3.2.2共价晶体课件(共47张PPT) 人教版（2019）选择性必修2

(共47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？
熔点/oC 状态（室温）
CO2 -56.2 气态
SiO2 1723 固态
干冰
SiO2
一 、共价晶体的概念及性质
(1)概念:相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体。
(2)构成共价晶体的微粒及微粒间的作用力
共价晶体
构成粒子
原子
粒子间的作用力
（只有）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？
1.共价晶体的结构特点及物理性质
注意：◆不存在单个分子，无分子式。化学式表示原子最简整数比
◆整块晶体是一个三维的空间网状结构，是一个“巨分子”。
问题探究: 只由原子形成的晶体一定是原子晶体吗？
不一定。如稀有气体均由原子构成，为分子晶体
◆熔化时破坏的作用力：共价键
◆由原子构成的晶体不一定是共价晶体
◆具有共价键的晶体不一定是共价晶体
(如稀有气体)
金属晶体
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．共价晶体具有空间网状结构
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
思考练习
思考讨论：
晶体 熔点/℃ 硬度 键长/pm 键能/(kJ·mol－1)
金刚石 >3 500 10 154 348
碳化硅 2 700 9.5 184 301
晶体硅 1 410 6.5 234 226
金刚石、晶体硅单质、碳化硅均具有相似的晶体结构，它们的熔沸点和硬度的大小关系如何判断？
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、沸点就越高，硬度就越大。
(3)物理性质
①熔点很高：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，硬度就越大。
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
金刚石钻石
碳化硅（SiC）砂轮
氮化硅（Si3N4）航天耐高温材料
①原子晶体为什么熔沸点比较高？
②原子晶体的熔沸点、硬度与什么有关？
对于原子晶体，一般来说，原子间，键长越短，键能越大，共价键越稳定，物质的熔沸点越高，硬度越大。
(4)影响原子晶体熔沸点的因素：
（原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体熔沸点越高）
思考：
晶体熔、沸点和硬度的比较方法
◆先判断晶体类型
对于不同类型的晶体，一般来说，共价晶体的熔、沸点、硬度都大于分子晶体
◆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。
分子晶体、共价晶体的熔、沸点比较
(1)不同类型的晶体：原子晶体>分子晶体。
(2)同一类型的晶体
分子晶体
①分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高；非金属氢化物分子间含有氢键的分子晶体，熔、沸点比同族元素的氢化物反常得高。如H2O>H2Te> H2Se> H2S。
②组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔、沸点越高。
如SnH4>GeH4> SiH4> CH4。
③组成和结构不相似的物质（相对分子质量接近），分子的极性越大，其熔、沸点越高。如CO>N2，CH3OH>CH3CH3。
④同分异构体的支链越多，熔、沸点越低。如
⑤ 烃、卤代烃、醇、醛、羧酸等有机物一般随分子里碳原子的增加，熔、沸点升高。如C2H6>CH4，C2H5Cl>CH3Cl，CH3COOH>HCOOH。
共价晶体
①晶体的熔、沸点高低取决于共价键的键长和键能。键长越短，键能越大，共价键越稳定，物质的熔、沸点越高。
②若没有告知键长或键能数据时，可比较原子半径的大小。一般原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。如比较金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点高低：原子半径：C碳化硅>晶体硅。
(5)常见共价晶体及物质类别
③极少数金属氧化物，如刚玉(Al2O3)，七氧化二锰(Mn2O7) 、三氧化二铬(Cr2O3) 等。
①某些单质：以碳为中心，同主族向下：硅（Si）锗（Ge）和灰锡（Sn）金刚石等；同周期向左、向右：硼（B）高聚氮
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。
（6）分子晶体和共价晶体的判断方法
方法一：根据物质类别
方法二：根据晶体的物理性质
◆依据晶体的熔点判断。
共价晶体的熔点高,常在1000℃以上;而分子晶体熔点低,常在数百摄氏度以下甚至更低。
◆依据物质的状态判断
一般常温常压，呈气态或液态的单质与化合物，在固态时属于分子晶体
◆还可以依据晶体的硬度与机械性能判断。
共价晶体硬度大,分子晶体硬度小且较脆。
◆依据导电性判断。
分子晶体为非导体,但部分溶于水后能导电;原子晶体多数为非导体,但晶体硅、锗是半导体。
方法三：依据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断。
构成共价晶体的微粒是原子,微粒间的作用力是共价键;构成分子晶体的微粒是分子或原子(稀有气体),微粒间的作用力是分子间作用力。
(7)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
科学研究表明，30 亿年前，在地壳下 200 km 左右的地幔中，处在高温、高压岩浆中的碳元素逐渐形成了具有正四面体结构的金刚石。火山爆发时，金刚石夹在岩浆中上升到接近地表时冷却，形成含有少量金刚石的原生矿床。金刚石具有诸多不同凡响的优良性质∶ 熔点高，不导电，硬度极高。这些性质显然是由金刚石的结构决定的。那么，金刚石具有怎样的结构呢
金刚石磨头
金刚石钻石
联想质疑
认识金刚石的结构与性质
探究一
问题1 :金刚石中,每个碳原子与多少个碳原子成键？ 1 mol C 形成的共价键数目是多少？碳原子采取什么杂化方式？
问题2 :金刚石中,最小的碳环由几个碳原子组成？它们是否都能在一个平面上？
晶体中最小的碳环由6个碳原子组成，且不在同一平面内，最多有 4 个碳原子在同一平面。
问题3 :已知每个碳被12个六元环共用，那么一个碳环占有几个碳原子？
问题4:一个金刚石晶胞中，有几个碳原子？
金刚石的晶胞
键能：347.7 kJ/mol（很大）
熔点很高：大于 3500 0C
硬度最大
结构决定性质
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
拓展：金刚石晶胞中的均摊问题
金刚石结构中最小的环状结构为六元环，以标记为O的碳原子为着眼点，通过该碳原子的bOc“V形”可以形成两个六元环；而通过O碳原子的“V形”共有6个(aOb、aOc、aOd、 bOd、cOd)。
金刚石中六元环结构与碳原子数目比为 2 : 1
因此通过O碳原子的六元环共6×2=12个，(即:一个O碳原子为12个六元环共用)一个六元环对环上任意一个碳原子的占有为1/12，一个六元环实际享有6×1/12 ═ 0.5个碳原子
以标记为aO的C－C为着眼点，通过该C－C的“V形”共有3个(aOb、aOc、aOd)。
因此通过aOC－C键的六元环共3×2=6个，(即:一根aOC－C键为6个六元环共用)一个六元环对环上任意一根C－C键的占有为1/6，一个六元环实际享有6×1/6 ═ 1根C－C键
金刚石中六元环结构与C－C键数目比为 1 : 1
金刚石晶胞中：
六元环结构 : 碳原子数目 : C－C键数目 = 2 : 1 : 2
拓展：金刚石模型的演变 —— 等电子体原理
(1)与碳同族单质(如Si、Ge)都具有与金刚石相似的结构；
(2)第ⅣA族相邻元素间也可形成相似结构的晶体(如SiC)
(3)与第ⅣA族同周期的元素间根据等电子体原理，如BN、GaAs等也可形成与金刚石结构相似的晶体。
金刚石 晶体硅 SiC GaAs
拓展：金刚石模型的衍生 —— 方石英(SiO2)
晶体硅的晶胞中，在Si－Si键之间插入O原子，即得到方石英的晶胞(最常见的SiO2晶胞)。
知识拓展－石墨晶体结构
①石墨中碳原子杂化类型？石墨为什么很软？
SP2 杂化。石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，容易滑动，所以石墨很软。
②石墨的熔沸点为什么很高（高于金刚石）？
石墨各层均为平面网状结构，碳原子之间存在很强的共价键（大π键），故熔沸点很高。
③石墨属于哪类晶体？为什么？
石墨为混合键型晶体
(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
二氧化硅的用途:
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