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第三章 晶體結構與性質
第二節 分子晶體與共價晶體
第2課時
考點
常見共價晶體結構分析
共價晶體的
概念及其性質
01
02
二氧化硅
1 723
沸點/℃
2 230
熔點/℃
干冰
-56.2(527 kPa)
沸點/℃
-78.5
熔點/℃
碳和硅元素同為第四主族的元素，從其形成的化合物外形來看，均為晶體，而兩種晶體的熔沸點卻相差很大，這是為什么呢？
※ 組成的粒子：分子
※ 粒子間的作用力：范德華力
※ 性質：熔點低
分子
晶體
共價
晶體
※ 組成的粒子：原子
※ 粒子間的作用力：共價鍵
※ 性質：熔點高
共價晶體
通過金剛石晶體的結構認識共價晶體結構組成共價晶體的粒子和粒子間的作用力
探究一
※ 組成的粒子：原子
※ 粒子間的作用力：共價鍵
金剛石的多面體外形
晶體結構
晶胞示意圖
晶胞示意圖
共價晶體
共價晶體的結構特點及物理性質
※ 概念：相鄰原子間以共價鍵相結合而形成的具有空間立體網狀結構的晶體。
※ 構成微粒及微粒間作用
原子
共價鍵
構成微粒
微粒間作用
判斷
方法
常見的共價晶體
某些單質
極少數金屬氧化物
某些非金屬化合物
硼
其他：Si、金剛石、鍺(Ge)等
剛玉
其他：Mn2O7、Cr2O3 等
碳化硅
其他：SiO2、BN、Si3N4
認識金剛石的晶體結構和性質：一個金剛石晶胞中，含有幾個碳原子？
探究二
共價晶體
頂點
頂點：8× ＝1
8
1
認識金剛石的晶體結構和性質：一個金剛石晶胞中，含有幾個碳原子？
探究二
共價晶體
面心
頂點：8× ＝1
8
1
面心：6× ＝3
2
1
認識金剛石的晶體結構和性質：一個金剛石晶胞中，含有幾個碳原子？
探究二
共價晶體
體內：4
體內
頂點：8× ＝1
8
1
面心：6× ＝3
2
1
共計：1＋3＋4＝8
金剛石中，每個碳原子與多少個碳原子成鍵？碳原子采取什么雜化方式？
探究三
共價晶體
※ 每個碳原子與4個碳原子成鍵
109°28
※ 碳原子采取sp3雜化方式
在金剛石晶胞中：六元環結構 : 碳原子數目 : C C鍵數目＝________
探究四
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)
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
※ 金剛石中六元環結構與碳原子數目比為 2 : 1
在金剛石晶胞中：六元環結構 : 碳原子數目 : C C鍵數目＝________
探究四
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
※ 金剛石中六元環結構與碳原子數目比為 2 : 1
在金剛石晶胞中：六元環結構 : 碳原子數目 : C C鍵數目＝ 2 : 1 : 2
從金剛石結構的角度解釋金剛石熔點高，硬度大的原因？
探究五
共價晶體
C－C鍵參數
鍵長 154 pm
鍵能 347.7 kJ/mol
共價鍵數目
金剛石
熔點＞3 500 ℃ (高)，硬度大
(很短)
(很高)
(很多)
金剛石晶體模型的演變 (等電子體原理)
探究六
金剛石
晶體硅
SiC
GaAs
※ 與碳同族單質(如Si、Ge)都具有與金剛石相似的結構
※ 第ⅣA族相鄰元素間也可形成相似結構的晶體 (如SiC)
※ 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。
※ 晶體中每個硅原子與____個氧原子以共價鍵結合，形成 ________結構；每個正四面體占有____個Si，___個O。故該晶體中硅、氧原子個數比為______。
※ 最小環上有 ___個原子(__個Si和__個O) 1 mol SiO2晶體中含____mol Si O鍵。
金剛石晶體模型的衍生 (方石英SiO2)
探究七
金剛石
晶體硅
二氧化硅
4
正四面體
1
2
1 : 2
12
6
6
4
例、設NA為阿伏加德羅常數的值。下列說法正確的是( )
A．124 g P4含有的P P鍵的個數為6NA
B．12 g 石墨中含有的C C鍵的個數為2NA
C．12 g 金剛石中含有的C C鍵的個數為1.5NA
D．60 g SiO2中含Si O鍵的個數為2NA
A
在低溫石英的結構中，頂角相連的硅氧四面體形成螺旋上升的長鏈，而沒有封閉的環狀結構，這一結構決定了它具有手性(左、右型)，被廣泛用作壓電材料，如制作石英手表。
二氧化硅晶體——低溫石英
石英晶體中的硅氧四面體相連構成的螺旋鏈
石英的左、右型晶體
石英手表
二氧化硅晶體——重要用途
水泥
單晶硅
玻璃
單晶硅
制的芯片
硅太陽能
電池
二氧化硅
光導纖維
根據表中數據，歸納共價晶體的性質特點，并從結構角度解釋原因
探究八
某些共價晶體的熔點和硬度
共價晶體 金剛石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 鍺
熔點/℃ ＞3 500 3 000 2 700 1 710 1 410 1 211
硬度* 10 9.5 9.5 7 6.5 6.0
*硬度是衡量固體軟硬程度的指標。硬度有不同的標度，最普通的硬度標度是劃痕硬度，即摩氏硬度，以固體互相刻畫時出現刻痕的固體的硬度較低。
共價晶體的結構特點
共價晶體的性質特點
※ 非密堆積
※ 原子通過共價鍵形成空間網狀結構
※ 熔點高 (通常＞1 000 ℃)
※ 硬度大
晶體的類型 分子晶體 共價晶體
概念 以分子間作用力結合 相鄰原子間以共價鍵結合
組成的粒子 分子 原子
作用力 分子間作用力 共價鍵
熔點 較低 較高
硬度 小 大
分子晶體和共價晶體對比
三種物質中，每個原子均以sp3雜化形式與相鄰的四個原子形成σ鍵，整體上形成三維骨架結構，同屬于共價晶體，熔點都比較高。熔點的相對高低與共價鍵的強弱有關，共價鍵越強，熔點越高。
共價晶體 金剛石 硅 鍺
熔點/℃ ＞3 500 1 410 1 211
硬度* 10 6.5 6.0
請同學們根據所學內容，思考并回答：怎樣從原子結構的角度理解金剛石、硅和鍺的熔點和硬度依次下降？
金剛石、硅和鍺的結構差別在于碳、硅、鍺原子半徑依次遞增。C-C鍵、Si-Si鍵、 Ge-Ge鍵的鍵長依次遞增，鍵長越長，鍵能越小，所以熔點和硬度依次下降。
比較物質的熔點的方法
共價晶體
共價
晶體
分子
晶體
有氫鍵
只有
范德華力
方法
※ 依據組成晶體的粒子和粒子間的作用力判斷
※ 依據性質判斷
判斷晶體
的類型
鍵能越大
熔點越高
氫鍵的
數目多少
相對分子質量大小
判斷鍵能
的大小
判斷分子間
的作用力
第三代半導體：中國半導體的希望！
鍺Ge、硅Si
※ 主要應用：低壓、低頻、中功率晶體管、光電探測器，取代了笨重的電子管，導致了集成電路的可能性
砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)
※ 主要應用：毫米波器件、發光器件、衛星通訊、移動通訊等，較好的電子遷移率、帶隙等材料特性，資源稀缺，有毒性，污染環境。
碳化硅、氮化鋁、氮化鎵(GaN)、氧化鋅、金剛石
※ 主要應用：高溫、高頻、抗輻射、大功率器件；二極管、半導體激光器，更優的電子遷移率、帶隙、高頻、高溫特性
第一代
半導體
第二代
半導體
第三代
半導體
1、T-碳的結構是將立方金剛石中的每個碳原子用一個由4個碳原子組成的正四面體結構單元取代，形成碳的一種新型三維立體晶體結構，如圖所示(圖中的 表示碳形成的正四面體結構 )。已知T-碳晶胞參數為a pm，NA為阿伏加德羅常數的值。下列說法錯誤的是( )
A. 每個T-碳晶胞中含32個碳原子
B. T-碳中C–C的最小夾角約為109°28′
C. T-碳屬于共價晶體
D. T-碳的密度為 g·cm 3
B
12×32
NA(a×10 10)3
2、單質硼有無定形和晶體兩種，參考下表數據回答問題：
金剛石 晶體硅 晶體硼
熔點/℃ ＞3 550 1 410 2 573
沸點/℃ 5 100 2 355 2 823
硬度 10 7.0 9.5
(1)晶體硼屬于_____晶體，理由是_____________________________。
共價
晶體硼的熔、沸點高，硬度大
(2)金剛石具有硬度大、熔點高等特點，大量用于制造鉆頭、金屬切割刀具等。其結構如圖所示，下列判斷正確的是____(填字母)。
A. 金剛石中C–C的鍵角均為109°28′，所以金剛石和CH4的晶體類型相同
B. 金剛石的熔點高與C–C的鍵能無關
C. 金剛石中碳原子個數與C–C數之比為1∶2
D. 金剛石的熔點高，所以在打孔過程中不需要進行澆水冷卻
C
2、單質硼有無定形和晶體兩種，參考下表數據回答問題：
金剛石 晶體硅 晶體硼
熔點/℃ ＞3 550 1 410 2 573
沸點/℃ 5 100 2 355 2 823
硬度 10 7.0 9.5
(3)已知晶體硼的結構單元是由硼原子組成的正二十面體(如圖所示)，該結構單元中有20個正三角形的面和一定數目的頂角，每個頂角上各有一個硼原子。通過觀察圖形及推算，得出此結構單元是由_____個硼原子構成的，其中B–B的鍵角為______，該結構單元共含有____個B–B。
12
60°
30
概念
金剛石
二氧化硅
性質
共價晶體中的粒子及粒子間的相互作用
第二節
　分子晶體與共價晶體
第2課時
共價
晶體
常見共價晶體結構分析
THANKS
謝 謝 聆 聽

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