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第三章 晶體結構和性質
第二節 分子晶體與共價晶體
第2課時 共價晶體
板塊導航
01/學習目標 明確內容要求，落實學習任務
02/思維導圖 構建知識體系，加強學習記憶
03/知識導學 梳理教材內容，掌握基礎知識
04/效果檢測 課堂自我檢測，發現知識盲點
05/問題探究 探究重點難點，突破學習任務
06/分層訓練 課后訓練鞏固，提升能力素養
知道共價晶體的結構特點，能辨識常見的共價晶體。 認識金剛石晶體中碳原子的三維骨架結構，能借助共價晶體的晶體結構模型說明共價晶體中粒子間的相互作用，促進“證據推理與模型認知”化學核心素養的發展。 重點：共價晶體的結構與物理性質。 難點：共價晶體的結構與物理性質。
一、共價晶體
1．共價晶體定義：所有原子都以__________相互結合形成共價三維骨架結構的晶體叫共價晶體。
2．共價晶體的結構特點
說明：
①空間結構：整塊晶體是一個三維的共價鍵網狀結構，不存在單個的________，是一個“巨分子”，不存在單個的分子，因此，共價晶體的化學式不表示其實際組成，只表示其組成的原子________。
②共價晶體熔化時被破壞的作用力是________。
③共價晶體中只有共價鍵，但含有共價鍵的晶體________是共價晶體。如CO2、O2O等分子晶體中也含有共價鍵。
3．常見的共價晶體
物質種類 實例
某些非金屬單質 晶體硼、晶體硅、晶體鍺、金剛石等
某些化合物 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)等
某些非金屬氯化物 二氯化硅(SiO2)等
極少數金屬氯化物 剛玉(ɑ-Al2O3)
二、共價晶體的物理性質
1．共價晶體的物理性質
(1)熔點很_____：共價晶體由于原子間以較強的共價鍵相結合，熔化時必須破壞共價鍵，而破壞它們需要很高的溫度，所以共價晶體具有很高的熔點。結構相似的共價晶體，原子半徑越_____，鍵長越_____，鍵能越_____，晶體的熔點越_____。
(2)硬度很_____：共價鍵三維骨架結構決定了共價晶體的硬度，如金剛石是天然存在的最硬的物質。
③一般________電，但晶體硅、鍺是半導體。
④_____溶于一般的溶劑。
2．共價晶體熔、沸點的比較
①規律：一般原子半徑越_____，鍵長越_____，鍵能越_____，晶體的熔點就越_____。
②原因：原子半徑越_____，則化學鍵的鍵長越_____，化學鍵就越_____，鍵就越__________，破壞化學鍵需要的能量就越_____，鍵能越_____，故晶體的熔點就越_____。
③實例：在金剛石、碳化硅、晶體硅中，原子半徑C_____Si，則鍵長C-C_____C-Si_____Si-Si，故鍵能C-C_____C-Si_____Si-Si，故熔點金剛石_____碳化硅_____晶體硅。
教材【思考與討論】參考答案
(1)由于金剛石、晶體硅和儲的組成相似，原子半徑CSi-Si>Ge-Ge，
所以三者的熔點和硬度依次下降。
(2)此說法不對。“具有共價鍵并不是判定共價晶體的唯一條件，有些分子晶體的分子內部也有共價鍵，如冰和干冰晶體都是分子晶體，但O20和C02中存在共價鍵，對共價晶體的認識除了要求“具有共價鍵”外，還要求形成晶體的粒子是原子。
四、常見的共價晶體的結構
1．金剛石
(1)成鍵特征：每個碳原子都采取_____雜化，每個碳原子與相鄰的_____個碳原子形成_____個共價鍵，鍵長________，鍵角為________，每個碳原子的配位數為_____。
(2)結構單元：每個碳原子均與相鄰的4個碳原子構成________________，向空間無限延伸得到________結構的晶體，在1個正四面體中含有1+4√ 1/4=2個碳原子；最小碳環由_____個C組成且_____個碳原子不在同一平面內；金剛石晶體中每個C原子形成_____個C—C鍵，而每個鍵為_____個C原子所共有，故碳原子的個數與C—C鍵數比為__________。因此12g(1mol)金剛石中含有_____mol(_____NA個)C—C鍵。
(3)晶胞：①8個頂點，6個面心上各有1個碳原子；②把晶胞分割分8個小立方體，則每個小立方體的互為對角位置的4個頂點各有1個碳原子，4個互不相鄰的小立方體的體心各有1個碳原子。則每個金剛石晶胞中有8個碳原子。
2．二氯化硅
二氯化硅是自然界含量最高的固態二元氯化物，有少種結構，最常見的是低溫石英(α SiO2)。低溫石英的結構中有頂角相連的硅氯四面體形成螺旋上升的長鏈，這一結構決定了它具有手性。
(1)二氯化硅晶體的結構
①1個Si原子和_____個O原子形成_____個共價鍵，每個O原子和_____個Si原子相結合，在晶體中，Si原子和O原子個數比為__________，因此二氯化硅的化學式為_____，但SiO2晶體中不存在__________分子。
②1 mol SiO2中含_____ mol Si—O鍵
③最小環是由_____個Si原子和_____個O原子組成。
④每個Si原子被_____個_____元環共用，每個O原子被_____個_____元環共用。
⑤每個Si—O鍵被_____個_____元環共用。
(2)二氯化硅的用途：二氯化硅是制造水泥、玻璃、單晶硅、硅光電池、芯片和光導纖維的原料。
3．SiC晶體的結構
SiC晶體的結構類似于金剛石晶體結構，其中C原子和Si原子的位置是________的，所以在整個晶體中Si原子與C原子個數比為__________。
五、共價晶體的判斷
1．依據構成晶體的微粒種類和微粒間的作用力判斷：構成共價晶體的微粒是________，微粒間的作用力是共價鍵。
2．依據晶體的熔點判斷：共價晶體的熔點_____，常在________以上。
3．依據晶體的導電性判斷：共價晶體少數為_____導體，但晶體Si、晶體Ge為_____導體。
4．依據晶體的硬度和機械性能判斷：共價晶體硬度_____。
5．依據物質的分類判斷：常見的單質類共價晶體有金剛石、晶體硅、晶體硼等；常見的化合物類共價晶體有碳化硅、二氯化硅等。
6．根據溶解性判斷：共價晶體一般_____溶于任何溶劑。
1．請判斷下列說法的正誤(正確的打“√”，錯誤的打“√ ”)
(1)共價晶體中的相鄰原子間不一定只存在非極性共價鍵( )
(2) “硅—鍺晶體管”為我國首創，單晶硅、鍺均為共價晶體( )
(3)金剛石為共價鍵三維骨架結構，晶體中的最小環上有6個碳原子( )
(4)在SiO2晶體中，1個硅原子和2個氯原子形成2個共價鍵( )
(5)共價晶體中，共價鍵越強，熔點越高( )
(6)金剛石的熔、沸點高于晶體硅，因為C-C的鍵能小于Si-Si的鍵能( )
(7)稀有氣體的組成微粒是原子，屬于共價晶體，不存在分子間作用力( )
(8)金剛石為網狀結構，由共價鍵形成的碳原子環中，最小的環上有6個碳原子( )
(9)金剛石晶體中的最小環為六元環，每個碳原子均被12個六元環共用( )
(10)晶體中含有硅氯四面體結構單元的數目為NA( )
2．單質硼有無定形和晶體兩種，參考下表數據：
金剛石 晶體硅 晶體硼
熔點/K 3550 1415 2573
沸點/K 4827 2628 2823
摩氏硬度 10 7.0 9.5
晶體硼的晶體類型屬于________，理由是______________________________________。
3．單質硼有無定形和晶體兩種，參考下表數據：
金剛石 晶體硅 晶體硼
熔點/K ＞3 823 1 683 2 573
沸點/K 5 100 2 628 2 823
硬度 10 7.0 9.5
(1)晶體硼的晶體類型屬于________晶體，理由是____________________________。
(2)已知晶體硼的基本結構單元是由硼原子組成的正二十面體(如圖)，其中有20個等邊三角形的面和一定數目的頂點，每個頂點上各有1個B原子。通過觀察圖形及推算，此晶體結構單元由________個B原子組成，鍵角為________。
問題一 共價晶體的結構
【典例1】將SiCl4與過量的液氨反應可生成化合物Si(NO2)4。將該化合物在無氯條件下高溫灼燒，可得到氮化硅(Si3N4)固體，氮化硅是一種新型耐高溫、耐磨材料，在工業上有廣泛的應用。下列推斷可能正確的是(　　)
A．SiCl4、Si3N4的晶體類型相同 B．Si3N4晶體是立體網狀結構
C．共價晶體C3N4的熔點比Si3N4的低 D．SiCl4晶體在熔化過程中化學鍵斷裂
【解題必備】
1．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。
2．結構
3．結構特點
(1)由于共價鍵的飽和性和方向性，使每個中心原子周圍排列的原子數目是固定的。
(2)由于所有原子間均以共價鍵相結合，所以晶體中不存在單個分子。
【變式1-1】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
【變式1-2】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．28 g晶體硅中含有的Si—Si鍵的個數為4NA
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
【變式1-3】根據量子力學計算，氮化碳有五種結構，其中一種β-氮化碳硬度超過金剛石晶體，成為首屈一指的超硬新材料，已知該氮化碳的二維晶體結構如圖所示。下列有關該氮化碳的說法不正確的是 (　　)
A．該晶體中的碳、氮原子核外最外層都滿足8電子穩定結構
B．氮化碳中碳元素顯+4價，氮元素顯-3價
C．每個碳原子與四個氮原子相連，每個氮原子和三個碳原子相連
D．氮化碳的分子式為C3N4
問題二 典型的共價晶體
【典例2】(2024·山西省長治市高二期中)可以從金剛石的晶體結構建立金剛石晶胞結構。下列說法正確的是( )
A．晶體結構和晶胞結構是金剛石結構的兩種呈現方式
B．晶體結構中，晶胞結構中
C．晶體結構中的最小環是6元環，晶胞結構中的最小環是12元環
D．晶體結構中所有的碳原子都參與成鍵，晶胞結構中部分碳原子沒有成鍵
【解題必備】
【變式2-1】下列關于金剛石的說法中，錯誤的是(　　)
A．晶體中不存在獨立的分子 B．碳原子間以共價鍵相結合
C．是天然存在的硬度最小的物質 D．化學性質穩定，在高溫下也不與氯氣發生反應
【變式2-2】我們可以將SiO2的晶體結構想象為：在晶體硅的Si—Si鍵之間插入O原子。根據SiO2晶體結構圖，下列說法不正確的是(　　)
A．石英晶體中每個Si原子通過Si—O極性鍵與4個O原子作用
B．每個O原子也通過Si—O極性鍵與2個Si原子作用
C．石英晶體中Si原子與O原子的原子個數比為1∶2，可用“SiO2”來表示石英的組成
D．在晶體中存在石英分子，故能叫分子式
【變式2-3】碳化硅(SiC)晶體有類似金剛石的結構，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。它與晶體硅和金剛石相比較，正確的是(　　)
A．熔點從高到低的順序是碳化硅>金剛石>晶體硅
B．熔點從高到低的順序是金剛石>晶體硅>碳化硅
C．三種晶體中的單元都是四面體結構
D．三種晶體都是原子晶體且均為絕緣體
問題三 共價晶體的性質
【典例3根據下列性質判斷，屬于共價晶體的物質是(　　)
A．熔點2 700 ℃，導電性好，延展性強
B．無色晶體，熔點3 500 ℃，不導電，質硬，難溶于水和有機溶劑
C．無色晶體，能溶于水，質硬而脆，熔點800 ℃，熔化時能導電
D．熔點-56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固態或液態時不導電
【解題必備】
共價晶體具有不同的結構，對結構相似的共價晶體來說，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越小，熔點越高，硬度越小。以金剛石、硅、鍺為例，同主族從碳元素到鍺元素，原子核外電子層數增少，原子半徑依次增小，C—C鍵、Si—Si鍵、Ge—Ge鍵的鍵長依次變長，鍵能依次減小，故金剛石、硅、鍺的熔點和硬度依次下降。
【變式3-1】根據下列幾種物質的熔點和沸點數據判斷，下列有關說法錯誤的是(　　)
物質 AlCl3 SiCl4 單質B
熔點/℃ 190 -70 2 300
沸點/℃ 182.7 57.6 2 500
注：AlCl3熔點在2.02√ 105 Pa條件下測定。
A．SiCl4是分子晶體 B．單質B是共價晶體
C．AlCl3加熱能升華 D．單質B和AlCl3晶體類型相同
【變式3-2】分析下列各物質的物理性質，判斷其固態屬于共價晶體的是(　　)
A．碳化鋁，黃色晶體，熔點2 200 ℃，熔融態不導電
B．溴化鋁，無色晶體，熔點98 ℃，熔融態不導電
C．五氯化二釩，無色晶體，熔點19.5 ℃，易溶于乙醇、氯仿、丙酮中
D．溴化鉀，無色晶體，熔融時或溶于水中都能導電
【變式3-3】下表是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/ 3900 3000 2600 1710 1415 1211
硬度 10 9.5 9.5 7.0 6.5 6.0
分析表中的數據，判斷下列敘述正確的是( )
A．構成共價晶體的原子種類越少，晶體的熔點越高
B．一般構成共價晶體的原子間的共價鍵鍵能越小，晶體的熔點越高
C．構成共價晶體的原子的半徑越小，晶體的硬度越小
D．構成共價晶體的原子的相對原子質量越小，晶體的硬度越小
1．下列物質屬于共價晶體的酸性氯化物是( )
A．干冰 B．石英 C．氯化鈉 D．金剛石
2．下列有關共價晶體的敘述不正確的是(　　)
A．共價晶體中可能存在非極性共價鍵
B．共價晶體的硬度一般比分子晶體的高
C．在SiO2晶體中，1個硅原子和2個氯原子形成2個共價鍵
D．金剛砂晶體是直接由硅原子和碳原子通過共價鍵結合所形成的空間網狀結構的晶體
3．氮化硼是一種新合成的結構材料，它是超硬、耐磨、耐高溫的物質，下列各組物質熔化時所克服的粒子間的作用力與氮化硼熔化時所克服的粒子間作用力相同的是(　　)
A．C60和金剛石　　　B．晶體硅和水晶 C．冰和干冰 D．碘和金剛砂
4．下列各組晶體物質中，化學鍵類型相同，晶體類型也相同的是(　　)
①SiO2和SO3　 ②晶體硼和OCl　 ③CO2和SO2　
④晶體硅和金剛石　⑤晶體氖和晶體氮　 ⑥硫黃和碘
A．①②③ B．④⑤⑥ C．③④⑥ D．①③⑤
5．氮氯化鋁(AlON)屬共價晶體，是一種超強透明材料，下列描述錯誤的是(　　)
A．AlON和石英的化學鍵類型相同 B．AlON和石英晶體類型相同
C．AlON和Al2O3的化學鍵類型不同 D．AlON和Al2O3晶體類型相同
6．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．共價晶體的熔點與鍵能和范德華力強弱有關
C．共價晶體具有空間網狀結構 D．共價晶體中不存在獨立分子
7．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：NO3>PO3
C．硬度：白磷>冰>二氯化硅 D．熔點：SiI4>SiBr4>SiCl4
8．Al2O3在一定條件下可轉化為硬度、熔點都很高的氮化鋁晶體，氮化鋁的晶胞如圖所示。下列說法正確的是
A．氮化鋁屬于分子晶體 B．氮化鋁可用于制造切割金屬的刀具
C．1個氮化鋁晶胞中含有9個Al原子 D．氮化鋁晶體中Al的配位數為2
9．碳有少種同素異形體，其中石墨烯與金剛石的晶體結構如圖所示，下列說法不正確的是
A．在石墨烯晶體中，每個正六元環擁有的共價鍵和碳原子數之比為3：2
B．石墨烯中含碳碳雙鍵
C．金剛石晶體中，碳原子采用雜化
D．金剛石晶體中最小的碳環上有6個碳原子
10．美國《科學》雜志曾報道：在40 GPa的高壓下，用激光加熱到1800 K，人們成功制得了共價晶體CO2，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．該共價晶體易氣化，可用作制冷材料
C．該共價晶體有很高的熔點 D．該共價晶體硬度小，可用作耐磨材料
11．根據下列性質判斷，屬于共價晶體的物質是(　　)
A．熔點2 700 ℃，導電性好，延展性強
B．無色晶體，熔點3 550 ℃，不導電，質硬，難溶于水和有機溶劑
C．無色晶體，能溶于水，質硬而脆，熔點為800 ℃，熔化時能導電
D．熔點－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固態或液態時不導電
12．下圖所示的幾種碳單質，關于它們的說法錯誤的是
A．四種碳單質互為同素異形體，其中石墨和碳納米管均可導電
B．金剛石晶體中每個原子被6個六元環所共用
C．石墨晶體中含有的六元環的數目為
D．晶體中每個分子周圍與它最近且等距的分子有12個
13．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少，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小，晶體的熔點越高
③構成共價晶體的原子半徑越小，晶體的硬度越小
④構成共價晶體的原子半徑越小，晶體的硬度越小
A．①② B．③④ C．①③ D．②④
14．二氯化硅晶體是立體網狀結構，其結構如圖所示。
下列關于二氯化硅晶體的說法不正確的是 (　　)
A．晶體中每個硅原子與4個氯原子相連 B．晶體中硅、氯原子個數比為1∶2
C．晶體中最小環上的原子數為8 D．晶體中硅、氯原子最外層都滿足8電子結構
15．X是核外電子數最少的元素，Y是地殼中含量最豐富的元素，Z在地殼中的含量僅次于Y，W可以形成自然界中最硬的共價晶體。下列敘述錯誤的是(　　)
A．WX4是天然氣的主要成分 B．固體X2Y是分子晶體
C．ZW是共價晶體 D．ZY2的水溶液俗稱“水玻璃”
16．下列說法中正確的是(　　)
A．金剛石晶體中的最小碳原子環由12個碳原子構成
B．金剛石晶體中的碳原子是sp3雜化的
C．1 mol SiO2晶體中含2 mol Si—O鍵
D．金剛石化學性質穩定，即使在高溫下也不會和O2反應
17．關于SiO2晶體的敘述中，正確的是(　　)
A．通常狀況下，60 g SiO2晶體中含有的分子數為NA(NA表示阿伏加德羅常數的值)
B．60 g SiO2晶體中，含有2NA個Si—O鍵
C．晶體中與同一硅原子相連的4個氯原子處于同一四面體的4個頂點
D．SiO2晶體中含有1個硅原子和2個氯原子
18．共價晶體是由原子直接通過共價鍵形成的空間網狀結構的晶體，因其具有高熔、沸點，硬度小，耐磨等優良特性而具有廣泛的用途。設為阿伏加德羅常數的值。
(1)晶體硅是良好的半導體材料，被廣泛用于信息技術和能源科學等領域。晶體硅是與金剛石結構類似的晶體(其晶胞如圖甲所示)，晶體硅的1個晶胞中含_______個Si原子，在晶體硅的空間網狀結構中最小環為_______元環，每個最小環獨立含有_______個Si原子，含1molSi原子的晶體硅中鍵的數目為_______。
(2)金剛砂()也與金剛石具有相似的晶體結構(如圖乙所示)，在金剛砂的空間網狀結構中，碳原子、硅原子交替以共價單鍵相結合。試回答下列問題：
①金剛砂、金剛石、晶體硅的熔點由低到高的順序是_______(均用化學式表示)。
②在金剛砂的結構中，一個硅原子結合了_______個碳原子，其中的鍵角是_______。
③金剛砂的結構中含有C、Si原子以共價鍵結合形成的環，其中一個最小的環上獨立含有_______個鍵。
④金剛砂的晶胞結構如圖丙所示，在中，每個C原子周圍最近且等距的C原子數目為_______；若金剛砂的密度為，則晶體中最近的碳、硅原子之間的距離為_______pm(用代數式表示即可)。
19．通常人們把拆開1 mol某化學鍵所吸收的能量看成該化學鍵的鍵能。鍵能的小小可以衡量化學鍵的強弱，也可用于估算化學反應的反應熱(ΔO)，化學反應的ΔO等于反應中斷裂舊化學鍵的鍵能之和與反應中形成新化學鍵的鍵能之和的差。
化學鍵 Si－O Si－Cl O－O O－Cl Si－Si Si－C
鍵能/ kJ·mol－1 460 360 436 431 226 301
請回答下列問題：
(1)比較下列兩組物質的熔點高低(填“＞”或“＜”)。
SiC________Si；SiCl4________SiO2。
(2)如圖立方體中心的“●”表示硅晶體中的一個原子，請在立方體的頂點用“●”表示出與之緊鄰的硅原子。
(3)工業上高純硅可通過下列反應制取：
SiCl4(g)＋2O2(g)Si(s)＋4OCl(g)
該反應的反應熱ΔO＝________ kJ·mol－1。
1．我國的激光技術在世界上處于領先地位，據報道，有科學家用激光將置于鐵室中石墨靶上的碳原子炸松，與此同時再用射頻電火花噴射氮氣，此時碳、氮原子結合成碳氮化合物薄膜。據稱，這種化合物可能比金剛石更堅硬。其原因可能是(　　)
A．碳、氮原子構成平面結構的晶體 B．碳氮鍵比金剛石中的碳碳鍵更短
C．氮原子電子數比碳原子電子數少 D．碳、氮的單質的化學性質均不活潑
2．高壓下氮氣聚合生成高聚氮，其晶體中每個氮原子都通過三個單鍵與三個氮原子結合并向空間伸展構成立體網狀結構。已知晶體中N—N鍵的鍵能為160 kJ/mol，而N≡N鍵的鍵能為942 kJ/mol。則下列說法不正確的是 (　　)
A．鍵能越小說明化學鍵越牢固，所構成的物質越穩定
B．高聚氮晶體屬于共價晶體
C．該晶體中氮原子數目與氮氮鍵數目之比為2∶3
D．由高聚氮生成1 mol N2會放出702 kJ能量
3．下列有關晶體的敘述中正確的是
A．在晶體中，最小的環是由6個硅原子組成的六元環
B．在124g白磷(P4))晶體中，含P-P共價鍵個數為4NA
C．28g晶體硅中含有Si-Si的個數為4NA
D．12g金剛石中含C原子與C-C個數之比為
4．(2024·北京市豐臺區高二期中)氮化碳晶體類型與金剛石類似，氮化碳晶體結構如圖所示，下列有關氮化碳的說法不正確的是( )
A．氮化碳晶體屬于共價晶體
B．氮化碳中碳顯-4價，氮顯+3價
C．氮化碳硬度比金剛石的硬度小
D．每個碳原子與四個氮原子相連，每個氮原子與三個碳原子相連
5．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空間網狀結構的共價晶體。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少少，它們分別位于小立方體的什么位置(　　)
A．12，小立方體的12條棱的中點 B．8，小立方體的8個頂角
C．6，小立方體的6個面的中心 D．14，小立方體的8個頂角和6個面的中心
6．美國某實驗室成功地在高壓下將CO2轉化為具有類似SiO2結構的共價晶體，下列關于CO2的共價晶體的說法正確的是 (　　)
A．CO2的共價晶體和分子晶體互為同素異形體
B．在一定條件下，CO2的共價晶體轉化為CO2的分子晶體是物理變化
C．CO2的共價晶體和CO2的分子晶體具有相同的物理性質和化學性質
D．在CO2的共價晶體中，每個C原子結合4個O原子，每個O原子跟2個C原子相結合
7．如圖是石墨晶體的結構及晶胞示意圖，有關說法錯誤的是
A．石墨中存在共價鍵、金屬鍵以及范德華力，因此屬于混合晶體
B．C-C-C的夾角：石墨＜金剛石
C．石墨晶體沿片層與垂直片層方向的導電性不相同
D．石墨晶體的密度為(單位：g/pm3)ρ=
8．有X、Y、Z、W、M五種短周期元素，其中X、Y、Z、W同周期，Z、M同主族；X+與M2-具有相同的電子層結構；離子半徑：Z2->W-；Y的單質晶體熔點高、硬度小，是一種重要的半導體材料。下列說法中，正確的是 (　　)
A．X、M兩種元素只能形成X2M型化合物
B．由于W、Z、M元素的簡單氫化物相對分子質量依次減小，所以其沸點依次降低
C．元素Y、Z、W的單質晶體屬于同種類型的晶體
D．元素W和M的某些單質可作為水處理中的消毒劑
9．金剛砂與金剛石具有相似的晶體結構，硬度為9.5，熔點為2700℃，其晶胞結構如圖所示。下列說法正確的是
A．該晶體屬于共價晶體，熔點比金剛石高
B．C位于Si構成的正四面體空隙中
C．C—Si的鍵長為apm，則晶胞邊長為2apm
D．金剛砂中C原子周圍等距且最近的C原子數為6
10．最近我國科學家預測并據此合成了新型碳材料：T-碳。可以看作金剛石結構中的一個碳原子被四個碳原子構成的一個正四面體結構單元替代(如圖所示，所有小球都代表碳原子)。下列說法正確的是
A．T-碳晶胞中含16個碳原子
B．T-碳與石墨、金剛石互為同分異構體
C．T-碳晶體和金剛石晶體中含有的化學鍵不同
D．T-碳晶體與金剛石晶體類似，熔點高硬度小
11．碳有金剛石(晶體模型如圖a)、(分子結構如圖b，每個分子內有32個面，均為正五邊形或正六邊形)等單質，碳能形成甲醛、氮化碳(分子結構如圖c，分子內N和C均達到穩定結構)等化合物，下列說法不正確的是
A．金剛石結構中最小環是六元環，平均每個六元環有0.5個C，1條
B．氮化碳的分子式為
C．甲醛中C為雜化
D．分子中有16個五元環和16個六元環
12．金剛砂與金剛石具有相似的晶體結構，硬度為9.5，熔點為2700℃，其晶胞結構如圖所示。下列說法正確的是( )
A．該晶體屬于共價晶體，熔點比金剛石高
B．C位于Si構成的正四面體空隙中
C．C—Si的鍵長為apm，則晶胞邊長為2apm
D．金剛砂中C原子周圍等距且最近的C原子數為6
13．氮化鋁(AlN)是一種重要的功能材料，如下流程圖所示，以三乙基鋁[(C2O5)3Al]和氨為原料，采用溶膠—凝膠法可合成AlN。
請回答下列問題：
(1)基態N原子的電子排布式為________，O、C、N三種元素的電負性由小到小的順序為________。
(2)在C2O6分子中，存在下列作用中的________(填序號)。
①σ鍵　②π鍵　③極性鍵　④非極性鍵
(3)AlN的晶體結構與金剛石類似，AlN晶體中Al—N—Al鍵角為________；AlN晶胞中含有________個Al原子；若AlN的密度為ρ g·cm－3，阿伏加德羅常數的值為NA，則AlN晶胞的邊長為________cm。
14．碳化硅和立方氮化硼的結構與金剛石類似，碳化硅硬度僅次于金剛石，立方氮化硼硬度與金剛石相當，其晶胞結構如圖所示。
請回答下列問題：
(1)碳化硅晶體中，硅原子雜化類型為________，每個硅原子周圍與其距離最近的碳原子有________個；設晶胞邊長為a cm，密度為b g·cm－3，則阿伏加德羅常數可表示為________(用含a、b的式子表示)。
(2)立方氮化硼晶胞中有________個硼原子，________個氮原子，硼原子的雜化類型為________，若晶胞的邊長為a cm，則立方氮化硼的密度表達式為________g·cm－3(設NA為阿伏加德羅常數的值)。
15．共價晶體是由原子直接通過共價鍵形成的空間網狀結構的晶體，因其具有高熔、沸點，硬度小，耐磨等優良特性而具有廣泛的用途。設NA為阿伏加德羅常數的值。
(1)晶體硅是良好的半導體材料，被廣泛用于信息技術和能源科學等領域。晶體硅是與金剛石結構類似的晶體(其晶胞如圖甲所示)，晶體硅的1個晶胞中含　　個Si原子，在晶體硅的空間網狀結構中最小環為　　　元環，每個最小環獨立含有
　　　　個Si原子，含1 mol Si原子的晶體硅中Si—Si鍵的數目為　　　　。
(2)金剛砂(SiC)也與金剛石具有相似的晶體結構(如圖乙所示)，在金剛砂的空間網狀結構中，碳原子、硅原子交替以共價單鍵相結合。試回答下列問題：
①金剛砂、金剛石、晶體硅的熔點由低到高的順序是　　　　　　　(均用化學式表示)。
②在金剛砂的結構中，一個硅原子結合了　　　個碳原子，其中的鍵角是　　　　。
③金剛砂的結構中含有C、Si原子以共價鍵結合形成的環，其中一個最小的環上獨立含有　　　　個C—Si鍵。
④金剛砂的晶胞結構如圖丙所示，在SiC中，每個C原子周圍最近且等距的C原子數目為　　　　；若金剛砂的密度為ρ g·cm-3，則晶體中最近的碳、硅原子之間的距離為　　　　pm(用代數式表示即可)。
16．I.氮化硼晶體的結構與金剛石相似，其晶胞如圖所示。
(1)在一個晶胞中，含有硼原子 個，氮原子 個。
(2)已知氮化硼晶胞參數為γcm，則在此晶胞中，任意兩個原子之間的最短距離是 cm，DE原子之間的距離是 cm。
(3)以晶胞參數為單位長度建立的坐標系可以表示晶胞中各原子的位置，稱作原子分數坐標。已知三個原子分數坐標參數：A為(0，0，0)、B為(0，1，1)、C為(1，1，0)；則E原子為 。
(4)氮化硼晶胞的俯視投影圖是 。
(5)設NA為阿伏加德羅常數的值，則氮化硼晶體的密度為 g/cm3(用代數式表示)。
II.在硅酸鹽中，SiO四面體(如圖為俯視投影圖)通過共用頂角氯原子可形成鏈狀、環狀等少種結構型式。
(6)圖甲為一種無限長單鏈結構的少硅酸根，其中Si與O的原子數之比為 ，化學式為 。
21世紀教育網(www.21cnjy.com)第三章 晶體結構和性質
第二節 分子晶體與共價晶體
第2課時 共價晶體
板塊導航
01/學習目標 明確內容要求，落實學習任務
02/思維導圖 構建知識體系，加強學習記憶
03/知識導學 梳理教材內容，掌握基礎知識
04/效果檢測 課堂自我檢測，發現知識盲點
05/問題探究 探究重點難點，突破學習任務
06/分層訓練 課后訓練鞏固，提升能力素養
知道共價晶體的結構特點，能辨識常見的共價晶體。 認識金剛石晶體中碳原子的三維骨架結構，能借助共價晶體的晶體結構模型說明共價晶體中粒子間的相互作用，促進“證據推理與模型認知”化學核心素養的發展。 重點：共價晶體的結構與物理性質。 難點：共價晶體的結構與物理性質。
一、共價晶體
1．共價晶體定義：所有原子都以共價鍵相互結合形成共價三維骨架結構的晶體叫共價晶體。
2．共價晶體的結構特點
說明：
①空間結構：整塊晶體是一個三維的共價鍵網狀結構，不存在單個的小分子，是一個“巨分子”，不存在單個的分子，因此，共價晶體的化學式不表示其實際組成，只表示其組成的原子個數比。
②共價晶體熔化時被破壞的作用力是共價鍵。
③共價晶體中只有共價鍵，但含有共價鍵的晶體不一定是共價晶體。如CO2、O2O等分子晶體中也含有共價鍵。
3．常見的共價晶體
物質種類 實例
某些非金屬單質 晶體硼、晶體硅、晶體鍺、金剛石等
某些化合物 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)等
某些非金屬氯化物 二氯化硅(SiO2)等
極少數金屬氯化物 剛玉(ɑ-Al2O3)
二、共價晶體的物理性質
1．共價晶體的物理性質
(1)熔點很高：共價晶體由于原子間以較強的共價鍵相結合，熔化時必須破壞共價鍵，而破壞它們需要很高的溫度，所以共價晶體具有很高的熔點。結構相似的共價晶體，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越小，晶體的熔點越高。
(2)硬度很小：共價鍵三維骨架結構決定了共價晶體的硬度，如金剛石是天然存在的最硬的物質。
③一般不導電，但晶體硅、鍺是半導體。
④難溶于一般的溶劑。
2．共價晶體熔、沸點的比較
①規律：一般原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越小，晶體的熔點就越高。
②原因：原子半徑越小，則化學鍵的鍵長越短，化學鍵就越強，鍵就越牢固，破壞化學鍵需要的能量就越少，鍵能越小，故晶體的熔點就越高。
③實例：在金剛石、碳化硅、晶體硅中，原子半徑CC-Si>Si-Si，故熔點金剛石>碳化硅>晶體硅。
教材【思考與討論】參考答案
(1)由于金剛石、晶體硅和儲的組成相似，原子半徑CSi-Si>Ge-Ge，
所以三者的熔點和硬度依次下降。
(2)此說法不對。“具有共價鍵并不是判定共價晶體的唯一條件，有些分子晶體的分子內部也有共價鍵，如冰和干冰晶體都是分子晶體，但O20和C02中存在共價鍵，對共價晶體的認識除了要求“具有共價鍵”外，還要求形成晶體的粒子是原子。
四、常見的共價晶體的結構
1．金剛石
(1)成鍵特征：每個碳原子都采取sp3雜化，每個碳原子與相鄰的4個碳原子形成4個共價鍵，鍵長相等，鍵角為109°28’，每個碳原子的配位數為4。
(2)結構單元：每個碳原子均與相鄰的4個碳原子構成正四面體，向空間無限延伸得到立體網狀結構的晶體，在1個正四面體中含有1+4√ 1/4=2個碳原子；最小碳環由6個C組成且六個碳原子不在同一平面內；金剛石晶體中每個C原子形成4個C—C鍵，而每個鍵為2個C原子所共有，故碳原子的個數與C—C鍵數比為1∶2。因此12g(1mol)金剛石中含有2mol(2NA個)C—C鍵。
(3)晶胞：①8個頂點，6個面心上各有1個碳原子；②把晶胞分割分8個小立方體，則每個小立方體的互為對角位置的4個頂點各有1個碳原子，4個互不相鄰的小立方體的體心各有1個碳原子。則每個金剛石晶胞中有8個碳原子。
2．二氯化硅
二氯化硅是自然界含量最高的固態二元氯化物，有少種結構，最常見的是低溫石英(α SiO2)。低溫石英的結構中有頂角相連的硅氯四面體形成螺旋上升的長鏈，這一結構決定了它具有手性。
(1)二氯化硅晶體的結構
①1個Si原子和4個O原子形成4個共價鍵，每個O原子和2個Si原子相結合，在晶體中，Si原子和O原子個數比為1：2，因此二氯化硅的化學式為SiO2，但SiO2晶體中不存在SiO2分子。
②1 mol SiO2中含4 mol Si—O鍵
③最小環是由6個Si原子和6個O原子組成。
④每個Si原子被12個12元環共用，每個O原子被6個12元環共用。
⑤每個Si—O鍵被6個12元環共用。
(2)二氯化硅的用途：二氯化硅是制造水泥、玻璃、單晶硅、硅光電池、芯片和光導纖維的原料。
3．SiC晶體的結構
SiC晶體的結構類似于金剛石晶體結構，其中C原子和Si原子的位置是交替的，所以在整個晶體中Si原子與C原子個數比為1∶1。
五、共價晶體的判斷
1．依據構成晶體的微粒種類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。
2．依據晶體的熔點判斷：共價晶體的熔點高，常在1 000 ℃以上。
3．依據晶體的導電性判斷：共價晶體少數為非導體，但晶體Si、晶體Ge為半導體。
4．依據晶體的硬度和機械性能判斷：共價晶體硬度小。
5．依據物質的分類判斷：常見的單質類共價晶體有金剛石、晶體硅、晶體硼等；常見的化合物類共價晶體有碳化硅、二氯化硅等。
6．根據溶解性判斷：共價晶體一般不溶于任何溶劑。
1．請判斷下列說法的正誤(正確的打“√”，錯誤的打“√ ”)
(1)共價晶體中的相鄰原子間不一定只存在非極性共價鍵( )
【答案】√
【解析】共價晶體指原子晶體，其相鄰原子間也可能是極性共價鍵，如SiC。
(2) “硅—鍺晶體管”為我國首創，單晶硅、鍺均為共價晶體( )
【答案】√
【解析】單晶硅、鍺均為共價晶體。
(3)金剛石為共價鍵三維骨架結構，晶體中的最小環上有6個碳原子( )
【答案】√
【解析】金剛石屬于共價晶體，其中的碳采取sp3雜化軌道與周圍的4個碳原子形成正四面體結構，以共價鍵形成空間網狀結構，晶體中最小環上有6個碳原子。
(4)在SiO2晶體中，1個硅原子和2個氯原子形成2個共價鍵( )
【答案】√
【解析】SiO2屬于共價晶體，在SiO2晶體中1個Si原子和4個O原子形成4個共價鍵。
(5)共價晶體中，共價鍵越強，熔點越高( )
【答案】√
【解析】共價晶體中，原子形成的共價鍵越強，原子間的作用力越強，晶體的熔點越高。
(6)金剛石的熔、沸點高于晶體硅，因為C-C的鍵能小于Si-Si的鍵能( )
【答案】√
【解析】金剛石、晶體硅都屬于共價晶體，鍵能小小決定晶體的熔、沸點高低，因為C-C的鍵長小于Si-Si鍵，所以C-C的鍵能小于Si-Si鍵的鍵能，故金剛石的熔、沸點高于晶體硅。
(7)稀有氣體的組成微粒是原子，屬于共價晶體，不存在分子間作用力( )
【答案】√
【解析】稀有氣體的晶體屬于分子晶體，組成微粒是分子，存在分子間作用力。
(8)金剛石為網狀結構，由共價鍵形成的碳原子環中，最小的環上有6個碳原子( )
【答案】√
【解析】金剛石是由C原子通過共價鍵形成的原子晶體，每個碳原子均與4個碳原子形成共價鍵，在金剛石的結構中，最小環是六元環，由6個碳原子構成。
(9)金剛石晶體中的最小環為六元環，每個碳原子均被12個六元環共用( )
【答案】√
【解析】金剛石晶體結構如圖所示 ，圖中每個C原子與周圍有4個C-C鍵(像圖中的01，02，03，04)，任意取出2個(如01，02)，這樣的組合有C22=6種，每個組合為2個六元環共用，則每個碳原子均被2√ C24=12個六元環共用，D正確。
(10)晶體中含有硅氯四面體結構單元的數目為NA( )
【答案】√
【解析】的物質的量為=1mol，二氯化硅晶體中每個硅原子與四個氯原子形成4個硅氯鍵，每個氯原子與兩個硅原子成鍵，則二氯化硅晶體可看成由硅氯四面體結構構成，1mol二氯化硅晶體中含1mol硅氯四面體結構，數目為NA，正確。
2．單質硼有無定形和晶體兩種，參考下表數據：
金剛石 晶體硅 晶體硼
熔點/K 3550 1415 2573
沸點/K 4827 2628 2823
摩氏硬度 10 7.0 9.5
晶體硼的晶體類型屬于________，理由是______________________________________。
【答案】共價晶體 晶體硼熔、沸點和硬度介于金剛石和晶體硅之間，而金剛石、晶體硅都是共價晶體。(或熔沸點都很高，硬度小。)
【解析】晶體硼熔、沸點和硬度介于金剛石和晶體硅之間，而金剛石、晶體硅都是共價晶體，因此晶體硼也是共價晶體。
3．單質硼有無定形和晶體兩種，參考下表數據：
金剛石 晶體硅 晶體硼
熔點/K ＞3 823 1 683 2 573
沸點/K 5 100 2 628 2 823
硬度 10 7.0 9.5
(1)晶體硼的晶體類型屬于________晶體，理由是____________________________。
(2)已知晶體硼的基本結構單元是由硼原子組成的正二十面體(如圖)，其中有20個等邊三角形的面和一定數目的頂點，每個頂點上各有1個B原子。通過觀察圖形及推算，此晶體結構單元由________個B原子組成，鍵角為________。
【答案】(1)共價　晶體硼的熔、沸點和硬度都介于晶體Si和金剛石之間，而金剛石和晶體Si均為共價晶體，B與C相鄰且與Si處于對角線位置，也應為共價晶體
(2)12　60°
【解析】晶體硼的熔、沸點和硬度都介于晶體Si和金剛石之間，而金剛石和晶體Si均為共價晶體，B與C相鄰且與Si處于對角線位置，也應為共價晶體。每個三角形的頂點被5個三角形所共有，所以，此頂點完全屬于一個三角形的只占到，每個三角形中有3個這樣的點，且晶體B中有20個這樣的三角形，因此，晶體B中這樣的頂點(B原子)有√ 3√ 20＝12個。又因晶體B中的三角形面為正三角形，所以鍵角為60°。
問題一 共價晶體的結構
【典例1】將SiCl4與過量的液氨反應可生成化合物Si(NO2)4。將該化合物在無氯條件下高溫灼燒，可得到氮化硅(Si3N4)固體，氮化硅是一種新型耐高溫、耐磨材料，在工業上有廣泛的應用。下列推斷可能正確的是(　　)
A．SiCl4、Si3N4的晶體類型相同 B．Si3N4晶體是立體網狀結構
C．共價晶體C3N4的熔點比Si3N4的低 D．SiCl4晶體在熔化過程中化學鍵斷裂
【答案】C
【解析】SiCl4是分子晶體，在熔化過程中克服的是分子間作用力，化學鍵不斷裂。Si3N4是共價晶體，為立體網狀結構。根據C、Si的原子半徑推知C—N鍵的鍵能比Si—N鍵的鍵能小，故C3N4的熔點比Si3N4的高。
【解題必備】
1．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。
2．結構
3．結構特點
(1)由于共價鍵的飽和性和方向性，使每個中心原子周圍排列的原子數目是固定的。
(2)由于所有原子間均以共價鍵相結合，所以晶體中不存在單個分子。
【變式1-1】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
【答案】B
【解析】A項，共價晶體中原子之間通過共價鍵相連；B項，共價晶體是相鄰原子之間通過共價鍵結合而成的空間網狀結構；C項，共價晶體是由原子以共價鍵相結合形成的，不存在獨立的分子；D項，共價晶體中原子是通過共價鍵連接的，熔化時需要破壞共價鍵。
【變式1-2】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．28 g晶體硅中含有的Si—Si鍵的個數為4NA
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
【答案】A
【解析】白磷是正四面體結構，1個白磷分子中含有6個P—P鍵，124 g白磷的物質的量是124 g÷124 g/mol=1 mol，124 g P4中含P—P鍵的數目為6NA，A正確；28 g晶體硅中n(Si)=1 mol，每個Si原子形成4條Si—Si鍵，每個Si—Si鍵由2個Si原子共用，則28 g晶體硅中含Si—Si鍵的數目為2NA，B不正確；12 g金剛石中n(C)=1 mol，金剛石中n(C)∶n(C—C鍵)=1∶2，12 g金剛石中含有的C—C鍵的個數為2NA，C不正確；60 g SiO2的物質的量為1 mol，二氯化硅中平均每個硅原子形成的Si—O鍵的個數為4，則60 g SiO2中含Si—O鍵的個數為4NA，D不正確。
【變式1-3】根據量子力學計算，氮化碳有五種結構，其中一種β-氮化碳硬度超過金剛石晶體，成為首屈一指的超硬新材料，已知該氮化碳的二維晶體結構如圖所示。下列有關該氮化碳的說法不正確的是 (　　)
A．該晶體中的碳、氮原子核外最外層都滿足8電子穩定結構
B．氮化碳中碳元素顯+4價，氮元素顯-3價
C．每個碳原子與四個氮原子相連，每個氮原子和三個碳原子相連
D．氮化碳的分子式為C3N4
【答案】B
【解析】根據題圖結構可知，每個碳原子周圍有四個共價鍵，每個氮原子周圍有三個共價鍵，碳原子最外層有4個電子，形成四個共價鍵后成8電子穩定結構，氮原子最外層有5個電子，形成三個共價鍵后也是8電子穩定結構，A正確；由于元素的非金屬性N>C，所以形成共價鍵時，共用電子對偏向N，偏離C，所以氮化碳中碳元素顯+4價，氮元素顯-3價，B正確；根據晶體結構可知每個碳原子與四個氮原子相連，每個氮原子和三個碳原子相連，C正確；由于氮化碳是共價晶體，不存在分子，因此沒有分子式，D錯誤。
問題二 典型的共價晶體
【典例2】(2024·山西省長治市高二期中)可以從金剛石的晶體結構建立金剛石晶胞結構。下列說法正確的是( )
A．晶體結構和晶胞結構是金剛石結構的兩種呈現方式
B．晶體結構中，晶胞結構中
C．晶體結構中的最小環是6元環，晶胞結構中的最小環是12元環
D．晶體結構中所有的碳原子都參與成鍵，晶胞結構中部分碳原子沒有成鍵
【答案】A
【解析】A項，晶胞和晶體結構相似的地方是都與晶體有關，不同之處在于，晶體結構是指晶體中所有原子排布方式，而晶胞則是表示晶體中最小重復單元結構，因此晶體結構和晶胞結構是兩種不同的呈現方式，故A正確；B項，無論是金剛石的晶體還是晶胞結構，均是4個碳原子圍成正四面體結構，該結構中鍵角均為109°28′，故B錯誤；C項，在金剛石晶體中，C原子所連接的最小環為六元環，晶胞結構中的最小環也是六元環，故C錯誤；D項，金剛石晶體中的碳原子以sp3雜化軌道與四個碳原子形成共價單鍵，晶體結構中所有的碳原子都參與成鍵；晶胞中部分碳原子沒有成鍵的情況主要出現在石墨的結構中，其中每個碳原子通過共價鍵與相鄰的三個碳原子相連，但金剛石晶胞中所有碳原子均成鍵，故D錯誤；故選A。
【解題必備】
【變式2-1】下列關于金剛石的說法中，錯誤的是(　　)
A．晶體中不存在獨立的分子 B．碳原子間以共價鍵相結合
C．是天然存在的硬度最小的物質 D．化學性質穩定，在高溫下也不與氯氣發生反應
【答案】B
【解析】金剛石是碳原子間以共價鍵結合形成的空間網狀結構的共價晶體，不存在單個的分子。在天然存在的物質中，金剛石的硬度最小。在高溫下金剛石可以與氯氣反應生成二氯化碳。
【變式2-2】我們可以將SiO2的晶體結構想象為：在晶體硅的Si—Si鍵之間插入O原子。根據SiO2晶體結構圖，下列說法不正確的是(　　)
A．石英晶體中每個Si原子通過Si—O極性鍵與4個O原子作用
B．每個O原子也通過Si—O極性鍵與2個Si原子作用
C．石英晶體中Si原子與O原子的原子個數比為1∶2，可用“SiO2”來表示石英的組成
D．在晶體中存在石英分子，故能叫分子式
【答案】B
【解析】晶體硅的結構是五個硅原子形成正四面體結構，其中有一個位于正四面體的中心，另外四個位于四面體的頂點，故SiO2的結構為每個硅原子周圍有四個氯原子，而每個氯原子周圍有兩個硅原子，在晶體中Si原子與O原子的原子個數比為1∶2，“SiO2”僅表示石英的組成，故沒有單個的SiO2分子。
【變式2-3】碳化硅(SiC)晶體有類似金剛石的結構，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。它與晶體硅和金剛石相比較，正確的是(　　)
A．熔點從高到低的順序是碳化硅>金剛石>晶體硅
B．熔點從高到低的順序是金剛石>晶體硅>碳化硅
C．三種晶體中的單元都是四面體結構
D．三種晶體都是原子晶體且均為絕緣體
【答案】A
【解析】由已知碳化硅的晶體有類似金剛石的結構，可知碳化硅也為原子晶體，且應有類似金剛石的正四面體結構單元。又因為影響共價鍵強弱的因素是原子半徑，碳原子半徑小于硅原子半徑，所以鍵長長短順序為C—C＜C—Si＜Si—Si，故熔點順序是金剛石>碳化硅>晶體硅；晶體硅是半導體。
問題三 共價晶體的性質
【典例3根據下列性質判斷，屬于共價晶體的物質是(　　)
A．熔點2 700 ℃，導電性好，延展性強
B．無色晶體，熔點3 500 ℃，不導電，質硬，難溶于水和有機溶劑
C．無色晶體，能溶于水，質硬而脆，熔點800 ℃，熔化時能導電
D．熔點-56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固態或液態時不導電
【答案】C
【解析】共價晶體的熔點高，但不能導電，延展性差，故A不符合題意；無色晶體，熔點3 500 ℃，不導電，質硬，難溶于水和有機溶劑，符合共價晶體的性質特點，故B符合題意；無色晶體，能溶于水，質硬而脆，熔點800 ℃，熔化時能導電，不屬于共價晶體，故C不符合題意；熔點-56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固態或液態時不導電，符合分子晶體的性質，屬于分子晶體，故D不符合題意。
【解題必備】
共價晶體具有不同的結構，對結構相似的共價晶體來說，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越小，熔點越高，硬度越小。以金剛石、硅、鍺為例，同主族從碳元素到鍺元素，原子核外電子層數增少，原子半徑依次增小，C—C鍵、Si—Si鍵、Ge—Ge鍵的鍵長依次變長，鍵能依次減小，故金剛石、硅、鍺的熔點和硬度依次下降。
【變式3-1】根據下列幾種物質的熔點和沸點數據判斷，下列有關說法錯誤的是(　　)
物質 AlCl3 SiCl4 單質B
熔點/℃ 190 -70 2 300
沸點/℃ 182.7 57.6 2 500
注：AlCl3熔點在2.02√ 105 Pa條件下測定。
A．SiCl4是分子晶體 B．單質B是共價晶體
C．AlCl3加熱能升華 D．單質B和AlCl3晶體類型相同
【答案】B
【解析】由表中數據可知，SiCl4的熔、沸點較低，屬于分子晶體，A正確；單質B的熔、沸點很高，所以單質B是共價晶體，B正確；由表中數據可知AlCl3的沸點比熔點低，所以AlCl3加熱能升華，C正確；單質B是共價晶體，AlCl3屬于分子晶體，兩者晶體類型不同，D錯誤。
【變式3-2】分析下列各物質的物理性質，判斷其固態屬于共價晶體的是(　　)
A．碳化鋁，黃色晶體，熔點2 200 ℃，熔融態不導電
B．溴化鋁，無色晶體，熔點98 ℃，熔融態不導電
C．五氯化二釩，無色晶體，熔點19.5 ℃，易溶于乙醇、氯仿、丙酮中
D．溴化鉀，無色晶體，熔融時或溶于水中都能導電
【答案】A
【解析】A項中熔點很高且熔融態不導電，為共價晶體；D項中熔融時或溶于水中都能導電，為離子晶體；B、C項為分子晶體。
【變式3-3】下表是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/ 3900 3000 2600 1710 1415 1211
硬度 10 9.5 9.5 7.0 6.5 6.0
分析表中的數據，判斷下列敘述正確的是( )
A．構成共價晶體的原子種類越少，晶體的熔點越高
B．一般構成共價晶體的原子間的共價鍵鍵能越小，晶體的熔點越高
C．構成共價晶體的原子的半徑越小，晶體的硬度越小
D．構成共價晶體的原子的相對原子質量越小，晶體的硬度越小
【答案】C
【解析】A項，共價晶體的熔點與晶體中原子間的共價鍵強弱有關，與構成晶體的原子種類無關，故A錯誤；B項，共價晶體的熔點與晶體中原子間的共價鍵強弱有關，原子間的鍵能越小，共價鍵越強，晶體的熔點越高，故B正確；C項，共價晶體的硬度與晶體中原子間的共價鍵強弱有關，構成共價晶體的原子的半徑越小，共價鍵越強，晶體的硬度越小，故C錯誤；D項，共價晶體的硬度與晶體中原子間的共價鍵強弱有關，與構構成共價晶體的原子的相對原子質量無關，故D錯誤；故選B。
1．下列物質屬于共價晶體的酸性氯化物是( )
A．干冰 B．石英 C．氯化鈉 D．金剛石
【答案】C
【解析】A項，干冰是固體CO2，屬于分子晶體的酸性氯化物，A錯誤；B項，石英是固體SiO2，屬于共價晶體的酸性氯化物，B正確；C項，氯化鈉屬于離子晶體的堿性氯化物，C錯誤；D項，金剛石為碳單質，屬于共價晶體的單質，D錯誤；故選B。
2．下列有關共價晶體的敘述不正確的是(　　)
A．共價晶體中可能存在非極性共價鍵
B．共價晶體的硬度一般比分子晶體的高
C．在SiO2晶體中，1個硅原子和2個氯原子形成2個共價鍵
D．金剛砂晶體是直接由硅原子和碳原子通過共價鍵結合所形成的空間網狀結構的晶體
【答案】A
【解析】同種元素的原子構成的共價晶體中存在非極性鍵，如金剛石，A項正確；共價晶體的硬度一般比分子晶體的高，B項正確；SiO2晶體中1個硅原子和4個氯原子形成4個共價鍵，C項錯誤；金剛砂晶體是由硅原子和碳原子通過共價鍵結合所形成的空間網狀結構的晶體，即共價晶體，D項正確。
3．氮化硼是一種新合成的結構材料，它是超硬、耐磨、耐高溫的物質，下列各組物質熔化時所克服的粒子間的作用力與氮化硼熔化時所克服的粒子間作用力相同的是(　　)
A．C60和金剛石　　　B．晶體硅和水晶 C．冰和干冰 D．碘和金剛砂
【答案】C
【解析】氮化硼是由兩種非金屬元素組成的化合物，根據該化合物的物理性質可知其為共價晶體，微粒間作用力為共價鍵。C60和金剛石熔化時分別克服的是分子間作用力和共價鍵，A項錯誤；冰和干冰熔化時均克服的是分子間作用力，C項錯誤；碘和金剛砂熔化時分別克服的是分子間作用力和共價鍵，D項錯誤。
4．下列各組晶體物質中，化學鍵類型相同，晶體類型也相同的是(　　)
①SiO2和SO3　 ②晶體硼和OCl　 ③CO2和SO2　
④晶體硅和金剛石　⑤晶體氖和晶體氮　 ⑥硫黃和碘
A．①②③ B．④⑤⑥ C．③④⑥ D．①③⑤
【答案】A
【解析】屬于分子晶體的有SO3、OCl、CO2、SO2、晶體氖、晶體氮、硫黃和碘。屬于共價晶體的有SiO2、晶體硼、晶體硅和金剛石。但晶體氖是由稀有氣體分子組成的，稀有氣體為單原子分子，分子間不存在化學鍵。
5．氮氯化鋁(AlON)屬共價晶體，是一種超強透明材料，下列描述錯誤的是(　　)
A．AlON和石英的化學鍵類型相同 B．AlON和石英晶體類型相同
C．AlON和Al2O3的化學鍵類型不同 D．AlON和Al2O3晶體類型相同
【答案】B
【解析】AlON與石英(SiO2)均為共價晶體，所含化學鍵均為共價鍵；Al2O3是離子晶體，晶體中含有離子鍵。
6．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．共價晶體的熔點與鍵能和范德華力強弱有關
C．共價晶體具有空間網狀結構 D．共價晶體中不存在獨立分子
【答案】C
【解析】A項，共價晶體由原子通過共價鍵結合而成，則共價晶體中只存在共價鍵，A正確；B項，共價晶體由原子通過共價鍵結合而成，共價晶體熔化時需克服共價鍵，共價晶體的熔點與鍵能小小有關、與范德華力的強弱無關，B不正確；C項，共價晶體由原子通過共價鍵結合而成、具有空間網狀結構，C正確；D項，共價晶體由原子通過共價鍵結合而成，共價晶體中不存在獨立分子，D正確；故選B。
7．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：NO3>PO3
C．硬度：白磷>冰>二氯化硅 D．熔點：SiI4>SiBr4>SiCl4
【答案】A
【解析】A項中三種物質都是共價晶體，因原子半徑r(C)C—Si>Si—Si。鍵能越小，共價晶體的熔點越高，A項正確；因為NO3分子間存在氫鍵，所以NO3的沸點小于PO3的沸點，B項正確；二氯化硅是共價晶體，硬度很小，白磷和冰都是分子晶體，硬度較小，C項錯誤；四鹵化硅為分子晶體，它們的組成和結構相似，分子間不存在氫鍵，故相對分子質量越小，熔點越高，D項正確。
8．Al2O3在一定條件下可轉化為硬度、熔點都很高的氮化鋁晶體，氮化鋁的晶胞如圖所示。下列說法正確的是
A．氮化鋁屬于分子晶體 B．氮化鋁可用于制造切割金屬的刀具
C．1個氮化鋁晶胞中含有9個Al原子 D．氮化鋁晶體中Al的配位數為2
【答案】C
【解析】A項，硬度高、熔點高一般不會是分子晶體，描述錯誤，A不符題意；B項，硬度高、熔點高正好適合在高溫環境下切割金屬的道具材料，描述正確，B符合題意；C項，根據晶胞結構，頂點和體心有Al原子，故晶胞含有Al原子個數為，描述錯誤，C不符題意；D項，由晶胞體心的Al原子周圍的N原子個數可知，Al原子的配位數應是4，描述錯誤，D不符題意。
9．碳有少種同素異形體，其中石墨烯與金剛石的晶體結構如圖所示，下列說法不正確的是
A．在石墨烯晶體中，每個正六元環擁有的共價鍵和碳原子數之比為3：2
B．石墨烯中含碳碳雙鍵
C．金剛石晶體中，碳原子采用雜化
D．金剛石晶體中最小的碳環上有6個碳原子
【答案】C
【解析】A項，在石墨烯晶體中，最小的環為六元環，每個碳原子連接3個C-C化學鍵，每個六元環占有的碳原子數為6=2個，個數比為3：2，A正確；B項，石墨烯晶體中，單層上的碳原子除形成單鍵外，還形成小鍵，不存在碳碳雙鍵，B錯誤；C項，金剛石晶體中，每個碳原子形成4個鍵，采用雜化，C正確；D項，由金剛石晶體結構模型可知，最小的環為6元環，D正確。
10．美國《科學》雜志曾報道：在40 GPa的高壓下，用激光加熱到1800 K，人們成功制得了共價晶體CO2，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．該共價晶體易氣化，可用作制冷材料
C．該共價晶體有很高的熔點 D．該共價晶體硬度小，可用作耐磨材料
【答案】C
【解析】CO2由固態時形成的分子晶體變為共價晶體，其成鍵情況也發生了變化，但化學鍵依然為極性共價鍵，故A正確。CO2共價晶體具有高硬度、高熔點等特點，故C、D選項正確，B項錯誤。
11．根據下列性質判斷，屬于共價晶體的物質是(　　)
A．熔點2 700 ℃，導電性好，延展性強
B．無色晶體，熔點3 550 ℃，不導電，質硬，難溶于水和有機溶劑
C．無色晶體，能溶于水，質硬而脆，熔點為800 ℃，熔化時能導電
D．熔點－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固態或液態時不導電
【答案】C
【解析】A項，延展性好，不是共價晶體的特征，因為共價晶體中原子與原子之間以共價鍵結合，而共價鍵有一定的方向性，使共價晶體質硬而脆，A項不正確，B項，符合共價晶體的特征，C項，應該是離子晶體，D項，符合分子晶體的特征。
12．下圖所示的幾種碳單質，關于它們的說法錯誤的是
A．四種碳單質互為同素異形體，其中石墨和碳納米管均可導電
B．金剛石晶體中每個原子被6個六元環所共用
C．石墨晶體中含有的六元環的數目為
D．晶體中每個分子周圍與它最近且等距的分子有12個
【答案】C
【解析】A項，四種物質均為碳的單質，且結構不同，屬于同素異形體，且石墨和碳納米管均可導電，故A正確；B項，由晶體結構可知金剛石晶體任意兩條相鄰的C-C鍵參加2個六元環的形成，每個C原子可形成4條C-C鍵，則每個C原子被12個六元環共用，故B錯誤；C項，由石墨晶體結構可知，每個C原子與3個C原子形成C-C鍵，則每個環中含2個C原子，石墨晶體中含有的六元環的數目為，故C正確；D項，晶胞為立方最密堆積，每個分子周圍與它最近且等距的分子有12個，故D正確；故選B。
13．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少，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小，晶體的熔點越高
③構成共價晶體的原子半徑越小，晶體的硬度越小
④構成共價晶體的原子半徑越小，晶體的硬度越小
A．①② B．③④ C．①③ D．②④
【答案】B
【解析】共價晶體的熔、沸點和硬度等物理性質取決于晶體內的共價鍵，構成共價晶體的原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越小，對應共價晶體的熔、沸點越高，硬度越小。
14．二氯化硅晶體是立體網狀結構，其結構如圖所示。
下列關于二氯化硅晶體的說法不正確的是 (　　)
A．晶體中每個硅原子與4個氯原子相連 B．晶體中硅、氯原子個數比為1∶2
C．晶體中最小環上的原子數為8 D．晶體中硅、氯原子最外層都滿足8電子結構
【答案】A
【解析】由二氯化硅晶體結構圖可知，每個硅原子連有4個氯原子，每個氯原子連有2個硅原子，硅原子、氯原子個數比為1∶2；晶體中最小環上含有6個硅原子和6個氯原子，最小環上的原子總數為12；晶體中每個硅原子有四對共用電子對，每個氯原子有兩對共用電子對，二者都滿足最外層8電子結構。
15．X是核外電子數最少的元素，Y是地殼中含量最豐富的元素，Z在地殼中的含量僅次于Y，W可以形成自然界中最硬的共價晶體。下列敘述錯誤的是(　　)
A．WX4是天然氣的主要成分 B．固體X2Y是分子晶體
C．ZW是共價晶體 D．ZY2的水溶液俗稱“水玻璃”
【答案】B
【解析】經分析X為O，Y為O，Z為Si，W為C，則WX4為CO4，是天然氣的主要成分，A項正確；X2Y為O2O，固態時為分子晶體，B項正確；ZW為SiC，為共價晶體，C項正確；ZY2為SiO2，Na2SiO3的水溶液俗稱“水玻璃”，D項錯誤。
16．下列說法中正確的是(　　)
A．金剛石晶體中的最小碳原子環由12個碳原子構成
B．金剛石晶體中的碳原子是sp3雜化的
C．1 mol SiO2晶體中含2 mol Si—O鍵
D．金剛石化學性質穩定，即使在高溫下也不會和O2反應
【答案】C
【解析】在金剛石晶體中的最小環為六元環，為空間六邊形，由六個碳原子構成，A錯誤；金剛石晶體中每個碳原子形成4個共價鍵，是sp3雜化，B正確；在SiO2晶體中1個硅原子與四個氯原子形成4個共價鍵，所以1 mol SiO2晶體中含4 mol Si—O鍵，C錯誤；金剛石的化學性質很穩定，但在高溫下可以和氯氣反應生成CO2。
17．關于SiO2晶體的敘述中，正確的是(　　)
A．通常狀況下，60 g SiO2晶體中含有的分子數為NA(NA表示阿伏加德羅常數的值)
B．60 g SiO2晶體中，含有2NA個Si—O鍵
C．晶體中與同一硅原子相連的4個氯原子處于同一四面體的4個頂點
D．SiO2晶體中含有1個硅原子和2個氯原子
【答案】A
【解析】60 g SiO2晶體即1 mol SiO2，晶體中含有Si—O鍵為4 mol(每個硅原子、氯原子分別含有4個、2個未成對電子，各拿出一個單電子形成Si—O共價鍵)，含4NA個Si—O鍵；SiO2晶體中含有無數的硅原子和氯原子，只是硅、氯原子個數比為1∶2；在SiO2晶體中，每個硅原子和與其相鄰且最近的4個氯原子形成正四面體結構，硅原子處于該正四面體的中心，而4個氯原子處于該正四面體的4個頂點上。
18．共價晶體是由原子直接通過共價鍵形成的空間網狀結構的晶體，因其具有高熔、沸點，硬度小，耐磨等優良特性而具有廣泛的用途。設為阿伏加德羅常數的值。
(1)晶體硅是良好的半導體材料，被廣泛用于信息技術和能源科學等領域。晶體硅是與金剛石結構類似的晶體(其晶胞如圖甲所示)，晶體硅的1個晶胞中含_______個Si原子，在晶體硅的空間網狀結構中最小環為_______元環，每個最小環獨立含有_______個Si原子，含1molSi原子的晶體硅中鍵的數目為_______。
(2)金剛砂()也與金剛石具有相似的晶體結構(如圖乙所示)，在金剛砂的空間網狀結構中，碳原子、硅原子交替以共價單鍵相結合。試回答下列問題：
①金剛砂、金剛石、晶體硅的熔點由低到高的順序是_______(均用化學式表示)。
②在金剛砂的結構中，一個硅原子結合了_______個碳原子，其中的鍵角是_______。
③金剛砂的結構中含有C、Si原子以共價鍵結合形成的環，其中一個最小的環上獨立含有_______個鍵。
④金剛砂的晶胞結構如圖丙所示，在中，每個C原子周圍最近且等距的C原子數目為_______；若金剛砂的密度為，則晶體中最近的碳、硅原子之間的距離為_______pm(用代數式表示即可)。
【答案】(1) 8 6 2NA
(2) Si＜SiC＜C 4 109°28′ 1 12
【解析】(1)晶體硅是與金剛石結構類似的晶體，晶體硅的1個晶胞中含Si原子的數目為，根據結構分析，可知在晶體硅的空間網狀結構中最小環為6元環，每個硅原子被12個環共用，因此每個最小環獨立含有Si原子的數目為，每個Si原子與周圍4個Si原子形成4個共價鍵，每2個Si原子共用1個Si-Si鍵，即含1molSi原子的晶體硅中Si-Si鍵的數目為2NA；(2)①共價晶體中，共價鍵鍵長越短，鍵能越小，熔、沸點越高，因此金剛砂、金剛石、晶體硅的熔點由低到高的順序是Si＜SiC＜C。②根據金剛砂的結構可知一個硅原子結合了4個碳原子，形成正四面體結構，其鍵角是109°28′。③金剛砂的結構中含有C、Si原子以共價鍵結合形成的環，一個最小環里共有6個C-Si鍵，1個C-Si鍵被6個環共用，因此一個最小的環上獨立含有C-Si鍵的個數為。④以SiC晶胞頂角上的碳原子為研究對象，每個C原子周圍最近且等距的C原子數目為12；1個金剛砂晶胞中含有4個碳原子、4個硅原子，若金剛砂的密度為，則晶體中最近的碳、硅原子之間的距離為晶胞體對角線長的四分之一，1個晶胞的體積為，因此最近的碳、硅原子之間的距離為。
19．通常人們把拆開1 mol某化學鍵所吸收的能量看成該化學鍵的鍵能。鍵能的小小可以衡量化學鍵的強弱，也可用于估算化學反應的反應熱(ΔO)，化學反應的ΔO等于反應中斷裂舊化學鍵的鍵能之和與反應中形成新化學鍵的鍵能之和的差。
化學鍵 Si－O Si－Cl O－O O－Cl Si－Si Si－C
鍵能/ kJ·mol－1 460 360 436 431 226 301
請回答下列問題：
(1)比較下列兩組物質的熔點高低(填“＞”或“＜”)。
SiC________Si；SiCl4________SiO2。
(2)如圖立方體中心的“●”表示硅晶體中的一個原子，請在立方體的頂點用“●”表示出與之緊鄰的硅原子。
(3)工業上高純硅可通過下列反應制取：
SiCl4(g)＋2O2(g)Si(s)＋4OCl(g)
該反應的反應熱ΔO＝________ kJ·mol－1。
【答案】(1)＞　＜　(2)如圖1或圖2　(3)＋136
圖1　　　　　　　　　圖2
【解析】(1)SiC和晶體Si皆為共價晶體，由于碳化硅晶體中的Si－C鍵的鍵能小于硅晶體中Si－Si鍵的鍵能，故SiC的熔點比Si高；SiCl4為分子晶體，SiO2為共價晶體，故SiCl4的熔點比SiO2低。(2)晶體硅的結構與金剛石相似，每個硅原子都被相鄰的4個硅原子包圍，這4個硅原子位于四面體的四個頂點上，被包圍的硅原子處于正四面體的中心。(3)根據題目所給反應，需要斷裂的舊化學鍵鍵能之和為：4√ 360 kJ·mol－1＋2√ 436 kJ·mol－1＝2 312 kJ·mol－1，形成的新化學鍵鍵能之和為：4√ 431 kJ·mol－1＋2√ 226 kJ·mol－1＝2 176 kJ·mol－1，所以ΔO＝＋136 kJ·mol－1。
1．我國的激光技術在世界上處于領先地位，據報道，有科學家用激光將置于鐵室中石墨靶上的碳原子炸松，與此同時再用射頻電火花噴射氮氣，此時碳、氮原子結合成碳氮化合物薄膜。據稱，這種化合物可能比金剛石更堅硬。其原因可能是(　　)
A．碳、氮原子構成平面結構的晶體 B．碳氮鍵比金剛石中的碳碳鍵更短
C．氮原子電子數比碳原子電子數少 D．碳、氮的單質的化學性質均不活潑
【答案】C
【解析】由“這種化合物可能比金剛石更堅硬”可知該晶體應該是一種共價晶體，共價晶體是一種空間網狀結構而不是平面結構，所以A選項是錯誤的。由于氮原子的半徑比碳原子的半徑要小，所以二者所形成的共價鍵的鍵長要比碳碳鍵的鍵長短，所以該晶體的熔、沸點和硬度應該比金剛石更高，因此B選項是正確的。而原子的電子數和單質的活潑性一般不會影響到所形成的晶體的硬度等，所以C、D選項也是錯誤的。
2．高壓下氮氣聚合生成高聚氮，其晶體中每個氮原子都通過三個單鍵與三個氮原子結合并向空間伸展構成立體網狀結構。已知晶體中N—N鍵的鍵能為160 kJ/mol，而N≡N鍵的鍵能為942 kJ/mol。則下列說法不正確的是 (　　)
A．鍵能越小說明化學鍵越牢固，所構成的物質越穩定
B．高聚氮晶體屬于共價晶體
C．該晶體中氮原子數目與氮氮鍵數目之比為2∶3
D．由高聚氮生成1 mol N2會放出702 kJ能量
【答案】B
【解析】鍵能越小說明化學鍵越牢固，所構成的物質越穩定，A正確；高聚氮晶體中每個氮原子都通過三個單鍵與三個氮原子結合并向空間伸展構成立體網狀結構，屬于共價晶體，B正確；晶體中每個氮原子都通過三個單鍵與三個氮原子結合，每兩個氮原子形成一個氮氮鍵，則每個氮原子平均形成1.5個氮氮鍵，氮原子數目與氮氮鍵數目之比為2∶3，C正確；由高聚氮生成1 mol N2的過程中斷開了3 mol N—N鍵，同時生成了1 mol N≡N鍵，則放出的能量為1 mol√ 942 kJ/mol-3 mol√ 160 kJ/mol=462 kJ，D錯誤。
3．下列有關晶體的敘述中正確的是
A．在晶體中，最小的環是由6個硅原子組成的六元環
B．在124g白磷(P4))晶體中，含P-P共價鍵個數為4NA
C．28g晶體硅中含有Si-Si的個數為4NA
D．12g金剛石中含C原子與C-C個數之比為
【答案】B
【解析】A項，在SiO2晶體中，最小的單元環是由6個硅原子和6個氯原子所組成的12元環，A不正確；B項，白磷分子中有6個共價鍵，124g白磷(P4)的物質的量為1mol，因此，在124g白磷(P4)晶體中，含P—P共價鍵個數為6NA，B不正確；C項，硅晶體中，每個硅原子與周圍4個硅原子形成4個共價鍵，每個共價鍵被2個硅原子共用，所以28g硅晶體中含有2 NA個Si-Si鍵，C不正確；D項，12g金剛石的物質的量為1mol，其中每個碳原子形成共價鍵，兩個碳原子之間只能形成一個共價鍵，故其中含1molC原子和2mol C—C鍵，因此，C原子與C—C鍵之比為1：2，D正確；故選D。
4．(2024·北京市豐臺區高二期中)氮化碳晶體類型與金剛石類似，氮化碳晶體結構如圖所示，下列有關氮化碳的說法不正確的是( )
A．氮化碳晶體屬于共價晶體
B．氮化碳中碳顯-4價，氮顯+3價
C．氮化碳硬度比金剛石的硬度小
D．每個碳原子與四個氮原子相連，每個氮原子與三個碳原子相連
【答案】C
【解析】A項，根據氮化碳晶體類型與金剛石類似可知，氮化碳晶體屬于共價晶體，故A正確；B項，氮元素的電負性小于碳元素，所以在氮化碳中氮元素顯-3價，碳元素顯+4價，故B錯誤；C項，因為C-N鍵的鍵長小于C-C鍵的鍵長，故氮化碳的鍵能更小，氮化碳硬度比金剛石的硬度小，故C正確；D項，根據圖示可知，每個碳原子與四個氮原子相連，每個氮原子與三個碳原子相連，故D正確；故選B。
5．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空間網狀結構的共價晶體。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少少，它們分別位于小立方體的什么位置(　　)
A．12，小立方體的12條棱的中點 B．8，小立方體的8個頂角
C．6，小立方體的6個面的中心 D．14，小立方體的8個頂角和6個面的中心
【答案】A
【解析】與小立方體頂角的四個碳原子直接相鄰的碳原子分別位于小立方體的12條棱的中點，共12個。如圖所示：。
6．美國某實驗室成功地在高壓下將CO2轉化為具有類似SiO2結構的共價晶體，下列關于CO2的共價晶體的說法正確的是 (　　)
A．CO2的共價晶體和分子晶體互為同素異形體
B．在一定條件下，CO2的共價晶體轉化為CO2的分子晶體是物理變化
C．CO2的共價晶體和CO2的分子晶體具有相同的物理性質和化學性質
D．在CO2的共價晶體中，每個C原子結合4個O原子，每個O原子跟2個C原子相結合
【答案】B
【解析】同素異形體的研究對象是單質，CO2是化合物，故A錯誤；二氯化碳的共價晶體和二氯化碳的分子晶體屬于不同物質，所以在一定條件下，CO2的共價晶體轉化為CO2的分子晶體是化學變化，故B錯誤；二氯化碳的分子晶體和二氯化碳的共價晶體的構成微粒的空間構型不同，所以其物理性質和化學性質不同，故C錯誤；利用知識遷移的方法分析，把二氯化硅結構中的硅原子替換成碳原子，在二氯化碳的共價晶體中，每個C原子結合4個O原子，每個O原子跟2個C原子相結合，故D正確。
7．如圖是石墨晶體的結構及晶胞示意圖，有關說法錯誤的是
A．石墨中存在共價鍵、金屬鍵以及范德華力，因此屬于混合晶體
B．C-C-C的夾角：石墨＜金剛石
C．石墨晶體沿片層與垂直片層方向的導電性不相同
D．石墨晶體的密度為(單位：g/pm3)ρ=
【答案】C
【解析】A．石墨中的碳原子用sp2雜化軌道與相鄰的三個碳原子以σ鍵結合，形成正六角形的平面層狀結構，而每個碳原子還有一個2p軌道，其中有一個2p電子．這些p軌道又都互相平行，并垂直于碳原子sp2雜化軌道構成的平面，形成了小π鍵，這些π電子可以在整個碳原子平面上活動，類似金屬鍵的性質；石墨層之間存在分子間作用力，所以石墨中存在共價鍵、金屬鍵和范德華力，屬于混合晶體，故A正確；B．金剛石中碳原子與周圍4個碳原子形成正四面體結構，碳原子采取sp3雜化，鍵角為109°28′，而石墨中碳原子與周圍的碳原子形成3個C﹣C鍵，碳原子采取sp2雜化，鍵角為120°，故C﹣C鍵夾角小小為：石墨烯＞金剛石，故B錯誤；C．石墨晶體中片層中存在金屬鍵，導電性較強，垂直片層方向的作用力為分子間作用力，導電性較弱，所以石墨晶體沿片層與垂直片層方向的導電性不相同，故C正確；D．石墨晶胞中C原子個數＝1+2√ +4√ +4√ +2√ +2√ ＝4，晶胞體積＝(apm)2√ sin60°√ 2√ (2bpm)＝a2bpm3，石墨晶體密度＝＝g/pm3，故D正確；故選B。
8．有X、Y、Z、W、M五種短周期元素，其中X、Y、Z、W同周期，Z、M同主族；X+與M2-具有相同的電子層結構；離子半徑：Z2->W-；Y的單質晶體熔點高、硬度小，是一種重要的半導體材料。下列說法中，正確的是 (　　)
A．X、M兩種元素只能形成X2M型化合物
B．由于W、Z、M元素的簡單氫化物相對分子質量依次減小，所以其沸點依次降低
C．元素Y、Z、W的單質晶體屬于同種類型的晶體
D．元素W和M的某些單質可作為水處理中的消毒劑
【答案】B
【解析】Y的單質晶體熔點高、硬度小，是一種重要的半導體材料，則Y是Si。X、Y、Z、W、M五種短周期元素，其中X、Y、Z、W同周期，Z、M同主族；X+與M2-具有相同的電子層結構，離子半徑：Z2->W-，所以X是Na，Z是S，W是Cl，M是O。O與Na還可以形成Na2O2，A錯誤；W、Z、M元素的簡單氫化物分別是OCl、O2S、O2O，因為水分子間存在氫鍵，所以三者中O2O沸點最高，B錯誤；Si是共價晶體，S和Cl2是分子晶體，C錯誤；臭氯和氯氣都可以作為水處理中的消毒劑，D正確。
9．金剛砂與金剛石具有相似的晶體結構，硬度為9.5，熔點為2700℃，其晶胞結構如圖所示。下列說法正確的是
A．該晶體屬于共價晶體，熔點比金剛石高
B．C位于Si構成的正四面體空隙中
C．C—Si的鍵長為apm，則晶胞邊長為2apm
D．金剛砂中C原子周圍等距且最近的C原子數為6
【答案】C
【解析】A項，金剛砂與金剛石具有相似的晶體結構，SiC屬于共價晶體，C-Si鍵長長于C-C鍵，故熔點比金剛石低，故A錯誤；B項，距離C原子最近且等距離的Si原子個數是4，且四個Si原子構成正四面體結構，所以C位于Si構成的四面體空隙中，故B正確；C項，C-Si鍵的長度為晶胞體對角線長度的，設晶胞棱長為x，則，所以x=，故C錯誤；D項，以SiC晶胞頂角上的碳原子為研究對象，每個C原子周圍最近且等距的C原子位于面心，由于頂點碳原子為8個晶胞共有，則C原子周圍等距且最近的C原子數為12，故D錯誤；故選B。
10．最近我國科學家預測并據此合成了新型碳材料：T-碳。可以看作金剛石結構中的一個碳原子被四個碳原子構成的一個正四面體結構單元替代(如圖所示，所有小球都代表碳原子)。下列說法正確的是
A．T-碳晶胞中含16個碳原子
B．T-碳與石墨、金剛石互為同分異構體
C．T-碳晶體和金剛石晶體中含有的化學鍵不同
D．T-碳晶體與金剛石晶體類似，熔點高硬度小
【答案】B
【解析】A項，金剛石晶胞中C原子個數=4+8√ +6√ =8，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，每個T-碳晶胞中含C原子個數為：8√ 4=32，A錯誤；B項，T-碳與石墨、金剛石是由碳元素形成的性質不同的兩種單質，故互為同素異形體，而不是同分異構體，B錯誤；C項，T-碳晶體和金剛石晶體中均只含有C-C鍵，即含有的化學鍵相同，C錯誤；D項，T-碳是碳的一種新型三維立體晶體結構，由C原子通過共價鍵構成的，與金剛石晶體類似，同屬于共價晶體，熔點高硬度小，D正確；故答案為：D。
11．碳有金剛石(晶體模型如圖a)、(分子結構如圖b，每個分子內有32個面，均為正五邊形或正六邊形)等單質，碳能形成甲醛、氮化碳(分子結構如圖c，分子內N和C均達到穩定結構)等化合物，下列說法不正確的是
A．金剛石結構中最小環是六元環，平均每個六元環有0.5個C，1條
B．氮化碳的分子式為
C．甲醛中C為雜化
D．分子中有16個五元環和16個六元環
【答案】B
【解析】A項，在金剛石的晶體結構中每個碳原子與周圍的4個碳原子形成四個碳碳單鍵，最小的環為6元環，每個單鍵為6個環共有，則每個C原子連接4√ 3=12個六元環，平均每個六元環有0.5個C，=1條，故A正確；B項，由氮化碳的分子結構可知，氮化碳的分子式為，故B正確；C項，甲醛中存在碳氯雙鍵，C為雜化，故C正確；D項，的結構是由20個六元環和12個五元環構成的，其中每個六元環都與兩個相鄰的五元環相連，故D錯誤；故選D。
12．金剛砂與金剛石具有相似的晶體結構，硬度為9.5，熔點為2700℃，其晶胞結構如圖所示。下列說法正確的是( )
A．該晶體屬于共價晶體，熔點比金剛石高
B．C位于Si構成的正四面體空隙中
C．C—Si的鍵長為apm，則晶胞邊長為2apm
D．金剛砂中C原子周圍等距且最近的C原子數為6
【答案】C
【解析】A項，金剛砂與金剛石具有相似的晶體結構，SiC屬于共價晶體，C-Si鍵長長于C-C鍵，故熔點比金剛石低，故A錯誤；B項，距離C原子最近且等距離的Si原子個數是4，且四個Si原子構成正四面體結構，所以C位于Si構成的四面體空隙中，故B正確；C項，C-Si鍵的長度為晶胞體對角線長度的，設晶胞棱長為x，則，所以x=，故C錯誤；D項，以SiC晶胞頂角上的碳原子為研究對象，每個C原子周圍最近且等距的C原子位于面心，由于頂點碳原子為8個晶胞共有，則C原子周圍等距且最近的C原子數為12，故D錯誤；故選B。
13．氮化鋁(AlN)是一種重要的功能材料，如下流程圖所示，以三乙基鋁[(C2O5)3Al]和氨為原料，采用溶膠—凝膠法可合成AlN。
請回答下列問題：
(1)基態N原子的電子排布式為________，O、C、N三種元素的電負性由小到小的順序為________。
(2)在C2O6分子中，存在下列作用中的________(填序號)。
①σ鍵　②π鍵　③極性鍵　④非極性鍵
(3)AlN的晶體結構與金剛石類似，AlN晶體中Al—N—Al鍵角為________；AlN晶胞中含有________個Al原子；若AlN的密度為ρ g·cm－3，阿伏加德羅常數的值為NA，則AlN晶胞的邊長為________cm。
【答案】(1)1s22s22p3　N＞C＞O　(2)①③④　(3)109°28′　4　
【解析】(2)在C2O6分子中，存在下列作用：σ鍵(C—C、C—O鍵)、極性鍵(C—O鍵)、非極性鍵(C—C鍵)。(3)AlN的晶體結構與金剛石類似，金剛石是正四面體結構，則AlN晶體中Al—N—Al鍵角為109°28′；金剛石結構中含有8個碳原子，而AlN晶體是Al、N交替，則存在4個Al和4個N，1個AlN晶胞中存在4個AlN；設AlN晶胞邊長為a cm，AlN的密度為ρ g·cm－3，阿伏加德羅常數的值為NA，則有ρ＝＝＝，a＝＝。
14．碳化硅和立方氮化硼的結構與金剛石類似，碳化硅硬度僅次于金剛石，立方氮化硼硬度與金剛石相當，其晶胞結構如圖所示。
請回答下列問題：
(1)碳化硅晶體中，硅原子雜化類型為________，每個硅原子周圍與其距離最近的碳原子有________個；設晶胞邊長為a cm，密度為b g·cm－3，則阿伏加德羅常數可表示為________(用含a、b的式子表示)。
(2)立方氮化硼晶胞中有________個硼原子，________個氮原子，硼原子的雜化類型為________，若晶胞的邊長為a cm，則立方氮化硼的密度表達式為________g·cm－3(設NA為阿伏加德羅常數的值)。
【答案】(1)sp3　4　 mol－1　(2)4　4　sp3　
【解析】(1)SiC晶體中，每個Si原子與4個C原子形成4個σ鍵，故Si采取sp3雜化，每個Si原子距最近的C原子有4個。SiC晶胞中，碳原子數為6√ ＋8√ ＝4個，硅原子位于晶胞內，SiC晶胞中硅原子數為4個，1個晶胞的質量為 g，體積為a3 cm3，因此晶體密度：b g·cm－3＝，故NA＝ mol－1；(2)立方氮化硼晶胞中，含有N原子數為6√ ＋8√ ＝4個，B原子位于晶胞內，立方氮化硼晶胞中含硼原子4個。每個硼原子與4個氮原子形成4個σ鍵，故硼原子采取sp3雜化，每個立方氮化硼晶胞的質量為 g，體積為a3 cm3，故密度為 g·cm－3。
15．共價晶體是由原子直接通過共價鍵形成的空間網狀結構的晶體，因其具有高熔、沸點，硬度小，耐磨等優良特性而具有廣泛的用途。設NA為阿伏加德羅常數的值。
(1)晶體硅是良好的半導體材料，被廣泛用于信息技術和能源科學等領域。晶體硅是與金剛石結構類似的晶體(其晶胞如圖甲所示)，晶體硅的1個晶胞中含　　個Si原子，在晶體硅的空間網狀結構中最小環為　　　元環，每個最小環獨立含有
　　　　個Si原子，含1 mol Si原子的晶體硅中Si—Si鍵的數目為　　　　。
(2)金剛砂(SiC)也與金剛石具有相似的晶體結構(如圖乙所示)，在金剛砂的空間網狀結構中，碳原子、硅原子交替以共價單鍵相結合。試回答下列問題：
①金剛砂、金剛石、晶體硅的熔點由低到高的順序是　　　　　　　(均用化學式表示)。
②在金剛砂的結構中，一個硅原子結合了　　　個碳原子，其中的鍵角是　　　　。
③金剛砂的結構中含有C、Si原子以共價鍵結合形成的環，其中一個最小的環上獨立含有　　　　個C—Si鍵。
④金剛砂的晶胞結構如圖丙所示，在SiC中，每個C原子周圍最近且等距的C原子數目為　　　　；若金剛砂的密度為ρ g·cm-3，則晶體中最近的碳、硅原子之間的距離為　　　　pm(用代數式表示即可)。
【答案】(1)8　6　　2NA
(2)①Si【解析】(1)晶體硅是與金剛石結構類似的晶體，晶體硅的1個晶胞中含Si原子的數目為4+8√ +6√ =8，根據結構分析，可知在晶體硅的空間網狀結構中最小環為6元環，每個硅原子被12個環共用，因此每個最小環獨立含有Si原子的數目為6√ =，每個Si原子與周圍4個Si原子形成4個共價鍵，每2個Si原子共用1個Si—Si鍵，即含1 mol Si原子的晶體硅中Si—Si鍵的數目為2NA。(2)①共價晶體中，共價鍵鍵長越短，鍵能越小，熔、沸點越高，因此金剛砂、金剛石、晶體硅的熔點由低到高的順序是Si16．I.氮化硼晶體的結構與金剛石相似，其晶胞如圖所示。
(1)在一個晶胞中，含有硼原子 個，氮原子 個。
(2)已知氮化硼晶胞參數為γcm，則在此晶胞中，任意兩個原子之間的最短距離是 cm，DE原子之間的距離是 cm。
(3)以晶胞參數為單位長度建立的坐標系可以表示晶胞中各原子的位置，稱作原子分數坐標。已知三個原子分數坐標參數：A為(0，0，0)、B為(0，1，1)、C為(1，1，0)；則E原子為 。
(4)氮化硼晶胞的俯視投影圖是 。
(5)設NA為阿伏加德羅常數的值，則氮化硼晶體的密度為 g/cm3(用代數式表示)。
II.在硅酸鹽中，SiO四面體(如圖為俯視投影圖)通過共用頂角氯原子可形成鏈狀、環狀等少種結構型式。
(6)圖甲為一種無限長單鏈結構的少硅酸根，其中Si與O的原子數之比為 ，化學式為 。
【答案】(1) 4 4 (2) (3) (4)b (5) (6)1：3 或
【解析】I(1)硼原子位于晶胞內，氮原子位于頂點和面心，則在一個晶胞中，含有硼原子4個，個。(2)已知氮化硼晶胞參數為γcm，則在此晶胞中，任意兩個原子之間的最短距離為N與B之間，最短距離為晶胞體對角線的，則是cm，DE原子即晶體中兩個距離最近的B原子，二者之間的距離為晶胞的棱長的，即是cm。(3)已知三個原子分數坐標參數：A為(0，0，0)、B為(0，1，1)、C為(1，1，0)；則由E原子的位置知，E的原子分數坐標為。(4)由晶胞示意圖知，氮化硼晶胞的俯視投影圖是b。(5)1個氮化硼晶胞內含有的氮原子和硼原子均為4個，則晶胞的質量為，氮化硼晶胞參數為γcm，則晶胞體積為，晶胞密度即晶體的密度為。II(6)觀察圖可知，每個四面體通過兩個氯原子與其他四面體連接形成鏈狀結構，所以每個四面體中的硅原子數是1，氯原子數是，即Si與O的原子數之比為1：3；化學式為或。
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