第2课时 共价晶体
学习目标 1.知道共价晶体的概念,能够从共价晶体的结构特点理解其物理特性。2.学会晶体熔、沸点比较的方法。
共价晶体
1.概念
相邻原子间以 结合而形成的具有 结构的晶体。
2.结构特点
(1)共价晶体(如金刚石)中,在每个碳原子周围排列的其他碳原子只能有 个,这是由共价键的 与 决定的。
(2)由于所有原子间均以 相结合,所以晶体中不存在单个分子。
3.物理性质
(1)一般熔点 ,硬度 。
(2)结构相似的共价晶体,原子半径越小,共价键键长越短,键能越大,晶体的熔点越 。
4.典型共价晶体的结构
(1)金刚石(C)
①碳原子采取 杂化,C—C键键角为 。
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。
(2)碳化硅(SiC)
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原子个数比为 。
(3)二氧化硅晶体(SiO2)
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4个O原子形成4个共价键,Si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 。
1.(2023·常州高二期末统考)手机使用的芯片主要成分是晶体Si。下列固体与其晶体类型相同的是 ( )
A.金刚石 B.金属铁
C.足球烯 D.氯化钠
2.金刚石具有硬度大、熔点高等特点,大量用于制造钻头、金属切割刀具等。其结构如右图所示,下列判断正确的是 ( )
A.金刚石中C—C键之间的夹角均为109°28',所以金刚石和CH4的晶体类型相同
B.金刚石的熔点高与C—C键的键能无关
C.金刚石中碳原子数目与C—C键数目之比为1∶2
D.金刚石的熔点高,所以用金刚石钻头打孔过程中不需要进行浇水冷却
3.二氧化硅有晶体和无定形两种形态,晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。除石英外,SiO2还有磷石英和方英石等多种变体。方英石结构和金刚石相似,其结构单元如图。下列有关说法正确的是 ( )
A.方英石晶体中存在着SiO2结构单元
B.1 mol Si形成2 mol Si—O键
C.图示结构单元中实际占有18个硅原子
D.方英石晶体中,Si—O键之间的夹角为109°28'
【题后归纳】
1.共价晶体的判断依据
(1)根据共价晶体的构成微粒和微粒间作用力判断。
(2)根据共价晶体的物理性质判断。
由于共价晶体中原子间以较强的共价键相结合,故共价晶体:①熔点很高;②硬度大;③一般不导电;④难溶于溶剂。
(3)记住常见的共价晶体。
物质 金刚石 碳化硅 二氧化硅
晶胞
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 物质的量 2 mol C—C键 4 mol C—Si键 4 mol Si—O键
2.理解共价晶体的几个注意点
(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(2 800 ℃)>SiO2(1 713 ℃)、钨(3 410 ℃)>SiO2(1 713 ℃)。
(2)共价晶体中只存在共价键,不存在离子键和范德华力。
(3)碳化硅晶体与金刚石结构相似,其空间结构中碳原子和硅原子交替排列。碳原子和硅原子个数之比为1∶1。
1.下列有关共价晶体的叙述错误的是 ( )
A.共价晶体中,原子不按紧密堆积排列
B.共价晶体具有空间立体网状结构
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
2.碳化硅(SiC)晶体结构与金刚石相似,俗称金刚砂。下列说法正确的是 ( )
A.SiC晶体中硅、碳元素的质量比为1∶1
B.SiC晶体的熔点较高
C.SiC晶体的硬度较小
D.SiC属于分子晶体
3.根据下列物质的性质,判断其属于共价晶体的是 ( )
A.熔点为2 700 ℃,导电性强,延展性强
B.无色晶体,熔点为3 550 ℃,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
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.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.β 氮化碳的化学式为C3N4,其中氮显-3价,碳显+4价
D.该晶体与金刚石空间网状结构相似,原子间都是以极性共价键结合形成的
5.单质硼有无定形和晶体两种,参考下列数据:
晶体 金刚石 晶体硅 晶体硼
熔点/K 高于3 820 1 683 2 573
沸点/K 5 100 2 628 2 823
摩氏硬度 10 7.0 9.5
(1)晶体硼的晶体类型属于 ,理由是 。
(2)晶体硼的基本结构单元是由硼原子构成的正二十面体(如图所示),各正二十面体之间以B—B键相互结合,在每个正二十面体中有二十个等边三角形的面和一定数目的顶点,每个顶点各有一个硼原子。通过观察题图及推算,得出此基本结构单元是由 个硼原子构成的,其中B—B键之间的键角是 。
第2课时 共价晶体
1.共价键 空间立体网状 2.(1)四 饱和性 方向性 (2)共价键 3.(1)较高 较大 (2)高 4.(1)①sp3 109°28' ②4 正四面体 (2)1∶1 (3)①sp3 109°28' ②O 2 2 2 1∶2
对点训练
1.A [金刚石为共价晶体,A符合题意;铁为金属晶体,B不符合题意;足球烯为分子晶体,C不符合题意;氯化钠为离子晶体,D不符合题意。]
2.C [金刚石是共价晶体,CH4不是共价晶体,二者的晶体类型不同,A项错误;金刚石熔化过程中C—C键断裂,因C—C键的键能大,断裂时需要吸收的能量多,故金刚石的熔点很高,B项错误;金刚石中每个C都参与了4条C—C键的形成,而每条键对每个C的贡献只有一半,故碳原子数目与C—C键数目之比为1∶=1∶2,C项正确;金刚石的熔点虽然高,但在打孔过程中会产生很高的温度,若不浇水冷却钻头,会导致钻头熔化,D项错误。]
3.D [由方英石结构示意图知,方英石晶体中存在着SiO4的结构单元,A项错误;1 mol Si形成4 mol Si—O键,B项错误;题图所示的结构单元实际占有的硅原子数:8×+6×+4=8个,C项错误;方英石晶体中存在着SiO4的结构单元,说明Si—O键之间的夹角为109°28',D项正确。]
课堂达标训练
1.D [A项,共价晶体中原子之间通过共价键相连,而共价键具有方向性和饱和性,所以共价晶体中,原子不遵循紧密堆积原理;B项,共价晶体是相邻原子之间通过共价键结合而形成的空间立体网状结构的晶体;C项,共价晶体是由原子以共价键相结合而形成的,不存在独立的分子;D项,共价晶体是原子间通过共价键结合而形成的,熔化时需要破坏共价键。]
2.B [SiC晶体中硅、碳元素的质量比为28∶12=7∶3,A项错误;SiC晶体结构与金刚石相似,属于共价晶体,熔点较高,硬度较大,B项正确;C项错误;SiC晶体结构与金刚石相似,属于共价晶体,D项错误。]
3.B [共价晶体一般不导电,没有延展性,A项错误;共价晶体难溶于水,C项错误;共价晶体一般熔点很高,硬度很大,D项错误。]
4.D [A项,N原子半径小于C原子,键长:C—N键5.(1)共价晶体 晶体硼的熔、沸点和硬度都介于共价晶体金刚石和晶体硅之间,所以晶体硼为共价晶体 (2)12 60°
解析 (1)根据表中数据可以看出晶体硼的熔、沸点和硬度都介于金刚石和晶体硅之间,金刚石和晶体硅是典型的共价晶体,所以晶体硼是共价晶体。(2)观察硼的基本结构单元发现,每个面都是正三角形,每个顶点硼原子与另外5个硼原子分别形成B—B键,即每个顶点上的硼原子为5个面所共有,因此该基本结构单元内硼原子数为=12。每个面都是正三角形,所以B—B键的键角为60°。(共55张PPT)
第 节 几种简单的晶体结构模型
第 章 不同聚集状态的物质与性质
第 课时 共价晶体
3
2
2
1.知道共价晶体的概念，能够从共价晶体的结构特点理解其物理特性。
2.学会晶体熔、沸点比较的方法。
学习目标
共价晶体
目
录
CONTENTS
课堂达标训练
课后巩固训练
共价晶体
对点训练
1.概念
相邻原子间以________结合而形成的具有______________结构的晶体。
2.结构特点
(1)共价晶体(如金刚石)中，在每个碳原子周围排列的其他碳原子只能有____个，这是由共价键的________与________决定的。
(2)由于所有原子间均以________相结合，所以晶体中不存在单个分子。
共价键
空间立体网状
四
饱和性
方向性
共价键
3.物理性质
(1)一般熔点______，硬度______。
(2)结构相似的共价晶体，原子半径越小，共价键键长越短，键能越大，晶体的熔点越____。
较高
较大
高
4.典型共价晶体的结构
(1)金刚石(C)
①碳原子采取________杂化，C—C键键角为________________。
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。
sp3
109°28′
4
正四面体
(2)碳化硅(SiC)
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原子个数比为________。
(3)二氧化硅晶体(SiO2)
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4个O原子形成4个共价键，Si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2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________。
1∶1
sp3
109°28′
O
2
2
1∶2
1.(2023·常州高二期末统考)手机使用的芯片主要成分是晶体Si。下列固体与其晶体类型相同的是( )
A.金刚石 B.金属铁 C.足球烯 D.氯化钠
解析 金刚石为共价晶体，A符合题意；铁为金属晶体，B不符合题意；足球烯为分子晶体，C不符合题意；氯化钠为离子晶体，D不符合题意。
A
2.金刚石具有硬度大、熔点高等特点，大量用于制造钻头、金属切割刀具等。其结构如右图所示，下列判断正确的是( )
A.金刚石中C—C键之间的夹角均为109°28′，所以金刚石和CH4的晶体类型相同
B.金刚石的熔点高与C—C键的键能无关
C.金刚石中碳原子数目与C—C键数目之比为1∶2
D.金刚石的熔点高，所以用金刚石钻头打孔过程中不需要进行浇水冷却
C
3.二氧化硅有晶体和无定形两种形态，晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。除石英外，SiO2还有磷石英和方英石等多种变体。方英石结构和金刚石相似，其结构单元如图。下列有关说法正确的是( )
A.方英石晶体中存在着SiO2结构单元
B.1 mol Si形成2 mol Si—O键
C.图示结构单元中实际占有18个硅原子
D.方英石晶体中，Si—O键之间的夹角为109°28′
D
【题后归纳】
1.共价晶体的判断依据
(1)根据共价晶体的构成微粒和微粒间作用力判断。
(2)根据共价晶体的物理性质判断。
由于共价晶体中原子间以较强的共价键相结合，故共价晶体：①熔点很高；②硬度大；③一般不导电；④难溶于溶剂。
(3)记住常见的共价晶体。
2.理解共价晶体的几个注意点
(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(2 800 ℃)＞SiO2(1 713 ℃)、钨(3 410 ℃)＞SiO2(1 713 ℃)。
(2)共价晶体中只存在共价键，不存在离子键和范德华力。
(3)碳化硅晶体与金刚石结构相似，其空间结构中碳原子和硅原子交替排列。碳原子和硅原子个数之比为1∶1。
课堂达标训练
1.下列有关共价晶体的叙述错误的是( )
A.共价晶体中，原子不按紧密堆积排列
B.共价晶体具有空间立体网状结构
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
解析 A项，共价晶体中原子之间通过共价键相连，而共价键具有方向性和饱和性，所以共价晶体中，原子不遵循紧密堆积原理；B项，共价晶体是相邻原子之间通过共价键结合而形成的空间立体网状结构的晶体；C项，共价晶体是由原子以共价键相结合而形成的，不存在独立的分子；D项，共价晶体是原子间通过共价键结合而形成的，熔化时需要破坏共价键。
2.碳化硅(SiC)晶体结构与金刚石相似，俗称金刚砂。下列说法正确的是( )
A.SiC晶体中硅、碳元素的质量比为1∶1
B.SiC晶体的熔点较高
C.SiC晶体的硬度较小
D.SiC属于分子晶体
解析 SiC晶体中硅、碳元素的质量比为28∶12＝7∶3，A项错误；SiC晶体结构与金刚石相似，属于共价晶体，熔点较高，硬度较大，B项正确；C项错误；SiC晶体结构与金刚石相似，属于共价晶体，D项错误。
B
3.根据下列物质的性质，判断其属于共价晶体的是( )
A.熔点为2 700 ℃，导电性强，延展性强
B.无色晶体，熔点为3 550 ℃，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
解析 共价晶体一般不导电，没有延展性，A项错误；共价晶体难溶于水，C项错误；共价晶体一般熔点很高，硬度很大，D项错误。
B
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( )
D
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.β－氮化碳的化学式为C3N4，其中氮显－3价，碳显＋4价
D.该晶体与金刚石空间网状结构相似，原子间都是以极性共价键结合形成的
5.单质硼有无定形和晶体两种，参考下列数据：
晶体 金刚石 晶体硅 晶体硼
熔点/K 高于3 820 1 683 2 573
沸点/K 5 100 2 628 2 823
摩氏硬度 10 7.0 9.5
(1)晶体硼的晶体类型属于____________________，理由是_______________
___________________________________________________________________。
共价晶体
晶体硼的熔、沸点和硬度都介于共价晶体金刚石和晶体硅之间，所以晶体硼为共价晶体
解析 根据表中数据可以看出晶体硼的熔、沸点和硬度都介于金刚石和晶体硅之间，金刚石和晶体硅是典型的共价晶体，所以晶体硼是共价晶体。
(2)晶体硼的基本结构单元是由硼原子构成的正二十面体(如图所示)，各正二十面体之间以B—B键相互结合，在每个正二十面体中有二十个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点各有一个硼原子。通过观察题图及推算，得出此基本结构单元是由________个硼原子构成的，其中B—B键之间的键角是________。
12
60°
课后巩固训练
A级 合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
1.下列事实能说明刚玉(Al2O3)是一种共价晶体的是( )
①Al2O3是两性氧化物 ②硬度很大 ③它的熔点为2 045 ℃ ④几乎不溶于水
⑤自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石
A.①②③ B.②③④ C.④⑤ D.②⑤
解析 ①指的是Al2O3的分类，⑤指的是刚玉的种类，这两项都无法说明Al2O3是一种共价晶体。
B
2.在金刚石的晶体结构中含有由共价键形成的碳原子环，其中最小的环上的碳原子数及每个碳原子上任意两个C—C键间的夹角分别是( )
A.6、120° B.5、108°
C.4、109.5° D.6、109°28′
解析 金刚石中最小的碳环含有6个碳原子，两个C—C键间的夹角是109°28′。
D
3.最近科学家在实验室成功将CO2在高压下转化为类似SiO2的共价晶体。下列关于该CO2晶体的叙述中，不正确的是( )
A.该晶体中C、O原子个数比为1∶2
B.该晶体中C—O—C的键角为180°
C.该晶体的熔、沸点高，硬度大
D.该晶体中C、O原子最外层都满足8电子结构
解析 若为共价晶体，则不再是直线形分子，而是转化为与石英(SiO2)相似的空间立体网状结构。
B
4.氮氧化铝(AlON)属共价晶体，是一种超强透明材料，下列描述错误的是( )
A.AlON和石英的化学键类型相同
B.AlON和石英晶体类型相同
C.AlON和Al2O3的化学键类型不同
D.AlON和Al2O3晶体类型相同
解析 AlON与石英(SiO2)均为共价晶体，所含化学键均为共价键，故A、B项正确；Al2O3是离子晶体，晶体中不含共价键，故C项正确，D项错误。
D
5.下表是某些共价晶体的熔点和硬度。
B
共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗
熔点/℃ 3 900 3 000 2 830 1 710 1 412 1 211
硬度 10 9.5 9 7.0 7 6.0
分析表中的数据，判断下列叙述正确的是( )
A.构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高
B.构成共价晶体的原子间的共价键键能越大，晶体的熔点越高
C.构成共价晶体的原子的半径越大，晶体的硬度越大
D.构成共价晶体的原子的相对分子质量越大，晶体的硬度越大
解析 共价晶体的熔点高低与共价键的强弱有关，与形成晶体的原子种类无关，A错，B对；构成共价晶体的原子半径越大，则键能越小，晶体的硬度越小，C错；晶体的硬度与构成共价键晶体的原子相对分子质量大小无关，D错。
6.立方氮化硼是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度仅次于金刚石而远远高于其他材料，因此它与金刚石统称为超硬材料。如图是立方氮化硼的晶胞，下列说法不正确的是( )
B
A.每个晶胞包含4个B原子和4个N原子
B.每个N原子周围有4个B原子，每个B原子周围有2个N原子
C.立方氮化硼硬度很大与B—N共价键强度很大有关
D.常被用作磨料和刀具材料
7.高压下氮气会聚合生成高聚氮，这种高聚氮晶体的立体网状结构如图所示。已知N—N键的键能为160 kJ·mol－1，而N≡N键的键能为945 kJ·mol－1。则下列有关说法不正确的是( )
A.高聚氮转化为氮气的过程中发生了化学变化
B.高聚氮晶体属于共价晶体
C.高聚氮晶体中n(N)∶n(N—N键)＝1∶3
D.高聚氮可能会被用作炸药或高能材料
C
解析 高聚氮转化为氮气的过程中有新物质生成，发生了化学变化，A项正确；高聚氮晶体中原子间以共价键结合并形成立体网状结构，所以高聚氮晶体为共价晶体，B项正确；高聚氮晶体中每个氮原子与其他三个氮原子形成单键，而每个N—N键为两个氮原子共有，所以高聚氮晶体中n(N)∶n(N—N键)＝2∶3，C项错误；由高聚氮的结构及N—N键键能较小，而N≡N键键能很大可知，高聚氮转化为N2会放出大量的热，可能会被用作炸药或高能材料，D项正确。
8.如图是氯化钠、氯化铯、二氧化硅、晶体硅晶体结构的一部分，有关晶体的叙述中，正确的是( )
C
A.SiC与二氧化硅晶体熔化时，所克服的微粒间相互作用不相同
B.氯化钠晶体中，每个Na＋周围距离相等的Na＋共有6个
C.氯化铯晶体中，每个Cs＋周围紧邻8个Cl－
D.在晶体硅中，硅原子与Si—Si键数目比为1∶4
解析 SiC与二氧化硅晶体都属于共价晶体，熔化时，所克服的微粒间相互作用相同，故A错误；氯化钠晶体中氯离子位于顶点和面心，钠离子位于棱心和体心，则每个Na＋周围距离相等的Na＋共有12个，故B错误；氯化铯中氯离子位于顶点，铯离子位于体心，则在氯化铯晶体中每个Cs＋周围紧邻8个Cl－，故C正确；在晶体硅中，每个硅原子形成2个Si—Si键，所以Si原子与Si—Si键数目比为1∶2，故D错误。
9.中外科学家团队共同合成了T－碳。T－碳是将金刚石中的每个碳原子用一个由4个碳原子形成的正四面体结构单元取代形成的碳的一种新型三维立方晶体，结构如图1所示。下列说法错误的是( )
B
A.每个T－碳晶胞中含32个碳原子
B.T－碳结构中的最小夹角为109.5 ℃
C.T－碳属于共价晶体
D.如图2是T－碳晶胞的俯视图
解析 一个金刚石晶胞中，含有C原子的数目为8×1/8＋6×1/2＋4＝8，将每个C原子换成形成正四面体结构的4个C原子，则T－碳晶胞中含有碳原子的数目为8×4＝32，A项正确；4个碳原子形成的正四面体结构单元中，两个碳碳键之间的夹角为60°，B项错误；C原子间以共价键结合形成空间网状结构，故T－碳属于共价晶体，C项正确；由T－碳晶胞结构可知，其俯视图正确，D项正确。
10.(1)金刚砂(SiC)的硬度为9，其晶胞结构如图甲所示，则金刚砂晶体类型为________；在SiC中，每个C原子周围最近的C原子数目为________；若晶胞
的边长为a pm，则金刚砂的密度表达式为__________________________(阿伏加德罗常数用NA表示)。
共价晶体
12
(2)硅的某种单质的晶胞如图乙所示。GaN晶体与该硅晶体相似。则GaN晶体中，每个Ga原子与________个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为____________。若该硅晶体的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数的值
为NA，则晶体中最近的两个硅原子之间的距离为____________cm(用代数式表示即可)。
4
正四面体形
B级 素养培优练
11.金刚石结构如图所示，晶体Si、立方SiC具有类似金刚石结构。下列说法错误的是( )
A.熔点：金刚石>晶体Si
B.晶体Si晶胞中含有8个Si
C.金刚石的晶体中碳原子数与C—C键数之比为1∶2
D.立方SiC晶胞顶点从1号位分别平移至2号位和3号
位，所得晶胞中Si位置相同
D
解析 碳碳键键长比硅硅键键长短，键能大，故A正确；利用均摊法，可得金刚石晶胞中有8个C原子，所以晶体硅晶胞中含有8个Si，故B正确；金刚石中每个碳原子均与另外4个碳原子形成共价键，且每两个碳原子形成一个C—C键，则1 mol碳原子构成的金刚石中共有2 mol C—C键，故C正确；平移后1号、2号位置原子相同，但1号与3号不同，故D错误。
12.磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料。如图为其晶体结构中最小的重复单元，其中每个原子最外层均满足8电子稳定结构。下列有关说法不正确的是( )
A.磷化硼的化学式为BP，其晶体属于共价晶体
B.磷化硼晶体的熔点高，且熔融状态下能导电
C.磷化硼晶体中每个原子均参与形成4个共价键
D.磷化硼晶体在熔化时需克服共价键
B
13.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃时反应获得。
(1)氮化硅晶体属于________晶体。
共价
(2)已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且N原子和N原子，Si原子与Si原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式：_____________________________________________________。
Si3N4
(3)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得到较高纯度的氮化硅。反应的化学方程式为___________________________________。
4
4作业17 共价晶体
(分值:60分)
A级 合格过关练
选择题只有1个选项符合题意(1~9题,每小题4分)
1.下列事实能说明刚玉(Al2O3)是一种共价晶体的是 ( )
①Al2O3是两性氧化物 ②硬度很大
③它的熔点为2 045 ℃ ④几乎不溶于水
⑤自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石
①②③ ②③④
④⑤ ②⑤
2.在金刚石的晶体结构中含有由共价键形成的碳原子环,其中最小的环上的碳原子数及每个碳原子上任意两个C—C键间的夹角分别是 ( )
6、120° 5、108°
4、109.5° 6、109°28'
3.最近科学家在实验室成功将CO2在高压下转化为类似SiO2的共价晶体。下列关于该CO2晶体的叙述中,不正确的是 ( )
该晶体中C、O原子个数比为1∶2
该晶体中C—O—C的键角为180°
该晶体的熔、沸点高,硬度大
该晶体中C、O原子最外层都满足8电子结构
4.氮氧化铝(AlON)属共价晶体,是一种超强透明材料,下列描述错误的是 ( )
AlON和石英的化学键类型相同
AlON和石英晶体类型相同
AlON和Al2O3的化学键类型不同
AlON和Al2O3晶体类型相同
5.下表是某些共价晶体的熔点和硬度。
共价 晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗
熔点 /℃ 3 900 3 000 2 830 1 710 1 412 1 211
硬度 10 9.5 9 7.0 7 6.0
分析表中的数据,判断下列叙述正确的是 ( )
构成共价晶体的原子种类越多,晶体的熔点越高
构成共价晶体的原子间的共价键键能越大,晶体的熔点越高
构成共价晶体的原子的半径越大,晶体的硬度越大
构成共价晶体的原子的相对分子质量越大,晶体的硬度越大
6.立方氮化硼是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的,其硬度仅次于金刚石而远远高于其他材料,因此它与金刚石统称为超硬材料。如图是立方氮化硼的晶胞,下列说法不正确的是 ( )
每个晶胞包含4个B原子和4个N原子
每个N原子周围有4个B原子,每个B原子周围有2个N原子
立方氮化硼硬度很大与B—N共价键强度很大有关
常被用作磨料和刀具材料
7.高压下氮气会聚合生成高聚氮,这种高聚氮晶体的立体网状结构如图所示。已知N—N键的键能为160 kJ·mol-1,而N≡N键的键能为945 kJ·mol-1。则下列有关说法不正确的是 ( )
高聚氮转化为氮气的过程中发生了化学变化
高聚氮晶体属于共价晶体
高聚氮晶体中n(N)∶n(N—N键)=1∶3
高聚氮可能会被用作炸药或高能材料
8.如图是氯化钠、氯化铯、二氧化硅、晶体硅晶体结构的一部分,有关晶体的叙述中,正确的是 ( )
SiC与二氧化硅晶体熔化时,所克服的微粒间相互作用不相同
氯化钠晶体中,每个Na+周围距离相等的Na+共有6个
氯化铯晶体中,每个Cs+周围紧邻8个Cl-
在晶体硅中,硅原子与Si—Si键数目比为1∶4
9.中外科学家团队共同合成了T 碳。T 碳是将金刚石中的每个碳原子用一个由4个碳原子形成的正四面体结构单元取代形成的碳的一种新型三维立方晶体,结构如图1所示。下列说法错误的是 ( )
每个T 碳晶胞中含32个碳原子
T 碳结构中的最小夹角为109.5 ℃
T 碳属于共价晶体
如图2是T 碳晶胞的俯视图
10.(8分)(1)(4分)金刚砂(SiC)的硬度为9,其晶胞结构如图甲所示,则金刚砂晶体类型为 (1分);在SiC中,每个C原子周围最近的C原子数目为 (1分);若晶胞的边长为a pm,则金刚砂的密度表达式为 (2分)(阿伏加德罗常数用NA表示)。
(2)(4分)硅的某种单质的晶胞如图乙所示。GaN晶体与该硅晶体相似。则GaN晶体中,每个Ga原子与 (1分)个N原子相连,与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为 (1分)。若该硅晶体的密度为ρ g·cm-3,阿伏加德罗常数的值为NA,则晶体中最近的两个硅原子之间的距离为 (2分)cm(用代数式表示即可)。
B级 素养培优练
(11~12题,每小题4分)
11.金刚石结构如图所示,晶体Si、立方SiC具有类似金刚石结构。下列说法错误的是 ( )
熔点:金刚石>晶体Si
晶体Si晶胞中含有8个Si
金刚石的晶体中碳原子数与C—C键数之比为1∶2
立方SiC晶胞顶点从1号位分别平移至2号位和3号位,所得晶胞中Si位置相同
12.磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料。如图为其晶体结构中最小的重复单元,其中每个原子最外层均满足8电子稳定结构。下列有关说法不正确的是 ( )
磷化硼的化学式为BP,其晶体属于共价晶体
磷化硼晶体的熔点高,且熔融状态下能导电
磷化硼晶体中每个原子均参与形成4个共价键
磷化硼晶体在熔化时需克服共价键
13.(8分)氮化硅是一种高温陶瓷材料,它的硬度大、熔点高、化学性质稳定,工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃时反应获得。
(1)(1分)氮化硅晶体属于 晶体。
(2)(1分)已知氮化硅的晶体结构中,原子间都以单键相连,且N原子和N原子,Si原子与Si原子不直接相连,同时每个原子都满足8电子稳定结构,请写出氮化硅的化学式: 。
(3)(2分)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下,加强热发生反应,可得到较高纯度的氮化硅。反应的化学方程式为 。
(4)(4分)六方氮化硼在高温高压下,可以转化为立方氮化硼,其结构与金刚石()相似,硬度与金刚石相当,晶胞边长为361.5 pm,立方氮化硼晶胞中含有 (1分)个氮原子、 (1分)个硼原子,立方氮化硼的密度是 (2分)g·cm-3。(只要求列算式,不必计算出数值,阿伏加德罗常数的值为NA)
作业17 共价晶体
1.B [①指的是Al2O3的分类,⑤指的是刚玉的种类,这两项都无法说明Al2O3是一种共价晶体。]
2.D [金刚石中最小的碳环含有6个碳原子,两个C—C键间的夹角是109°28'。]
3.B [若为共价晶体,则不再是直线形分子,而是转化为与石英(SiO2)相似的空间立体网状结构。]
4.D [AlON与石英(SiO2)均为共价晶体,所含化学键均为共价键,故A、B项正确;Al2O3是离子晶体,晶体中不含共价键,故C项正确,D项错误。]
5.B [共价晶体的熔点高低与共价键的强弱有关,与形成晶体的原子种类无关,A错,B对;构成共价晶体的原子半径越大,则键能越小,晶体的硬度越小,C错;晶体的硬度与构成共价键晶体的原子相对分子质量大小无关,D错。]
6.B [分析立方氮化硼的晶胞,B原子占据顶点和面心,共有8×+6×=4个,N原子在体内,有4个,A项不符合要求;N原子位于4个B原子组成的正四面体的中心,因为B和N的原子个数比为1∶1,所以每个B原子周围有4个N原子,B项符合要求;由于B—N共价键强度很大,所以导致立方氮化硼的硬度很大,常被用作磨料和刀具材料,C、D项不符合要求。]
7.C [高聚氮转化为氮气的过程中有新物质生成,发生了化学变化,A项正确;高聚氮晶体中原子间以共价键结合并形成立体网状结构,所以高聚氮晶体为共价晶体,B项正确;高聚氮晶体中每个氮原子与其他三个氮原子形成单键,而每个N—N键为两个氮原子共有,所以高聚氮晶体中n(N)∶n(N—N键)=2∶3,C项错误;由高聚氮的结构及N—N键键能较小,而N≡N键键能很大可知,高聚氮转化为N2会放出大量的热,可能会被用作炸药或高能材料,D项正确。]
8.C [SiC与二氧化硅晶体都属于共价晶体,熔化时,所克服的微粒间相互作用相同,故A错误;氯化钠晶体中氯离子位于顶点和面心,钠离子位于棱心和体心,则每个Na+周围距离相等的Na+共有12个,故B错误;氯化铯中氯离子位于顶点,铯离子位于体心,则在氯化铯晶体中每个Cs+周围紧邻8个Cl-,故C正确;在晶体硅中,每个硅原子形成2个Si—Si键,所以Si原子与Si—Si键数目比为1∶2,故D错误。]
9.B [一个金刚石晶胞中,含有C原子的数目为8×1/8+6×1/2+4=8,将每个C原子换成形成正四面体结构的4个C原子,则T 碳晶胞中含有碳原子的数目为8×4=32,A项正确;4个碳原子形成的正四面体结构单元中,两个碳碳键之间的夹角为60°,B项错误;C原子间以共价键结合形成空间网状结构,故T 碳属于共价晶体,C项正确;由T 碳晶胞结构可知,其俯视图正确,D项正确。]
10.(1)共价晶体 12 g·cm-3
(2)4 正四面体形 ×
解析 (1)金刚砂(SiC)的硬度为9,硬度大,属于共价晶体;每个碳原子连接4个硅原子;该晶胞中C原子个数为8×+6×=4,Si原子个数为4,晶胞边长为a×10-10 cm,体积V=(a×10-10 cm)3,ρ===
g·cm-3。(2)根据物质的晶体结构可知,在GaN晶体中,每个Ga原子与4个N原子相连,与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为正四面体形。在晶体Si的晶胞中含有Si原子的数目是8×+6×+4=8,则根据晶胞的密度ρ=可知V== cm3= cm3,晶胞的边长a== cm,在晶胞中两个最近的Si原子之间的距离为晶胞体对角线长的,即× cm。
11. D [碳碳键键长比硅硅键键长短,键能大,故A正确;利用均摊法,可得金刚石晶胞中有8个C原子,所以晶体硅晶胞中含有8个Si,故B正确;金刚石中每个碳原子均与另外4个碳原子形成共价键,且每两个碳原子形成一个C—C键,则1 mol碳原子构成的金刚石中共有2 mol C—C键,故C正确;平移后1号、2号位置原子相同,但1号与3号不同,故D错误。]
12.B [由磷化硼的晶胞结构可知,P位于顶点和面心,数目为×8+6×=4,B位于晶胞内,数目为4,故磷化硼的化学式为BP,磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料,所以磷化硼晶体属于共价晶体,A项正确;磷化硼属于共价化合物,熔融状态下不能导电,B项错误;由磷化硼晶胞结构可知,磷化硼晶体中每个原子均参与形成4个共价键,C项正确;磷化硼晶体为共价晶体,熔化时需克服共价键,D项正确。]
13.(1)共价 (2)Si3N4 (3)3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl
(4)4 4
解析 (2)氮化硅的晶体结构中,原子间都以单键相连,且N原子和N原子,Si原子和Si原子不直接相连,同时每个原子都满足8电子稳定结构,因此氮化硅的化学式为Si3N4。(4)立方氮化硼的结构与金刚石相似,硬度与金刚石相当,在金刚石的一个晶胞中含有C原子的个数:8×+6×+4=8,则在立方氮化硼晶胞中含有4个氮原子、4个硼原子;由于晶胞边长为361.5 pm,所以立方氮化硼的密度是ρ== g·cm-3。
