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第二節(jié) 分子晶體和共價晶體
第三章 晶體結構和性質
第二課時
共價晶體
【復習回顧】
1、影響分子晶體熔沸點的因素是什么？
2、碳和硅元素位于元素周期表中同一主族，且二氧化碳和二氧化硅晶體均含有共價鍵，為什么熔沸點差異那么大？
CO2面心立方
二氧化硅中的Si采取sp3雜化軌道形成共價鍵三維骨架結構
有的晶體微觀空間里沒有分子，共價晶體就是其中之一。
一、共價晶體
所有原子都以共價鍵相互結合形成三維的立體網狀結構的晶體。
共價晶體
構成粒子
原子
粒子間的作用力
共價鍵
[注意]①熔化時破壞的作用力：共價鍵
②由原子構成的晶體不一定是共價晶體
③具有共價鍵的晶體不一定是共價晶體
如稀有氣體
共價晶體熔化時破壞共價鍵，所以熔沸點很高，硬度很大。
如硼（B）、硅（Si）、鍺（Ge）和灰錫（Sn）等
如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)及氮化硅(Si3N4)等
③極少數金屬氧化物：，
①某些單質：
②某些非金屬氧化物：
如剛玉(ɑ-Al2O3)
2、 典型的共價晶體
金剛石、晶體硅、晶體鍺
碳化硅
氮化硅
近年來Si3N4以為基礎，用Al取代部分Si，用O取代部分N而獲得結構多樣化的陶瓷，用于制作LED發(fā)材料。
共價晶體的化學式：
共價晶體不存在單個分子、整塊晶體就是一個“巨分子”
單質的化學式用元素符號表示如晶體硅 Si、金剛石 C；
化合物的化學式：按各原子數目的最簡比寫化學式。
石英晶體：SiO2，表示晶體中硅、氧原子個數比1：2，不存在單個的SiO2分子。碳化硅SiC、氮化硅Si3N4 、氮化硼B(yǎng)N 等
金剛石結構示意圖
石英結構示意圖
3、共價晶體的物理性質
共價晶體 金剛石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 鍺
熔點/0C ＞3550 3000 2700 1710 1410 1211
硬 度 10 9.5 9.5 7 6.5 6.0
①熔點很高：
②硬度很大。
③一般不導電，但晶體硅、鍺是半導體
④難溶于一般溶劑
共價晶體中，原子間以較強的共價鍵相結合，要使物質熔化就要克服共價鍵，需要很高的能量。
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畫痕硬度，即摩氏硬度。
問題1：怎樣從原子結構角度理解金剛石、碳化硅、晶體硅的熔點和硬度依次下降？
金剛石、碳化硅、晶體硅都是共價晶體，原子半徑：C碳化硅>晶體硅。
小結：共價晶體熔沸點大小的比較
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(wěn)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。
問題2：硬度大的物質一定經得起錘擊嗎？
硬度是衡量固體軟硬程度的指標。以固體互相刻畫時出現刻痕的固體的摩爾硬度較低。金剛石不能被任何天然礦物畫出刻痕，因而是最硬的。但卻很容易經鍾擊而破碎。物質經受錘擊的性質屬于延展性。由于共價晶體中的共價鍵具有方向性，當受到大的外力作用時會發(fā)生原了錯位而斷裂。硬度大的物質不一定經得錘擊。
課堂練習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(tài)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( )
(5) 二氧化硅和干冰雖然是同一主族元素形成的氧化物,但屬于不同的晶體類型。(　　)
(6).SiO2是二氧化硅的分子式。(　　)
×
×
×
×
√
×
4、 共價晶體的結構特征
(1)金剛石晶體
天然金剛石呈現多面體外形
金剛石的結構
金剛石的晶胞
金剛石晶胞的結構特點
典型共價晶體的結構分析------金剛石
正四面體
最小環(huán)為六元環(huán)
①在金剛石晶體中每個碳原子周圍緊鄰的碳原子有　　個以共價鍵結合形成 。
②每個碳原子都采取____雜化
③所有的C—C鍵長相等，鍵角相等，鍵角為_________.
④晶體中最小的碳環(huán)由___個碳組成，且_____同一平面內；
sp3
109°28'
6
不在
4
正四面體
典型共價晶體的結構分析------金剛石
⑥晶體中C原子與C—C鍵數之比為： 。
1：2
⑤每個碳原子可形成12個六元環(huán),每個
C-C鍵可以形成6個六元環(huán)。
⑦在金剛石晶胞中占有的碳原子數_______　
8
8×1/8+6×1/2+4=8
⑧12g 金剛石含有_____個C原子
含有_____ 個C-C鍵
NA
2NA
科學 技術 社會——金剛石
1、天然金剛石
2、人工合成金剛石
以石墨為原料高壓合成金剛石
以甲烷、氫氣為原料低溫低壓合成金剛石
天然金剛石形成條件：高溫高壓
金剛石的用途
金剛石 晶體硅 SiC GaAs
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。
109 28 ，三維骨架
鍵能：347.7 kJ/mol
鍵長：154 pm（很短）
熔點很高：
大于 3500 0C
硬度最大：
摩氏 10 度
結構決定性質
SiO2是自然界含量最高的二元氧化物，熔點1713 ℃，有多種結構 ，最常見的是低溫石英。遍布河岸的黃沙、帶狀的石英礦脈、花崗石里的白色晶體以及透明的水晶都低溫石英。
黃沙
花崗巖
石英礦
水晶
①SiO2在自然界分布：
(2)二氧化硅晶體
②低溫石英的結構
其結構中有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(huán)狀結構。這一結構決定了它具有手性，被廣泛用作壓電材料，如石英手表。
石英晶體中硅氧四面體相連構成的螺旋鏈
石英的左、右型晶體
SiO2用途：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
2
4
① 在SiO2晶體中，每個硅原子與 個氧原子結合；每個氧原子與 個硅原子結合；每個正四面體占有___個Si，__個O。故SiO2晶體中Si與O之為______。
典型共價晶體的結構分析------二氧化硅
1 : 2
109 28
1
2
②最小環(huán)上有____個原子(____個Si和____個O)。
每個Si被___個最小環(huán)共用，每個Si—O—Si鍵被___個最小環(huán)共用，每個最小的環(huán)實際擁有的硅原子為___________，氧原子數為_____________。
12
6
6
6×1/12=1/2
12
6
6×1/6=1
典型共價晶體的結構分析------二氧化硅
1：4
1：2
③硅原子個數與Si－O 共價鍵個數之是 ；
氧原子個數與Si－O 共價鍵個數之比是 。
④1mol SiO2中含 mol Si-O鍵。
4
109 28
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)。
二氧化硅晶胞
晶體硅的結構
二氧化硅的結構
①二氧化硅晶胞中含有的Si原子數為___，O原子數為___
8
16
②1molSiO2晶體中含_____molSi-O鍵。
4
課堂練習2:正誤判斷
(1)金剛石晶體中最小碳環(huán)是六元環(huán)，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(huán)所共有，每個C—C被6個六元環(huán)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( )
×
√
×
√
(5)金剛石和二氧化硅晶體中C、Si都是sp3雜化，鍵角109 28 ( )
(6)金剛石中C與C—C鍵和二氧化硅晶體中Si與Si—O鍵的比值都是1:2 ( )
√
×
SiO2有許多重要用途。
小結：常見共價晶體的結構
物質 金剛石 二氧化硅
晶體 結構
結構 特點 ①碳原子采取sp3雜化，每個碳原子以4個共價單鍵對稱地與相鄰的4個碳原子相結合，形成正四面體結構。 ②晶體中C—C—C夾角為109°28′。 ③最小環(huán)上有6個碳原子。 ④1mol晶體中有2molC—C鍵。 ⑤1個晶胞中有8個碳原子。 ①每個硅原子均以4個共價鍵對稱地與相鄰的4個氧原子相結合，每個氧原子與2個硅原子相結合,向空間擴展，形成三維骨架結構。
②硅、氧原子個數比為1∶2。
③最小的環(huán)上有6個硅原子和6個氧原子。
④1molSiO2中有4molSi—O鍵。
思考與討論4：
→碳和硅同主族，它們的氧化物CO2和SiO2，為什么物理性質差異很大？
干冰
SiO2
物質 熔點/℃ 沸點/℃
CO2 -56.2 （在527 kPa下測得） -78.5
SiO2 1723 2230
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空間網狀結構，晶體中不存在小分子。
思考與討論4：
→碳和硅同主族，它們的氧化物CO2和SiO2，為什么物理性質差異很大？
干冰晶胞結構
二氧化硅晶胞結構
三、共價晶體與分子晶體比較及判斷
1.依據組成晶體的粒子和粒子間的作用力判斷
→組成共價晶體的粒子是原子，粒子間的作用力是共價鍵；
→組成分子晶體的粒子是分子或原子(稀有氣體)，粒子間的的作用力是分子間作用力。
2.依據晶體的熔點判斷
→共價晶體的熔沸點高，常在1000℃以上；
→分子晶體的熔、沸點低，常在數百攝氏度以下。
判斷共價晶體和分子晶體的方法
3.依據物質的狀態(tài)判斷
一般常溫常壓下，呈氣態(tài)或液態(tài)的單質與化合物，在固態(tài)時屬于分子晶體。
總結2：
(4)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。
(5)依據物質的分類判斷
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SiC、BN、AlN、Si3N4、C3N4、SiO2等；
大多數非金屬單質(除金剛石、石墨、晶體硅、晶體硼外)、氣態(tài)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)都是分子晶體。
(6)依據物質的狀態(tài)判斷
一般常溫常壓下，呈氣態(tài)或液態(tài)的單質與化合物，在固態(tài)時屬于分子晶體。
4.依據晶體的硬度與機械性能判斷。
判斷共價晶體和分子晶體的方法
總結2：
→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。
5.依據導電性判斷。
共價晶體硬度大,分子晶體硬度小且較脆。
1.不同類型的晶體熔、沸點：
共價晶體>分子晶體
分子晶體、共價晶體的熔、沸點比較
分子晶體:
①看是否含有氫鍵
有分子間氫鍵的熔沸點高
都有分子間氫鍵，
看氫鍵的個數，個數越多熔沸點越高
②比較范德華力
組成和結構相似，相對分子質量越大，熔沸點越高
③比較分子極性
相對分子質量相近，分子極性越大，熔沸點越高。
④同分異構體的支鏈越多，熔、沸點越低。
2.同一類型的晶體熔、沸點：
總結3：
如比較金剛石、碳化硅、晶體硅的熔點高低：
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(wěn)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。
1.不同類型的晶體熔、沸點：
共價晶體>分子晶體
分子晶體、共價晶體的熔、沸點比較
總結3：
2.同一類型的晶體熔、沸點：
一般原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，晶體的熔點就越高。
∴ 熔點：金剛石>碳化硅>晶體硅。
則鍵長：C-C < C-Si < Si-Si，
原子半徑：C故鍵能：C-C(1).分子晶體中一定存在共價鍵。 (　　)
(2).干冰升華的過程中破壞了共價鍵。(　　)
(3).二氧化硅和干冰雖然是同一主族元素形成的氧化物,但屬于不同的晶體類型。(　　)
(4).分子晶體的熔、沸點比較低,共價晶體的熔、沸點比較高。(　　)
(5).含有共價鍵的晶體都是共價晶體。(　　)
(6).SiO2是二氧化硅的分子式。(　　)
1、判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
√ 　　
√ 　　
×
×
×
×
2、正誤判斷
(1)金剛石晶體中最小碳環(huán)是六元環(huán)，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(huán)所共有，每個C—C被6個六元環(huán)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( )
×
√
×
√
(5)金剛石和二氧化硅晶體中C、Si都是sp3雜化，鍵角109 28 ( )
(6)金剛石中C與C—C鍵和二氧化硅晶體中Si與Si—O鍵的比值
都是1:2 ( )
√
×
2．下列物質中，屬于共價晶體的化合物是(　 　)
A．無色水晶　 B．晶體硅
C．金剛石　 D．干冰
A
3．下列晶體性質的比較中不正確的是(　　)
A．熔點：金剛石>碳化硅>晶體硅
B．沸點：NH3>PH3
C．硬度：白磷>冰>二氧化硅
D．熔點：SiI4>SiBr4>SiCl4
C
4．一種新型材料B4C，它可用于制作切削工具和高溫熱交換器。關于B4C的推斷正確的是(　　)
A．B4C分子是由4個硼原子和1個碳原子構成的
B．B4C是一種共價晶體
C．B4C是一種分子晶體
D．B4C晶體中存在離子鍵
B
B4C由非金屬元素組成，可用于制作切削工具和高溫熱交換器，說明熔點高，應為共價晶體，不存在單個分子，構成微粒為原子，碳、硼原子之間以共價鍵結合。
7. 設NA為阿伏加德羅常數的值。下列說法中正確的是
A.28 g晶體硅中含有Si—Si的個數為2NA
B.124 g白磷(P4)晶體中含有P—P的個數為4NA
C.12 g金剛石中含有C—C的個數為4NA
D.SiO2晶體中1 mol硅原子可與氧原子形成2NA個共價鍵(Si—O)
A
8.氮氧化鋁(AlON)屬于共價晶體，是一種高強度透明材料，下列敘述錯誤的是
A.AlON和SiO2所含化學鍵的類型相同
B.電解熔融AlON可得到Al
C.AlON中N元素的化合價為－1
D.AlON和SiO2的晶體類型不相同
BD
AlON和SiO2均屬于共價晶體，均只含有共價鍵
AlON屬于共價晶體，熔融時不導電
AlON中O為－2價，Al為＋3價，所以N為－1
9.金剛石是由碳原子所形成的正四面體結構向空間無限延伸而得到的具有三維骨架結構的共價晶體。在立方體中，若一碳原子位于立方體體心，則與它直接相鄰的四個碳原子位于該立方體互不相鄰的四個頂角上(如圖中的小立方體)。請問，圖中與小立方體頂角的四個碳原子直接相鄰的碳原子數為多少，它們分別位于大立方體的什么位置
A.12，大立方體的12條棱的中點
B.8，大立方體的8個頂角
C.6，大立方體的6個面的中心
D.14，大立方體的8個頂角和6個面的中心
A
小立方體頂角的碳原子除了與體心上C原子直接相連，還另外連有3個C原子，所以，與小立方體頂角的四個碳原子直接相鄰的碳原子數為4×3=12，如右圖
(1)金剛砂屬于______晶體。金剛砂熔點比金剛石熔點_____。
10.金剛石和金剛砂(SiC)具有相似的晶體結構，在金剛砂的三維骨架結構中，碳原子、硅原子交替以單鍵相結合。試回答：
共價
低
(2)在金剛砂的結構中，1個硅原子周圍結合__個碳原子,鍵角是 。
4
109°28′
(3)金剛砂的結構中含有由共價鍵形成的原子環(huán)，其中最小的環(huán)上有____個硅原子。
3
(3)晶體中兩個最近的碳原子核之間的距離為______ pm。
11.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。
8
(2)已知晶胞參數為a pm，則金剛石的密度為______________ g·cm－3。
解析　8×1/8＋6×1/2＋4＝8
NA(a×10－10)3
12×8
(4)碳原子的半徑為r，則a、r有什么關系？
a pm
注意：晶胞質量=晶胞占有的微粒數× 。
A
B
c
①根據晶胞結構確定各種粒子的數目
求
晶胞質量
②根據晶胞的邊長或微粒間的距離
晶胞體積
求
ρ= m/V
解題策略
①面對角線長= 。
(2) 立方體晶胞中常用關系(設邊長為a)
②體對角線長= 。
(1)晶體密度的求算
12.六方氮化硼在高溫高壓下，可以轉化為立方氮化硼，其結構與金剛石
相似，硬度與金剛石相當，晶胞邊長為361.5 pm，立方氮化硼晶胞中含有____個氮原子、___個硼原子,立方氮化硼的密度是 g/cm3
(只要求列算式，不必計算出數值，阿伏加德羅常數的值為NA)
4
4
金剛石晶胞中C原子數：
8×1/8+6×1/2+4=8
∴一個BN晶胞中含4個N原子，4個B原子；
一個BN晶胞的質量：
25
NA
╳ 4
(1)氮化硅晶體屬于_____晶體。
(2)已知氮化硅的晶體結構中，原子間都以單鍵相連，且N原子和N原子，Si原子與Si原子不直接相連，同時每個原子都滿足8電子穩(wěn)定結構，請寫出氮化硅的化學式：_______。
13.氮化硅是一種高溫陶瓷材料，它的硬度大、熔點高、化學性質穩(wěn)定，工業(yè)上曾普遍采用高純硅與純氮在13 000 ℃時反應獲得。
共價
Si3N4
(3)現用四氯化硅和氮氣在氫氣氣氛保護下，加強熱發(fā)生反應，可得到較高純度的氮化硅。反應的化學方程式為__________________________。
(1)在SiO2晶體中有若干環(huán)狀結構，最小的環(huán)狀結構由____個原子構成。
(2)在SiO2晶體中，硅原子的價電子層原子軌道發(fā)生了雜化，雜化方式是_____，Si—O—Si的鍵角是_________。
14.參照如圖SiO2的晶體結構模型分析SiO2晶體的結構，并回答下列問題。
12
sp3
109°28′
14.參照如圖SiO2的晶體結構模型分析SiO2晶體的結構，并回答下列問題。
(3)二氧化硅屬于重要的無機非金屬材料，
請列舉兩項二氧化硅的主要用途：
①______________。
②________________________________________。
(4)下列說法中正確的是________(填序號)。
①凡是共價晶體都含有共價鍵
②凡是共價晶體都有正四面體結構
③凡是共價晶體都具有三維骨架結構
④凡是共價晶體都具有很高的熔點
制造石英玻璃
制造石英表中的壓電材料(或制造光導纖維等)
①③④

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