3.2 第2课时 共价晶体 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修第二册
文档属性
| 名称 | 3.2 第2课时 共价晶体 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修第二册 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 211.3KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-04-10 21:57:38 | ||
图片预览
文档简介
3.2 第2课时 共价晶体
【学习目标】
1.借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点。
2.能够从化学键的特征,分析理解共价晶体的物理特性。
【自主预习】
一、共价晶体的结构和性质
1.共价晶体的结构特点
(1)构成粒子及作用力
共价晶体
(2)空间结构:整块晶体是一个三维的共价键 结构,不存在单个的小分子,是一个“巨分子”。
2.共价晶体与物质的类别
物质种类 实例
某些 晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等
某些 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等
某些 二氧化硅(SiO2)等
3.共价晶体的熔、沸点
(1)由于共价晶体原子间以较强的共价键相结合,熔化时必须破坏共价键,而破坏它们需要很高的温度,所以共价晶体具有 的熔点。
(2)结构相似的共价晶体,原子半径越 ,键长越 ,键能越 ,晶体的熔点越 。
【微点拨】
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等分子晶体中也含有共价键。
二、典型的共价晶体
1.金刚石
(1)碳原子采取 杂化,C—C—C夹角为 。
(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 个碳原子组成,且最小碳环上有4个碳原子在同一平面内;每个碳原子被12个六元环共用。
2.二氧化硅晶体
(1)二氧化硅的结构
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(α-SiO2)。在低温石英的结构,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手性。
①Si原子采取 杂化,正四面体内O—Si—O键角为 。
②每个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原子个数比为 。
③最小环上有 个原子,包括 个O原子和 个Si原子。
(2)二氧化硅的用途
二氧化硅是制造水泥、玻璃、人造红宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。
【微点拨】
二氧化硅为共价晶体,晶体中不存在单个分子,其化学式为Si与O的最简个数比,而不是分子式。
【参考答案】一、1.(1)原子 共价键 (2)网状 2.单质 非金属化合物 氧化物 3.(1)很高 (2)小 短 大 高
二、1.(1)sp3 109°28' (2)4 正四面体 (3)6
2.(1)硅氧四面体 ①sp3 109°28'
②4 4 Si O 2 2 2 1∶2 ③12 6 6
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)具有共价键的晶体都是共价晶体。 ( )
(2)二氧化硅晶体熔化时,破坏Si—O。 ( )
(3)共价晶体中,共价键键能越大,熔点越高。 ( )
(4)共价晶体的化学式表示其分子式。 ( )
(5)共价晶体的熔点一般比分子晶体高。 ( )
(6)共价晶体都具有空间网状的结构和较强作用的共价键。 ( )
(7)1 mol SiO2晶体中含4 mol Si—O。 ( )
(8)由于共价键的键能远大于分子间作用力,故共价晶体的熔点比分子晶体高。 ( )
【答案】(1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)√ (6)√ (7)√ (8)√
2.常见的共价晶体单质有哪些 请列举两例。
【答案】金刚石、单质硅、单质硼等。
3.常见的共价晶体化合物有哪些 请列举两例。
【答案】SiO2、SiC、C3N4、Si3N4、BN、AlN、BP、GaAs等。
【合作探究】
任务1：共价晶体的结构与性质
情境导入 素材1: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的。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物中,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。
素材2:C60是一种碳原子簇,它由60个碳原子构成像足球一样的32面体,包括20个正六边形、12个正五边形。这60个C原子在空间进行排列时,形成一个化学键最稳定的空间排列位置,恰好与足球表面格的排列一致。这个结构的提出是受到建筑学家富勒的启发,富勒曾设计一种用六边形和五边形构成的球形薄壳建筑结构,因此科学家把C60叫作足球烯,也叫作富勒烯。
问题生成
1.通过素材1写出制备金刚砂的化学方程式。
【答案】SiO2+3CSiC+2CO↑。
2.金刚石晶体和富勒烯晶体的构成微粒相同吗
【答案】不同。富勒烯晶体的构成微粒为分子,金刚石晶体的构成微粒为原子。
3.金刚石晶体和富勒烯晶体受热熔化时克服的微粒间作用力相同吗
【答案】不同。前者受热熔化时克服共价键,后者受热熔化时克服分子间作用力。
4.以金刚石为例,说明共价晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同。
【答案】①构成微粒不同,共价晶体中只存在原子,没有分子。②微粒间作用力不同,共价晶体中原子间只存在共价键,而分子晶体中分子之间存在分子间作用力。
5.比较金刚砂、金刚石、富勒烯的熔、沸点。
【答案】熔、沸点:金刚石>金刚砂>富勒烯。
【核心归纳】
1.判断共价晶体和分子晶体的方法
(1)依据构成晶体的微粒种类及微粒间的相互作用
对于分子晶体,构成晶体的微粒是分子,微粒间的相互作用是分子间作用力;对于共价晶体,构成晶体的微粒是原子,微粒间的相互作用是共价键。分子晶体中存在小分子,共价晶体中不存在小分子。
(2)依据物质的物理性质
一般情况下,共价晶体比分子晶体的熔、沸点高得多,硬度大。共价晶体熔、沸点高,常在1000℃以上;分子晶体熔、沸点低,常在几百度以下至很低的温度。
(3)依据物质的分类判断
①分子晶体:大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外)、气态氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。
②共价晶体:常见的共价晶体单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等;常见的共价晶体化合物有碳化硅、二氧化硅等。
(4)依据导电性判断
分子晶体为非导体,但部分分子晶体溶于水后能够导电;共价晶体多数为非导体,但晶体硅、锗是半导体。
(5)依据物质的状态判断
分子晶体常温下可能会呈气态或液态,共价晶体常温下呈固态。
(6)依据硬度和机械性能判断
共价晶体硬度大,分子晶体硬度小且较脆。
2.共价晶体与分子晶体熔、沸点高低的比较
(1)晶体类型不同:共价晶体>分子晶体
理由:共价晶体的熔、沸点与共价键有关,分子晶体的熔、沸点与分子间作用力有关。共价键的作用力远大于分子间作用力。
(2)晶体类型相同
①共价晶体
一般来说,对结构相似的共价晶体来说,键长越短,键能越大,晶体的熔、沸点越高。例如:金刚石>二氧化硅>碳化硅>晶体硅。
②分子晶体
a.若分子间有氢键,则分子间作用力比结构相似的同类晶体大,故熔、沸点较高。如HF>HI;NH3>PH3;H2O>H2Te。
b.组成和结构相似的分子晶体,一般相对分子质量越大,范德华力越大,熔、沸点越高。如I2>Br2>Cl2>F2;SnH4>GeH4>SiH4>CH4。
c.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,范德华力越大,熔、沸点越高。如CO>N2。
d.同类别的同分异构体,支链越多,熔、沸点越低。如正戊烷>异戊烷>新戊烷。
【典型例题】
【例1】氮化碳的部分结构如图所示,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.β-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.该氮化碳的化学式为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原子半径,键长:C—N【例2】根据下表中的有关数据分析,下列说法错误的是( )。
AlCl3 SiCl4 晶体硼 金刚石 晶体硅
熔点/℃ 194 -70 2180 >3500 1410
沸点/℃ 181 57 3650 4827 2355
A.SiCl4、AlCl3是分子晶体
B.晶体硼是共价晶体
C.晶体硅是共价晶体
D.金刚石中的C—C比晶体硅中的Si-Si弱
【答案】D
【解析】根据表格数据可知SiCl4、AlCl3的熔、沸点低,说明SiCl4、AlCl3都是分子晶体,A项正确;根据表格数据可知晶体硼熔、沸点高,说明晶体硼属于共价晶体,B项正确;根据表格数据可知晶体硅熔、沸点高,说明晶体硅属于共价晶体,C项正确;金刚石、晶体硅的熔、沸点高,两者都属于共价晶体,由于原子半径:CSi—Si,D项错误。
任务2：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三维骨架结构,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,形成一种致密的三维结构,破坏这种三维结构中的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,且最小碳环上有4个碳原子在同一平面内;每个碳原子被12个六元环共用。
【核心归纳】
1.共价晶体与分子晶体的结构特征
(1)共价晶体的结构特征
在共价晶体中,各原子均以共价键结合,因为共价键有方向性和饱和性,所以中心原子周围的原子数目是有限的,原子不采取密堆积方式。
(2)分子晶体的结构特征
①分子间不存在氢键的分子晶体,由于范德华力没有方向性和饱和性,所以分子尽可能采取密堆积方式。
②分子间存在氢键的分子晶体,由于氢键具有方向性和饱和性,所以分子不能采取密堆积方式。
2.常见共价晶体结构判断的易错点
(1)金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等共价晶体中的成键数目。
①金刚石(或晶体硅)中,1 mol C(或Si)形成2 mol C—C(或Si—Si)。
②碳化硅晶体中,1 mol C或1 mol Si均形成4 mol C—Si。
③1 mol SiO2晶体中有4 mol Si—O。
(2)金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅中最小环上的原子数。
①金刚石、晶体硅、碳化硅晶体中最小环上的原子数分别为6个C、6个Si、3个C和3个Si。
②SiO2晶体中最小环上有6个Si和6个O。
(3)金刚石、晶体硅的一个晶胞中,分别含有的碳原子数为8、硅原子数为8。
【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键长比Si—Si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。
【随堂检测】
课堂基础
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的键能比Si—N的键能大,故C3N4的熔点比Si3N4的高。
4.科学家成功研制成了一种新型的碳氧化物,该化合物晶体与SiO2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空间网状结构。下列对该晶体的叙述错误的是( )。
A.该晶体是共价晶体,熔、沸点很高
B.该晶体中碳原子和氧原子的个数之比为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
【答案】C
【解析】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空间网状结构,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、氧原子个数之比为1∶2,B项正确;该晶体中每个碳原子形成4个C—O共价键,所以碳原子数与C—O数之比为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。
对接高考
5.(2021·福建卷,14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)g-C3N4晶体中存在的微粒间作用力有 (填标号)。
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.借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点。
2.能够从化学键的特征,分析理解共价晶体的物理特性。
【自主预习】
一、共价晶体的结构和性质
1.共价晶体的结构特点
(1)构成粒子及作用力
共价晶体
(2)空间结构:整块晶体是一个三维的共价键 结构,不存在单个的小分子,是一个“巨分子”。
2.共价晶体与物质的类别
物质种类 实例
某些 晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等
某些 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等
某些 二氧化硅(SiO2)等
3.共价晶体的熔、沸点
(1)由于共价晶体原子间以较强的共价键相结合,熔化时必须破坏共价键,而破坏它们需要很高的温度,所以共价晶体具有 的熔点。
(2)结构相似的共价晶体,原子半径越 ,键长越 ,键能越 ,晶体的熔点越 。
【微点拨】
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等分子晶体中也含有共价键。
二、典型的共价晶体
1.金刚石
(1)碳原子采取 杂化,C—C—C夹角为 。
(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 个碳原子组成,且最小碳环上有4个碳原子在同一平面内;每个碳原子被12个六元环共用。
2.二氧化硅晶体
(1)二氧化硅的结构
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(α-SiO2)。在低温石英的结构,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手性。
①Si原子采取 杂化,正四面体内O—Si—O键角为 。
②每个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原子个数比为 。
③最小环上有 个原子,包括 个O原子和 个Si原子。
(2)二氧化硅的用途
二氧化硅是制造水泥、玻璃、人造红宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。
【微点拨】
二氧化硅为共价晶体,晶体中不存在单个分子,其化学式为Si与O的最简个数比,而不是分子式。
【参考答案】一、1.(1)原子 共价键 (2)网状 2.单质 非金属化合物 氧化物 3.(1)很高 (2)小 短 大 高
二、1.(1)sp3 109°28' (2)4 正四面体 (3)6
2.(1)硅氧四面体 ①sp3 109°28'
②4 4 Si O 2 2 2 1∶2 ③12 6 6
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)具有共价键的晶体都是共价晶体。 ( )
(2)二氧化硅晶体熔化时,破坏Si—O。 ( )
(3)共价晶体中,共价键键能越大,熔点越高。 ( )
(4)共价晶体的化学式表示其分子式。 ( )
(5)共价晶体的熔点一般比分子晶体高。 ( )
(6)共价晶体都具有空间网状的结构和较强作用的共价键。 ( )
(7)1 mol SiO2晶体中含4 mol Si—O。 ( )
(8)由于共价键的键能远大于分子间作用力,故共价晶体的熔点比分子晶体高。 ( )
【答案】(1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)√ (6)√ (7)√ (8)√
2.常见的共价晶体单质有哪些 请列举两例。
【答案】金刚石、单质硅、单质硼等。
3.常见的共价晶体化合物有哪些 请列举两例。
【答案】SiO2、SiC、C3N4、Si3N4、BN、AlN、BP、GaAs等。
【合作探究】
任务1：共价晶体的结构与性质
情境导入 素材1: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的。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物中,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。
素材2:C60是一种碳原子簇,它由60个碳原子构成像足球一样的32面体,包括20个正六边形、12个正五边形。这60个C原子在空间进行排列时,形成一个化学键最稳定的空间排列位置,恰好与足球表面格的排列一致。这个结构的提出是受到建筑学家富勒的启发,富勒曾设计一种用六边形和五边形构成的球形薄壳建筑结构,因此科学家把C60叫作足球烯,也叫作富勒烯。
问题生成
1.通过素材1写出制备金刚砂的化学方程式。
【答案】SiO2+3CSiC+2CO↑。
2.金刚石晶体和富勒烯晶体的构成微粒相同吗
【答案】不同。富勒烯晶体的构成微粒为分子,金刚石晶体的构成微粒为原子。
3.金刚石晶体和富勒烯晶体受热熔化时克服的微粒间作用力相同吗
【答案】不同。前者受热熔化时克服共价键,后者受热熔化时克服分子间作用力。
4.以金刚石为例,说明共价晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同。
【答案】①构成微粒不同,共价晶体中只存在原子,没有分子。②微粒间作用力不同,共价晶体中原子间只存在共价键,而分子晶体中分子之间存在分子间作用力。
5.比较金刚砂、金刚石、富勒烯的熔、沸点。
【答案】熔、沸点:金刚石>金刚砂>富勒烯。
【核心归纳】
1.判断共价晶体和分子晶体的方法
(1)依据构成晶体的微粒种类及微粒间的相互作用
对于分子晶体,构成晶体的微粒是分子,微粒间的相互作用是分子间作用力;对于共价晶体,构成晶体的微粒是原子,微粒间的相互作用是共价键。分子晶体中存在小分子,共价晶体中不存在小分子。
(2)依据物质的物理性质
一般情况下,共价晶体比分子晶体的熔、沸点高得多,硬度大。共价晶体熔、沸点高,常在1000℃以上;分子晶体熔、沸点低,常在几百度以下至很低的温度。
(3)依据物质的分类判断
①分子晶体:大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外)、气态氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。
②共价晶体:常见的共价晶体单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等;常见的共价晶体化合物有碳化硅、二氧化硅等。
(4)依据导电性判断
分子晶体为非导体,但部分分子晶体溶于水后能够导电;共价晶体多数为非导体,但晶体硅、锗是半导体。
(5)依据物质的状态判断
分子晶体常温下可能会呈气态或液态,共价晶体常温下呈固态。
(6)依据硬度和机械性能判断
共价晶体硬度大,分子晶体硬度小且较脆。
2.共价晶体与分子晶体熔、沸点高低的比较
(1)晶体类型不同:共价晶体>分子晶体
理由:共价晶体的熔、沸点与共价键有关,分子晶体的熔、沸点与分子间作用力有关。共价键的作用力远大于分子间作用力。
(2)晶体类型相同
①共价晶体
一般来说,对结构相似的共价晶体来说,键长越短,键能越大,晶体的熔、沸点越高。例如:金刚石>二氧化硅>碳化硅>晶体硅。
②分子晶体
a.若分子间有氢键,则分子间作用力比结构相似的同类晶体大,故熔、沸点较高。如HF>HI;NH3>PH3;H2O>H2Te。
b.组成和结构相似的分子晶体,一般相对分子质量越大,范德华力越大,熔、沸点越高。如I2>Br2>Cl2>F2;SnH4>GeH4>SiH4>CH4。
c.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,范德华力越大,熔、沸点越高。如CO>N2。
d.同类别的同分异构体,支链越多,熔、沸点越低。如正戊烷>异戊烷>新戊烷。
【典型例题】
【例1】氮化碳的部分结构如图所示,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.β-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.该氮化碳的化学式为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原子半径,键长:C—N
AlCl3 SiCl4 晶体硼 金刚石 晶体硅
熔点/℃ 194 -70 2180 >3500 1410
沸点/℃ 181 57 3650 4827 2355
A.SiCl4、AlCl3是分子晶体
B.晶体硼是共价晶体
C.晶体硅是共价晶体
D.金刚石中的C—C比晶体硅中的Si-Si弱
【答案】D
【解析】根据表格数据可知SiCl4、AlCl3的熔、沸点低,说明SiCl4、AlCl3都是分子晶体,A项正确;根据表格数据可知晶体硼熔、沸点高,说明晶体硼属于共价晶体,B项正确;根据表格数据可知晶体硅熔、沸点高,说明晶体硅属于共价晶体,C项正确;金刚石、晶体硅的熔、沸点高,两者都属于共价晶体,由于原子半径:C
任务2：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三维骨架结构,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,形成一种致密的三维结构,破坏这种三维结构中的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,且最小碳环上有4个碳原子在同一平面内;每个碳原子被12个六元环共用。
【核心归纳】
1.共价晶体与分子晶体的结构特征
(1)共价晶体的结构特征
在共价晶体中,各原子均以共价键结合,因为共价键有方向性和饱和性,所以中心原子周围的原子数目是有限的,原子不采取密堆积方式。
(2)分子晶体的结构特征
①分子间不存在氢键的分子晶体,由于范德华力没有方向性和饱和性,所以分子尽可能采取密堆积方式。
②分子间存在氢键的分子晶体,由于氢键具有方向性和饱和性,所以分子不能采取密堆积方式。
2.常见共价晶体结构判断的易错点
(1)金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等共价晶体中的成键数目。
①金刚石(或晶体硅)中,1 mol C(或Si)形成2 mol C—C(或Si—Si)。
②碳化硅晶体中,1 mol C或1 mol Si均形成4 mol C—Si。
③1 mol SiO2晶体中有4 mol Si—O。
(2)金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅中最小环上的原子数。
①金刚石、晶体硅、碳化硅晶体中最小环上的原子数分别为6个C、6个Si、3个C和3个Si。
②SiO2晶体中最小环上有6个Si和6个O。
(3)金刚石、晶体硅的一个晶胞中,分别含有的碳原子数为8、硅原子数为8。
【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键长比Si—Si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。
【随堂检测】
课堂基础
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的键能比Si—N的键能大,故C3N4的熔点比Si3N4的高。
4.科学家成功研制成了一种新型的碳氧化物,该化合物晶体与SiO2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空间网状结构。下列对该晶体的叙述错误的是( )。
A.该晶体是共价晶体,熔、沸点很高
B.该晶体中碳原子和氧原子的个数之比为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
【答案】C
【解析】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空间网状结构,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、氧原子个数之比为1∶2,B项正确;该晶体中每个碳原子形成4个C—O共价键,所以碳原子数与C—O数之比为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。
对接高考
5.(2021·福建卷,14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)g-C3N4晶体中存在的微粒间作用力有 (填标号)。
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