3.2 第3课时 共价晶体 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修2
文档属性
| 名称 | 3.2 第3课时 共价晶体 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修2 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 237.7KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 鲁科版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-07-23 14:46:47 | ||
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文档简介
3.2 第3课时 共价晶体
【学习目标】
1.了解共价晶体的空间结构特点及性质。
2.能描述金刚石、二氧化硅等共价晶体的结构与性质的关系。
【自主预习】
1.共价晶体的概念及物理性质
概念 相邻原子间以 结合而形成的具有 结构的晶体
构成微粒
微粒间的 作用力
结构 特点 (1)由于共价键具有 与 ,所以每个中心原子周围排列的原子数目是有限的 (2)由于所有原子间均以 相结合成网状结构,所以晶体中不存在单个
常见共 价晶体 (1)单质:晶体 、晶体 、晶体 、金刚石等 (2)化合物:碳化硅( )、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、二氧化硅( )等
2.典型共价晶体的结构分析
(1)金刚石
①碳原子采取 杂化,C—C键的键长为0.154 nm,键角为 ,键能为347 kJ·mol-1。
②每个碳原子与周围紧邻的 个碳原子以共价键结合成 结构,向空间伸展形成空间网状结构。
③最小碳环由 个碳原子构成,且最小环上碳原子不在同一平面内,形成立体的六元环状结构。每个碳原子参与的六元环数为12。
(2)碳化硅
①晶体结构特点
把金刚石中的C原子换成Si与C原子相互交替,就得到碳化硅的结构。晶体中Si与C原子个数之比为 。
②物理性质
碳化硅 ,具有 、耐氧化性和耐腐蚀性。
③用途
可用作 、 、电热元件等,还可用来制造机械工程中的结构件和化学工程中的密封件等。
(3)晶体硅
把金刚石中的C原子换成Si原子,便可得到晶体硅的结构,不同的是Si—Si键长>C—C键长。
(4)二氧化硅晶体
①Si原子采取 杂化,正四面体内O—Si—O键角为 。
②一个Si原子与 个O原子形成 个共价键, 原子位于正四面体的中心, 原子位于正四面体的顶点,同时每个O原子被 个硅氧正四面体共用;每个O原子和 个Si原子形成 个共价键,晶体中Si原子与O原子个数之比为 。
③最小环上有 个原子,包括 个O原子和 个Si原子。
3.共价晶体的物理性质
晶体 键能/(kJ·mol-1) 熔点/ ℃ 硬度
金刚石 (C—C)347 大于3500 10
碳化硅 (C—Si)301 2830 9
晶体硅 (Si—Si)226 1412 7
(1)键能:C—C C—Si Si—Si;熔点:金刚石 碳化硅 晶体硅;硬度:金刚石 碳化硅 晶体硅(用“>”或“<”填空)。
(2)规律:共价晶体具有 的熔点, 的硬度;对结构相似的共价晶体来说,原子半径 ,键长 ,键能 ,晶体的熔点就越高。
【参考答案】1.共价键 空间立体网状 原子 共价键 饱和性 方向性 共价键 分子 硼 硅 锗 SiC SiO2
2.sp3 109°28' 四 正四面体 六 1∶1 硬度大 耐热性 磨料 耐火材料 sp3 109°28' 四 四 Si
O 两 两 两 1∶2 12 六 六
3.(1)> > > > > > (2)很高 很大 越小 越短 越大
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)CO2、SiO2均属于共价晶体。 ( )
(2)硬度很大、熔点很高的晶体可能是共价晶体。 ( )
(3)SiC熔化时断裂非极性共价键。 ( )
(4)共价晶体一定不是电解质。 ( )
【答案】(1)× (2)√ (3)× (4)√
2.含有共价键的晶体都是共价晶体吗
【答案】不是。共价晶体中都有共价键,但含有共价键的不一定是共价晶体。如CO2、H2O中也含有共价键,却是分子晶体。
3.为什么共价晶体结构比金属晶体和离子晶体结构更松散,却比金属晶体和离子晶体有更强的稳定性
【答案】共价键具有方向性和饱和性,使共价晶体中某个原子周围结合的其他原子数目是有限的,因此比较松散。但由于整个晶体中各原子都以强作用力的共价键相互结合,且构成了空间网状结构,所以共价晶体更稳定。
4.ⅢA、ⅤA族元素组成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的新型半导体材料,其晶体结构与单晶硅相似。
①在GaN晶体中,每个Ga原子与几个N原子相连
【答案】4。GaN与单晶硅结构相似,所以每个Ga原子与4个N原子形成共价键,每个N原子与4个Ga原子形成共价键。
②与同一个Ga原子相连的N原子构成的是什么空间结构
【答案】正四面体。可类比晶体硅的空间结构。
【合作探究】
任务1 共价晶体的结构与性质
情境导入 金刚砂又名碳化硅(SiC),是用石英砂、石油焦(或煤焦)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然中存在罕见的矿物,如莫桑石。碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中,碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。碳化硅可用作磨料、耐火材料、电热元件,制造机械工程的结构件、化学工程中的密封件等。
问题生成
(1)写出制备金刚砂的化学方程式。
【答案】SiO2+3CSiC+2CO↑。
(2)比较金刚砂与金刚石的熔点。
【答案】熔点:金刚砂<金刚石。
(3)金刚砂的结构中,一个硅原子周围结合几个碳原子 含有共价键形成的原子环,其中最小的环上有几个硅原子
【答案】4;3。
【核心归纳】
1.概念及物理性质
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
构成微粒 原子
微粒间的 作用力 共价键
物理性质 (1)由于共价晶体原子间以较强的共价键相结合,所以其具有很高的熔点和很大的硬度。 (2)结构相似的共价晶体,原子半径越小,键长越短,键能越大,晶体的熔点越高,硬度越大
2.共价晶体与物质的类别
物质种类 实例
某些非金属单质 晶体硼、晶体硅、金刚石等
某些非金属 化合物 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、 氮化硼(BN)等
某些氧化物 二氧化硅(SiO2)等
【典型例题】
【例1】根据下列性质判断,属于共价晶体的物质是( )。
A.熔点为2700 ℃,导电性好,延展性强
B.无色晶体,熔点为3550 ℃,不导电,质硬,难溶于水和有机溶剂
C.无色晶体,能溶于水,质硬而脆,熔点为800 ℃,熔化时能导电
D.熔点为-56.6 ℃,微溶于水,硬度小,固态或液态时不导电
【答案】B
【解析】A项中延展性好,符合金属晶体的特征,不是共价晶体的特征,因为共价晶体中原子与原子之间以共价键结合,而共价键有一定的方向性,使共价晶体质硬而脆,不符合题意;C项符合离子晶体的特征;D项符合分子晶体的特征。
【例2】某些共价晶体的熔点如表所示:
共价晶体 金刚石 氮化硼 硅 锗
熔点/℃ 3550 3000 1415 1211
根据上表中的数据回答下列问题:
(1)从原子结构角度分析,金刚石、硅、锗的熔点逐渐降低的原因是 。
(2)ⅣA族与ⅤA族元素组成的晶体多是共价晶体,如氮化碳、氮化硅等。写出氮化碳、氮化硅的熔点大小关系: (用化学式表示)。
【答案】(1)碳、硅、锗的原子半径逐渐增大,共价键的键能逐渐减小
(2)C3N4>Si3N4
特别提醒
(1)共价晶体的熔、沸点不一定高于金属晶体和离子晶体。如MgO(2800 ℃)>SiO2(1713 ℃)、钨(3410 ℃)>SiO2(1713 ℃)。
(2)平面网状结构的晶体不属于共价晶体。
(3)共价晶体中只存在共价键,不存在离子键和范德华力。
(4)稀有气体原子组成的晶体不是共价晶体。
任务2 几种典型的共价晶体
情境导入 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
问题生成
1.分析金刚石中碳原子的杂化方式和C—C键之间的夹角。
【答案】碳原子采取sp3杂化,C—C—C夹角为109°28'。
2.分析金刚石的晶体结构模型,判断共价晶体的化学式能否代表其分子式。
【答案】金刚石属于共价晶体,共价晶体的化学式不能代表其分子式。因为共价晶体是一个空间网状结构,无小分子存在。
3.根据金刚石的结构特点,你能分析其硬度大的原因是什么吗
【答案】在金刚石晶体内部,每个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合,形成一种致密的空间网状结构,破坏这种空间网状结构中的C—C共价键需要很高的能量,所以金刚石的硬度很大。
4.金刚石最小的碳环由几个碳原子构成 每个碳原子被多少个六元环共用
【答案】最小碳环由6个碳原子构成;每个碳原子被12个六元环共用。
【核心归纳】
常见的共价晶体
金刚石(晶体硅) 碳化硅 二氧化硅
晶胞
中心原子 杂化类型 sp3 sp3 sp3
键角 109°28' 109°28' 109°28'
晶胞中微 粒数目 8个C C:4个 Si:4个 Si:8个 O:16个
1 mol物 质中化学 键数目 2NA C—C键 2NA C—Si键 4NA Si—O键
【典型例题】
【例3】我们可以将SiO2的晶体结构想象为在晶体硅的Si—Si键之间插入O原子。根据SiO2晶体结构图,下列说法不正确的是( )。
A.SiO2晶体中每个Si原子通过Si—O极性键与4个O原子作用
B.每个O原子通过Si—O极性键与2个Si原子作用
C.SiO2晶体中Si原子与O原子的原子个数之比为1∶2,可用“SiO2”来表示石英的组成
D.在晶体中存在石英分子,故SiO2能叫分子式
【答案】D
【解析】晶体硅的结构单元是五个硅原子形成正四面体结构,其中有一个位于正四面体的中心,另外四个位于四面体的顶点,故SiO2的结构为每个硅原子周围有四个氧原子,而每个氧原子周围有两个硅原子,在晶体中Si原子与O原子的原子个数之比为1∶2,“SiO2”仅表示石英的组成,故没有单个的SiO2分子。
【例4】碳化硅(SiC)俗称金刚砂,与金刚石具有相似的晶体结构,硬度为9.5,熔点为2700 ℃,其晶胞结构如图所示。下列说法错误的是( )。
A.SiC晶体中碳原子和硅原子均采用sp3杂化
B.距离硅原子最近的硅原子数为12
C.金刚石的熔点低于2700 ℃
D.若晶胞参数为a pm,则该晶体的密度为 g·cm-3
【答案】C
【解析】SiC晶体中碳原子周围有4个硅原子,而硅原子连有4个碳原子,均采用sp3杂化,故A项正确;以4个Si原子形成立体结构看,距离最短的Si位于顶点和面心,每个顶点为12个面共有,则距离硅原子最近的硅原子数为12,故B项正确;共价键的键长越短,键能越大,则熔沸点越高,C—C键键长比Si—Si键键长短,金刚石的熔点高于2700 ℃,故C项错误;碳原子位于晶胞的顶点和面心,C原子个数为8×+6×=4,硅原子位于体内,个数为4,若晶胞参数为a pm,则该晶体的密度为≈ g·cm-3,故D项正确。
【例5】科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松,与此同时再用射频电火花喷射氮气,此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称,这种化合物可能比金刚石更坚硬,其原因可能是( )。
A.碳、氮原子构成平面结构的晶体
B.碳氮键的键长比金刚石中碳碳键的键长短
C.氮原子电子数比碳原子电子数多
D.碳、氮单质的化学性质均不活泼
【答案】B
【解析】由“这种化合物可能比金刚石更坚硬”可知,该晶体应该是一种共价晶体,共价晶体为空间立体网状结构而不是平面结构,A项不符合题意;氮原子的半径比碳原子的半径小,二者所形成的共价键的键长要比碳碳键的键长短,所以该晶体的硬度应该比金刚石更高,B项符合题意;原子的电子数和单质的活泼性一般不会影响所形成的晶体的硬度等,所以C、D两项均不符合题意。
【随堂检测】
1.下列物质属于共价晶体的是( )。
①干冰 ②SiO2 ③晶体硅 ④白磷 ⑤氨基乙酸 ⑥固态He
A.①②③④⑤⑥ B.②③④⑥ C.②③ D.①②⑤⑥
【答案】C
【解析】干冰、白磷、氨基乙酸和固态He属于分子晶体,SiO2和晶体硅属于共价晶体。
2.某共价晶体A,其空间结构中的一部分如图所示。A与B反应生成C,其实质是在每个A—A键中插入一个B原子,则C的化学式为( )。
A.AB B.A5B4 C.AB2 D.A2B5
【答案】C
【解析】由于处于中心的A原子实际结合的B原子为×4=2个,故C的化学式为AB2,其空间结构如图。
3.将SiCl4与过量的液氨反应可生成化合物Si(NH2)4。将该化合物在无氧条件下高温灼烧,可得到氮化硅(Si3N4)固体,氮化硅是一种新型耐高温、耐磨材料,在工业上有广泛的应用。下列推断可能正确的是( )。
A.SiCl4、Si3N4的晶体类型相同
B.Si3N4晶体是空间网状结构
C.共价晶体C3N4的熔点比Si3N4的低
D.SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂
【答案】B
【解析】SiCl4是分子晶体,在熔化过程中克服的是分子间作用力,化学键不断裂。Si3N4是共价晶体,为空间网状结构。根据C、Si的原子半径推知C—N键的键能比Si—N键的键能大,故C3N4的熔点比Si3N4的高。
4.氮化碳部分结构如图所示,其中β-氮化碳的硬度超过金刚石晶体,成为首屈一指的超硬新材料。下列有关氮化碳的说法错误的是( )。
A.氮化碳属于共价晶体,其化学键比金刚石的更稳定
B.该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子稳定结构
C.β-氮化碳的化学式为C3N4,其中氮显-3价,碳显+4价
D.该晶体与金刚石结构相似,都是原子间以非极性键结合形成的空间网状结构
【答案】D
【解析】N原子半径小于C原子,键长:C—N键5.(2021·福建卷,节选)类石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种新型光催化材料,在光解水产氢等领域具有广阔的应用前景。研究表明,非金属掺杂(O、S等)能提高其光催化活性。g-C3N4具有和石墨相似的层状结构,其中一种二维平面结构如图所示。
回答下列问题:
(1)2g-C3N4晶体中存在的微粒间作用力有 (填字母)。
a.非极性键 b.金属键 c.π键 d.范德华力
(2)g-C3N4中,C原子的杂化轨道类型为 。
(3)每个基本结构单元(图中实线圈部分)中两个N原子(图中虚线圈所示)被O原子代替,形成O掺杂的g-C3N4(OPCN)。OPCN的化学式为 。
【答案】(1)cd
(2)sp2杂化
(3)C3N3O
【解析】(1)根据题意,g-C3N4晶体具有和石墨相似的层状结构,结合二维平面结构图,可知其存在极性键、π键和范德华力。
(2)g-C3N4中,结合二维平面结构图得知,C原子与N原子形成三个σ键,层内存在大π键,不存在孤电子对,故C原子的杂化轨道类型为sp2杂化。
(3)从基本结构单元分析得知,N原子的成键有连两个C原子和连三个C原子的两种情况,连两个C原子的N原子完全属于该基本结构单元,连三个C原子的N原子处在中心的完全属于该基本结构单元,处在顶点上的属于三个基本结构单元,故一个基本结构单元含有6个C原子和7+3×=8个N原子;将图中虚线圈所示的N原子用O原子代替,则O原子完全属于该基本结构单元,故该基本结构单元含有6个C原子、6个N原子、2个O原子,则形成O掺杂的g-C3N4(OPCN)的化学式为C3N3O。
2
【学习目标】
1.了解共价晶体的空间结构特点及性质。
2.能描述金刚石、二氧化硅等共价晶体的结构与性质的关系。
【自主预习】
1.共价晶体的概念及物理性质
概念 相邻原子间以 结合而形成的具有 结构的晶体
构成微粒
微粒间的 作用力
结构 特点 (1)由于共价键具有 与 ,所以每个中心原子周围排列的原子数目是有限的 (2)由于所有原子间均以 相结合成网状结构,所以晶体中不存在单个
常见共 价晶体 (1)单质:晶体 、晶体 、晶体 、金刚石等 (2)化合物:碳化硅( )、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、二氧化硅( )等
2.典型共价晶体的结构分析
(1)金刚石
①碳原子采取 杂化,C—C键的键长为0.154 nm,键角为 ,键能为347 kJ·mol-1。
②每个碳原子与周围紧邻的 个碳原子以共价键结合成 结构,向空间伸展形成空间网状结构。
③最小碳环由 个碳原子构成,且最小环上碳原子不在同一平面内,形成立体的六元环状结构。每个碳原子参与的六元环数为12。
(2)碳化硅
①晶体结构特点
把金刚石中的C原子换成Si与C原子相互交替,就得到碳化硅的结构。晶体中Si与C原子个数之比为 。
②物理性质
碳化硅 ,具有 、耐氧化性和耐腐蚀性。
③用途
可用作 、 、电热元件等,还可用来制造机械工程中的结构件和化学工程中的密封件等。
(3)晶体硅
把金刚石中的C原子换成Si原子,便可得到晶体硅的结构,不同的是Si—Si键长>C—C键长。
(4)二氧化硅晶体
①Si原子采取 杂化,正四面体内O—Si—O键角为 。
②一个Si原子与 个O原子形成 个共价键, 原子位于正四面体的中心, 原子位于正四面体的顶点,同时每个O原子被 个硅氧正四面体共用;每个O原子和 个Si原子形成 个共价键,晶体中Si原子与O原子个数之比为 。
③最小环上有 个原子,包括 个O原子和 个Si原子。
3.共价晶体的物理性质
晶体 键能/(kJ·mol-1) 熔点/ ℃ 硬度
金刚石 (C—C)347 大于3500 10
碳化硅 (C—Si)301 2830 9
晶体硅 (Si—Si)226 1412 7
(1)键能:C—C C—Si Si—Si;熔点:金刚石 碳化硅 晶体硅;硬度:金刚石 碳化硅 晶体硅(用“>”或“<”填空)。
(2)规律:共价晶体具有 的熔点, 的硬度;对结构相似的共价晶体来说,原子半径 ,键长 ,键能 ,晶体的熔点就越高。
【参考答案】1.共价键 空间立体网状 原子 共价键 饱和性 方向性 共价键 分子 硼 硅 锗 SiC SiO2
2.sp3 109°28' 四 正四面体 六 1∶1 硬度大 耐热性 磨料 耐火材料 sp3 109°28' 四 四 Si
O 两 两 两 1∶2 12 六 六
3.(1)> > > > > > (2)很高 很大 越小 越短 越大
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)CO2、SiO2均属于共价晶体。 ( )
(2)硬度很大、熔点很高的晶体可能是共价晶体。 ( )
(3)SiC熔化时断裂非极性共价键。 ( )
(4)共价晶体一定不是电解质。 ( )
【答案】(1)× (2)√ (3)× (4)√
2.含有共价键的晶体都是共价晶体吗
【答案】不是。共价晶体中都有共价键,但含有共价键的不一定是共价晶体。如CO2、H2O中也含有共价键,却是分子晶体。
3.为什么共价晶体结构比金属晶体和离子晶体结构更松散,却比金属晶体和离子晶体有更强的稳定性
【答案】共价键具有方向性和饱和性,使共价晶体中某个原子周围结合的其他原子数目是有限的,因此比较松散。但由于整个晶体中各原子都以强作用力的共价键相互结合,且构成了空间网状结构,所以共价晶体更稳定。
4.ⅢA、ⅤA族元素组成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的新型半导体材料,其晶体结构与单晶硅相似。
①在GaN晶体中,每个Ga原子与几个N原子相连
【答案】4。GaN与单晶硅结构相似,所以每个Ga原子与4个N原子形成共价键,每个N原子与4个Ga原子形成共价键。
②与同一个Ga原子相连的N原子构成的是什么空间结构
【答案】正四面体。可类比晶体硅的空间结构。
【合作探究】
任务1 共价晶体的结构与性质
情境导入 金刚砂又名碳化硅(SiC),是用石英砂、石油焦(或煤焦)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然中存在罕见的矿物,如莫桑石。碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中,碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。碳化硅可用作磨料、耐火材料、电热元件,制造机械工程的结构件、化学工程中的密封件等。
问题生成
(1)写出制备金刚砂的化学方程式。
【答案】SiO2+3CSiC+2CO↑。
(2)比较金刚砂与金刚石的熔点。
【答案】熔点:金刚砂<金刚石。
(3)金刚砂的结构中,一个硅原子周围结合几个碳原子 含有共价键形成的原子环,其中最小的环上有几个硅原子
【答案】4;3。
【核心归纳】
1.概念及物理性质
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
构成微粒 原子
微粒间的 作用力 共价键
物理性质 (1)由于共价晶体原子间以较强的共价键相结合,所以其具有很高的熔点和很大的硬度。 (2)结构相似的共价晶体,原子半径越小,键长越短,键能越大,晶体的熔点越高,硬度越大
2.共价晶体与物质的类别
物质种类 实例
某些非金属单质 晶体硼、晶体硅、金刚石等
某些非金属 化合物 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、 氮化硼(BN)等
某些氧化物 二氧化硅(SiO2)等
【典型例题】
【例1】根据下列性质判断,属于共价晶体的物质是( )。
A.熔点为2700 ℃,导电性好,延展性强
B.无色晶体,熔点为3550 ℃,不导电,质硬,难溶于水和有机溶剂
C.无色晶体,能溶于水,质硬而脆,熔点为800 ℃,熔化时能导电
D.熔点为-56.6 ℃,微溶于水,硬度小,固态或液态时不导电
【答案】B
【解析】A项中延展性好,符合金属晶体的特征,不是共价晶体的特征,因为共价晶体中原子与原子之间以共价键结合,而共价键有一定的方向性,使共价晶体质硬而脆,不符合题意;C项符合离子晶体的特征;D项符合分子晶体的特征。
【例2】某些共价晶体的熔点如表所示:
共价晶体 金刚石 氮化硼 硅 锗
熔点/℃ 3550 3000 1415 1211
根据上表中的数据回答下列问题:
(1)从原子结构角度分析,金刚石、硅、锗的熔点逐渐降低的原因是 。
(2)ⅣA族与ⅤA族元素组成的晶体多是共价晶体,如氮化碳、氮化硅等。写出氮化碳、氮化硅的熔点大小关系: (用化学式表示)。
【答案】(1)碳、硅、锗的原子半径逐渐增大,共价键的键能逐渐减小
(2)C3N4>Si3N4
特别提醒
(1)共价晶体的熔、沸点不一定高于金属晶体和离子晶体。如MgO(2800 ℃)>SiO2(1713 ℃)、钨(3410 ℃)>SiO2(1713 ℃)。
(2)平面网状结构的晶体不属于共价晶体。
(3)共价晶体中只存在共价键,不存在离子键和范德华力。
(4)稀有气体原子组成的晶体不是共价晶体。
任务2 几种典型的共价晶体
情境导入 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
问题生成
1.分析金刚石中碳原子的杂化方式和C—C键之间的夹角。
【答案】碳原子采取sp3杂化,C—C—C夹角为109°28'。
2.分析金刚石的晶体结构模型,判断共价晶体的化学式能否代表其分子式。
【答案】金刚石属于共价晶体,共价晶体的化学式不能代表其分子式。因为共价晶体是一个空间网状结构,无小分子存在。
3.根据金刚石的结构特点,你能分析其硬度大的原因是什么吗
【答案】在金刚石晶体内部,每个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合,形成一种致密的空间网状结构,破坏这种空间网状结构中的C—C共价键需要很高的能量,所以金刚石的硬度很大。
4.金刚石最小的碳环由几个碳原子构成 每个碳原子被多少个六元环共用
【答案】最小碳环由6个碳原子构成;每个碳原子被12个六元环共用。
【核心归纳】
常见的共价晶体
金刚石(晶体硅) 碳化硅 二氧化硅
晶胞
中心原子 杂化类型 sp3 sp3 sp3
键角 109°28' 109°28' 109°28'
晶胞中微 粒数目 8个C C:4个 Si:4个 Si:8个 O:16个
1 mol物 质中化学 键数目 2NA C—C键 2NA C—Si键 4NA Si—O键
【典型例题】
【例3】我们可以将SiO2的晶体结构想象为在晶体硅的Si—Si键之间插入O原子。根据SiO2晶体结构图,下列说法不正确的是( )。
A.SiO2晶体中每个Si原子通过Si—O极性键与4个O原子作用
B.每个O原子通过Si—O极性键与2个Si原子作用
C.SiO2晶体中Si原子与O原子的原子个数之比为1∶2,可用“SiO2”来表示石英的组成
D.在晶体中存在石英分子,故SiO2能叫分子式
【答案】D
【解析】晶体硅的结构单元是五个硅原子形成正四面体结构,其中有一个位于正四面体的中心,另外四个位于四面体的顶点,故SiO2的结构为每个硅原子周围有四个氧原子,而每个氧原子周围有两个硅原子,在晶体中Si原子与O原子的原子个数之比为1∶2,“SiO2”仅表示石英的组成,故没有单个的SiO2分子。
【例4】碳化硅(SiC)俗称金刚砂,与金刚石具有相似的晶体结构,硬度为9.5,熔点为2700 ℃,其晶胞结构如图所示。下列说法错误的是( )。
A.SiC晶体中碳原子和硅原子均采用sp3杂化
B.距离硅原子最近的硅原子数为12
C.金刚石的熔点低于2700 ℃
D.若晶胞参数为a pm,则该晶体的密度为 g·cm-3
【答案】C
【解析】SiC晶体中碳原子周围有4个硅原子,而硅原子连有4个碳原子,均采用sp3杂化,故A项正确;以4个Si原子形成立体结构看,距离最短的Si位于顶点和面心,每个顶点为12个面共有,则距离硅原子最近的硅原子数为12,故B项正确;共价键的键长越短,键能越大,则熔沸点越高,C—C键键长比Si—Si键键长短,金刚石的熔点高于2700 ℃,故C项错误;碳原子位于晶胞的顶点和面心,C原子个数为8×+6×=4,硅原子位于体内,个数为4,若晶胞参数为a pm,则该晶体的密度为≈ g·cm-3,故D项正确。
【例5】科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松,与此同时再用射频电火花喷射氮气,此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称,这种化合物可能比金刚石更坚硬,其原因可能是( )。
A.碳、氮原子构成平面结构的晶体
B.碳氮键的键长比金刚石中碳碳键的键长短
C.氮原子电子数比碳原子电子数多
D.碳、氮单质的化学性质均不活泼
【答案】B
【解析】由“这种化合物可能比金刚石更坚硬”可知,该晶体应该是一种共价晶体,共价晶体为空间立体网状结构而不是平面结构,A项不符合题意;氮原子的半径比碳原子的半径小,二者所形成的共价键的键长要比碳碳键的键长短,所以该晶体的硬度应该比金刚石更高,B项符合题意;原子的电子数和单质的活泼性一般不会影响所形成的晶体的硬度等,所以C、D两项均不符合题意。
【随堂检测】
1.下列物质属于共价晶体的是( )。
①干冰 ②SiO2 ③晶体硅 ④白磷 ⑤氨基乙酸 ⑥固态He
A.①②③④⑤⑥ B.②③④⑥ C.②③ D.①②⑤⑥
【答案】C
【解析】干冰、白磷、氨基乙酸和固态He属于分子晶体,SiO2和晶体硅属于共价晶体。
2.某共价晶体A,其空间结构中的一部分如图所示。A与B反应生成C,其实质是在每个A—A键中插入一个B原子,则C的化学式为( )。
A.AB B.A5B4 C.AB2 D.A2B5
【答案】C
【解析】由于处于中心的A原子实际结合的B原子为×4=2个,故C的化学式为AB2,其空间结构如图。
3.将SiCl4与过量的液氨反应可生成化合物Si(NH2)4。将该化合物在无氧条件下高温灼烧,可得到氮化硅(Si3N4)固体,氮化硅是一种新型耐高温、耐磨材料,在工业上有广泛的应用。下列推断可能正确的是( )。
A.SiCl4、Si3N4的晶体类型相同
B.Si3N4晶体是空间网状结构
C.共价晶体C3N4的熔点比Si3N4的低
D.SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂
【答案】B
【解析】SiCl4是分子晶体,在熔化过程中克服的是分子间作用力,化学键不断裂。Si3N4是共价晶体,为空间网状结构。根据C、Si的原子半径推知C—N键的键能比Si—N键的键能大,故C3N4的熔点比Si3N4的高。
4.氮化碳部分结构如图所示,其中β-氮化碳的硬度超过金刚石晶体,成为首屈一指的超硬新材料。下列有关氮化碳的说法错误的是( )。
A.氮化碳属于共价晶体,其化学键比金刚石的更稳定
B.该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子稳定结构
C.β-氮化碳的化学式为C3N4,其中氮显-3价,碳显+4价
D.该晶体与金刚石结构相似,都是原子间以非极性键结合形成的空间网状结构
【答案】D
【解析】N原子半径小于C原子,键长:C—N键
回答下列问题:
(1)2g-C3N4晶体中存在的微粒间作用力有 (填字母)。
a.非极性键 b.金属键 c.π键 d.范德华力
(2)g-C3N4中,C原子的杂化轨道类型为 。
(3)每个基本结构单元(图中实线圈部分)中两个N原子(图中虚线圈所示)被O原子代替,形成O掺杂的g-C3N4(OPCN)。OPCN的化学式为 。
【答案】(1)cd
(2)sp2杂化
(3)C3N3O
【解析】(1)根据题意,g-C3N4晶体具有和石墨相似的层状结构,结合二维平面结构图,可知其存在极性键、π键和范德华力。
(2)g-C3N4中,结合二维平面结构图得知,C原子与N原子形成三个σ键,层内存在大π键,不存在孤电子对,故C原子的杂化轨道类型为sp2杂化。
(3)从基本结构单元分析得知,N原子的成键有连两个C原子和连三个C原子的两种情况,连两个C原子的N原子完全属于该基本结构单元,连三个C原子的N原子处在中心的完全属于该基本结构单元,处在顶点上的属于三个基本结构单元,故一个基本结构单元含有6个C原子和7+3×=8个N原子;将图中虚线圈所示的N原子用O原子代替,则O原子完全属于该基本结构单元,故该基本结构单元含有6个C原子、6个N原子、2个O原子,则形成O掺杂的g-C3N4(OPCN)的化学式为C3N3O。
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