第2课时 共价晶体
[学习目标] 1.通过认识共价晶体及其结构特点,能辨识常见的共价晶体,并能从微观角度分析共价晶体中各构成粒子之间的作用对共价晶体物理性质的影响。2.通过对典型共价晶体的分析探究,能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体,并能利用“均摊法”对晶胞进行分析。
学习任务1 认识共价晶体及其结构特点
1.共价晶体
[示例] 共价晶体中都有共价键,但仅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。对共价晶体的认识除了要求“具有共价键”外,还要求形成晶体的粒子是原子。
2.两种典型的共价晶体
(1)金刚石。
①碳原子采取sp3杂化,C—C—C夹角为109°28′。
②每个碳原子与周围紧邻的4个碳原子以共价键结合,形成共价键三维骨架结构。
(2)二氧化硅晶体。
①存在及结构。
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。在低温石英的结构中,顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链,这一结构决定了它具有手性,如图所示。
②用途。
用作压电材料(如制作石英手表),还是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。
3.常见共价晶体及物质类别
物质种类 实例
某些非金属单质 晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等
某些非金属化合物 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)等
极少数金属氧化物 刚玉(Al2O3)
材料1 金刚石,俗称“金刚钻”,它是一种由碳元素组成的矿物,是石墨的同素异形体,是美丽、透明、折光率高的晶体,也是常见的钻石的原身。
材料2 纯净的天然二氧化硅晶体,是一种坚硬、脆性、不溶的无色透明的固体,常用于制造光学仪器等。二氧化硅晶体中,硅原子位于正四面体的中心,四个氧原子位于正四面体的四个顶角上,许多个这样的四面体又通过顶角的氧原子相连,每个氧原子为两个四面体共有,即每个氧原子与两个硅原子相结合。
探究 典型共价晶体的结构特点
问题1:观察金刚石晶体结构模型,晶体中碳原子个数与C—C的个数之比为多少 晶体中最小碳环是几元环 在上述晶体结构图中画出一个最小的碳环(相应的碳原子涂黑)。
提示:如图,晶体中每个碳原子都参与了4个C—C的形成,在每个C—C中的贡献只有一半,故晶体中碳原子个数与C—C的个数之比为1∶2。根据晶体结构,可知最小碳环是六元环。
问题2:一个金刚石晶胞中含有几个碳原子 若晶胞的边长为a pm,晶胞中两个最近的碳原子之间的距离是多少
提示:8×+6×+4=8。两个最近的碳原子之间的距离为晶胞体对角线长的,即 a pm。
问题3:二氧化硅晶体中硅原子和与其直接相连的氧原子构成的空间结构是什么
提示:二氧化硅晶体中硅原子与其周围相连的 4个氧原子形成正四面体形结构。
问题4:二氧化硅晶体中硅原子与Si—O的数目之比是多少 60 g SiO2晶体中含Si—O的数目是多少(设NA为阿伏加德罗常数的值)
提示:SiO2晶体中硅原子与Si—O的数目之比为 1∶4。60 g SiO2晶体中含Si—O的数目为4NA。
金刚石(晶体硅)、二氧化硅、碳化硅的晶胞分析
①每个顶点和面心均有1个碳原子; ②晶胞内部有4个碳原子,每个金刚石晶胞中含有8个碳原子; ③硅晶胞结构同金刚石晶胞 ①相当于在晶体硅结构中每2个硅原子中间插入1个氧原子; ②晶胞中有8个硅原子位于立方晶胞的顶点,有6个硅原子位于立方晶胞的面心,还有4个硅原子与16个氧原子在晶胞内构成4个硅氧四面体,均匀排列于晶胞内; ③每个SiO2晶胞中含有8个硅原子和16个氧原子 ①碳、硅原子都采取sp3杂化,C—Si键角为109°28′; ②每个硅(碳)原子与周围紧邻的4个碳(硅)原子以共价键结合成正四面体结构,向空间伸展形成空间网状结构; ③最小环由6个原子组成且不在同一平面内,其中包括3个碳原子和3个硅原子; ④每个SiC晶胞中含有4个碳原子和4个硅原子
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] 共价晶体的熔点与键能和范德华力强弱有关
[C] 共价晶体具有空间网状结构
[D] 共价晶体中不存在独立分子
【答案】 B
【解析】 共价晶体由原子通过共价键结合而成,熔化时需破坏共价键,共价晶体的熔点与键能大小有关,与范德华力的强弱无关,A正确、B不正确;共价晶体由原子通过共价键结合而成,具有空间网状结构,C正确;共价晶体中不存在独立分子,D正确。
2.二氧化硅晶体是空间立体网状结构,如图所示。下列说法正确的是( )
[A] CO2和SiO2晶体类型相同
[B] SiO2中一个Si周围有4个O,CO2中一个 C周围有4个O
[C] 晶体中Si杂化方式为sp3,O杂化方式为sp
[D] 晶体中最小环上的原子数为12
【答案】 D
【解析】 CO2晶体是由分子构成的,SiO2晶体是由原子构成的,则前者为分子晶体、后者为共价晶体,晶体类型不同,A错误;SiO2中一个Si周围有4个O,CO2中一个C周围有2个O,B错误;该晶体中每个Si形成4个共价键,每个O形成2个共价键且每个O还含有2个孤电子对,则Si、O的价层电子对数都是4,都采用sp3杂化,C错误;由二氧化硅晶体结构图可知,晶体中最小环上含有 6个硅原子和6个氧原子,所以最小环上的原子数为12,D正确。
3.碳化硅和立方氮化硼的结构与金刚石类似,碳化硅硬度仅次于金刚石,立方氮化硼硬度与金刚石相当,其晶胞结构如图所示。
请回答下列问题。
(1)碳化硅晶体中,硅原子杂化类型为 ,每个硅原子周围与其距离最近的碳原子有
个;设晶胞边长为a cm,密度为b g·cm-3,则阿伏加德罗常数可表示为 (用含a、b的式子表示)。
(2)立方氮化硼晶胞中有 个硼原子、 个氮原子,硼原子的杂化类型为 ,若晶胞的边长为c cm,则立方氮化硼的密度为 g·cm-3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。
【答案】 (1)sp3 4 mol-1
(2)4 4 sp3
【解析】 (1)SiC晶体中,每个硅原子与4个碳原子形成4个σ键,故硅原子采取sp3杂化,与每个硅原子距离最近的碳原子有4个。SiC晶胞中,碳原子数为6×+8×=4,硅原子位于晶胞内,SiC晶胞中硅原子数为4,1个晶胞的质量为,体积为a3 cm3,因此晶体密度为b g·cm-3=,故NA= mol-1。
(2)立方氮化硼晶胞中,含有氮原子数为6×+8×=4,硼原子位于晶胞内,个数为4,每个硼原子与4个氮原子形成 4个σ键,故硼原子采取sp3杂化;每个立方氮化硼晶胞的质量为
g,体积为c3 cm3,故密度为 g·cm-3。
学习任务2 探究共价晶体的物理性质
1.物理性质
(1)熔点很高。
(2)硬度很大。金刚石是天然存在的最硬的物质。
(3)一般不导电。但晶体硅是半导体。
(4)不溶于一般溶剂。
2.共价晶体熔点和硬度的比较规律
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。
材料 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
探究 共价晶体的物理性质
问题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
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共价键。
问题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
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。
问题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。根据元素周期表可知,碳和硅为同一主族元素,原子半径CC—Si>Si—Si,熔点和硬度大小顺序为C—C>C—Si>Si—Si。
共价晶体与分子晶体的比较
晶体类型 共价晶体 分子晶体
构成粒子 原子 分子
粒子间 作用力 共价键 分子间作用力
结构特点 空间网状结构 分子密堆积 或非密堆积
物理性质 熔点、沸点高,硬度大,不溶于一般溶剂 熔点、沸点低,硬度小,遵守“相似相溶”规律
熔化时破坏 的作用力 共价键 范德华力 (有时破坏氢键)
举例 金刚石 冰、干冰
题点一 共价晶体的性质与判断
1.碳化硅的晶体有类似金刚石的结构,其中碳原子和硅原子的位置是交替的。它与晶体硅和金刚石相比较,下列说法正确的是( )
[A] 熔点从高到低的顺序:金刚石>碳化硅>晶体硅
[B] 熔点从高到低的顺序:金刚石>晶体硅>碳化硅
[C] 三种晶体中的结构单元都是三角锥形结构
[D] 三种晶体都是共价晶体且均为电的良导体
【答案】 A
【解析】 碳化硅的晶体有类似金刚石的结构,其中碳原子和硅原子的位置是交替的,这说明碳化硅形成的晶体是共价晶体。形成共价晶体的原子半径越小,共价键键能越大,其熔、沸点越高,而原子半径:C碳化硅>晶体硅,A正确,B错误;三种晶体中的结构单元都是四面体形结构,C错误;三种晶体都是共价晶体且都不是电的良导体,D错误。
2.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。下列推断正确的是( )
[A] SiCl4、Si3N4的晶体类型相同
[B] Si3N4晶体是共价键三维骨架结构
[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,Si3N4熔点高、硬度大,是共价晶体,A错误;Si3N4是共价晶体,每个Si与4个N、每个N与3个Si通过共价键形成空间网状三维骨架结构,B正确;二者均为共价晶体,原子半径:CSi—N,故C3N4的熔点比Si3N4的高,C错误;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,D错误。
判断共价晶体的方法
(1)依据构成晶体的粒子和粒子间的作用力判断:构成共价晶体的粒子是原子,粒子间的作用力是共价键。
(2)依据晶体的熔点判断:共价晶体的熔点高,常在 1 000 ℃以上。
(3)依据晶体的导电性判断:共价晶体多数为非导体,但晶体Si、晶体Ge为半导体。
(4)依据晶体的硬度和机械性能判断:共价晶体的硬度大。
题点二 共价晶体的性质比较
3.下列晶体性质的比较不正确的是( )
[A] 沸点:NH3>PH3
[B] 熔点:SiI4>SiBr4>SiCl4
[C] 硬度:白磷>冰>二氧化硅
[D] 硬度:金刚石>碳化硅>晶体硅
【答案】 C
【解析】 A项中NH3分子间存在氢键,故沸点NH3>PH3,正确;B项中三种物质的组成和结构相似,且均为分子晶体,熔点随相对分子质量的增大而升高,正确;C项中白磷和冰都是分子晶体,硬度小,而二氧化硅是共价晶体,硬度大,错误;D项中的三种物质都是共价晶体,由于原子半径CC—Si>Si—Si,而键能越大,共价晶体的硬度越大,正确。
4.现有两组物质的熔点数据如下表所示:
A组 B组
金刚石:>3 500 ℃ HF:-84 ℃
晶体硅:1 410 ℃ HCl:-114 ℃
晶体硼:2 300 ℃ HBr:-87 ℃
二氧化硅:1 710 ℃ HI:-51 ℃
根据表中数据回答下列问题。
(1)A组属于 晶体,其熔化时克服的粒子间的作用力是 。
(2)B组中HF的熔点反常是由于 。
(3)B组晶体不可能具有的性质是 (填序号)。
①硬度小 ②水溶液能导电 ③固体能导电
④液体状态能导电
【答案】 (1)共价 共价键
(2)HF分子间能形成氢键
(3)③④
【解析】 A组熔点很高,应是共价晶体,共价晶体熔化时破坏的是共价键。B组是分子晶体,且结构相似,一般相对分子质量越大,熔点越高,HF的相对分子质量最小,但熔点比HCl的高,出现反常的原因是HF分子间存在氢键,HF熔化时除了破坏范德华力,还要破坏氢键,所需能量更多,因而熔点更高。分子晶体在固态和熔融状态下都不导电。
晶体熔点、沸点和硬度的比较方法
判断晶体类型→分析作用力强弱→进行性质比较。
(1)不同晶体类型:一般来说,共价晶体的熔点、沸点高于分子晶体的,共价晶体的硬度大于分子晶体的。
(2)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分子晶体熔点、沸点影响的三要素:氢键、范德华力、极性。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。
[footnoteRef:0] 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。 [0:
命题解密与解题指导
情境解读:以硅、二氧化硅及硅的卤化物为载体,考查核外电子排布式、晶体结构、晶体性质等。
素养立意:通过核外电子排布式书写,典型晶体模型分析,不同类型晶体熔点、沸点比较等,发展证据推理与模型认知素养。
思维建模:晶体熔点、沸点高低的比较方法
]
(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的相似,晶体硅中Si—Si之间的夹角大小约为 。
(3)请在图中补充完成SiO2晶体的结构示意图(部分原子已画出),并进行必要的标注。
(4)下表列有三种物质(晶体)的熔点。
物质 SiO2 SiCl4 SiF4
熔点/℃ 1 710 -70.5 -90.2
简要解释熔点产生差异的原因。
①SiO2和SiCl4:
。
②SiCl4和SiF4:
。
【答案】 (1)1s22s22p63s23p2 (2)109°28′
(3)
(4)①SiO2是共价晶体,粒子间作用力为共价键,SiCl4是分子晶体,粒子间作用力为范德华力,故SiO2的熔点高于SiCl4的 ②SiCl4和SiF4均为分子晶体,粒子间作用力均为范德华力,结构相似时,相对分子质量越大,范德华力越大,故SiCl4的熔点高于SiF4的
【解析】 (2)晶体硅以一个硅原子为中心,与另外四个硅原子形成正四面体结构,所以Si—Si之间的夹角大小约为109°28′。
(3)图中给出的是硅晶体的结构,SiO2晶体相当于在硅晶体结构中的每个Si—Si中插入一个氧原子,所以只要在每两个硅原子之间画一个半径比硅原子小的原子,再用实线连起来即可。
(4)晶体类型不同,其熔点具有很大的差别,一般共价晶体的熔点高,而分子晶体的熔点低。
(时间:30分钟 满分:59分)
(选择题1～15题,每小题3分,共45分)
(一)共价晶体及其结构特点
1.下列说法正确的是( )
[A] 共价晶体中只含有共价键,分子晶体中只含有共价键
[B] 共价晶体的熔点不一定比分子晶体的高
[C] 分子晶体熔化时,不破坏共价键;共价晶体熔化时,破坏共价键
[D] 任何晶体中,若含有分子则必含共价键
【答案】 C
【解析】 共价晶体中只含有共价键,分子晶体中不一定含有共价键,如稀有气体,A错误;共价晶体的熔点一定比分子晶体的熔点高,B错误;分子晶体熔化时,不破坏共价键,破坏的是分子间作用力,共价晶体熔化时,破坏共价键,C正确;分子晶体中的稀有气体晶体中无共价键,D错误。
2.下列关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是( )
[A] 1 mol SiO2晶体中Si—O的物质的量为2 mol
[B] 二氧化硅晶体的分子式是SiO2
[C] 晶体中Si、O最外电子层都满足 8电子结构
[D] 最小的环上有3个硅原子和3个氧原子
【答案】 C
【解析】 每个硅原子形成4个共价键,则1 mol SiO2晶体中含4 mol Si—O,故A错误;由题给二氧化硅晶体结构图可知,每个硅原子周围连有4个氧原子,每个氧原子周围连有
2个硅原子,则Si、O的原子个数之比为1∶2,不存在分子,故B错误;在晶体中硅原子形成4个共用电子对,氧原子形成2个共用电子对,而氧原子最外层就是6个电子,这样两种原子最外电子层都满足8电子结构,故C正确;由题给二氧化硅晶体结构图可知,晶体中最小环上含有6个硅原子和6个氧原子,故D错误。
3.下列有关共价晶体的叙述不正确的是( )
[A] 金刚石和二氧化硅晶体中都有正四面体
[B] 含1 mol C的金刚石中C—C数目是2NA,1 mol SiO2晶体中Si—O数目是4NA(设NA为阿伏加德罗常数的值)
[C] 水晶和干冰在熔化时,晶体中的共价键都会断裂
[D] SiO2晶体是共价晶体,所以晶体中不存在分子,SiO2不是它的分子式
【答案】 C
【解析】 金刚石是1个中心碳原子连接4个碳原子,二氧化硅是1个中心硅原子连接
4个氧原子,均为正四面体,A项正确;金刚石中,1个碳原子与另外4个碳原子形成4个C—C,这个碳原子对每个单键的贡献只有,所以1 mol碳原子形成的C—C的物质的量为4 mol×=2 mol,而SiO2晶体中1个硅原子分别与4个氧原子形成4个Si—O,则1 mol SiO2晶体中Si—O的物质的量为4 mol,B项正确;干冰熔化时只破坏分子间作用力,共价键不会断裂,C项错误;共价晶体的构成粒子是原子不是分子,D项正确。
4.(2025·江苏宿迁泗阳实验高级中学调研)“中国芯”的主要原材料是高纯单晶硅,反应SiCl4(g)+2H2(g)Si(s)+4HCl(g)可用于纯硅的制备。下列有关说法正确的是( )
[A] SiCl4为极性分子
[B] 每生成1 mol Si需消耗2×22.4 L H2(标准状况)
[C] 单晶硅为分子晶体
[D] 1 mol晶体硅中含有4 mol Si—Si
【答案】 B
【解析】 SiCl4和CH4的空间结构都是正四面体形,结构对称,为非极性分子,A错误;根据反应可知 2H2(g)～Si(s),标准状况下,消耗2×22.4 L(2 mol) H2,可生成1 mol Si,B正确;单晶硅与金刚石的晶体结构相似,为空间网状结构,为共价晶体,C错误;由于每个硅原子形成
4个共价键,每一个 Si—Si共价键为两个硅原子共用,即1 mol晶体硅中含有1 mol×4×=
2 mol Si—Si,D错误。
5.(2024·北京丰台区期中)氮化碳晶体类型与金刚石类似,氮化碳晶体结构如图所示。下列有关氮化碳的说法不正确的是( )
[A] 氮化碳晶体属于共价晶体
[B] 氮化碳中碳显-4价,氮显+3价
[C] 氮化碳的硬度比金刚石的硬度大
[D] 每个碳原子与四个氮原子相连,每个氮原子与三个碳原子相连
【答案】 B
【解析】 根据氮化碳晶体类型与金刚石类似可知,氮化碳晶体属于共价晶体,A正确;氮元素的电负性大于碳元素的,所以在氮化碳中氮元素的化合价显-3价,碳元素的化合价显+4价,B错误;因为C—N的键长小于C—C的键长,故氮化碳的键能更大,氮化碳的硬度比金刚石的硬度大,C正确;根据图示可知,每个碳原子与四个氮原子相连,每个氮原子与三个碳原子相连,D正确。
(二)共价晶体的物理性质
6.根据下列性质判断,属于共价晶体的是( )
[A] 熔点为2 700 ℃,导电性好,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
【答案】 B
【解析】 共价晶体的性质是熔点很高、硬度很大,一般不导电,不具有延展性,不溶于一般溶剂。A项导电性好,延展性强,不属于共价晶体;B项描述符合共价晶体的性质,属于共价晶体;C项能溶于水,熔点低,不属于共价晶体;D项熔点低,微溶于水,硬度小,不属于共价
晶体。
7.(2024·湖南永州一中月考)AlN、GaN属于第三代半导体材料,二者成键结构与金刚石相似,晶体中只存在N—Al、N—Ga。下列说法错误的是( )
[A] GaN的熔点高于AlN的
[B] 晶体中所有化学键均为极性键
[C] 晶体中所有原子均采取sp3杂化
[D] 晶体中所有原子的配位数均相同
【答案】 A
【解析】 AlN、GaN为结构相似的共价晶体,由于Al的原子半径小于Ga的,N—Al的键长小于N—Ga的,则N—Al的键能较大,键能越大则其对应的共价晶体的熔点越高,故GaN的熔点低于AlN的,A错误;不同种元素的原子之间形成的共价键为极性键,故两种晶体中所有化学键均为极性键,B正确;金刚石中每个碳原子形成4个共价键(即碳原子的价层电子对数为4),故碳原子均采取sp3杂化,由于AlN、GaN与金刚石成键结构相似,则其晶体中所有原子均采取sp3杂化,C正确;金刚石中每个碳原子与其周围4个碳原子形成共价键,即碳原子的配位数是4,由于AlN、GaN与金刚石成键结构相似,则其晶体中所有原子的配位数也均为4,D正确。
8.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/ ℃ > 3 500 3 000 2 700 1 710 1 410 1 211
莫氏 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
【答案】 D
【解析】 共价晶体的熔点、沸点和硬度等物理性质取决于晶体内的共价键,构成共价晶体的原子半径越小,键长越短,键能越大,对应共价晶体的熔点、沸点越高,硬度越大,故D
正确。
9.(2025·云南昆明期中)我国科学家合成了富集11B的非碳导热材料立方氮化硼晶体,晶胞结构如图所示。下列说法不正确的是( )
[A] 立方氮化硼晶体有较高的熔、沸点
[B] 该晶体具有良好的导电性
[C] 该晶胞中含有4个B,4个N
[D] 硼原子周围等距且最近的硼原子数为12
【答案】 B
【解析】 立方氮化硼晶体结构与金刚石类似,属于共价晶体,其具有较高的熔、沸点,A正确;共价晶体一般不导电,B错误;该晶胞中,硼原子位于顶角和面心,一共4个,氮原子位于晶胞内部,共4个,C正确;以顶角的硼原子为例,与其距离最近且等距的硼原子位于以其为顶点的平面的面心,故硼原子周围等距且最近的硼原子数为12,D正确。
综合应用
10.金刚石是由碳原子所形成的正四面体结构向空间无限延伸而得到的具有空间网状结构的共价晶体。在立方体中,若一个碳原子位于立方体体心,则与它直接相邻的四个碳原子位于该立方体互不相邻的四个顶角上(如图中的小立方体)。图中与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数和它们位于大立方体的位置分别是( )
[A] 12,大立方体的12条棱的中点
[B] 8,大立方体的8个顶角
[C] 6,大立方体的6个面的中心
[D] 14,大立方体的8个顶角和6个面的中心
【答案】 A
【解析】 与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子分别位于大立方体的12条棱的中点,共12个。如图所示。
11.氮氧化铝(AlON)是新型透明高硬度防弹铝材料,属于共价晶体,主要用于装甲车辆防弹窗户和覆盖于导弹传感器顶部的透明圆窗等。下列描述错误的是( )
[A] 基态铝原子的价层电子排布式为3s23p1
[B] 制备AlON的原料N2中的N采取sp2杂化
[C] AlON和水晶的化学键类型相同
[D] AlON的熔点比AlCl3的熔点高
【答案】 B
【解析】 基态铝原子核外电子分布在1s、2s、2p、3s、3p能级上,核外电子排布式为1s22s22p63s23p1,价层电子排布式为3s23p1,故A正确;氮气分子中含有1个氮氮三键,为直线形结构,其结构式为N≡N,氮原子的孤电子对数为 =1,三键中含1个σ键,氮原子的价层电子对数为 1+1=2,氮原子的杂化方式为sp,故B错误;氮氧化铝(AlON)属于共价晶体,水晶(SiO2)属于共价晶体,化学键都是共价键,故C正确;氮氧化铝(AlON)属于共价晶体,氯化铝为共价化合物,但属于分子晶体,所以AlON的熔点比AlCl3的熔点高,故D正确。
12.半导体材料砷化硼(BAs)的晶胞结构如图所示,可看作是金刚石晶胞内部的碳原子被砷原子代替、顶点和面心的碳原子被硼原子代替。下列说法正确的是( )
[A] 基态砷原子的核外电子排布式为 [Ar]4s24p3
[B] 砷化硼(BAs)晶体属于分子晶体
[C] 1 mol BAs晶体中含有2 mol B—As
[D] 与同一个硼原子相连的砷原子构成的空间结构为正四面体形
【答案】 D
【解析】 基态砷原子核外电子排布式应为[Ar]3d104s24p3,故A错误;由题给信息可知,砷化硼(BAs)的晶胞可看作金刚石晶胞内部碳原子被砷原子代替、顶点和面心的碳原子被硼原子代替,金刚石是共价晶体,故砷化硼(BAs)晶体也属于共价晶体,故B错误;砷化硼晶胞内部一个黑球(砷原子)与周围白球(硼原子)形成4个键,其他黑球(砷原子)不共用这个化学键,故1 mol BAs晶体中含有4 mol B—As,故C错误;砷化硼结构与金刚石相似,则与同一个硼原子相连的砷原子构成的空间结构为正四面体形,故D正确。
13.硅是制作光伏电池的关键材料。在Si晶体中掺杂不同种类的元素,可形成多电子的n型半导体或缺电子的p型半导体。n型半导体和p型半导体相互叠加形成p-n结,此时自由电子发生扩散运动,在交界面处形成电场。下列说法错误的是( )
[A] 1 mol Si晶体中含有的Si—Si个数为2NA
[B] 若在Si晶体中掺入P,可得n型半导体
[C] p-n结中,n型一侧带负电,p型一侧带正电
[D] 光伏电池的能量转化形式:光能→电能
【答案】 C
【解析】 硅晶体中每个硅原子与其周围紧邻的四个硅原子形成四个共价键,但是每个共价键是两个硅原子共用的,所以1 mol Si晶体中含有2 mol共价键,即Si—Si个数为2NA,故A正确;若在Si晶体中掺入As,根据题图分析得到,晶体中形成了自由移动的电子,可得n型半导体,P与As是同主族元素,若在Si晶体中掺入P,也可得n型半导体,故B正确;
p-n结中,n型一侧失去电子带正电,p型一侧得到电子带负电,故C错误;光伏电池的能量转化形式为光能转化为电能,故D正确。
14.我国科学家合成了新型碳材料:T-碳。T-碳的晶胞结构可以看作金刚石结构中的一个碳原子被四个碳原子构成的一个正四面体结构单元替代(如图所示,所有小球都代表碳原子)。下列说法正确的是( )
[A] T-碳与石墨、金刚石互为同分异构体
[B] T-碳晶体与金刚石晶体类似,属于共价晶体
[C] T-碳晶体和金刚石晶体中含有的化学键不同
[D] T-碳中的碳原子与金刚石中的碳原子采取的杂化方式不同
【答案】 B
【解析】 根据题干信息和T-碳的晶胞结构分析可知,T-碳是由碳元素组成的单质,与石墨、金刚石互为同素异形体,A错误;T-碳可以看作金刚石结构中的一个碳原子被四个碳原子构成的一个正四面体结构单元替代,属于共价晶体,B正确;T-碳晶体和金刚石晶体中含有的化学键均是共价键,C错误;T-碳中的碳原子与金刚石中的碳原子均采取sp3杂化,杂化方式相同,D错误。
15.(2025·湖南师大附中月考)砷化镓(GaAs)的晶胞结构如图甲所示,将Mn掺杂到晶体中得到稀磁性半导体材料,其晶胞结构如图乙所示。下列说法错误的是( )
[A] Ga、As均属于p区元素
[B] 图甲中,Ga位于As构成的正四面体空隙中
[C] 图甲中,若Ga—As的键长为a pm,则晶胞边长为 a pm
[D] 稀磁性半导体材料中,Mn、As的原子个数之比为1∶2
【答案】 D
【解析】 镓元素、砷元素的价层电子排布式分别为4s24p1、4s24p3,均处于元素周期表p区,A正确;由晶胞结构可知,砷化镓晶胞中距离Ga最近且等距离的As的个数是4,且4个As构成正四面体结构,所以Ga位于As构成的正四面体空隙中,B正确;由晶胞结构可知,砷化镓晶胞中Ga—As的键长为晶胞体对角线长度的,则晶胞边长为 a pm,C正确;根据“均摊法”,晶胞中含有的锰原子的个数为1×+1×=,砷原子个数为4,则锰、砷的原子个数之比为5∶32,D错误。
16.(14分)(1)金刚砂(SiC)的莫氏硬度为9.5,其晶胞结构如图甲所示,则金刚砂晶体类型为
; 在SiC中,每个碳原子周围最近的碳原子数目为 ;若晶胞的边长为a pm,则金刚砂的密度表达式为 (3分)。
(2)硅的某种单质的晶胞结构如图乙所示。GaN晶体的晶胞结构与该硅晶体相似。则GaN晶体中,每个镓原子与 个氮原子相连,与同一个镓原子相连的氮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,则晶体中两个最近的硅原子之间的距离为 cm(用代数式表示,3分)。
【答案】 (1)共价晶体 12
g·cm-3
(2)4 正四面体形 ×
【解析】 (1)金刚砂(SiC)的莫氏硬度为9.5,硬度大,属于共价晶体;每个碳原子连接4个硅原子,每个硅原子连接4个碳原子,所以每个碳原子周围最近的碳原子数目为12;该晶胞中碳原子个数为8×+6×=4,硅原子个数为4,晶胞的边长为 a×10-10cm,体积为(a×10-10cm)3,密度为 = g·cm-3。
(2)根据物质的晶胞结构可知,在GaN晶体中,每个镓原子与4个氮原子相连,与同一个镓原子相连的氮原子构成的空间结构为正四面体形。在硅晶体的晶胞中含有硅原子的数目是8×+6×+4=8,则1个晶胞的体积为 cm3= cm3,晶胞的边长为 cm,在晶胞中两个最近的硅原子之间的距离为晶胞体对角线长的,即 × cm。
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第2课时 共价晶体
1.通过认识共价晶体及其结构特点,能辨识常见的共价晶体,并能从微观角度分析共价晶体中各构成粒子之间的作用对共价晶体物理性质的影响。2.通过对典型共价晶体的分析探究,能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶
体,并能利用“均摊法”对晶胞进行分析。
认识共价晶体及其结构特点
学习任务1
1.共价晶体
原子
[示例] 共价晶体中都有共价键,但仅含有共价键的 是共价晶体,如CO2、H2O等分子晶体中也含有共价键。对共价晶体的认识除了要求“具有共价
键”外,还要求形成晶体的粒子是原子。
共价键
分子
共价键三维骨架
不一定
2.两种典型的共价晶体
(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,形成共价键三维骨架结构。
sp3
109°28′
4
(2)二氧化硅晶体。
①存在及结构。
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。在低温石英的结构中,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,如图所示。
②用途。
用作压电材料(如制作石英手表),还是制造 、 、单晶硅、硅光电池、芯片和
的原料。
硅氧四面体
水泥
玻璃
光导纤维
3.常见共价晶体及物质类别
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)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)等
极少数金属氧化物 刚玉(Al2O3)
非金属单质
非金属化合物
材料1 金刚石,俗称“金刚钻”,它是一种由碳元素组成的矿物,是石墨的同素异形体,是美丽、透明、折光率高的晶体,也是常见的钻石的原身。
材料2 纯净的天然二氧化硅晶体,是一种坚硬、脆性、不溶的无色透明的固体,常用于制造光学仪器等。二氧化硅晶体中,硅原子位于正四面体的中心,四个氧原子位于正四面体的四个顶角上,许多个这样的四面体又通过顶角的氧原子相连,每个氧原子为两个四面体共有,即每个氧原子与两个硅原子相结合。
探究 典型共价晶体的结构特点
问题1:观察金刚石晶体结构模型,晶体中碳原子个数与C—C的个数之比为多少 晶体中最小碳环是几元环 在上述晶体结构图中画出一个最小的碳环(相应的碳原子涂黑)。
提示:如图,晶体中每个碳原子都参与了4个C—C的形成,在每个C—C中的贡献只有一半,故晶体中碳原子个数与C—C的个数之比为1∶2。根据晶体结构,可知最小碳环是六元环。
问题2:一个金刚石晶胞中含有几个碳原子 若晶胞的边长为a pm,晶胞中两个最近的碳原子之间的距离是多少
问题3:二氧化硅晶体中硅原子和与其直接相连的氧原子构成的空间结构是什么
提示:二氧化硅晶体中硅原子与其周围相连的 4个氧原子形成正四面体形
结构。
问题4:二氧化硅晶体中硅原子与Si—O的数目之比是多少 60 g SiO2晶体中含Si—O的数目是多少(设NA为阿伏加德罗常数的值)
提示:SiO2晶体中硅原子与Si—O的数目之比为 1∶4。60 g SiO2晶体中含Si—O的数目为4NA。
金刚石(晶体硅)、二氧化硅、碳化硅的晶胞分析
归纳拓展
归纳拓展
①每个顶点和面心均有1个碳原子;
②晶胞内部有4个碳原子,每个金刚石晶胞中含有8个碳原子;
③硅晶胞结构同金刚石晶胞 ①相当于在晶体硅结构中每2个硅原子中间插入1个氧原子;
②晶胞中有8个硅原子位于立方晶胞的顶点,有6个硅原子位于立方晶胞的面心,还有4个硅原子与16个氧原子在晶胞内构成4个硅氧四面体,均匀排列于晶胞内;
③每个SiO2晶胞中含有8个硅原子和16个氧原子 ①碳、硅原子都采取sp3杂化,C—Si键角为109°28′;
②每个硅(碳)原子与周围紧邻的4个碳
(硅)原子以共价键结合成正四面体结构,向空间伸展形成空间网状结构;
③最小环由6个原子组成且不在同一平面内,其中包括3个碳原子和3个硅原子;
④每个SiC晶胞中含有4个碳原子和4个硅原子
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] 共价晶体的熔点与键能和范德华力强弱有关
[C] 共价晶体具有空间网状结构
[D] 共价晶体中不存在独立分子
B
【解析】 共价晶体由原子通过共价键结合而成,熔化时需破坏共价键,共价晶体的熔点与键能大小有关,与范德华力的强弱无关,A正确、B不正确;共价晶体由原子通过共价键结合而成,具有空间网状结构,C正确;共价晶体中不存在独立分子,D正确。
2.二氧化硅晶体是空间立体网状结构,如图所示。下列说法正确的是( )
[A] CO2和SiO2晶体类型相同
[B] SiO2中一个Si周围有4个O,CO2中一个 C周围有4个O
[C] 晶体中Si杂化方式为sp3,O杂化方式为sp
[D] 晶体中最小环上的原子数为12
D
【解析】 CO2晶体是由分子构成的,SiO2晶体是由原子构成的,则前者为分子晶体、后者为共价晶体,晶体类型不同,A错误;SiO2中一个Si周围有4个O,CO2中一个C周围有2个O,B错误;该晶体中每个Si形成4个共价键,每个O形成2个共价键且每个O还含有2个孤电子对,则Si、O的价层电子对数都是4,都采用sp3杂化,C错误;由二氧化硅晶体结构图可知,晶体中最小环上含有 6个硅原子和6个氧原子,所以最小环上的原子数为12,D正确。
3.碳化硅和立方氮化硼的结构与金刚石类似,碳化硅硬度仅次于金刚石,立方氮化硼硬度与金刚石相当,其晶胞结构如图所示。
请回答下列问题。
(1)碳化硅晶体中,硅原子杂化类型为 ,每个硅原子周围与其距离最近的碳原子有 个;设晶胞边长为a cm,密度为b g·cm-3,则阿伏加德罗常数
可表示为 (用含a、b的式子表示)。
sp3
4
(2)立方氮化硼晶胞中有 个硼原子、 个氮原子,硼原子的杂化类型
为 ,若晶胞的边长为c cm,则立方氮化硼的密度为 g·cm-3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。
4
4
sp3
探究共价晶体的物理性质
学习任务2
1.物理性质
(1)熔点很 。
(2)硬度很 。金刚石是天然存在的最硬的物质。
(3)一般 导电。但晶体硅是半导体。
(4)不溶于一般溶剂。
2.共价晶体熔点和硬度的比较规律
结构相似的共价晶体,原子半径越小,键长越 ,键能越 ,晶体的熔点越高,硬度越大。
高
大
不
短
大
材料 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
探究 共价晶体的物理性质
问题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
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共价键。
问题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
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。
问题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。根据元素周期表可知,碳和硅为同一主族元素,原子半径CC—Si>
Si—Si,熔点和硬度大小顺序为C—C>C—Si>Si—Si。
共价晶体与分子晶体的比较
归纳拓展
晶体类型 共价晶体 分子晶体
构成粒子 原子 分子
粒子间作用力 共价键 分子间作用力
结构特点 空间网状结构 分子密堆积
或非密堆积
归纳拓展
物理性质 熔点、沸点高,硬度大,不溶于一般溶剂 熔点、沸点低,硬度小,遵守“相似相溶”规律
熔化时破坏的作用力 共价键 范德华力
(有时破坏氢键)
举例 金刚石 冰、干冰
题点一 共价晶体的性质与判断
1.碳化硅的晶体有类似金刚石的结构,其中碳原子和硅原子的位置是交替的。它与晶体硅和金刚石相比较,下列说法正确的是( )
[A] 熔点从高到低的顺序:金刚石>碳化硅>晶体硅
[B] 熔点从高到低的顺序:金刚石>晶体硅>碳化硅
[C] 三种晶体中的结构单元都是三角锥形结构
[D] 三种晶体都是共价晶体且均为电的良导体
A
【解析】 碳化硅的晶体有类似金刚石的结构,其中碳原子和硅原子的位置是交替的,这说明碳化硅形成的晶体是共价晶体。形成共价晶体的原子半径越小,共价键键能越大,其熔、沸点越高,而原子半径:C碳化硅>晶体硅,A正确,B错误;三种晶体中的结构单元都是四面体形结构,C错误;三种晶体都是共价晶体且都不是电的良导体,D错误。
2.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。下列推断正确的是( )
[A] SiCl4、Si3N4的晶体类型相同
[B] Si3N4晶体是共价键三维骨架结构
[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
B
【解析】 SiCl4是分子晶体,Si3N4熔点高、硬度大,是共价晶体,A错误;Si3N4是共价晶体,每个Si与4个N、每个N与3个Si通过共价键形成空间网状三维骨架结构,B正确;二者均为共价晶体,原子半径:CSi—N,故C3N4的熔点比Si3N4的高,C错误;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,D错误。
判断共价晶体的方法
(1)依据构成晶体的粒子和粒子间的作用力判断:构成共价晶体的粒子是原子,粒子间的作用力是共价键。
(2)依据晶体的熔点判断:共价晶体的熔点高,常在 1 000 ℃以上。
(3)依据晶体的导电性判断:共价晶体多数为非导体,但晶体Si、晶体Ge为半导体。
(4)依据晶体的硬度和机械性能判断:共价晶体的硬度大。
规律方法
题点二 共价晶体的性质比较
3.下列晶体性质的比较不正确的是( )
[A] 沸点:NH3>PH3
[B] 熔点:SiI4>SiBr4>SiCl4
[C] 硬度:白磷>冰>二氧化硅
[D] 硬度:金刚石>碳化硅>晶体硅
C
【解析】 A项中NH3分子间存在氢键,故沸点NH3>PH3,正确;B项中三种物质的组成和结构相似,且均为分子晶体,熔点随相对分子质量的增大而升高,正确;C项中白磷和冰都是分子晶体,硬度小,而二氧化硅是共价晶体,硬度大,错误;D项中的三种物质都是共价晶体,由于原子半径CC—SiC—Si>Si—Si,而键能越大,共价晶体的硬度越大,正确。
4.现有两组物质的熔点数据如下表所示:
A组 B组
金刚石:>3 500 ℃ HF:-84 ℃
晶体硅:1 410 ℃ HCl:-114 ℃
晶体硼:2 300 ℃ HBr:-87 ℃
二氧化硅:1 710 ℃ HI:-51 ℃
根据表中数据回答下列问题。
(1)A组属于 晶体,其熔化时克服的粒子间的作用力是 。
(2)B组中HF的熔点反常是由于 。
(3)B组晶体不可能具有的性质是 (填序号)。
①硬度小 ②水溶液能导电 ③固体能导电 ④液体状态能导电
共价
共价键
HF分子间能形成氢键
③④
【解析】 A组熔点很高,应是共价晶体,共价晶体熔化时破坏的是共价键。B组是分子晶体,且结构相似,一般相对分子质量越大,熔点越高,HF的相对分子质量最小,但熔点比HCl的高,出现反常的原因是HF分子间存在氢键,HF熔化时除了破坏范德华力,还要破坏氢键,所需能量更多,因而熔点更高。分子晶体在固态和熔融状态下都不导电。
晶体熔点、沸点和硬度的比较方法
判断晶体类型→分析作用力强弱→进行性质比较。
(1)不同晶体类型:一般来说,共价晶体的熔点、沸点高于分子晶体的,共价晶体的硬度大于分子晶体的。
(2)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分子晶体熔点、沸点影响的三要素:氢键、范德华力、极性。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。
思维建模
知识整合
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的相似,晶体硅中Si—Si之间的夹角大小约为
。
1s22s22p63s23p2
109°28′
【解析】 (2)晶体硅以一个硅原子为中心,与另外四个硅原子形成正四面体结构,所以Si—Si之间的夹角大小约为109°28′。
(3)请在图中补充完成SiO2晶体的结构示意图(部分原子已画出),并进行必要的标注。
【答案】(3)
【解析】 (3)图中给出的是硅晶体的结构,SiO2晶体相当于在硅晶体结构中的每个Si—Si中插入一个氧原子,所以只要在每两个硅原子之间画一个半径比硅原子小的原子,再用实线连起来即可。
(4)下表列有三种物质(晶体)的熔点。
物质 SiO2 SiCl4 SiF4
熔点/℃ 1 710 -70.5 -90.2
简要解释熔点产生差异的原因。
①SiO2和SiCl4:
。
②SiCl4和SiF4:
。
SiO2是共价晶体,粒子间作用力为共价键,SiCl4是分子晶体,粒子间作用力为范德华力,故SiO2的熔点高于SiCl4的
SiCl4和SiF4均为分子晶体,粒子间作用力均为范德华力,结构相似时,相对分子质量越大,范德华力越大,故SiCl4的熔点高于SiF4的
【解析】 (4)晶体类型不同,其熔点具有很大的差别,一般共价晶体的熔点高,而分子晶体的熔点低。
命题解密与解题指导
情境解读:以硅、二氧化硅及硅的卤化物为载体,考查核外电子排布式、晶体结构、晶体性质等。
素养立意:通过核外电子排布式书写,典型晶体模型分析,不同类型晶体熔点、沸点比较等,发展证据推理与模型认知素养。
思维建模:晶体熔点、沸点高低的比较方法
(选择题1～15题,每小题3分,共45分)
(一)共价晶体及其结构特点
1.下列说法正确的是( )
[A] 共价晶体中只含有共价键,分子晶体中只含有共价键
[B] 共价晶体的熔点不一定比分子晶体的高
[C] 分子晶体熔化时,不破坏共价键;共价晶体熔化时,破坏共价键
[D] 任何晶体中,若含有分子则必含共价键
(时间:30分钟 满分:59分)
C
【解析】 共价晶体中只含有共价键,分子晶体中不一定含有共价键,如稀有气体,A错误;共价晶体的熔点一定比分子晶体的熔点高,B错误;分子晶体熔化时,不破坏共价键,破坏的是分子间作用力,共价晶体熔化时,破坏共价键,C正确;分子晶体中的稀有气体晶体中无共价键,D错误。
2.下列关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是( )
[A] 1 mol SiO2晶体中Si—O的物质的量为2 mol
[B] 二氧化硅晶体的分子式是SiO2
[C] 晶体中Si、O最外电子层都满足 8电子结构
[D] 最小的环上有3个硅原子和3个氧原子
C
【解析】 每个硅原子形成4个共价键,则1 mol SiO2晶体中含4 mol Si—O,故A错误;由题给二氧化硅晶体结构图可知,每个硅原子周围连有4个氧原子,每个氧原子周围连有2个硅原子,则Si、O的原子个数之比为1∶2,不存在分子,故B错误;在晶体中硅原子形成4个共用电子对,氧原子形成2个共用电子对,而氧原子最外层就是6个电子,这样两种原子最外电子层都满足8电子结构,故C正确;由题给二氧化硅晶体结构图可知,晶体中最小环上含有6个硅原子和6个氧原子,故D错误。
3.下列有关共价晶体的叙述不正确的是( )
[A] 金刚石和二氧化硅晶体中都有正四面体
[B] 含1 mol C的金刚石中C—C数目是2NA,1 mol SiO2晶体中Si—O数目是4NA(设NA为阿伏加德罗常数的值)
[C] 水晶和干冰在熔化时,晶体中的共价键都会断裂
[D] SiO2晶体是共价晶体,所以晶体中不存在分子,SiO2不是它的分子式
C
[A] SiCl4为极性分子
[B] 每生成1 mol Si需消耗2×22.4 L H2(标准状况)
[C] 单晶硅为分子晶体
[D] 1 mol晶体硅中含有4 mol Si—Si
B
5.(2024·北京丰台区期中)氮化碳晶体类型与金刚石类似,氮化碳晶体结构如图所示。下列有关氮化碳的说法不正确的是( )
[A] 氮化碳晶体属于共价晶体
[B] 氮化碳中碳显-4价,氮显+3价
[C] 氮化碳的硬度比金刚石的硬度大
[D] 每个碳原子与四个氮原子相连,每个氮原子与三个碳原子相连
B
【解析】 根据氮化碳晶体类型与金刚石类似可知,氮化碳晶体属于共价晶体,A正确;氮元素的电负性大于碳元素的,所以在氮化碳中氮元素的化合价显-3价,碳元素的化合价显+4价,B错误;因为C—N的键长小于C—C的键长,故氮化碳的键能更大,氮化碳的硬度比金刚石的硬度大,C正确;根据图示可知,每个碳原子与四个氮原子相连,每个氮原子与三个碳原子相连,D正确。
(二)共价晶体的物理性质
6.根据下列性质判断,属于共价晶体的是( )
[A] 熔点为2 700 ℃,导电性好,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
B
【解析】 共价晶体的性质是熔点很高、硬度很大,一般不导电,不具有延展性,不溶于一般溶剂。A项导电性好,延展性强,不属于共价晶体;B项描述符合共价晶体的性质,属于共价晶体;C项能溶于水,熔点低,不属于共价晶体;D项熔点低,微溶于水,硬度小,不属于共价晶体。
7.(2024·湖南永州一中月考)AlN、GaN属于第三代半导体材料,二者成键结构与金刚石相似,晶体中只存在N—Al、N—Ga。下列说法错误的是( )
[A] GaN的熔点高于AlN的
[B] 晶体中所有化学键均为极性键
[C] 晶体中所有原子均采取sp3杂化
[D] 晶体中所有原子的配位数均相同
A
【解析】 AlN、GaN为结构相似的共价晶体,由于Al的原子半径小于Ga的,N—Al的键长小于N—Ga的,则N—Al的键能较大,键能越大则其对应的共价晶体的熔点越高,故GaN的熔点低于AlN的,A错误;不同种元素的原子之间形成的共价键为极性键,故两种晶体中所有化学键均为极性键,B正确;金刚石中每个碳原子形成4个共价键(即碳原子的价层电子对数为4),故碳原子均采取sp3杂化,由于AlN、GaN与金刚石成键结构相似,则其晶体中所有原子均采取sp3杂化,C正确;金刚石中每个碳原子与其周围4个碳原子形成共价键,即碳原子的配位数是4,由于AlN、GaN与金刚石成键结构相似,则其晶体中所有原子的配位数也均为4,D正确。
8.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( )
D
共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗
熔点/℃ >3 500 3 000 2 700 1 710 1 410 1 211
莫氏硬度 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
【解析】 共价晶体的熔点、沸点和硬度等物理性质取决于晶体内的共价键,构成共价晶体的原子半径越小,键长越短,键能越大,对应共价晶体的熔点、沸点越高,硬度越大,故D正确。
9.(2025·云南昆明期中)我国科学家合成了富集11B的非碳导热材料立方氮化硼晶体,晶胞结构如图所示。下列说法不正确的是( )
[A] 立方氮化硼晶体有较高的熔、沸点
[B] 该晶体具有良好的导电性
[C] 该晶胞中含有4个B,4个N
[D] 硼原子周围等距且最近的硼原子数为12
B
【解析】 立方氮化硼晶体结构与金刚石类似,属于共价晶体,其具有较高的熔、沸点,A正确;共价晶体一般不导电,B错误;该晶胞中,硼原子位于顶角和面心,一共4个,氮原子位于晶胞内部,共4个,C正确;以顶角的硼原子为例,与其距离最近且等距的硼原子位于以其为顶点的平面的面心,故硼原子周围等距且最近的硼原子数为12,D正确。
10.金刚石是由碳原子所形成的正四面体结构向空间无限延伸而得到的具有空间网状结构的共价晶体。在立方体中,若一个碳原子位于立方体体心,则与它直接相邻的四个碳原子位于该立方体互不相邻的四个顶角上(如图中的小立方体)。图中与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数和它们位于大立方体的位置分别是( )
[A] 12,大立方体的12条棱的中点
[B] 8,大立方体的8个顶角
[C] 6,大立方体的6个面的中心
[D] 14,大立方体的8个顶角和6个面的中心
A
综合应用
【解析】 与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子分别位于大立方体的12条棱的中点,共12个。如图所示。
11.氮氧化铝(AlON)是新型透明高硬度防弹铝材料,属于共价晶体,主要用于装甲车辆防弹窗户和覆盖于导弹传感器顶部的透明圆窗等。下列描述错误的是( )
[A] 基态铝原子的价层电子排布式为3s23p1
[B] 制备AlON的原料N2中的N采取sp2杂化
[C] AlON和水晶的化学键类型相同
[D] AlON的熔点比AlCl3的熔点高
B
12.半导体材料砷化硼(BAs)的晶胞结构如图所示,可看作是金刚石晶胞内部的碳原子被砷原子代替、顶点和面心的碳原子被硼原子代替。下列说法正确的是( )
[A] 基态砷原子的核外电子排布式为 [Ar]4s24p3
[B] 砷化硼(BAs)晶体属于分子晶体
[C] 1 mol BAs晶体中含有2 mol B—As
[D] 与同一个硼原子相连的砷原子构成的空间结构为正四面体形
D
【解析】 基态砷原子核外电子排布式应为[Ar]3d104s24p3,故A错误;由题给信息可知,砷化硼(BAs)的晶胞可看作金刚石晶胞内部碳原子被砷原子代替、顶点和面心的碳原子被硼原子代替,金刚石是共价晶体,故砷化硼(BAs)晶体也属于共价晶体,故B错误;砷化硼晶胞内部一个黑球(砷原子)与周围白球(硼原子)形成4个键,其他黑球(砷原子)不共用这个化学键,故1 mol BAs晶体中含有4 mol B—As,故C错误;砷化硼结构与金刚石相似,则与同一个硼原子相连的砷原子构成的空间结构为正四面体形,故D正确。
13.硅是制作光伏电池的关键材料。在Si晶体中掺杂不同种类的元素,可形成多电子的n型半导体或缺电子的p型半导体。n型半导体和p型半导体相互叠加形成p-n结,此时自由电子发生扩散运动,在交界面处形成电场。下列说法错误的是( )
[A] 1 mol Si晶体中含有的Si—Si个数为2NA
[B] 若在Si晶体中掺入P,可得n型半导体
[C] p-n结中,n型一侧带负电,p型一侧带正电
[D] 光伏电池的能量转化形式:光能→电能
C
【解析】 硅晶体中每个硅原子与其周围紧邻的四个硅原子形成四个共价键,但是每个共价键是两个硅原子共用的,所以1 mol Si晶体中含有2 mol共价键,即Si—Si个数为2NA,故A正确;若在Si晶体中掺入As,根据题图分析得到,晶体中形成了自由移动的电子,可得n型半导体,P与As是同主族元素,若在Si晶体中掺入P,也可得n型半导体,故B正确;p-n结中,n型一侧失去电子带正电,p型一侧得到电子带负电,故C错误;光伏电池的能量转化形式为光能转化为电能,故D正确。
14.我国科学家合成了新型碳材料:T-碳。T-碳的晶胞结构可以看作金刚石结构中的一个碳原子被四个碳原子构成的一个正四面体结构单元替代(如图所示,所有小球都代表碳原子)。下列说法正确的是( )
[A] T-碳与石墨、金刚石互为同分异构体
[B] T-碳晶体与金刚石晶体类似,属于共价晶体
[C] T-碳晶体和金刚石晶体中含有的化学键不同
[D] T-碳中的碳原子与金刚石中的碳原子采取的杂化方式不同
B
【解析】 根据题干信息和T-碳的晶胞结构分析可知,T-碳是由碳元素组成的单质,与石墨、金刚石互为同素异形体,A错误;T-碳可以看作金刚石结构中的一个碳原子被四个碳原子构成的一个正四面体结构单元替代,属于共价晶体,B正确;T-碳晶体和金刚石晶体中含有的化学键均是共价键,C错误;
T-碳中的碳原子与金刚石中的碳原子均采取sp3杂化,杂化方式相同,D错误。
15.(2025·湖南师大附中月考)砷化镓(GaAs)的晶胞结构如图甲所示,将Mn掺杂到晶体中得到稀磁性半导体材料,其晶胞结构如图乙所示。下列说法错误的是( )
D
16.(14分)(1)金刚砂(SiC)的莫氏硬度为9.5,其晶胞结构如图甲所示,则金刚砂晶体类型为 ; 在SiC中,每个碳原子周围最近的碳原子数目为 ;
若晶胞的边长为a pm,则金刚砂的密度表达式为 (3分)。
共价晶体
12
(2)硅的某种单质的晶胞结构如图乙所示。GaN晶体的晶胞结构与该硅晶体相似。则GaN晶体中,每个镓原子与 个氮原子相连,与同一个镓原子相连的氮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,则晶体中两个最近的硅原子之间的距离
为 cm(用代数式表示,3分)。
4
正四面体形
