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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
課時二共價晶體
01.借助共價晶體模型認識共價晶
體的結構特點，發展“證據推理
和模型認知”的科學素養
02.能夠從化學鍵的特征分析理解 共價晶體的物理特性，發展“宏 觀辨識和微觀探析”的學科核心
素養
學習
目標
共價晶體
干冰
熔點/℃-56.2(527 kPa) 沸點/℃-78.5
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
二氧化硅
熔點/℃ 1723 沸點/℃ 2230
口組成的粒子：分子
口粒子間的作用力：范德華力
口性質：熔點低
口組成的粒子：原子
口粒子間的作用力：共價鍵
口性質：熔點高
共價
晶體
分子
晶體
01) 共價晶體
01 共價晶體
共價晶體 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
構成粒子及作用力
構成粒子 原子
共價晶體
粒子間的作用力 共價鍵 金剛石晶體結構模型
【思考】:由原子構成的晶體一定是共價晶體嗎
不一定，金屬晶體也是由原子構成的(下一節學習)
2、含有共價鍵的晶體一定是共價晶體嗎
不一定，共價晶體中含有共價鍵，但分子晶體中也 含有共價鍵，如CO
3、如何判斷是否為共價晶體嗎
01) 共價晶體
1、由原子構成的晶體一定是共價晶體嗎
思考 討論
1、某些單質 金剛石(C)、硅(Si)、鍺 (Ge)、灰 錫(Sn)、 硼 (B)、 等
2、某些非金屬化合物 二氧化硅(SiO )、氮化硼(BN)、氮 化 硅(Si N )、
金剛砂(SiC)、 等
Si N 晶體結構
B C N 0 F
Ne
Al Si P S CI
Ar
Ga Ge As Se Br
Kr
In Sn Sb Te
Xe
TI Pb Bi Po At
Rn
01)共價晶體
共價晶體的判斷
方法一：根據物質類別
方法二：根據晶體的物理性質
1、共價晶體的熔點很高(一般情況下，大于1000℃)硬度很大 ( 如金剛石是天然礦物中最硬的物質),多數非導體(晶體硅和 鍺為半導體)
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/℃ >3500 3000 2700 1710 1410
1211
硬度* 10 9.5 9.5 7 6.5
6.0
01)
共價晶體
分子晶體熔化或氣化時斷裂的是分子間作用力，而共價
晶體熔化或氣化時斷裂是共價鍵，共價鍵的強度比分子 間作用力的強度大的多
2、都是原子晶體，為什么熔點：金剛石>碳化硅>硅
由于原子半徑：Si>C, 鍵長：C-C鍵能：C-C>C-Si>Si-Si,鍵能越大，共價鍵越穩定，熔沸點越 高
【總結】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、沸點越高。
01 共價晶體
1、對比分子晶體，為什么共價晶體的熔點和硬度很高
思考 討論
01 共價晶體
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
01)共價晶體
一 、金剛石
①在晶體中每個碳原子以四個共價單鍵 與相鄰的4_ 個碳原子相結合，成為正四 面體。
②晶體中C-C-C夾角為 109°28' , 碳 原 子采取_sp 雜化。
③最小環上有6個碳原子，最多4個 碳原子在同一平面。
④每個碳原子被12 個六元環共用。
正四面體
28
109°
1.55×10m
最小環為六元環
01共價晶體
一 、金剛石
⑤晶體中每個C參與了4 條C—C鍵的形成，
而在每條鍵中的貢獻只有1/2 ,
故C原子與C—C 鍵數之比為：
即金剛石中，1molC 平均擁有2mol C—C鍵
12g金剛石含有NA 個C原子，含有2NA個C-C鍵
⑥在金剛石晶胞中占有的碳原子數_8 _
8×1/8+6×1/2+4=8
共價晶體
一個金剛石晶胞中含有_8_個碳原子，若碳原子半徑為r,
則
已知：
空間利用率=
思考 討論
金剛石晶胞邊長為a, 根據硬球接觸模型，
金剛石晶胞的空間利用率=
原子體積
晶胞體積
01)
×100%
: 、
二氧化硅晶體中，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(封閉的環狀結 構)。最小的環上有6個硅原子和6個氧原 子，硅、氧原子個數比為 1:2 。
01 共價晶體
二氧化硅
二氧化硅是自然界含量最高的固態二元氧化物，熔點1713℃,有多種結構。
01) 共價晶體
低溫石英(aSiO ) 是最常見的一種結構。遍布海灘河岸的黃沙、帶狀 的石英礦脈、花崗石里的白色晶體、透明的水晶都是低溫石英。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
水泥 玻璃
單晶硅
單晶硅 制的芯 片 硅太陽 能 電池
二氧化
硅
光導纖
維
共價晶體
用途
共價晶體
硅晶體結構與金剛石極其相似，只是將碳原子換成了硅原 子。那么1 mol單晶硅中含有多少個Si-Si鍵
1 mol SiO 中含有多少Si-O鍵
思考
討論
單晶硅結構模型
1mol Si中含2mol Si-Si鍵 1mol SiO 中含4mol Si—O鍵
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/℃ >3500 3000 2700 1710 1410
1211
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。
01共價晶體
01 共價晶體
金剛石不能被任何天然礦物畫出刻痕，因而是最硬的，以金剛石 的硬度為10,以另外幾種天然礦物為代表可將摩氏硬度分為十度， 即 ：
硬度大的物質不一定經得起錘擊，如金剛石硬度最大，很容易經錘
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生原子錯位而斷裂。
金剛石 剛玉 黃玉 石英 正長石 磷灰石 螢石 方解石 石膏
滑石
10 9 8 7 6 5 4 3 2
1
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
01共價晶體
■分子晶體和共價晶體對比
三種物質中，每個原子均以sp 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。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。
共價晶體 金剛石 硅
鍺
熔點/℃ >3500 1410
1211
硬度* 10 6.5
6.0
01 共價晶體
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
01 共價晶體
■比較物質的熔點的方法
方 法 口依據組成晶體的粒子和粒子間的作用力判斷
口依據性質判斷
有氫鍵 只有 范德華力
氫鍵的
數目多少
相對分子 質量大小
共價
判斷 晶體 晶體的類型
分子 晶體
判斷
鍵能的大小
判斷
分子間的作
用力
鍵能越大
熔點越高
· 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、光通訊、GPS 導 航等，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
01 共價晶體
第三代半導體：中國半導體的希望!
· 碳化硅Sic、氮化鋁AIN、氮化鎵GaN、氧化鋅ZnO、金剛石C
·主要應用：高溫、高頻、抗輻射、大功率器件；藍、綠、紫光二極管、
半導體激光器，更優的電子遷移率、帶隙、擊穿電壓、高頻、高溫特性
· 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
第二代 半導體
第一代 半導體
第三代 半導體
課堂總結
概念
性質
共價晶體中的粒子及 粒子間的相互作用
金剛石
二氧化硅
共價晶體
常見共價晶 體結構分析
課堂總結
共價晶體
課堂練習
03課堂練習
1. 下面關于SiO 晶體網狀結構的敘述正確的是
A. 最小的環上，有3個Si原子和3個O原子
B. 最小的環上，Si和O 原子數之比為1:2
C. 最小的環上，有6個Si原子和6個O 原子
D. 存在四面體結構單元，O 處于中心，Si處于4個頂角
03 課堂練習
【答案】C
【詳解】根據SiO 的晶體空間結構模型可判斷每個硅原子與4個氧原子 結合形成4個共價鍵，每個氧原子與2個硅原子結合形成2個共價鍵，其 空間網狀結構中存在四面體結構單元，硅原子位于四面體的中心，氧 原子位于四面體的4個頂角；金剛石的最小環上有6個碳原子，SiO 的 晶體結構可將金剛石晶體結構中的碳原子用硅原子代替，每個Si—Si 鍵中“插入”一個氧原子，所以其最小環上有6個硅原子和6個氧原子，
Si、O原子個數比為1:1,因此選項ABD均是錯誤的，C正確；答案選
C。
03)課堂練習
2. 金剛石和石墨的物理性質存在著較大差異，原因是( )
A. 它們是由不同種元素構成的 B. 他們各自的原子排列方式不同 C. 它們具有不同的幾何外形 D. 石墨能導電而金剛石不能
【答案】B
【詳解】物質的組成和結構決定了物質的性質，金剛石和石墨均由C 元素構成，但由于結構中碳原子的排列方式不同，所以物理性質存在 較大差異，故答案為B。
03 課堂練習
3 .美國《科學》雜志曾報道：在40GPa 的高壓下，用激光加熱到 1800K, 人們成功制得了共價晶體CO , 下列對該物質的推斷一定不 正確的是
A. 該共價晶體中含有極性鍵
B. 該共價晶體易汽化，可用作制冷材料
C. 該共價晶體有很高的熔沸點
D. 該共價晶體的硬度大，可用作耐磨材料
03課堂練習
【答案】B
【詳解】A 、CO 固態時由分子晶體變為共價晶體，其成鍵情況也發生了變化， 由原來的C=0變為C-0, 但化學鍵依然為極性共價鍵，A項正確；
B 、CO 由分子晶體變成共價晶體，熔沸點高，不易汽化，不適合作制冷材料， B 不正確；
C、CO 由分子晶體變成共價晶體，共價晶體有很高的熔沸點，故C正確；
D、CO 由分子晶體變成共價晶體，共價晶體具有硬度大耐磨等特點，D 項正 確；
答案選B。
03課堂練習
4. 下面關于SiO 晶體網狀結構的敘述正確的是
A.1 mol SiO 晶體中Si-O鍵為2 mol
B. 二氧化硅晶體的分子式是SiO
C. 晶體中Si、O原子最外電子層都滿足8電子
D. 最小的環上，有3個Si原子和3個O原子
03 課堂練習
【答案】C
【詳解】A. 每 個Si原子形成四個共價鍵，則1 mol SiO 晶體中含4 mol Si-O 鍵，故A錯誤；
B. 由二氧化硅晶體結構圖可知，每個硅原子周圍連有四個氧原子，每個氧
原子周圍連有2個硅原子，則Si、O原子個數比為1:2,不存在分子，故B錯 誤 ；
C. 在晶體中硅原子周圍有4對共用電子對，氧原子有2對共用電子對，而氧 原子最外層就是6個電子，這樣兩種原子都滿足8電子結構，故C正確；
D. 由二氧化硅晶體結構圖可知，晶體中最小環上含有6個硅原子和6個氧原 子，故D錯誤。
故 選 ：C。
03課堂練習
5. 最近科學家成功制成了一種新型的碳氧化合物，該化合物晶體中 每個碳原子均以四個共價單鍵與氧原子結合為一種空間網狀的無限伸 展結構，下列對該晶體敘述錯誤的是
A .該晶體類型是原子晶體
B. 晶體中碳原子數與C-O 化學鍵數之比為1:2
C. 該化合物中碳原子采取sp 雜化
D. 該晶體中碳原子和氧原子的個數比為1:2
03課堂練習
【答案】B
【詳解】A. 該晶體中，每個碳原子均以四個共價單鍵與氧原子結合為一種空間 網狀的無限伸展結構，則此晶體類型是原子晶體，A正確；
B. 晶體中，每個碳原子與周圍的4個氧原子以共價單鍵相連，則碳原子數與C-0 化學鍵數之比為1:4,B 錯誤；
C. 該化合物中每個碳原子與4個氧原子以共價單鍵相連，即每個碳原子形成4個σ 鍵，則碳原子的價層電子對數為4,采取sp 雜 化 ，C 正確；
D. 該晶體中，每個碳原子形成4個共價單鍵，每個氧原子形成2個共價單鍵，則 碳原子和氧原子的個數比為1:2,D 正確；
03課堂練習
6.下列關于SiO 和金剛石的敘述正確的是( C )
A .SiO 的晶體結構中，每個Si原子與2個0原子直接相連
B. 通常狀況下，1 mol SiO 晶體中含有的分子數為NA(NA表示阿伏加 德羅常數的值)
C. 金剛石的網狀結構中，由共價鍵形成的最小環上有6個碳原子
D.1mol 金剛石中含有4 NA個C-C鍵(NA表示阿伏加德羅常數的值)
0 3 課 堂 練 習
7.下列物質的晶體直接由原子構成的一組是( C )
①CO ②SiO ③ 晶體Si ④白 磷 ⑤ 氨 基 乙 酸 ⑥ 固 態He
A.①②③④⑤⑥ B.②③④⑥
C.②③⑥ D.①②⑤⑥
03課堂練習
8.下列晶體性質的比較中不正確的是( C )
A .熔點：金剛石>碳化硅>晶體硅
B. 沸點：NH >PH
C. 硬度：白磷>冰>二氧化硅 D. 熔 點 ：SiI >SiBr >SiCl

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