第2课时 共价晶体
课时作业
(分值:61分)
(选择题,每小题3分)
对点训练
知识点1 共价晶体及其结构特点
1.下列物质中,属于共价晶体的化合物是( )
[A]无色水晶 [B]晶体硅
[C]金刚石 [D]干冰
【答案】 A
2.金刚石是典型的共价晶体。下列关于金刚石的说法错误的是( )
[A]晶体中不存在独立的分子
[B]碳原子间以共价键相结合
[C]是自然界中硬度最大的物质
[D]化学性质稳定,即使在高温下也不会与氧气发生反应
【答案】 D
【解析】 在金刚石中,碳原子采取sp3杂化轨道形成共价键三维骨架结构,不存在具有固定组成的分子;由于碳的原子半径比较小,碳与碳之间的共价键键能很高,所以金刚石的硬度很大,A、B、C正确。由于金刚石是碳的单质,高温下可以在空气或氧气中燃烧生成CO2,D错误。
3.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 /℃ >3 500 3 000 2 700 1 710 1 410 1 211
莫氏 硬度 10 9.5 9.5 7.0 6.5 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]一般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原子质量越大,晶体的硬度越大
【答案】 B
【解析】 共价晶体的熔点高低与晶体中原子间的共价键强弱有关,与构成共价晶体的原子种类无关,故A错误;一般构成共价晶体的原子间的共价键键能越大,共价键越强,晶体的熔点越高,故B正确;共价晶体的硬度大小与晶体中原子间的共价键强弱有关,构成共价晶体的原子的半径越小,共价键越强,晶体的硬度越大,故C错误;共价晶体的硬度与构成共价晶体的原子的相对原子质量无关,故D错误。
4.(2025·江苏淮安月考)氮化碳部分结构如图所示,其中β-氮化碳硬度超过金刚石晶体,成为超硬新材料。下列有关氮化碳的说法不正确的是( )
[A]氮化碳属于共价晶体
[B]氮化碳中C为-4价,N为+3价
[C]氮化碳的化学式为C3N4
[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】 由题给信息可知,氮化碳是超硬新材料,符合共价晶体的典型物理性质,A项正确;氮元素的电负性大于碳元素的电负性,所以氮化碳中氮元素为-3价,碳元素为+4价,B项错误;晶体结构模型中虚线部分是晶体的最小结构单元,正方形顶点的原子有被占有,边上的原子有被占有,可得氮化碳的化学式为C3N4,C项正确;由题图可知,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项正确。
知识点2 共价晶体与分子晶体的比较
5.根据下列几种物质的熔点和沸点数据判断,下列有关说法错误的是( )
物质 AlCl3 SiCl4 单质B
熔点/℃ 190 -70 2 300
沸点/℃ 182.7 57.6 2 500
注:AlCl3熔点在2.02×105 Pa条件下测定。
[A]SiCl4是分子晶体
[B]单质B是共价晶体
[C]AlCl3加热能升华
[D]单质B和AlCl3晶体类型相同
【答案】 D
【解析】 由表中数据可知,SiCl4的熔、沸点较低,属于分子晶体,A正确;单质B的熔、沸点很高,所以单质B是共价晶体,B正确;由表中数据可知,AlCl3的沸点比熔点低,加热时可直接由固态变为气态,所以AlCl3加热能升华,C正确;单质B是共价晶体,AlCl3属于分子晶体,两者晶体类型不同,D错误。
6.下列关于SiO2和CO2的描述不正确的是( )
[A]SiO2为共价晶体,CO2为分子晶体
[B]两者中心原子采取的杂化方式不同
[C]SiO2和CO2都是非极性分子
[D]SiO2晶体的熔点比CO2晶体的熔点高
【答案】 C
【解析】 二氧化硅是硅原子和氧原子形成的共价晶体,二氧化碳是由二氧化碳分子形成的分子晶体,故A正确;二氧化硅晶体中每个硅原子周围有4个氧原子,则硅原子的杂化方式为sp3杂化,二氧化碳分子中碳原子的价层电子对数为2,孤电子对数为0,碳原子的杂化方式为sp杂化,则两者中心原子采取的杂化方式不同,故B正确;二氧化硅是硅原子和氧原子形成的共价晶体,晶体中不存在分子,故C错误;共价晶体的熔、沸点高于分子晶体的熔、沸点,二氧化硅是硅原子和氧原子形成的共价晶体,二氧化碳是由二氧化碳分子形成的分子晶体,则二氧化硅晶体的熔点高于二氧化碳晶体的熔点,故D正确。
7.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晶体是共价键三维骨架结构
[C]Si3N4中1个Si周围有3个N,1个N周围有 4个 Si
[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是共价晶体,A项错误;Si3N4是共价晶体,是共价键三维骨架结构,B项正确;Si3N4中1个 Si周围有4个N,1个N周围有3个Si,C项错误;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项错误。
8.(2024·浙江温州段考)某实验室成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体。下列关于CO2的共价晶体的说法正确的是( )
[A]CO2的共价晶体和分子晶体互为同素异形体
[B]在一定条件下,CO2的共价晶体转化为CO2的分子晶体是物理变化
[C]CO2的共价晶体和CO2的分子晶体具有相同的物理性质和化学性质
[D]在CO2的共价晶体中,每个碳原子结合4个氧原子,每个氧原子跟2个碳原子相结合
【答案】 D
【解析】 同素异形体是由同种元素形成的不同种单质的互称,二氧化碳是共价化合物,所以二氧化碳的共价晶体和分子晶体不可能互为同素异形体,故A错误;二氧化碳的共价晶体的结构和二氧化碳的分子晶体的结构不同,所以在一定条件下,二氧化碳的共价晶体转化为二氧化碳的分子晶体时,有共价键的破坏和形成,属于化学变化,故B错误;二氧化碳的分子晶体和共价晶体的构成粒子相同,但空间结构不同,所以物理性质不同,故C错误;由二氧化碳的共价晶体的结构类似二氧化硅的结构可知,共价晶体中,每个碳原子结合4个氧原子,每个氧原子跟2个碳原子相结合,故D正确。
能力提升
9.设NA为阿伏加德罗常数的值,下列说法正确的是( )
[A]124 g P4含有P—P的数目为6NA
[B]28 g晶体硅中含有 Si—Si的数目为4NA
[C]12 g金刚石中含有C—C的数目为1.5NA
[D]60 g SiO2中含有Si—O的数目为2NA
【答案】 A
【解析】 P4是正四面体形结构,1个P4分子中含有6个P—P,124 g P4的物质的量是=1 mol,124 g P4中含有P—P的数目为6NA,A正确;28 g晶体硅中n(Si)=1 mol,每个硅原子形成4个 Si—Si,每个Si—Si被2个硅原子共用,则 28 g 晶体硅中含有Si—Si的数目为4×NA=2NA,B不正确;12 g金刚石中n(C)=1 mol,金刚石中n(C)∶n(C—C)=1∶4×=
1∶2,12 g金刚石中含有C—C的数目为2NA,C不正确;60 g SiO2的物质的量为1 mol,二氧化硅中平均每个硅原子形成的Si—O的数目为4,则60 g SiO2中含有Si—O的数目为4NA,
D不正确。
10.科学家合成了新型碳材料T-碳。可以看作金刚石结构中的每个碳原子被四个碳原子构成的一个正四面体形结构单元替代(如图所示,所有小球都代表碳原子)。下列说法正确的是( )
[A]T-碳晶胞中含16个碳原子
[B]T-碳与石墨、金刚石互为同分异构体
[C]T-碳晶体和金刚石晶体中含有的化学键不同
[D]T-碳晶体与金刚石晶体类似,熔点高、硬度大
【答案】 D
【解析】 金刚石晶胞中碳原子个数为4+8×+6×=8,T-碳的晶胞结构可以看作将金刚石结构中的每个碳原子被四个碳原子构成的一个正四面体形结构单元取代,T-碳晶胞中含碳原子个数为8×4=32,A错误;T-碳与石墨、金刚石是由碳元素形成的不同单质,故互为同素异形体,而不是互为同分异构体,B错误;T-碳晶体和金刚石晶体中均只含有C—C,即含有的化学键相同,C错误;T-碳是碳的一种新型三维立体晶体结构,由碳原子通过共价键构成,与金刚石晶体类似,同属于共价晶体,熔点高、硬度大,D正确。
11.(2025·陕晋青宁高考适应性考试,改编)科研人员在高温高压条件下合成了类金刚石结构的硼碳氮化合物,其晶胞结构如图所示,立方体的棱长为a pm。NA是阿伏加德罗常数的值。下列说法错误的是( )
[A]该化合物为共价晶体,硬度大
[B]晶体中与硼原子距离最近且相等的硼原子数为4
[C]晶胞中C—C与C—N的数目比为2∶1
[D]晶体的密度= g·cm-3
【答案】 C
【解析】 由题图可知,按均摊法,晶胞中含有的氮原子数目为8×+2×=2,硼原子数目为2,碳原子数目为4×+2=4,则N、B、C原子数目之比为1∶1∶2,该化合物的化学式为BC2N。该晶体具有类金刚石结构,金刚石是由碳原子通过共价键形成的共价晶体,硬度大,则该化合物为共价晶体,硬度大,A正确;如图所示,将晶胞平移,以b点的硼原子为研究对象,,则硼原子距离最近且相等的1个硼原子a位于面心,其余两个面心上的原子为碳原子,根据晶胞结构可知,若面心上全部都是硼原子,则与硼原子距离最近且相等的硼原子数为3×8×=12,但面心上的硼原子只占了,因此晶体中与硼原子距离最近且相等的硼原子数为4,B正确;1个晶胞中有4个C—C、4个 C—N,则二者数目比为1∶1,C不正确;晶体的密度为=g·cm-3,D正确。
12.(16分)共价晶体是由原子直接通过共价键形成的共价键三维骨架结构的晶体,因其具有高熔、沸点,硬度大,耐磨等优良特性而具有广泛的用途。设NA为阿伏加德罗常数的值。
(1)(6分)晶体硅是良好的半导体材料,被广泛用于信息技术和能源科学等领域。晶体硅是与金刚石结构类似的晶体(其晶胞如图甲所示),晶体硅的1个晶胞中含 个硅原子,在晶体硅的共价键三维骨架结构中最小环为 元环,每个最小环独立含有 个硅原子,含1 mol硅原子的晶体硅中Si—Si的数目为 。
(2)
(10分)金刚砂(SiC)也与金刚石具有相似的晶体结构(如图乙所示),在金刚砂的共价键三维骨架结构中,碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。
①(2分)金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是 (用化学式表示)。
②(2分)在金刚砂的结构中,1个硅原子结合了 个碳原子,其中的键角是 。
③(2分)金刚砂的结构中含有C、Si原子以共价键结合形成的环,其中一个最小的环上独立含有 个C—Si。
④
(4分)金刚砂的晶胞结构如图丙所示,在SiC中,每个碳原子周围最近且等距的碳原子数目为 ;若金刚砂的密度为ρ g·cm-3,则晶体中最近的碳、硅原子之间的距离为
pm(列计算式即可)。
【答案】 (1)8 六 0.5 2NA
(2)①Si【解析】 (1)晶体硅是与金刚石结构类似的晶体,晶体硅的1个晶胞中含硅原子的数目为4+8×+6×=8,根据结构分析,可知在晶体硅的共价键三维骨架结构中最小环为六元环,每个硅原子被12个环共用,因此每个最小环独立含有硅原子的数目为6×=0.5,每个硅原子与周围4个硅原子形成4个Si—Si,每2个硅原子共用1个Si—Si,即含1 mol 硅原子的晶体硅中Si—Si的数目为4×NA=2NA。
(2)①共价晶体中,共价键键长越短,键能越大,熔、沸点越高,因此金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是Si13.(12分)氮、铝及其化合物在工农业生产和生活中有重要的作用。氮化铝是耐热耐磨材料,其晶胞结构如图所示,结构类似于金刚石,回答下列问题。
(1)(2分)元素的电负性大小为N (填“大于”“小于”或“等于”)Al;氮化铝的晶体类型是 。
(2)(2分)下列说法不正确的是 (填字母)。
A.第一电离能:O>N>Al
B.氮化铝晶体中存在σ键
C.基态氮原子核外有5种空间运动状态的电子
D.晶体中每个氮原子均存在未成键的孤电子对
(3)(2分)晶体中与铝原子距离最近且相等的铝原子数目是 。
(4)(3分)AlCl3和NH3在一定条件下生成AlCl3·NH3(),在1 300 ℃下分解生成氮化铝,比较H—N—H的键角:NH3 (填“>”“<”或“=”)AlCl3·NH3,原因是
。
(5)(3分)若晶体中铝原子与铝原子之间的最短距离为a pm,NA表示阿伏加德罗常数的值,则该晶体的密度为 (列计算式即可)g·cm-3。
【答案】 (1)大于 共价晶体 (2)AD (3)12 (4)< NH3和AlCl3·NH3中氮原子价层电子对互斥模型均为四面体形,NH3中孤电子对对N—H的排斥力大于AlCl3·NH3中N—Al对N—H的排斥力 (5)
【解析】 (1)电负性N>P>Al;氮化铝的晶体中氮原子与铝原子之间均以共价键结合,属于共价晶体。
(2)基态氮原子核外电子排布中2p轨道为半充满状态,较稳定,第一电离能N>O>Al,A错误;氮化铝晶体中存在Al—N共价单键,即σ键,B正确;基态氮原子核外电子排布式为1s22s22p3,核外电子占据了5个原子轨道,有5种空间运动状态的电子,C正确;晶体中每个氮原子形成4个Al—N,无孤电子对,D错误。
(3)以顶点铝原子为基准,每个晶胞相邻3个面心的铝原子最近,均摊为,紧邻有8个晶胞,则晶体中与铝原子距离最近且相等的铝原子数目为×8=12。
(5)晶体中铝原子与铝原子之间的最短距离(面对角线长的一半)为a pm,晶胞边长为a×
10-10cm,晶胞质量为 g,则该晶体的密度为 g·cm-3。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)第2课时 共价晶体
[学习目标] 1.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.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。
知识点1 共价晶体及其结构特点
1.共价晶体
(1)概念。
相邻原子间以共价键相结合形成共价键三维骨架结构的晶体。
(2)构成粒子及粒子间作用力。
(3)空间结构: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。
2.常见共价晶体及物质类别
物质种类 实例
某些单质 晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石、灰锡(Sn)等
某些非金属化合物 二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC,俗称金刚砂)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等
3.共价晶体的熔、沸点
(1)共价晶体由于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,所以具有很高的熔点。
(2)结构相似的共价晶体,原子半径越小,键长越短,键能越大,熔点越高。
[深度思考]
已知:
晶体 键能/(kJ·mol-1) 熔点/℃ 莫氏 硬度
金刚石 (C—C)347.7 >3 500 10
碳化硅 (C—Si)318 2 700 9.5
晶体硅 (Si—Si)226 1 410 6.5
键长:C—C C—Si Si—Si;
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。(填“>”或“<”)
【答案】 < < > > > > > >
4.两种典型的共价晶体
(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。
③最小碳环由6个碳原子组成,且最小碳环上最多有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。
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。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。
②二氧化硅的用途。
二氧化硅是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。
[深度思考]
分析二氧化硅晶体结构模型,判断晶体中最小的环中含有 个硅原子和 个氧原子;每个硅原子被 个十二元环共用,每个氧原子被 个十二元环共用;1 mol SiO2中含有 mol Si—O。
【答案】 6 6 12 6 4
1.判断正误。
(1)含有共价键的晶体是共价晶体。( × )
(2)共价晶体中,共价键越强,晶体的熔点就越高。( √ )
(3)设NA为阿伏加德罗常数的值,18 g SiO2晶体中含有0.3NA个SiO2分子。( × )
(4)金刚石晶体中,碳原子数与C—C数目之比为 1∶4。( × )
(5)60 g SiO2晶体中含有硅氧四面体结构单元的数目约为6.02×1023。( √ )
2.分析下列各物质的物理性质,判断其形成的晶体属于共价晶体的是( )
[A]碳化铝,黄色晶体,熔点2 200 ℃,熔融态不导电
[B]溴化铝,无色晶体,熔点98 ℃,熔融态不导电
[C]五氧化二钒,无色晶体,熔点19.5 ℃,易溶于乙醇、氯仿中
[D]溴化钾,无色晶体,熔融时或溶于水中都能导电
【答案】 A
3.我们可以将SiO2的晶体结构想象为在晶体硅的Si—Si之间插入氧原子。根据SiO2晶体结构图,下列说法不正确的是( )
[A]石英晶体中每个硅原子通过Si—O极性键与4个氧原子作用
[B]每个氧原子也通过Si—O极性键与2个硅原子作用
[C]石英晶体中硅原子与氧原子的原子个数比为1∶2,可用“SiO2”来表示石英的组成
[D]在晶体中存在SiO2分子,故能叫分子式
【答案】 D
【解析】 晶体硅的结构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,另外四个位于正四面体的顶点,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,在石英晶体中硅原子与氧原子的原子个数比为1∶2,“SiO2”仅表示石英的组成,故没有单个的SiO2分子。
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
[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。
5.单质硼有无定形和晶体两种,参考下表数据回答问题。
物质 金刚石 晶体硅 晶体硼
熔点/℃ >3 500 1 410 2 573
沸点/℃ 5 100 2 355 2 823
莫氏硬度 10 6.5 9.5
(1)晶体硼属于 晶体,理由是 。
(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。下列判断错误的是 (填字母)。
A.金刚石中C—C的键角均为109°28′,所以金刚石和CH4的晶体类型相同
B.金刚石的熔点很高与C—C的键能无关
C.金刚石的熔点高,所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却
(3)
已知晶体硼的结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图所示),该结构单元中有20个正三角形的面和一定数目的顶角,每个顶角上各有一个硼原子。通过观察图形及推算,得出此结构单元是由 个硼原子构成的,其中B—B—B的键角为 ,该结构单元共含有 个B—B。
【答案】 (1)共价 晶体硼的熔、沸点高,硬度大 (2)ABC
(3)12 60° 30
【解析】 (2)金刚石是共价晶体,CH4是分子晶体,二者的晶体类型不同,A错误;金刚石熔化过程中C—C断裂,因C—C 的键能大,断裂时需要的能量多,故金刚石的熔点很高与C—C的键能有关,B错误;金刚石的熔点高,但在打孔过程中会产生很高的温度,如不浇水冷却,会导致钻头熔化,C错误。(3)从题图可得出,每个顶角上的硼原子均被5个正三角形所共有,故分摊到每个正三角形的硼原子为个,每个正三角形含有的硼原子为×3个,每个结构单元含硼原子数为20××3=12;B—B—B的键角即正三角形的内角,为60°;每个B—B被2个正三角形所共用,故每个结构单元含B—B的个数为20××3=30。
金刚石(晶体硅)、碳化硅、二氧化硅的晶胞分析
1.金刚石(晶体硅)晶胞
金刚石(晶体硅)晶胞的每个顶点和面心均有1个碳(硅)原子,晶胞内部有4个碳(硅)原子,每个金刚石(晶体硅)晶胞中含有8个碳(硅)原子。
2.碳化硅晶胞
(1)碳、硅原子都采取sp3杂化,C—Si—C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,向空间伸展形成共价键三维骨架结构。
(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。
3.二氧化硅晶胞
SiO2晶体结构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,参照金刚石晶胞模型,在SiO2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。每个SiO2晶胞中含有8个硅原子和16个氧原子。
知识点2 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 共价键三维 骨架结构 分子密堆积或 非密堆积
物理性质 熔、沸点高,硬度大,不溶于一般溶剂 熔、沸点低,硬度小,遵循“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)
决定熔、沸点 高低的因素 共价键的键能大小 分子间作用力的强弱
举例 金刚石 冰、干冰
1.判断正误。
(1)SiC和NO化学键类型相同,晶体类型也相同。( × )
(2)与分子晶体相比,共价晶体的熔点普遍较高。( √ )
(3)金刚石熔化和I2升华破坏的作用力相同。( × )
(4)CO2比SiO2的熔、沸点低是因为CO2的相对分子质量比SiO2的相对分子质量小。( × )
(5)稀有气体的组成粒子是原子,属于共价晶体,不存在分子间作用力。( × )
2.(2025·江苏南京检测)下列关于共价晶体、分子晶体的叙述正确的是( )
[A]金刚石为共价键三维骨架结构,晶体中的最小环上有6个碳原子
[B]分子晶体中一定存在共价键
[C]HI的相对分子质量大于HF,所以HI的沸点高于HF
[D]在SiO2晶体中,1个硅原子和2个氧原子形成 2个共价键
【答案】 A
【解析】 金刚石属于共价晶体,其中的碳原子采取sp3杂化,与周围紧邻的4个碳原子以共价键结合成正四面体形结构,向空间伸展形成共价键三维骨架结构,晶体中最小环上有6个碳原子,A项正确;分子晶体中不一定存在共价键,如稀有气体形成的晶体为分子晶体,稀有气体是单原子结构,原子间没有共价键,B项错误;HF分子间存在氢键,HI分子间不存在氢键,故HI的沸点低于HF,C项错误;SiO2属于共价晶体,在SiO2晶体中1个硅原子和4个氧原子形成4个共价键,D项错误。
3.下列晶体性质的比较中不正确的是( )
[A]熔点:金刚石>碳化硅>晶体硅
[B]沸点:NH3>PH3
[C]硬度:白磷>冰>二氧化硅
[D]熔点:SiI4>SiBr4>SiCl4
【答案】 C
【解析】 三种物质都是共价晶体,因原子半径r(C)C—Si>Si—Si,键能越大,共价晶体的熔点越高,A项正确;因为NH3分子间存在氢键,所以NH3的沸点大于PH3的沸点,B项正确;二氧化硅是共价晶体,硬度很大,白磷和冰都是分子晶体,硬度较小,C项错误;四卤化硅为分子晶体,它们的组成和结构相似,分子间不存在氢键,故相对分子质量越大,熔点越高,D项正确。
4.(2025·浙江师大附中质检)碳和硅的有关化学键键能如下表所示,回答下列问题。
化学键 C—C C—H C—O Si—Si Si—H Si—O
键能/ (kJ·mol-1) 347.7 413.4 351 226 318 452
(1)SiO2为 (填“分子晶体”或“共价晶体”)。
(2)熔点:金刚砂 (填“>”或“<”)SiH4,原因为
。
(3)SiH4的空间结构为 ,键角为 。
(4)将少量CO2通入Na2SiO3溶液中,发生反应的离子方程式为
。
(5)SiC是硬度很大的物质,却很容易经锤击而破碎,原因为
。
【答案】 (1)共价晶体
(2)> 金刚砂是共价晶体,SiH4是分子晶体,共价晶体的熔点高于分子晶体的熔点
(3)正四面体形 109°28′
(4)CO2+Si+H2OH2SiO3↓+C
(5)SiC的固体为共价晶体,其中含有的共价键具有方向性,当受到大的外力作用时会发生原子错位而断裂
判断共价晶体和分子晶体类型的方法
(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;构成分子晶体的粒子是分子,粒子间的作用力是分子间作用力。
(2)依据晶体的熔点判断。
共价晶体的熔点高,常在1 000 ℃以上;而分子晶体的熔点低,常在数百摄氏度以下,甚至
更低。
(3)依据晶体的导电性判断。
共价晶体多数为非导体,但晶体硅、晶体锗为半导体;分子晶体为非导体,但部分分子晶体溶于水后能导电,如HCl。
(4)依据晶体的硬度判断。
共价晶体的硬度大;分子晶体的硬度小且较脆。
课时作业
(分值:61分)
(选择题,每小题3分)
对点训练
知识点1 共价晶体及其结构特点
1.下列物质中,属于共价晶体的化合物是( )
[A]无色水晶 [B]晶体硅
[C]金刚石 [D]干冰
【答案】 A
2.金刚石是典型的共价晶体。下列关于金刚石的说法错误的是( )
[A]晶体中不存在独立的分子
[B]碳原子间以共价键相结合
[C]是自然界中硬度最大的物质
[D]化学性质稳定,即使在高温下也不会与氧气发生反应
【答案】 D
【解析】 在金刚石中,碳原子采取sp3杂化轨道形成共价键三维骨架结构,不存在具有固定组成的分子;由于碳的原子半径比较小,碳与碳之间的共价键键能很高,所以金刚石的硬度很大,A、B、C正确。由于金刚石是碳的单质,高温下可以在空气或氧气中燃烧生成CO2,D错误。
3.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 /℃ >3 500 3 000 2 700 1 710 1 410 1 211
莫氏 硬度 10 9.5 9.5 7.0 6.5 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]一般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原子质量越大,晶体的硬度越大
【答案】 B
【解析】 共价晶体的熔点高低与晶体中原子间的共价键强弱有关,与构成共价晶体的原子种类无关,故A错误;一般构成共价晶体的原子间的共价键键能越大,共价键越强,晶体的熔点越高,故B正确;共价晶体的硬度大小与晶体中原子间的共价键强弱有关,构成共价晶体的原子的半径越小,共价键越强,晶体的硬度越大,故C错误;共价晶体的硬度与构成共价晶体的原子的相对原子质量无关,故D错误。
4.(2025·江苏淮安月考)氮化碳部分结构如图所示,其中β-氮化碳硬度超过金刚石晶体,成为超硬新材料。下列有关氮化碳的说法不正确的是( )
[A]氮化碳属于共价晶体
[B]氮化碳中C为-4价,N为+3价
[C]氮化碳的化学式为C3N4
[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】 由题给信息可知,氮化碳是超硬新材料,符合共价晶体的典型物理性质,A项正确;氮元素的电负性大于碳元素的电负性,所以氮化碳中氮元素为-3价,碳元素为+4价,B项错误;晶体结构模型中虚线部分是晶体的最小结构单元,正方形顶点的原子有被占有,边上的原子有被占有,可得氮化碳的化学式为C3N4,C项正确;由题图可知,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项正确。
知识点2 共价晶体与分子晶体的比较
5.根据下列几种物质的熔点和沸点数据判断,下列有关说法错误的是( )
物质 AlCl3 SiCl4 单质B
熔点/℃ 190 -70 2 300
沸点/℃ 182.7 57.6 2 500
注:AlCl3熔点在2.02×105 Pa条件下测定。
[A]SiCl4是分子晶体
[B]单质B是共价晶体
[C]AlCl3加热能升华
[D]单质B和AlCl3晶体类型相同
【答案】 D
【解析】 由表中数据可知,SiCl4的熔、沸点较低,属于分子晶体,A正确;单质B的熔、沸点很高,所以单质B是共价晶体,B正确;由表中数据可知,AlCl3的沸点比熔点低,加热时可直接由固态变为气态,所以AlCl3加热能升华,C正确;单质B是共价晶体,AlCl3属于分子晶体,两者晶体类型不同,D错误。
6.下列关于SiO2和CO2的描述不正确的是( )
[A]SiO2为共价晶体,CO2为分子晶体
[B]两者中心原子采取的杂化方式不同
[C]SiO2和CO2都是非极性分子
[D]SiO2晶体的熔点比CO2晶体的熔点高
【答案】 C
【解析】 二氧化硅是硅原子和氧原子形成的共价晶体,二氧化碳是由二氧化碳分子形成的分子晶体,故A正确;二氧化硅晶体中每个硅原子周围有4个氧原子,则硅原子的杂化方式为sp3杂化,二氧化碳分子中碳原子的价层电子对数为2,孤电子对数为0,碳原子的杂化方式为sp杂化,则两者中心原子采取的杂化方式不同,故B正确;二氧化硅是硅原子和氧原子形成的共价晶体,晶体中不存在分子,故C错误;共价晶体的熔、沸点高于分子晶体的熔、沸点,二氧化硅是硅原子和氧原子形成的共价晶体,二氧化碳是由二氧化碳分子形成的分子晶体,则二氧化硅晶体的熔点高于二氧化碳晶体的熔点,故D正确。
7.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晶体是共价键三维骨架结构
[C]Si3N4中1个Si周围有3个N,1个N周围有 4个 Si
[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是共价晶体,A项错误;Si3N4是共价晶体,是共价键三维骨架结构,B项正确;Si3N4中1个 Si周围有4个N,1个N周围有3个Si,C项错误;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项错误。
8.(2024·浙江温州段考)某实验室成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体。下列关于CO2的共价晶体的说法正确的是( )
[A]CO2的共价晶体和分子晶体互为同素异形体
[B]在一定条件下,CO2的共价晶体转化为CO2的分子晶体是物理变化
[C]CO2的共价晶体和CO2的分子晶体具有相同的物理性质和化学性质
[D]在CO2的共价晶体中,每个碳原子结合4个氧原子,每个氧原子跟2个碳原子相结合
【答案】 D
【解析】 同素异形体是由同种元素形成的不同种单质的互称,二氧化碳是共价化合物,所以二氧化碳的共价晶体和分子晶体不可能互为同素异形体,故A错误;二氧化碳的共价晶体的结构和二氧化碳的分子晶体的结构不同,所以在一定条件下,二氧化碳的共价晶体转化为二氧化碳的分子晶体时,有共价键的破坏和形成,属于化学变化,故B错误;二氧化碳的分子晶体和共价晶体的构成粒子相同,但空间结构不同,所以物理性质不同,故C错误;由二氧化碳的共价晶体的结构类似二氧化硅的结构可知,共价晶体中,每个碳原子结合4个氧原子,每个氧原子跟2个碳原子相结合,故D正确。
能力提升
9.设NA为阿伏加德罗常数的值,下列说法正确的是( )
[A]124 g P4含有P—P的数目为6NA
[B]28 g晶体硅中含有 Si—Si的数目为4NA
[C]12 g金刚石中含有C—C的数目为1.5NA
[D]60 g SiO2中含有Si—O的数目为2NA
【答案】 A
【解析】 P4是正四面体形结构,1个P4分子中含有6个P—P,124 g P4的物质的量是=1 mol,124 g P4中含有P—P的数目为6NA,A正确;28 g晶体硅中n(Si)=1 mol,每个硅原子形成4个 Si—Si,每个Si—Si被2个硅原子共用,则 28 g 晶体硅中含有Si—Si的数目为4×NA=2NA,B不正确;12 g金刚石中n(C)=1 mol,金刚石中n(C)∶n(C—C)=1∶4×=
1∶2,12 g金刚石中含有C—C的数目为2NA,C不正确;60 g SiO2的物质的量为1 mol,二氧化硅中平均每个硅原子形成的Si—O的数目为4,则60 g SiO2中含有Si—O的数目为4NA,
D不正确。
10.科学家合成了新型碳材料T-碳。可以看作金刚石结构中的每个碳原子被四个碳原子构成的一个正四面体形结构单元替代(如图所示,所有小球都代表碳原子)。下列说法正确的是( )
[A]T-碳晶胞中含16个碳原子
[B]T-碳与石墨、金刚石互为同分异构体
[C]T-碳晶体和金刚石晶体中含有的化学键不同
[D]T-碳晶体与金刚石晶体类似,熔点高、硬度大
【答案】 D
【解析】 金刚石晶胞中碳原子个数为4+8×+6×=8,T-碳的晶胞结构可以看作将金刚石结构中的每个碳原子被四个碳原子构成的一个正四面体形结构单元取代,T-碳晶胞中含碳原子个数为8×4=32,A错误;T-碳与石墨、金刚石是由碳元素形成的不同单质,故互为同素异形体,而不是互为同分异构体,B错误;T-碳晶体和金刚石晶体中均只含有C—C,即含有的化学键相同,C错误;T-碳是碳的一种新型三维立体晶体结构,由碳原子通过共价键构成,与金刚石晶体类似,同属于共价晶体,熔点高、硬度大,D正确。
11.
(2025·陕晋青宁高考适应性考试,改编)科研人员在高温高压条件下合成了类金刚石结构的硼碳氮化合物,其晶胞结构如图所示,立方体的棱长为a pm。NA是阿伏加德罗常数的值。下列说法错误的是( )
[A]该化合物为共价晶体,硬度大
[B]晶体中与硼原子距离最近且相等的硼原子数为4
[C]晶胞中C—C与C—N的数目比为2∶1
[D]晶体的密度= g·cm-3
【答案】 C
【解析】 由题图可知,按均摊法,晶胞中含有的氮原子数目为8×+2×=2,硼原子数目为2,碳原子数目为4×+2=4,则N、B、C原子数目之比为1∶1∶2,该化合物的化学式为BC2N。该晶体具有类金刚石结构,金刚石是由碳原子通过共价键形成的共价晶体,硬度大,则该化合物为共价晶体,硬度大,A正确;如图所示,将晶胞平移,以b点的硼原子为研究对象,,则硼原子距离最近且相等的1个硼原子a位于面心,其余两个面心上的原子为碳原子,根据晶胞结构可知,若面心上全部都是硼原子,则与硼原子距离最近且相等的硼原子数为3×8×=12,但面心上的硼原子只占了,因此晶体中与硼原子距离最近且相等的硼原子数为4,B正确;1个晶胞中有4个C—C、4个 C—N,则二者数目比为1∶1,C不正确;晶体的密度为=g·cm-3,D正确。
12.(16分)共价晶体是由原子直接通过共价键形成的共价键三维骨架结构的晶体,因其具有高熔、沸点,硬度大,耐磨等优良特性而具有广泛的用途。设NA为阿伏加德罗常数的值。
(1)(6分)晶体硅是良好的半导体材料,被广泛用于信息技术和能源科学等领域。晶体硅是与金刚石结构类似的晶体(其晶胞如图甲所示),晶体硅的1个晶胞中含 个硅原子,在晶体硅的共价键三维骨架结构中最小环为 元环,每个最小环独立含有 个硅原子,含1 mol硅原子的晶体硅中Si—Si的数目为 。
(2)
(10分)金刚砂(SiC)也与金刚石具有相似的晶体结构(如图乙所示),在金刚砂的共价键三维骨架结构中,碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。
①(2分)金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是 (用化学式表示)。
②(2分)在金刚砂的结构中,1个硅原子结合了 个碳原子,其中的键角是 。
③(2分)金刚砂的结构中含有C、Si原子以共价键结合形成的环,其中一个最小的环上独立含有 个C—Si。
④
(4分)金刚砂的晶胞结构如图丙所示,在SiC中,每个碳原子周围最近且等距的碳原子数目为 ;若金刚砂的密度为ρ g·cm-3,则晶体中最近的碳、硅原子之间的距离为
pm(列计算式即可)。
【答案】 (1)8 六 0.5 2NA
(2)①Si【解析】 (1)晶体硅是与金刚石结构类似的晶体,晶体硅的1个晶胞中含硅原子的数目为4+8×+6×=8,根据结构分析,可知在晶体硅的共价键三维骨架结构中最小环为六元环,每个硅原子被12个环共用,因此每个最小环独立含有硅原子的数目为6×=0.5,每个硅原子与周围4个硅原子形成4个Si—Si,每2个硅原子共用1个Si—Si,即含1 mol 硅原子的晶体硅中Si—Si的数目为4×NA=2NA。
(2)①共价晶体中,共价键键长越短,键能越大,熔、沸点越高,因此金刚砂、金刚石、晶体硅的熔点由低到高的顺序是Si13.(12分)氮、铝及其化合物在工农业生产和生活中有重要的作用。氮化铝是耐热耐磨材料,其晶胞结构如图所示,结构类似于金刚石,回答下列问题。
(1)(2分)元素的电负性大小为N (填“大于”“小于”或“等于”)Al;氮化铝的晶体类型是 。
(2)(2分)下列说法不正确的是 (填字母)。
A.第一电离能:O>N>Al
B.氮化铝晶体中存在σ键
C.基态氮原子核外有5种空间运动状态的电子
D.晶体中每个氮原子均存在未成键的孤电子对
(3)(2分)晶体中与铝原子距离最近且相等的铝原子数目是 。
(4)(3分)AlCl3和NH3在一定条件下生成AlCl3·NH3(),在1 300 ℃下分解生成氮化铝,比较H—N—H的键角:NH3 (填“>”“<”或“=”)AlCl3·NH3,原因是
。
(5)(3分)若晶体中铝原子与铝原子之间的最短距离为a pm,NA表示阿伏加德罗常数的值,则该晶体的密度为 (列计算式即可)g·cm-3。
【答案】 (1)大于 共价晶体 (2)AD (3)12 (4)< NH3和AlCl3·NH3中氮原子价层电子对互斥模型均为四面体形,NH3中孤电子对对N—H的排斥力大于AlCl3·NH3中N—Al对N—H的排斥力 (5)
【解析】 (1)电负性N>P>Al;氮化铝的晶体中氮原子与铝原子之间均以共价键结合,属于共价晶体。
(2)基态氮原子核外电子排布中2p轨道为半充满状态,较稳定,第一电离能N>O>Al,A错误;氮化铝晶体中存在Al—N共价单键,即σ键,B正确;基态氮原子核外电子排布式为1s22s22p3,核外电子占据了5个原子轨道,有5种空间运动状态的电子,C正确;晶体中每个氮原子形成4个Al—N,无孤电子对,D错误。
(3)以顶点铝原子为基准,每个晶胞相邻3个面心的铝原子最近,均摊为,紧邻有8个晶胞,则晶体中与铝原子距离最近且相等的铝原子数目为×8=12。
(5)晶体中铝原子与铝原子之间的最短距离(面对角线长的一半)为a pm,晶胞边长为a×
10-10cm,晶胞质量为 g,则该晶体的密度为 g·cm-3。
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第2课时 共价晶体
1.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.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。
共价晶体及其结构特点
知识点1
1.共价晶体
(1)概念。
相邻原子间以 相结合形成共价键三维骨架结构的晶体。
(2)构成粒子及粒子间作用力。
(3)空间结构: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。
共价键
原子
共价键
2.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、灰锡(Sn)等
某些 二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC,俗称金刚砂)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等
单质
非金属化合物
3.共价晶体的熔、沸点
(1)共价晶体由于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 ,熔点越 。
很高
小
短
大
高
[深度思考]
已知:
晶体 键能/(kJ·mol-1) 熔点/℃ 莫氏硬度
金刚石 (C—C)347.7 >3 500 10
碳化硅 (C—Si)318 2 700 9.5
晶体硅 (Si—Si)226 1 410 6.5
<
键长:C—C C—Si Si—Si;
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。(填“>”或“<”)
<
>
>
>
>
>
>
4.两种典型的共价晶体
(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。
③最小碳环由6个碳原子组成,且最小碳环上最多有4个碳原子在同一平面内;每个碳原子被12个六元环共用。
sp3
109°28′
4
(2)二氧化硅。
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。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。
②二氧化硅的用途。
二氧化硅是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。
硅氧四面体
[深度思考]
分析二氧化硅晶体结构模型,判断晶体中最小的环中含有 个硅原子和
个氧原子;每个硅原子被 个十二元环共用,每个氧原子被 个十二元环共用;1 mol SiO2中含有 mol Si—O。
6
6
12
6
4
1.判断正误。
(1)含有共价键的晶体是共价晶体。( )
(2)共价晶体中,共价键越强,晶体的熔点就越高。( )
(3)设NA为阿伏加德罗常数的值,18 g SiO2晶体中含有0.3NA个SiO2分子。
( )
(4)金刚石晶体中,碳原子数与C—C数目之比为 1∶4。( )
(5)60 g SiO2晶体中含有硅氧四面体结构单元的数目约为6.02×1023。
( )
×
√
×
×
√
2.分析下列各物质的物理性质,判断其形成的晶体属于共价晶体的是( )
[A]碳化铝,黄色晶体,熔点2 200 ℃,熔融态不导电
[B]溴化铝,无色晶体,熔点98 ℃,熔融态不导电
[C]五氧化二钒,无色晶体,熔点19.5 ℃,易溶于乙醇、氯仿中
[D]溴化钾,无色晶体,熔融时或溶于水中都能导电
A
3.我们可以将SiO2的晶体结构想象为在晶体硅的Si—Si之间插入氧原子。根据SiO2晶体结构图,下列说法不正确的是( )
[A]石英晶体中每个硅原子通过Si—O极性键与4个氧原子作用
[B]每个氧原子也通过Si—O极性键与2个硅原子作用
[C]石英晶体中硅原子与氧原子的原子个数比为1∶2,
可用“SiO2”来表示石英的组成
[D]在晶体中存在SiO2分子,故能叫分子式
D
【解析】 晶体硅的结构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,另外四个位于正四面体的顶点,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,在石英晶体中硅原子与氧原子的原子个数比为1∶2,“SiO2”仅表示石英的组成,故没有单个的SiO2分子。
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
[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
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。
5.单质硼有无定形和晶体两种,参考下表数据回答问题。
共价
物质 金刚石 晶体硅 晶体硼
熔点/℃ >3 500 1 410 2 573
沸点/℃ 5 100 2 355 2 823
莫氏硬度 10 6.5 9.5
(1)晶体硼属于 晶体,理由是 。
晶体硼的熔、沸点高,硬度大
(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。下列判断错误的是 (填字母)。
A.金刚石中C—C的键角均为109°28′,所以金刚石和CH4的晶体类型相同
B.金刚石的熔点很高与C—C的键能无关
C.金刚石的熔点高,所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却
ABC
【解析】 (2)金刚石是共价晶体,CH4是分子晶体,二者的晶体类型不同,A错误;金刚石熔化过程中C—C断裂,因C—C 的键能大,断裂时需要的能量多,故金刚石的熔点很高与C—C的键能有关,B错误;金刚石的熔点高,但在打孔过程中会产生很高的温度,如不浇水冷却,会导致钻头熔化,C错误。
(3)已知晶体硼的结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图所示),该结构单元中有20个正三角形的面和一定数目的顶角,每个顶角上各有一个硼原子。通过观察图形及推算,得出此结构单元是由 个硼原子构成的,其中B—B—B的键角为 ,该结构单元共含有 个B—B。
12
60°
30
归纳总结
金刚石(晶体硅)、碳化硅、二氧化硅的晶胞分析
1.金刚石(晶体硅)晶胞
金刚石(晶体硅)晶胞的每个顶点和面心均有1个碳(硅)原子,晶胞内部有4个碳(硅)原子,每个金刚石(晶体硅)晶胞中含有8个碳(硅)原子。
2.碳化硅晶胞
(1)碳、硅原子都采取sp3杂化,C—Si—C键角为109°28′。
归纳总结
(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,向空间伸展形成共价键三维骨架结构。
(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。
3.二氧化硅晶胞
SiO2晶体结构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,参照金刚石晶胞模型,在SiO2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。每个SiO2晶胞中含有8个硅原子和16个氧原子。
共价晶体与分子晶体的比较
知识点2
原子
晶体类型 共价晶体 分子晶体
构成粒子 分子
粒子间
作用力 共价键
结构特点 分子密堆积或非密堆积
物理性质 熔、沸点 ,硬度 ,不溶于一般溶剂 熔、沸点 ,硬度 ,遵循“ ”规律
分子间作用力
共价键三维骨架结构
高
大
低
小
相似相溶
熔化时破坏
的作用力 范德华力(有时破坏氢键)
决定熔、沸点
高低的因素 大小 的强弱
举例 金刚石 冰、干冰
共价键
共价键的键能
分子间作用力
1.判断正误。
(1)SiC和NO化学键类型相同,晶体类型也相同。( )
(2)与分子晶体相比,共价晶体的熔点普遍较高。( )
(3)金刚石熔化和I2升华破坏的作用力相同。( )
(4)CO2比SiO2的熔、沸点低是因为CO2的相对分子质量比SiO2的相对分子质量小。( )
(5)稀有气体的组成粒子是原子,属于共价晶体,不存在分子间作用力。
( )
√
×
×
×
×
2.(2025·江苏南京检测)下列关于共价晶体、分子晶体的叙述正确的是( )
[A]金刚石为共价键三维骨架结构,晶体中的最小环上有6个碳原子
[B]分子晶体中一定存在共价键
[C]HI的相对分子质量大于HF,所以HI的沸点高于HF
[D]在SiO2晶体中,1个硅原子和2个氧原子形成 2个共价键
A
【解析】 金刚石属于共价晶体,其中的碳原子采取sp3杂化,与周围紧邻的4个碳原子以共价键结合成正四面体形结构,向空间伸展形成共价键三维骨架结构,晶体中最小环上有6个碳原子,A项正确;分子晶体中不一定存在共价键,如稀有气体形成的晶体为分子晶体,稀有气体是单原子结构,原子间没有共价
键,B项错误;HF分子间存在氢键,HI分子间不存在氢键,故HI的沸点低于HF,
C项错误;SiO2属于共价晶体,在SiO2晶体中1个硅原子和4个氧原子形成4个共价键,D项错误。
3.下列晶体性质的比较中不正确的是( )
[A]熔点:金刚石>碳化硅>晶体硅
[B]沸点:NH3>PH3
[C]硬度:白磷>冰>二氧化硅
[D]熔点:SiI4>SiBr4>SiCl4
C
【解析】 三种物质都是共价晶体,因原子半径r(C)C—SiC—Si>Si—Si,键能越大,共价晶体的熔点越高,
A项正确;因为NH3分子间存在氢键,所以NH3的沸点大于PH3的沸点,B项正确;二氧化硅是共价晶体,硬度很大,白磷和冰都是分子晶体,硬度较小,C项错误;四卤化硅为分子晶体,它们的组成和结构相似,分子间不存在氢键,故相对分子质量越大,熔点越高,D项正确。
4.(2025·浙江师大附中质检)碳和硅的有关化学键键能如下表所示,回答下列问题。
化学键 C—C C—H C—O Si—Si Si—H Si—O
键能/
(kJ·mol-1) 347.7 413.4 351 226 318 452
(1)SiO2为 (填“分子晶体”或“共价晶体”)。
(2)熔点:金刚砂 (填“>”或“<”)SiH4,原因为
。
共价晶体
>
金刚砂是共价晶体,SiH4是
分子晶体,共价晶体的熔点高于分子晶体的熔点
(3)SiH4的空间结构为 ,键角为 。
(4)将少量CO2通入Na2SiO3溶液中,发生反应的离子方程式为
。
(5)SiC是硬度很大的物质,却很容易经锤击而破碎,原因为
。
正四面体形
109°28′
SiC的固体为共价晶体,其中含有的共价键具有方向性,当受到大的外力作用时会发生原子错位而断裂
规律方法
判断共价晶体和分子晶体类型的方法
(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;构成分子晶体的粒子是分子,粒子间的作用力是分子间作用力。
(2)依据晶体的熔点判断。
共价晶体的熔点高,常在1 000 ℃以上;而分子晶体的熔点低,常在数百摄氏度以下,甚至更低。
规律方法
(3)依据晶体的导电性判断。
共价晶体多数为非导体,但晶体硅、晶体锗为半导体;分子晶体为非导体,但部分分子晶体溶于水后能导电,如HCl。
(4)依据晶体的硬度判断。
共价晶体的硬度大;分子晶体的硬度小且较脆。
