的是C—C、C—Si、Si—Si。
(2)共價晶體的熔點和硬度等物理性質與共價晶體中共價鍵的鍵長、鍵能之間存在什么關系？
3. 金剛石、碳化硅、晶體硅均具有相似的結構，下表列出了它們的鍵長、鍵能、熔點和硬度的數據。
晶體 鍵長/pm 鍵能/(kJ·mol－1) 熔點/℃ 硬度
金剛石 154 348 >3 500 10
碳化硅 184 301 2 700 9.5
晶體硅 234 226 1 410 6.5
提示　結構相似的共價晶體，其原子間形成共價鍵的鍵長越短，鍵能越大，晶體的熔點就越高，硬度就越大。
3. 金剛石、碳化硅、晶體硅均具有相似的結構，下表列出了它們的鍵長、鍵能、熔點和硬度的數據。
晶體 鍵長/pm 鍵能/(kJ·mol－1) 熔點/℃ 硬度
金剛石 154 348 >3 500 10
碳化硅 184 301 2 700 9.5
晶體硅 234 226 1 410 6.5
(3)如果不提供上述表格中的數據，根據元素周期表，你能判斷金剛石、碳化硅、晶體硅的鍵長、鍵能、熔點和硬度的相對大小嗎？說出你的判斷方法。
提示　能。根據元素周期表，碳和硅為同一主族元素，原子半徑：C＜Si，因此鍵長大小順序為C—C＜C—Si＜Si—Si，鍵能大小順序為C—C＞C—Si＞Si—Si，熔點和硬度大小順序為金剛石>碳化硅＞晶體硅。
導練
1. 下列有關共價晶體的敘述錯誤的是（ ）
A.共價晶體中，只存在共價鍵
B.共價晶體具有三維骨架結構
C.共價晶體中不存在獨立的分子
D.共價晶體熔化時不破壞共價鍵
D
2. 下表是某些共價晶體的熔點和硬度，分析表中的數據，判斷下列敘述正確的是（ ）
共價晶體 金剛石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 鍺
熔點/℃ 3 900 3 000 2 700 1 710 1 410 1 211
硬度 10 9.5 9.5 7 6.5 6.0
①構成共價晶體的原子種類越多，晶體的熔點越高
②構成共價晶體的原子間的共價鍵的鍵能越大，晶體的熔點越高
③構成共價晶體的原子半徑越大，晶體的硬度越大
④構成共價晶體的原子半徑越小，晶體的硬度越大
A.①② B.③④ C.①③ D.②④
D
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
金剛石磨頭
金剛石鉆石
聯想質疑
認識金剛石的結構與性質
探究一
問題1 :金剛石中,每個碳原子與多少個碳原子成鍵？ 1 mol C 形成的共價鍵數目是多少？碳原子采取什么雜化方式？
問題2 :金剛石中,最小的碳環由幾個碳原子組成？它們是否都能在一個平面上？
晶體中最小的碳環由6個碳原子組成，且不在同一平面內，最多有 4 個碳原子在同一平面。
問題3 :已知每個碳被12個六元環共用，那么一個碳環占有幾個碳原子？
問題4:一個金剛石晶胞中，有幾個碳原子？
金剛石的晶胞
鍵能：347.7 kJ/mol（很大）
熔點很高：大于 3500 0C
硬度最大
結構決定性質
二、常見共價晶體的結構分析
1.金剛石晶體
(2)晶體中最小的碳環由 個碳原子組成，且不在同一平面內，最多有 個碳原子在同一平面。
(1)在晶體中每個碳原子以 個共價單鍵對稱地與相鄰的 個碳原子結合，C—C—C夾角為 ，即金剛石中的碳采取 雜化軌道形成共價鍵三維骨架結構。
109°28′
sp3
6
4
正四面體
四
4
最小環為六元環
(4)每個C原子被 個六元環共用，1個碳環占有的碳原子為 個。
(3)每個C形成4個C—C，每個C—C占有 個C，即C原子與C—C數目之比為 。
2
1∶2
12
0.5
正四面體
最小環為六元環
拓展：金剛石晶胞中的均攤問題
金剛石結構中最小的環狀結構為六元環，以標記為O的碳原子為著眼點，通過該碳原子的bOc“V形”可以形成兩個六元環；而通過O碳原子的“V形”共有6個(aOb、aOc、aOd、 bOd、cOd)。
金剛石中六元環結構與碳原子數目比為 2 : 1
因此通過O碳原子的六元環共6×2=12個，(即:一個O碳原子為12個六元環共用)一個六元環對環上任意一個碳原子的占有為1/12，一個六元環實際享有6×1/12 ═ 0.5個碳原子
以標記為aO的C－C為著眼點，通過該C－C的“V形”共有3個(aOb、aOc、aOd)。
因此通過aOC－C鍵的六元環共3×2=6個，(即:一根aOC－C鍵為6個六元環共用)一個六元環對環上任意一根C－C鍵的占有為1/6，一個六元環實際享有6×1/6 ═ 1根C－C鍵
金剛石中六元環結構與C－C鍵數目比為 1 : 1
金剛石晶胞中：
六元環結構 : 碳原子數目 : C－C鍵數目 = 2 : 1 : 2
拓展：金剛石模型的演變 —— 等電子體原理
(1)與碳同族單質(如Si、Ge)都具有與金剛石相似的結構；
(2)第ⅣA族相鄰元素間也可形成相似結構的晶體(如SiC)
(3)與第ⅣA族同周期的元素間根據等電子體原理，如BN、GaAs等也可形成與金剛石結構相似的晶體。
金剛石 晶體硅 SiC GaAs
拓展：金剛石模型的衍生 —— 方石英(SiO2)
晶體硅的晶胞中，在Si－Si鍵之間插入O原子，即得到方石英的晶胞(最常見的SiO2晶胞)。
知識拓展－石墨晶體結構
①石墨中碳原子雜化類型？石墨為什么很軟？
SP2 雜化。石墨為層狀結構，各層之間是范德華力結合，容易滑動，所以石墨很軟。
②石墨的熔沸點為什么很高（高于金剛石）？
石墨各層均為平面網狀結構，碳原子之間存在很強的共價鍵（大π鍵），故熔沸點很高。
③石墨屬于哪類晶體？為什么？
石墨為混合鍵型晶體
(1) 在SiO2晶體中，每個硅原子采取sp3雜化與 個氧原子結合；每個氧原子與 個硅原子結合；在SiO2晶體中硅原子與氧原子個數之比是 。
單個的SiO2分子存在。
2. 二氧化硅
(2)在SiO2 晶體中，每個硅原子形成 個共價鍵；每個氧原子形成 個共價鍵；
(3)在SiO2 晶體中，最小環為 元環，由 個Si原子和 個O原子構成。
2
1：2
4
2
12
沒有
4
6
6
(4)每個十二元環中平均含有硅原子
1：4
1：2
= 6× =
Si原子個數與Si-O 共價鍵個數之是 ；
O原子個數與Si-O 共價鍵個數之比是 。
每個十二元環中平均含有Si-O鍵
= 12× =2
(5)60 g 二氧化硅含有_____個Si原子
含有_____個O原子
含有_____ 個Si-O鍵
NA
2NA
4NA
1 mol SiO2中含 mol Si-O鍵
4
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( SiO2)。低溫石英的結構中有頂角相連的硅氧四面體形成螺旋上升的長鏈，沒有封閉的環狀結構，這一結構決定了它具有手性。
石英的左、右型晶體
二氧化硅的用途:
導思
1. 正誤判斷
(1)金剛石晶體中最小碳環是六元環，且6個碳原子在同一平面內(　　)
(2)金剛石晶體中每個碳原子被12個碳原子環所共有，每個C—C被6個六元環共用(　　)
(3)1 mol金剛石晶體中含有4 mol碳碳鍵(　　)
(4)1 mol二氧化硅晶體中含有4 mol硅氧鍵(　　)
×
√
×
√
2. 金剛石晶胞結構如圖所示，回答下列問題。
(1)一個金剛石晶胞中含有________個碳原子。
(2)已知晶胞參數為a pm，則金剛石的密度為______________ g·cm－3。
(3)晶體中兩個最近的碳原子之間的距離為______ pm。
8
(4)碳原子的半徑為r，則a、r有什么關系？
導練
1. 氮化鋁屬類金剛石氮化物、六方晶系，最高可穩定到2 200 ℃，硬度大，熱膨脹系數小，是良好的耐熱沖擊材料，氮化鋁晶胞結構如圖所示。下列有關描述錯誤的是（ ）
A.AlN是共價晶體
B.Al的配位數為4
C.AlN屬于離子化合物
D.與每個鋁原子距離相等且最近的鋁原子共有12個
C
2. 下列關于SiO2晶體空間結構的敘述正確的是（ ）
A.最小的環上，有3個硅原子和3個氧原子
B.最小的環上，硅原子數和氧原子數之比為1∶2
C.最小的環上，有6個硅原子和6個氧原子
D.存在四面體結構單元，O原子處于中心，Si原子處于4個頂角
C
1
2
3
自我測試
4
1. 下列晶體中①SiO2　②CO2　③P4　④晶體硅 ⑤H2SO4　⑥P2O5　⑦SO3　⑧SiC　⑨冰醋酸 ⑩金剛石，屬于共價晶體的一組是（ ）
A.①③④⑤⑥⑩ B.①④⑧⑩
C.③④⑧⑨⑩ D.全部
B
自我測試
1
2
2. 碳化硅(SiC)是一種晶體，具有類似于金剛石的結構，其中C原子和Si原子的位置是交替排列的。有下列三種晶體：①金剛石　②晶體硅　③碳化硅，它們的熔點從高到低的順序是（ ）
A.①③② B.②③①
C.③①② D.②①③
A
3
4
自我測試
3
3. 最近科學家成功研制了一種新型的碳氧化物，該化合物晶體與SiO2的晶體的結構相似，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三維骨架結構。下列對該晶體的敘述錯誤的是（ ）
A.該晶體是共價晶體
B.該晶體中碳原子和氧原子的個數比為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
C
4
1
2
自我測試
4
4. 硅是一種重要的非金屬單質，硅及其化合物的用途非常廣泛。根據所學知識回答硅及其化合物的相關問題。
(1)基態硅原子的核外電子排布式為______________。
(2)晶體硅的微觀結構與金剛石相似，晶體硅中Si—Si之間的夾角大小為_______。
1s22s22p63s23p2
109°28′
(3)請在框圖中補充完成SiO2晶體的結構示意圖(部分原子已畫出)，并進行必要的標注。
1
2
3
自我測試
②SiCl4和SiF4：__________________________________________________
_______________________________________________________________________________________。
①SiO2和SiCl4：__________________________________________________
___________________________________________________________。
(4)根據下表中三種物質(晶體)的熔點，簡要解釋熔點產生差異的原因：
物質 SiO2 SiCl4 SiF4
熔點/℃ 1 710 －70 －90.2
SiO2是共價晶體，微粒間作用力為共價鍵；SiCl4是分子晶體，分子間作用力為范德華力，故SiO2熔點高于SiCl4
SiCl4和SiF4均為分子晶體，分子間作用力均為范德華力，根據分子結構相似的物質，相對分子質量越大，范德華力越大，可知SiCl4熔點高于SiF4
4
1
2
3

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