2022-2023学年高二化学人教版（2019）选择性必修23.2.2 共价晶体 课件(29张PPT)

(共29张PPT)
共价晶体
第二节 分子晶体与共价晶体
第2课时
思考与讨论： 碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族，CO2和SiO2熔沸点为什么差距那么大？
情境导入
熔点/oC 状态（室温）
CO2 -56.2 气态
SiO2 1723 固态
干冰
SiO2
目标一 共价晶体的概念及性质
(1)概念
相邻原子间以共价键相结合形成三维骨架结构的晶体叫做共价晶体。
(2)构成共价晶体的微粒
共价晶体
构成粒子
原子
粒子间的作用力
共价键
思考：具有共价键的晶体叫做共价晶体，这种说法对吗？
不对，大部分分子晶体中也含有共价键，如：干冰，冰
1.共价晶体的结构特点及物理性质
(3)物理性质
①熔点很高
②硬度很大
③一般不导电，但晶体硅是半导体
④难溶于一般溶剂
结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越稳定，晶体的熔点越高。
2. 常见共价晶体及物质类别
(3)极少数金属氧化物，如刚玉(Al2O3)
(1)某些单质：以碳为中心，
如：硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、金刚石和灰锡(Sn)等
Si3N4材料的导弹天线罩制品
(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
Al2O3有两种结构，其中一种结构属于共价晶体，俗称刚玉。
3. 分子晶体与共价晶体的比较
晶体类型 共价晶体 分子晶体
概念
组成微粒
作用力
熔沸点
硬度
溶解性
导电性
相邻原子间以共价键相结合而形成三维骨架结构
分子间以分子间作用力结合
原子
分子
共价键
分子间作用力
很大
较小
很大
较小
不溶于任何溶剂
部分溶于水
不导电，个别为半导体
固体和熔化状态都不导电，部分溶于水导电
导思
1. 正误判断
(1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体(　　)
(2)具有共价键的晶体一定是共价晶体(　　)
(3)共价晶体在固态或熔化时均不导电(　　)
(4)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(　　)
×
×
×
×
2. 碳和硅同主族，它们的氧化物CO2和SiO2物理性质为什么差异很大？
提示　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。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三维骨架结构，晶体中不存在小分子。
(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？
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
提示　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)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. 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
提示　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. 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
(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。
提示　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金刚石>碳化硅＞晶体硅。
导练
1. 下列有关共价晶体的叙述错误的是（ ）
A.共价晶体中，只存在共价键
B.共价晶体具有三维骨架结构
C.共价晶体中不存在独立的分子
D.共价晶体熔化时不破坏共价键
D
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
D
归纳总结
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。
目标二 常见共价晶体的结构分析
1.金刚石晶体
(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。
(1)在晶体中每个碳原子以 个共价单键对称地与相邻的 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。
109°28′
sp3
6
4
正四面体
四
4
最小环为六元环
(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。
(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数目之比为 。
2
1∶2
12
0.5
正四面体
最小环为六元环
目标二 常见共价晶体的结构分析
109 28 ，三维骨架
键能：
347.7 kJ/mol
（很大）
键长：154 pm（很短）
熔点很高：
大于 3500 0C
硬度最大
结构决定性质
金刚石
(1) 在SiO2晶体中，每个硅原子采取sp3杂化与 个氧原子结合；每个氧原子与 个硅原子结合；在SiO2晶体中硅原子与氧原子个数之比是 。
单个的SiO2分子存在。
2. 二氧化硅
(2)在SiO2 晶体中，每个硅原子形成 个共价键；每个氧原子形成 个共价键；
(3)在SiO2 晶体中，最小环为 元环，由 个Si原子和 个O原子构成。
2
1：2
4
2
12
没有
4
6
6
(4)每个十二元环中平均含有硅原子
1：4
1：2
=6×=
Si原子个数与Si-O 共价键个数之是 ；
O原子个数与Si-O 共价键个数之比是 。
每个十二元环中平均含有Si-O键
=12×=2
(5)60 g 二氧化硅含有_____个Si原子
含有_____个O原子
含有_____ 个Si-O键
NA
2NA
4NA
1 mol SiO2中含 mol Si-O键
4
二氧化硅是自然界含量最高的固态二元氧化物，有多种结构，最常见的是低温石英( SiO2)。低温石英的结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，没有封闭的环状结构，这一结构决定了它具有手性。
石英的左、右型晶体
导思
1. 正误判断
(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(　　)
×
√
×
√
2. 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。
8
(4)碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？
导练
1. 氮化铝属类金刚石氮化物、六方晶系，最高可稳定到2 200 ℃，硬度大，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料，氮化铝晶胞结构如图所示。下列有关描述错误的是（ ）
A.AlN是共价晶体
B.Al的配位数为4
C.AlN属于离子化合物
D.与每个铝原子距离相等且最近的铝原子共有12个
C
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
C
1
2
3
自我测试
4
1. 下列晶体中①SiO2　②CO2　③P4　④晶体硅 ⑤H2SO4　⑥P2O5　⑦SO3　⑧SiC　⑨冰醋酸 ⑩金刚石，属于共价晶体的一组是（ ）
A.①③④⑤⑥⑩ B.①④⑧⑩
C.③④⑧⑨⑩ D.全部
B
自我测试
1
2
2. 碳化硅(SiC)是一种晶体，具有类似于金刚石的结构，其中C原子和Si原子的位置是交替排列的。有下列三种晶体：①金刚石　②晶体硅　③碳化硅，它们的熔点从高到低的顺序是（ ）
A.①③② B.②③①
C.③①② D.②①③
A
3
4
自我测试
3
3. 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
C
4
1
2
自我测试
4
4. 硅是一种重要的非金属单质，硅及其化合物的用途非常广泛。根据所学知识回答硅及其化合物的相关问题。
(1)基态硅原子的核外电子排布式为______________。
(2)晶体硅的微观结构与金刚石相似，晶体硅中Si—Si之间的夹角大小为_______。
1s22s22p63s23p2
109°28′
(3)请在框图中补充完成SiO2晶体的结构示意图(部分原子已画出)，并进行必要的标注。
1
2
3
自我测试
②SiCl4和SiF4：__________________________________________________
_______________________________________________________________________________________。
①SiO2和SiCl4：__________________________________________________
___________________________________________________________。
(4)根据下表中三种物质(晶体)的熔点，简要解释熔点产生差异的原因：
物质 SiO2 SiCl4 SiF4
熔点/℃ 1 710 －70 －90.2
SiO2是共价晶体，微粒间作用力为共价键；SiCl4是分子晶体，分子间作用力为范德华力，故SiO2熔点高于SiCl4
SiCl4和SiF4均为分子晶体，分子间作用力均为范德华力，根据分子结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大，可知SiCl4熔点高于SiF4
4
1
2
3