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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 共價晶體
1.能辨識常見的共價晶體,并能從微觀角度分析共價晶體中各構成微粒之間的作用對共價晶體物理性質的影響。
2.能利用共價晶體的通性推斷常見的共價晶體,并能利用均攤法對晶胞進行分析。
學習目標
觀看視頻：金剛石
金剛石
單晶硅
SiO2
碳化硅
鍺
錫
仔細觀察下列固體，判斷它們是否屬于晶體，并說明理由，嘗試從微粒組成上對這些固體進行分類。
一、分子晶體
1、概念：
2、粒子間作用力：原子
三態變化、化學反應都破壞它
三維的網狀結構，不存在單個的小分子，是一個“巨分子”
一、共價晶體
相鄰原子間以共價鍵相結合而形成空間網狀結構的晶體叫做原子晶體。
3、相互作用：共價鍵
4、結構：空間網狀
注意：
①共價晶體只含原子，原子種類可以不同
②只含原子的不一定是共價晶體
③共價晶體中沒有分子間作用力
④有共價鍵的不一定是共價晶體
⑤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”。化學式表示原子個數比。
1、某些非金屬單質：
硼（B）、硅（Si）、鍺（Ge）、金剛石（C）等
2、某些非金屬化合物：
SiC、BN、AlN、Si3N4等
3、某些氧化物：
SiO2、Al2O3等
二、常見的共價晶體
思考： 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
觀看視頻：金剛石的結構
1.金剛石的三維骨架結構
三、兩種典型共價晶體的結構與組成特點
①在金剛石晶胞中含有 個C，每個碳與 個相鄰碳以__________ 結合，形成___________結構。
②鍵角為_______，碳原子采取了______雜
③最小碳環由 個C組成且不在同一平面內， 每個C被 個最小環共用
④1mol金剛石中含有的C-C共價鍵數____mol
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一半，故C原子與C—C鍵數之比為 ____。
8
4
共價鍵
正四面體
109°28′
sp3
6
12
2
1:2
【思考】根據金剛石的結構，試分析金剛石熔點高、硬度大的原因？
C—C鍵 鍵長(pm) 鍵能 (kJ/mol) 熔點(℃) 硬度
154 347.7 ＞3500 天然最大
金剛石晶體中C-C鍵鍵長短，鍵能大，并且共價鍵的數目非常多，斷鍵需要大量能量，因此金剛石的熔點很高，硬度很大。
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
SiO2在自然界分布：
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
2.二氧化硅晶體
把金剛石晶體中的碳原子換為硅原子,每兩個硅原子之間增加一個氧原子,即形成SiO2的晶體結構。
①硅原子采取 雜化，正四面體內O—Si—O鍵角為 。
②每個硅原子與 個氧原子形成 個共價鍵， 原子位于正四面體
的中心， 原子位于正四面體的頂角，同時每個氧原子被 個硅氧
正四面體共用；每個氧原子與 個硅原子形成 個共價鍵，晶體中
硅原子和氧原子的個數比為 。
③最小環上有 個原子，包括 個氧原子和 個硅原子。
④共價鍵：1mol二氧化硅中含有____mol Si-O鍵。
⑤一個二氧化硅晶胞含有____個硅原子，____個氧原子。
sp3
109°28′
4
4
硅
氧
2
2
2
1:2
12
6
6
8
16
4
晶體SiO2的多種重要用途
SiO2具有很多重要用途，是制造水泥、玻璃、單晶硅、硅光電池、芯片和光導纖維的原料。
【課堂練習1】金剛石是典型的共價晶體，下列關于金剛石的說法錯誤的是( )
A.晶體中碳原子均采取sp3雜化
B.碳原子間以共價鍵相結合
C.金剛石是自然界中天然存在的硬度最大的物質
D.化學性質穩定，即使在高溫下也不會與氧氣發生反應
D
【課堂練習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。下列判斷正確的是( )
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數目之比為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
【課堂練習3】下列關于SiO2晶體的敘述正確的是( )
A.在SiO2晶體中，Si—O—Si鍵角小于180°
B.60 g SiO2晶體含有2NA個Si—O
C.SiO2晶體中與同一硅原子相連的4個氧原子處于同一四面體的4個頂角
D.在SiO2晶體中，1個硅原子和2個氧原子形成2個共價鍵
C
某些共價晶體的熔點和硬度
觀察比較下表中共價晶體熔點和硬度數據，它們有什么特點？
熔點很高；硬度很大
為什么共價晶體熔點很高？
熔化破壞共價鍵，需要很高的能量。
結構相似的共價晶體，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，晶體的熔點越高。
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
四、共價晶體的物理性質
①熔點很高；
②硬度很大；
③一般不導電(晶體硅半導體)；
④難溶于一般溶劑
(2)熔點和硬度的比較規律
(1)一般規律
結構相似的共價晶體,原子半徑越小,鍵長越短,鍵能越大,晶體的熔點越高,硬度越大。
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
某些共價晶體的熔點和硬度
下表為部分共價晶體的物理性質,結合前面學過的分子晶體的一些性質思考問題。
問題1:與分子晶體相比,共價晶體的熔點普遍較高,為什么
分子晶體中分子間是以較弱的分子間作用力(部分含氫鍵)相互作用的,而共價晶體中原子間是通過較強的共價鍵相互作用的,并且形成空間網狀結構,所以熔點普遍較高。
問題2:由表中數據可知,金剛石、硅和鍺的熔點和硬度均依次降低,如何解釋
三者的組成元素為同一主族元素,形成的晶體結構類似,結構相似的共價晶體,原子半徑越小,鍵長越短,鍵能越大,晶體的熔點越高,硬度越大。
問題3:從哪些角度可以區分共價晶體與分子晶體
可以從構成微粒、微粒間作用力強弱、熔沸點、硬度等角度區分。
晶體類型 共價晶體 分子晶體
組成微粒
作用力
熔沸點
硬度
溶解性
導電性
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
固體和熔融狀態都不導電，部分溶于水導電
歸納總結：分子晶體和共價晶體的比較
歸納總結：判斷共價晶體和分子晶體類型的方法
(1)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。
(2)依據晶體的熔點判斷
共價晶體的熔點高,常在1 000 ℃以上;而分子晶體熔點低,常在數百攝氏度以下甚至更低。
(3)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。
(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。
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、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
碳化硅Sic、氮化鋁AlN、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
第一代
半導體
第二代
半導體
第三代
半導體
第三代半導體：中國半導體的希望！
拓展延伸
【課堂練習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HCl　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
C
【課堂練習5】下列有關物質的熔點高低順序正確的是( )
A.HFB.金剛石<碳化硅<晶體硅
C.I2>SiO2
D.H2O>H2S，SO2【課堂練習6】根據下列性質判斷，屬于共價晶體的物質是( )
A.熔點為2700 ℃，導電性好，延展性強
B.無色晶體，熔點為3550 ℃，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.熔點為－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固態和液態時均不導電
D
B

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