1、2022 高中化学新教材同步讲义资料 第第 2 课时课时共价晶体共价晶体 核心素养发展目标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微粒之间的 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。 一、共价晶体的概念及其性质一、共价晶体的概念及其性质 1共价晶体的结构特点及物理性质 (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)构成微粒及微粒间作用 (3)物理性质 共价晶体中，由于各原子均以强的共价键相结合，因此一般熔点很高，硬度很大，难溶于常见溶剂， 一般不导电。 结构相似的共价晶体，原子半径
2、越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。 2常见共价晶体及物质类别 (1)某些单质：如硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、金刚石等。 (2)某些非金属化合物：如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。 (3)极少数金属氧化物，如刚玉(-Al2O3)等。 (1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体() (2)具有共价键的晶体一定是共价晶体() (3)共价晶体在固态或熔化时均不导电() (4)共价晶体由于硬度及熔、沸点都较高，故常温时不与其他物质反应() 答案(1)(2)(3)(4) 1怎样从原子结构角度理解金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降。 提示从
3、碳到硅，核电荷数增大，电子层数增多，原子半径增大，CC、CSi、SiSi 的键长依次 增大，键长越短，共价键越牢固，共价晶体熔化时破坏的是共价键，而键能大小是 CCCSiSiSi， 所以，金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降。 2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() 2022 高中化学新教材同步讲义资料 共价 晶体 金 刚石 氮 化硼 碳 化硅 石 英 硅锗 熔点 / 3 900 3 000 2 700 1 710 1 410 1 211 硬度109.59.57 6. 5 6. 0 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
4、键的键能越大，晶体的熔点越高 构成共价晶体的原子半径越大，晶体的硬度越大 构成共价晶体的原子半径越小，晶体的硬度越大 ABCD 答案D 解析共价晶体的熔、 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、沸点越高，硬度越大。 3(2019长沙高二检测)下列物质的晶体直接由原子构成的一组是() CO2SiO2晶体 Si白磷氨基乙酸固态 He AB CD 答案C 解析CO2、白磷、氨基乙酸、固态 He 是分子晶体，其晶体由分子构成，稀有气体 He 由单原子分子 构成；SiO2、晶体 Si 属于共价晶体，其晶体直接由原子构成。 二、常见
5、共价晶体结构分析二、常见共价晶体结构分析 1金刚石晶体 金刚石晶体中，每个碳原子均以 4 个共价单键对称地与相邻的 4 个碳原子相结合，形成 CCC 夹 角为 10928的正四面体结构(即金刚石中的碳采取 sp3杂化轨道形成共价键)，整块金刚石晶体就是以共 价键相连的三维骨架结构。其中最小的环是六元环。 2.二氧化硅晶体 2022 高中化学新教材同步讲义资料 (1)二氧化硅晶体中，每个硅原子均以 4 个共价键对称地与相邻的 4 个氧原子相结合，每个氧原子与 2 个硅原子相结合，向空间扩展，形成三维骨架结构。晶体结构中最小的环上有 6 个硅原子和 6 个氧原子， 硅、氧原子个数比为 12。 (2
6、)低温石英的结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，而没有封闭的环状结构。这一结 构决定了它具有手性。 (1)金刚石晶体中最小碳环是六元环，且 6 个碳原子在同一平面内() (2)金刚石晶体中每个碳原子被 12 个碳原子环所共有，每个 CC 被 6 个六元环共用() (3)1 mol 金刚石晶体中含有 4 mol 碳碳键() (4)1 mol 二氧化硅晶体中含有 4 mol 硅氧键() 答案(1)(2)(3)(4) 解析(2)任意两条相邻的 CC 参加了 2 个六元环的形成，每个 C 原子可形成 4 条 CC，两面相邻 的组合有 C246 种， 故每个 C 原子被 6212 个六元环共
7、用。 而每条 CC 可以与相邻的 3 条 CC 两两 相邻，故每条 CC 被 326 个六元环共用。 1金刚石晶胞结构如图所示，回答下列问题。 (1)一个金刚石晶胞中含有_个碳原子。 答案8 解析81 86 1 248。 (2)已知晶胞参数为 a pm，则金刚石的密度为_ gcm 3。 答案 128 NAa10 103 (3)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为_ pm。 答案 3 4 a 解析两个最近的碳原子之间的距离为晶胞内体对角线的1 4，即 3 4 a。 2022 高中化学新教材同步讲义资料 2(2019厦门外国语学校期中)2017 年中外科学家团队共同合成了 T-碳。T-碳的结构是将立
8、方金刚石 中的每个碳原子用一个由 4 个碳原子组成的正四面体结构单元取代， 形成碳的一种新型三维立体晶体结构， 如图所示(图中的表示碳形成的正四面体结构)。已知 T-碳晶胞参数为 a pm，NA为阿伏加德罗常数 的值。下列说法错误的是() A每个 T-碳晶胞中含 32 个碳原子 BT-碳中 CC 的最小夹角约为 10928 CT-碳属于共价晶体 DT-碳的密度为 1232 NAa10 103 gcm 3 答案B 解析1 个金刚石晶胞中，含有碳原子的数目为 81 86 1 248，将每个 C 原子换成一个由 4 个碳 原子组成的正四面体结构单元， 则 1 个 T-碳晶胞中含有的碳原子数目为 84
9、32， 故 A 正确； T-碳中 CC 的最小夹角为 60，故 B 错误；T-碳中碳原子间以共价键结合成空间网状结构，属于共价晶体，故 C 正确； 1 个 T-碳晶胞中含碳原子的数目为 32，则该晶体的密度为 1232 NAa10 103 gcm 3，故 D 正确。 1金刚石是典型的共价晶体，下列关于金刚石的说法中错误的是() 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，碳原子之间以共价键结合形成空间三维骨架结构，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
10、能很高，所以金刚石的硬度很大，故 A、B、C 选项正 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，故 D 选项错误。 2美国科学杂志曾报道：在 40 GPa 的高压下，用激光加热到 1 800 K，人们成功制得了共价晶 体 CO2，下列对该物质的推断一定不正确的是() A该共价晶体中含有极性键 B该共价晶体易气化，可用作制冷材料 2022 高中化学新教材同步讲义资料 C该共价晶体有很高的熔、沸点 D该共价晶体的硬度大，可用作耐磨材料 答案B 解析共价晶体具有高硬度，高熔、沸点等性质，不易气化，不可用作制冷材料，B 项错误。 3下列关于 SiO2晶体空间结构的叙述中正确的
11、是() A最小的环上，有 3 个硅原子和 3 个氧原子 B最小的环上，硅原子数和氧原子数之比为 12 C最小的环上，有 6 个硅原子和 6 个氧原子 D存在四面体结构单元，O 原子处于中心，Si 原子处于 4 个顶角 答案C 解析SiO2晶体中，每个硅原子与 4 个氧原子成键，每个氧原子与 2 个硅原子成键，晶体中的硅氧四 面体中 Si 原子处于中心，O 原子处于 4 个顶角。最小的环是十二元环，环上有 6 个 Si 原子、6 个 O 原子， Si、O 原子数之比是 11。 4设 NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法中正确的是() A28 g 晶体硅中含有 SiSi 的个数为 2NA B124
12、g 白磷(P4)晶体中含有 PP 的个数为 4NA C12 g 金刚石中含有 CC 的个数为 4NA DSiO2晶体中 1 mol 硅原子可与氧原子形成 2NA个共价键(SiO) 答案A 解析晶体硅的结构与金刚石相似，每个硅原子与周围 4 个原子形成 4 个共价键，依据“均摊法”， 1 个硅(或碳)原子分得的共价键数为 41 22，A 正确、C 错误；白磷为正四面体结构，每个 P 4分子中含有 6 个 PP，B 错误；SiO2晶体中每个硅原子与周围 4 个氧原子形成 4 个 SiO，D 错误。 5如图所示是某共价晶体 A 的空间结构片段，A 与某物质 B 反应生成 C，其实质是在每个 AA 中
13、 插入一个 B 原子，则 C 物质的化学式可能为() AABBA5B4 CAB2DA2B5 答案C 6单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答问题： 金刚 石 晶 体硅 晶 体硼 2022 高中化学新教材同步讲义资料 熔点 / 3 550 1 410 2 573 沸点 / 5 100 2 355 2 823 硬度107.09.5 (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。其结构如图所示，下列 判断正确的是_(填字母)。 A金刚石中 CC 的键角均为 10928，所以金刚石和 CH4的晶体类型相同 B金刚石的熔点高与 CC 的键
14、能无关 C金刚石中碳原子个数与 CC 数之比为 12 D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 BB 的键角为_，该结构单元共含有_个 BB。 答案(1)共价晶体硼的熔、沸点高，硬度大(2)C(3)126030 解析(1)从题表可知，晶体硼的熔、沸点以及硬度都介于晶体硅和金刚石之间。而金刚石和晶体硅均 为共价晶体，在元素周期表中 B 与 C 相邻，与 Si 处于对角线位置
15、，则晶体硼也属于共价晶体。 (2)选项 A，金刚石是共价晶体，CH4是分子晶体，二者的晶体类型不同；选项 B，金刚石熔化过程中 CC 断裂，因 CC 的键能大，断裂时需要的能量多，故金刚石的熔点很高；选项 C，金刚石中每个 C 都参与了 4 个 CC 的形成， 而每个 C 对每条键的贡献只有一半， 故碳原子个数与 CC 数之比为(41 2)4 12；选项 D，金刚石的熔点高，但在打孔过程中会产生很高的温度，如不浇水冷却钻头，会导致钻头 熔化。 (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 2022 高中化学新教材同步讲义资料 1 5个，每个正
16、三角形含有 1 53 个硼原子，每个结构单元含硼原子数为 20 1 5312，而每个 BB 被 2 个 正三角形所共有，故每个结构单元含 BB 的个数为 201 2330。 题组一共价晶体及其性质 1下列晶体中SiO2CO2P4晶体硅H2SO4P2O5SO3SiC冰醋酸 金刚石，属于共价晶体的一组是() AB CD全部 答案B 解析十种物质中属于分子晶体的有 CO2、P4、H2SO4、P2O5、SO3、冰醋酸，其余的 4 种物质均为共 价晶体。 2下列物质中，属于共价晶体的化合物是() A水晶B晶体硅 C金刚石D干冰 答案A 解析A 项，水晶是共价晶体，属于化合物；B 项，晶体硅是单质；C 项
17、，金刚石是单质；D 项，干 冰是分子晶体。 3晶体 AB 型共价化合物，若原子最外层电子数之和为 8，常是具有半导体性质的共价晶体。已知金 刚石不导电、导热，锆石(ZrO2)不导电、不导热，却硬似钻石，近期用制耐热器的碳化硅也制成假钻石， 则识别它们的可靠方法是() A能在玻璃上刻画出痕迹的为金刚石 B很硬不导电而导热的是金刚石 C既可导电又可导热的是碳化硅 D不导电的为锆石 答案B 解析比玻璃硬度大的物质比较多，用刻画玻璃的方法不可靠，由题干知金刚石导热但不导电，而锆 石不导电也不导热，故选 B。 4根据下列性质判断，属于共价晶体的物质是() A熔点为 2 700 ，导电性好，延展性强 B无
18、色晶体，熔点为 3 500 ，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 2022 高中化学新教材同步讲义资料 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 解析共价晶体的熔点高，但不导电，因此熔点为 2 700 ，导电性好，延展性强应该是金属，A 不 正确；无色晶体，熔点为 3 500 ，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂，符合共价晶体的性质特点，B 正确；无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为 800 ，熔化时能导电，不符合共价晶体的性质，C 不正 确；熔点为56.6 ，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电，符合分子晶体
19、的性质，属于分子晶体， D 不正确。 5我国的激光技术在世界上处于领先地位，据报道，有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原 子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称，这种化合物 可能比金刚石更坚硬。其原因可能是() A碳、氮原子构成平面结构的晶体 B碳氮键比金刚石中的碳碳键键长更短 C氮原子电子数比碳原子电子数多 D碳、氮的单质的化学性质均不活泼 答案B 解析碳、氮原子结合成的碳氮化合物比金刚石更坚硬，说明该化合物为共价晶体，为立体三维骨架 结构，A 错误；由于原子半径：NC，原子半径越小，共价键的键长越短，则键能越大，所以碳氮化合物 比金刚石更坚硬，
20、B 正确；共价晶体的熔、沸点和硬度，与共价键有关，与电子数的多少无关，C 错误； 碳、氮的单质的化学性质均不活泼，与两种元素形成的化合物的性质无关，D 错误。 6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，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。则形成共价晶体的原子半径越小，共价键键能越大，其熔、沸
21、点越高。原子半径：C Si，则熔点从高到低的顺序：金刚石碳化硅晶体硅，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。 7氮氧化铝(AlON)属于共价晶体，是一种高强度透明材料，下列叙述错误的是() AAlON 和 SiO2所含化学键的类型相同 B电解熔融 AlON 可得到 Al CAlON 中 N 元素的化合价为1 DAlON 和 SiO2的晶体类型相同 2022 高中化学新教材同步讲义资料 答案B 解析AlON 和 SiO2均属于共价晶体，均只含有共价键，A、D 项正确；AlON 属于共价晶体，熔融时 不导电，B 项错误
22、；AlON 中 O 为2 价，Al 为3 价，所以 N 元素的化合价为1，C 项正确。 题组二共价晶体的晶体结构 8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三维骨架结构的共价晶体。 在立方体中，若一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)。请问，图中与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数为多少，它们分 别位于大立方体的什么位置() A12，大立方体的 12 条棱的中点 B8，大立方体的 8 个顶角 C6，大立方体的 6 个面的中心 D14，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
23、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： 9在金刚石的晶体中，含有由共价键形成的碳原子环，其中最小的环上所需碳原子数及每个碳原子 上任意两个 CC 间的夹角是() A6 个，120B5 个，108 C4 个，10928D6 个，10928 答案D 解析根据金刚石的晶体结构特点可知最小环上碳原子数为 6， 任意两个 CC 间的夹角为 10928。 10单质硅的晶体结构如图所示。 2022 高中化学新教材同步讲义资料 下列关于单质硅晶体的说法不正确的是() A是一种立体三维骨架结构的晶体 B晶体中每个硅原子与 4 个硅原子相连 C晶体中最小环
24、上的原子数目为 8 D晶体中最小环上的原子数目为 6 答案C 解析单质硅是一种立体三维骨架结构的共价晶体，A 正确；晶体中每个硅原子与 4 个硅原子相连， B 正确；根据单质硅的晶胞结构可判断晶体中最小环上的原子数目为 6，C 错误、D 正确。 11已知 C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于 C3N4 晶体的说法错误的是() A该晶体属于共价晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固 B该晶体中每个碳原子连接 4 个氮原子，每个氮原子连接 3 个碳原子 C该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足 8 电子结构 D该晶体与金刚石相似，都是原子间以非极性键形成三维
25、骨架结构 答案D 解析C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度， 该晶体为共价晶体， 其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固， A 正确；碳原子最外层有 4 个电子，氮原子最外层有 5 个电子，则该晶体中每个碳原子连接 4 个氮原子， 每个氮原子连接 3 个碳原子，B 正确；构成该晶体的微粒间只以单键结合，每个碳原子连接 4 个氮原子， 每个氮原子连接 3 个碳原子，则晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足 8 电子结构，C 正确；金刚石只含 有非极性共价键，但是 C3N4晶体中碳、氮之间以极性共价键结合，原子间以极性键形成三维骨架结构，D 错误。 12参照如图 SiO2的晶体结构模型分析 SiO2晶体的结构
26、，并回答下列问题。 (1)在二氧化硅晶体中有若干环状结构，最小的环状结构由_个原子构成。 (2)在二氧化硅晶体中，硅原子的价电子层原子轨道发生了杂化，杂化方式是_，SiOSi 的键 2022 高中化学新教材同步讲义资料 角是_。 (3)二氧化硅属于重要的无机非金属材料，请列举两项二氧化硅的主要用途： _。 _。 (4)下列说法中正确的是_(填序号)。 凡是共价晶体都含有共价键 凡是共价晶体都有正四面体结构 凡是共价晶体都具有三维骨架结构 凡是共价晶体都具有很高的熔点 答案(1)12(2)sp310928(3)制造石英玻璃制造石英表中的压电材料(或制造光导纤维 等)(4) 解析可根据金刚石中碳原
27、子的原子轨道杂化方式判断二氧化硅晶体中硅原子的杂化方式。根据原子 轨道的杂化方式，即可确定键角。不同的共价晶体结构可能不同，并不是所有的共价晶体都具有正四面体 结构。 13金刚石和金刚砂(SiC)具有相似的晶体结构，在金刚砂的三维骨架结构中，碳原子、硅原子交替以 单键相结合。试回答： (1)金刚砂属于_晶体。金刚砂熔点比金刚石熔点_。 (2)在金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合_个碳原子，键角是_。 (3)金刚砂的结构中含有由共价键形成的原子环，其中最小的环上有_个硅原子。 答案(1)共价低(2)410928(3)3 解析(1)根据题意可知金刚砂属于共价晶体，由于 SiC 的键长大于 CC 的
28、键长，故 SiC 的键能 小，金刚砂的熔点比金刚石的熔点低。(2)Si 原子与 C 原子交替以共价单键相结合，且 Si、C 原子都形成 四个单键，故一个碳原子周围结合 4 个硅原子，同时一个硅原子周围结合 4 个碳原子。由于硅原子周围的 四个碳原子在空间呈正四面体形排列， 故键角为 10928。 (3)类比金刚石中最小的原子环中有 6 个碳原子 可知，在金刚砂中，最小的环上应有 3 个硅原子和 3 个碳原子。 14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 13 000 时反应获得。 (1)氮化硅晶体属于_晶体。 (2)已知氮化硅的晶体结构中，
29、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)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_。 2022 高中化学新教材同步讲义资料 (4)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_个氮原子、_个硼原子，立 方氮化硼的密度是_ gcm 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)。 答案(1)共价(2)Si3N4(3)3SiCl42N26H2= 强热 Si3N412HCl(4)44 254 361.510 103NA 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： 81 86 1 248，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m V 254 361.510 103NA gcm 3。
