第三章第二节 分子晶体与共价晶体 第2课时　共价晶体 学案（含答案）

第2课时　共价晶体
[核心素养发展目标]　1.能辨识常见的共价晶体，并能从微观角度分析共价晶体中各构成微粒之间的作用对共价晶体物理性质的影响。2.能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体，并能利用均摊法对晶胞进行分析。
一、共价晶体的概念及性质
1．共价晶体的结构特点及物理性质
(1)概念
相邻原子间以________相结合形成共价键三维骨架结构的晶体。
(2)构成微粒及微粒间作用力
(3)物理性质
①共价晶体中，由于各原子均以强的共价键相结合，因此一般熔点________，硬度________，____溶于常见溶剂，一般____导电。
②结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长________，键能越大，晶体的熔点越高。
2．常见共价晶体及物质类别
(1)某些单质：如________、________、锗(Ge)、________等。
(2)某些非金属化合物：如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。
(3)极少数金属氧化物：如刚玉(Al2O3)等。
(1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体(　　)
(2)共价晶体在固态或熔化时均不导电(　　)
(3)共价晶体由于硬度及熔、沸点都较高，故常温时不与其他物质反应(　　)
(4)二氧化硅和干冰虽然是同一主族的氧化物，但属于不同的晶体类型(　　)
1．“具有共价键的晶体叫做共价晶体”。这种说法对吗？为什么？
2．碳和硅同主族，它们的氧化物CO2和SiO2，为什么物理性质差异很大？
3．金刚石、碳化硅、晶体硅均具有相似的结构，下表列出了它们的键长、键能、熔点和硬度的数据。
晶体 键长/pm 键能/(kJ·mol－1) 熔点/℃ 硬度
金刚石 154 348 >3 500 10
碳化硅 184 301 2 700 9.5
晶体硅 234 226 1 410 6.5
(1)使共价晶体熔化，需要破坏的粒子间作用力是什么？使金刚石、碳化硅、晶体硅熔化分别破坏的这种具体的作用力又是什么？
(2)共价晶体的熔点和硬度等物理性质与共价晶体中共价键的键长、键能之间存在什么关系？
(3)如果不提供上述表格中的数据，根据元素周期表，你能判断金刚石、碳化硅、晶体硅的键长、键能、熔点和硬度的相对大小吗？说出你的判断方法。
1．下列物质的晶体直接由原子构成的一组是(　　)
①CO2　②SiO2　③晶体Si　④白磷　⑤氨基乙酸　⑥固态He
A．①②③④⑤⑥ B．②③④⑥
C．②③⑥ D．①②⑤⑥
2．下表是某些共价晶体的熔点和硬度，分析表中的数据，判断下列叙述正确的是(　　)
共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗
熔点/℃ 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构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高　②构成共价晶体的原子间的共价键的键能越大，晶体的熔点越高　③构成共价晶体的原子半径越大，晶体的硬度越大　④构成共价晶体的原子半径越小，晶体的硬度越大
A．①② B．③④ C．①③ D．②④
晶体熔、沸点和硬度的比较方法
(1)先判断晶体类型。主要依据构成晶体的微粒及其微粒间的作用力。对于不同类型的晶体，一般来说，共价晶体的熔、沸点高于分子晶体，共价晶体的硬度大于分子晶体。
(2)对于同一类型的晶体
①共价晶体的熔点高低、硬度大小取决于共价键的强弱。原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越强，熔点越高。
②分子晶体的熔、沸点高低取决于分子间作用力，分子间作用力与相对分子质量有关，同时还要考虑分子极性及是否存在氢键。
二、常见共价晶体结构分析
1．金刚石晶体
(1)在金刚石晶体中，每个碳原子以四个共价单键对称地与相邻的4个碳原子结合，C—C—C夹角为________，即金刚石中的碳采取________杂化轨道形成共价键三维骨架结构。
(2)晶体中最小的碳环由____个碳原子组成，且不在同一平面内，最多有____个碳原子在同一平面。
(3)每个C形成4个C—C，每个C—C占有________个C，即C原子与C—C之比为________。
(4)每个C原子被____个六元环共用，1个碳环占有的碳原子为____个。
2．晶体硅
把金刚石中的C原子换成Si原子，得到晶体硅的结构，不同的是Si—Si键长________C—C键长。
3．二氧化硅
(1)二氧化硅晶体
①1个Si原子和____个O原子形成4个________，每个O原子和____个Si原子相结合。
②1 mol SiO2中含____ mol Si—O。
③最小环由____个Si原子和____个O原子组成。
④每个Si原子被____个12元环共用，每个O原子被____个12元环共用。
(2)低温石英(α-SiO2)
低温石英的结构中有顶角相连的____________形成螺旋上升的长链，这一结构决定了它具有________。
(1)金刚石晶体中最小碳环是六元环，且6个碳原子在同一平面内(　　)
(2)金刚石晶体中每个碳原子被12个碳原子环所共有，每个C—C被6个六元环共用(　　)
(3)1 mol金刚石晶体中含有4 mol碳碳键(　　)
(4)1 mol二氧化硅晶体中含有4 mol硅氧键(　　)
1．金刚石晶胞结构如图所示，回答下列问题。
(1)一个金刚石晶胞中含有_________________________________________________
个碳原子。
(2)已知晶胞参数为a pm，则金刚石的密度为____________g·cm－3。
(3)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为______ pm。
(4)碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？
2．依据金刚石的结构判断12 g金刚石晶体中含C—C共价键的数目是多少？
3．二氧化硅晶体中硅原子与和硅原子直接相连的氧原子构成的空间结构是什么？
4．二氧化硅晶体中Si原子与Si—O数目之比是多少？60 g SiO2晶体中含Si—O的数目是多少？
1．最近科学家成功研制了一种新型的碳氧化物，该化合物晶体与SiO2的晶体的结构相似，晶体中每个碳原子均以4个共价单键与氧原子结合，形成一种无限伸展的三维骨架结构。下列对该晶体的叙述错误的是(　　)
A．该晶体是共价晶体
B．该晶体中碳原子和氧原子的个数比为1∶2
C．该晶体中碳原子数与C—O数之比为1∶2
D．该晶体中最小的环由12个原子构成
2.2017年中外科学家团队共同合成了T-碳。T-碳的结构是将立方金刚石中的每个碳原子用一个由4个碳原子组成的正四面体结构单元取代，形成碳的一种新型三维立方晶体结构，如图所示(图中的表示碳形成的正四面体结构)。已知T-碳晶胞参数为a pm，NA为阿伏加德罗常数的值。下列有关说法错误的是(　　)
A．每个T-碳晶胞中含32个碳原子
B．T-碳中C—C的最小夹角约为109°28′
C．T-碳属于共价晶体
D．T-碳的密度为 g·cm－3
　　　　　　　　　　　　　　　　
1．金刚石是典型的共价晶体，下列关于金刚石的说法错误的是(　　)
A．晶体中不存在独立的分子
B．碳原子间以共价键相结合
C．是自然界中硬度最大的物质
D．化学性质稳定，即使在高温下也不会与氧气发生反应
2．下列关于SiO2晶体空间结构的叙述正确的是(　　)
A．最小的环上，有3个硅原子和3个氧原子
B．最小的环上，硅原子数和氧原子数之比为1∶2
C．最小的环上，有6个硅原子和6个氧原子
D．存在四面体结构单元，O原子处于中心，Si原子处于4个顶角
3．设NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法正确的是(　　)
A．28 g晶体硅中含有Si—Si的个数为2NA
B．124 g白磷(P4)晶体中含有P—P的个数为4NA
C．12 g金刚石中含有C—C的个数为4NA
D．SiO2晶体中1 mol硅原子可与氧原子形成2NA个共价键(Si—O)
4．氮化碳部分结构如下图所示，其中β-氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为超硬新材料。下列有关氮化碳的说法不正确的是(　　)
A．氮化碳属于共价晶体
B．氮化碳中C为－4价，N为＋3价
C．氮化碳的化学式为C3N4
D．每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连
5．单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答问题：
金刚石 晶体硅 晶体硼
熔点/℃ ＞3 500 1 410 2 573
沸点/℃ 5 100 2 355 2 823
硬度 10 6.5 9.5
(1)晶体硼属于________晶体，理由是_____________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)金刚石具有硬度大、熔点高等特点，大量用于制造钻头、金属切割刀具等。其结构如图所示，下列判断正确的是____(填字母)。
A．金刚石中C—C的键角均为109°28′，所以金刚石和CH4的晶体类型相同
B．金刚石的熔点高与C—C的键能无关
C．金刚石中碳原子个数与C—C数之比为1∶2
D．金刚石的熔点高，所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却
(3)已知晶体硼的结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图所示)，该结构单元中有20个正三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角上各有一个硼原子。通过观察图形及推算，得出此结构单元是由________个硼原子构成的，其中B—B的键角为__________，该结构单元共含有________个B—B。
第2课时　共价晶体
一、
1．(1)共价键　(2)原子　共价键　(3)①很高　很大　难　不
②越短
2．(1)硼(B)　硅(Si)　金刚石
正误判断
(1)×　(2)×　(3)×　(4)√
深度思考
1．此说法不对。“具有共价键”并不是判定共价晶体的唯一条件，大部分分子晶体中也有共价键，如冰和干冰晶体都是分子晶体，但H2O和CO2中存在共价键。对共价晶体的认识除了要求“具有共价键”外，还要求形成晶体的粒子是原子。
2．CO2的晶体是分子晶体，晶体中CO2分子之间通过范德华力相结合，每个CO2分子是由一个碳原子和两个氧原子构成的。SiO2是共价晶体，硅原子和氧原子之间通过共价键相互结合形成空间网状结构，晶体中不存在小分子。
3．(1)使共价晶体熔化，需要破坏共价键。使金刚石、碳化硅、晶体硅熔化分别破坏的是C—C、C—Si、Si—Si。
(2)结构相似的共价晶体，其原子间形成共价键的键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高，硬度就越大。
(3)能。根据元素周期表，碳和硅为同一主族元素，原子半径：C＜Si，因此键长大小顺序为C—C＜C—Si＜Si—Si，键能大小顺序为C—C＞C—Si＞Si—Si，熔点和硬度大小顺序为C—C＞C—Si＞Si—Si。
应用体验
1．C　[CO2、白磷、氨基乙酸属于分子晶体，其晶体由分子构成；固态He为单质，属于单原子的分子晶体；SiO2、晶体Si属于共价晶体，其晶体直接由原子构成。]
2．D　[共价晶体的熔、沸点和硬度等物理性质取决于晶体内的共价键，构成共价晶体的原子半径越小，键长越短，键能越大，对应共价晶体的熔、沸点越高，硬度越大。]
二、
1．(1)109°28′　sp3　(2)6　4　(3)2　1∶2　(4)12　0.5
2．＞
3．(1)①4　共价键　2　②4　③6　6　④12　6　(2)硅氧四面体　手性
正误判断
(1)×　(2)√　(3)×　(4)√
深度思考
1．(1)8×＋6×＋4＝8
(2)
(3)a
(4)2r＝a pm，即r＝a pm。
2．依据均摊法可知，金刚石中每个碳原子形成4条共价键，其中碳原子数与C—C共价键数之比是1∶2，故12 g金刚石中含有的C—C数目是2NA。
3．二氧化硅晶体中Si原子与其周围相连的4个氧原子形成正四面体结构。
4．SiO2晶体中Si原子与Si—O数目之比为1∶4；60 g SiO2晶体中含Si—O的数目为4NA。
应用体验
1．C　[该化合物晶体中每个碳原子均以4个共价单键与氧原子结合，形成一种无限伸展的三维骨架结构，则该化合物晶体中不存在分子，属于共价晶体，A项正确；晶体中每个碳原子均以4个共价单键与氧原子结合，每个氧原子和2个碳原子以共价单键相结合，所以碳、氧原子个数比为1∶2，B项正确；该晶体中每个碳原子形成4个C—O共价键，所以C原子与C—O数目之比为1∶4，C项错误；该晶体中最小的环由6个碳原子和6个氧原子构成，D项正确。]
2．B　[1个金刚石晶胞中，含有碳原子的数目为8×＋6×＋4＝8，将每个C原子换成一个由4个碳原子组成的正四面体结构单元，则1个T 碳晶胞中含有的碳原子数目为8×4＝32，故A正确；T 碳中C—C的最小夹角为60°，故B错误；T 碳中碳原子间以共价键结合成空间网状结构，属于共价晶体，故C正确；1个T 碳晶胞中含有碳原子的数目为32，则该晶体的密度为 g·cm－3，D正确。]
随堂演练　知识落实
1．D　2.C
3．A　[晶体硅的结构与金刚石相似，每个硅原子与周围4个原子形成4个共价键，依据“均摊法”，1个硅(或碳)原子分得的共价键数为4×＝2，A正确、C错误；白磷为正四面体结构，每个P4分子中含有6个P—P，B错误；SiO2晶体中每个硅原子与周围4个氧原子形成4个Si—O，D错误。]
4．B　[由题给信息，氮化碳是超硬新材料，符合共价晶体的典型物理性质，A项正确；氮元素的电负性大于碳元素的电负性，所以氮化碳中氮元素显－3价，碳元素显＋4价，B项错误；晶体结构模型中虚线部分是晶体的最小结构单元，正方形顶点的原子有被占有，边上的原子有被占有，可得晶体的化学式为C3N4，C项正确；由题图可知，每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连，D项正确。]
5．(1)共价　晶体硼的熔、沸点高，硬度大　(2)C
(3)12　60°　30
解析　(1)从题表可知，晶体硼的熔、沸点以及硬度都介于晶体硅和金刚石之间。而金刚石和晶体硅均为共价晶体，在元素周期表中B与C相邻，与Si处于对角线位置，则晶体硼也属于共价晶体。(2)选项A，金刚石是共价晶体，CH4是分子晶体，二者的晶体类型不同；选项B，金刚石熔化过程中C—C断裂，因C—C的键能大，断裂时需要的能量多，故金刚石的熔点很高；选项C，金刚石中每个C都参与了4个C—C的形成，而每个C对每条键的贡献只有一半，故碳原子个数与C—C数之比为(4×)∶4＝1∶2；选项D，金刚石的熔点高，但在打孔过程中会产生很高的温度，如不浇水冷却钻头，会导致钻头熔化。(3)从题图可得出，每个顶角上的硼原子均被5个正三角形所共有，故分摊到每个正三角形的硼原子为个，每个正三角形含有×3个硼原子，每个结构单元含硼原子数为20××3＝12，而每个B—B被2个正三角形所共有，故每个结构单元含B—B的个数为20××3＝30。