新授课
第三章 晶体结构与性质
第5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。
【学习活动】
学习任务
目标一：借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点。 任务1：阅读教材p81内容，完成下列问题。 1.共价晶体构成微粒是什么？共价晶体相邻微粒间是什么相互作用？ 2.含有共价键的晶体都是共价晶体吗 共价晶体中是否存单个的小分子 3.常见共价晶体有哪些？ 任务2：金刚石、二氧化硅晶体结构及晶胞 1.详细说明金刚石晶胞、二氧化硅晶胞中分别含多少个原子？ 2.金刚石中的碳原子与二氧化硅中的硅原子的杂化类型分别为什么 O—Si—O、C—C—C键角分别是多少 “SiO2”是否表示二氧化硅的分子式 3.分析上述两种典型晶体结构模型,判断两种晶体中最小的环分别有多少个原子;1 mol金刚石、SiO2中分别含有多少摩尔C—C和Si—O。 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
目标二：能够从化学键的特征，分析理解共价晶体的物理特性。 任务1： 下表是金刚石、碳化硅和晶体硅的键能、熔点和硬度数据： 晶体键能/(kJ·mol－1)熔点/℃硬度金刚石(C—C)347＞3 50010碳化硅(C—Si)3012 7009.5晶体硅(Si—Si)2261 4106.5
硬度划分标准，以金刚石的硬度为10，石墨的硬度为1，划分10个等级。 1.金刚石、晶体硅、碳化硅的晶体类型是什么？它们的晶体结构中是否存在分子？ 2.金刚石、晶体硅、碳化硅熔化时破坏的作用力是什么？为什么共价晶体的熔点较高，硬度较大？ 3.怎样从原子结构的角度解释金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降？ 任务2：砷化镓是第二代半导体，熔点为1 238 ℃，具有空间网状结构，性能比硅更优良。砷化镓半导体材料的一个重要特性就是光电特性。由于它具有直接带隙以及宽禁带等结构，它的光发射效率比硅锗等半导体材料高，广泛用于雷达、电子计算机、人造卫星、宇宙飞船等尖端技术中。砷化镓晶体其晶胞结构如图所示。 1.砷化镓属于什么晶体？ 2.砷化镓与氮化硼属于同种晶体类型。则两种晶体熔点较高的是哪物质，为什么？ 3.Ga和As的摩尔质量分别为MGa g·mol－1 和MAs g·mol－1，原子半径分别为 rGa pm和rAs pm，阿伏加德罗常数值为NA，晶体密度为ρ g/cm3，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率是多少？（列出计算式即可）
【学习总结】
回顾本课所学，画出思维导图
2新授课
第三章 晶体结构与性质
第5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。
【学习活动】
学习任务
目标一：借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点。 任务1：阅读教材p81内容，完成下列问题。 1.共价晶体构成微粒是什么？共价晶体相邻微粒间是什么相互作用？ 参考答案：共价晶体构成粒子是原子，且所有原子都以共价键相互结合形成共价键三维骨架结构的晶体。 2.含有共价键的晶体都是共价晶体吗 共价晶体中是否存单个的小分子 参考答案： 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。 共价晶体整块晶体是一个三维的共价键网状结构，不存在单个的小分子，是一个“巨分子”。 3.常见共价晶体有哪些？ 参考答案： 常见共价晶体及物质类别 (1)某些单质:如金刚石、硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)等。 (2)某些非金属化合物:如二氧化硅(SiO2)、金刚砂(SiC)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。 (3)极少数金属氧化物,如刚玉(Al2O3)等。 任务2：金刚石、二氧化硅晶体结构及晶胞 1.详细说明金刚石晶胞、二氧化硅晶胞中分别含多少个原子？ 参考答案： 金刚石晶体中，每个碳原子与相邻的4个碳原子以共价键相结合，晶胞的每个顶点和面心均有1个 C原子,晶胞内部有4个C原子,每个金刚石晶胞中含有8个C原子。 SiO2晶体结构相当于在晶体硅结构中每2个Si原子中间插入一个O原子,参照金刚石晶胞模型,在SiO2晶胞中有8个Si原子位于立方晶胞的顶点,有6个Si原子位于立方晶胞的面心,还有4个Si原子与16个O原子在晶胞内构成4个硅氧四面体,均匀排列于晶胞内。每个SiO2晶胞中含有8个Si原子和16个O原子。 2.金刚石中的碳原子与二氧化硅中的硅原子的杂化类型分别为什么 O—Si—O、C—C—C键角分别是多少 “SiO2”是否表示二氧化硅的分子式 参考答案： 碳、硅原子都采取sp3杂化,键角均为109°28′。 “SiO2”不是二氧化硅的分子式,因为共价晶体是一个三维的网状结构,无小分子存在,SiO2只表示物质的组成,表示晶体中硅、氧原子个数比为1∶2。 3.分析上述两种典型晶体结构模型,判断两种晶体中最小的环分别有多少个原子;1 mol金刚石、SiO2中分别含有多少摩尔C—C和Si—O。 参考答案： 金刚石中最小的环上有6个原子,SiO2晶体中最小的环上有12个原子;1 mol金刚石中含有 2 mol C—C,1 mol SiO2中含有4 mol Si—O。 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 参考答案： ①构成粒子不同,共价晶体中只存在原子,没有小分子。②相互作用不同,共价晶体中的微粒间的的作用力是共价键。
目标二：能够从化学键的特征，分析理解共价晶体的物理特性。 任务1： 下表是金刚石、碳化硅和晶体硅的键能、熔点和硬度数据： 晶体键能/(kJ·mol－1)熔点/℃硬度金刚石(C—C)347＞3 50010碳化硅(C—Si)3012 7009.5晶体硅(Si—Si)2261 4106.5
硬度划分标准，以金刚石的硬度为10，石墨的硬度为1，划分10个等级。 1.金刚石、晶体硅、碳化硅的晶体类型是什么？它们的晶体结构中是否存在分子？ 参考答案： 金刚石、晶体硅、碳化硅均属于共价晶体；晶体的构成微粒是原子，故晶体中不存在分子。 2.金刚石、晶体硅、碳化硅熔化时破坏的作用力是什么？为什么共价晶体的熔点较高，硬度较大？ 参考答案： 金刚石、晶体硅、碳化硅熔化时破坏的是共价键，由于共价键的键能大，破坏时需要消耗较高的能量，因此共价晶体的熔点较高，硬度大。 3.怎样从原子结构的角度解释金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降？ 参考答案： 共价晶体中粒子之间的作用力是共价键，熔点的高低和硬度的大小由共价键的强弱决定。一般来说，键长越短，键能越大。由于碳的原子半径小于硅的原子半径，所以金刚石、碳化硅、晶体硅的C—C键、Si—C键、Si—Si键键长依次增大，键能依次减小，金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点、硬度依次下降。 任务2：砷化镓是第二代半导体，熔点为1 238 ℃，具有空间网状结构，性能比硅更优良。砷化镓半导体材料的一个重要特性就是光电特性。由于它具有直接带隙以及宽禁带等结构，它的光发射效率比硅锗等半导体材料高，广泛用于雷达、电子计算机、人造卫星、宇宙飞船等尖端技术中。砷化镓晶体其晶胞结构如图所示。 1.砷化镓属于什么晶体？ 参考答案： 共价晶体。 2.砷化镓与氮化硼属于同种晶体类型。则两种晶体熔点较高的是哪物质，为什么？ 参考答案： 氮化硼晶体熔点较高。 二者均为共价晶体，B、N间的键长比Ga、As的键长短，键能大。 3.Ga和As的摩尔质量分别为MGa g·mol－1 和MAs g·mol－1，原子半径分别为 rGa pm和rAs pm，阿伏加德罗常数值为NA，晶体密度为ρ g/cm3，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率是多少？（列出计算式即可） 参考答案： 该晶胞中含有4个Ga、4个 As，则晶胞中原子的体积为[π(rGa× 10－10cm)3＋π(rAs×10－10cm)3]×4，晶胞的体积为cm－3，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为[π(rGa×10－10cm)3＋π(rAs× 10－10cm)3]×4/×100%＝×100%。
【学习总结】
回顾本课所学，画出思维导图
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