1、第第3 3章不同聚集状态的物质与性质章不同聚集状态的物质与性质第第2 2节几种简单的晶体结构模型节几种简单的晶体结构模型第第3 3课时共价晶体课时共价晶体学习目标学习目标核心素养培养核心素养培养1.了解共价晶体、结构特点及性质。了解共价晶体、结构特点及性质。宏观辨识与微观探析宏观辨识与微观探析2.能描述金刚石、碳化硅、二氧化硅等能描述金刚石、碳化硅、二氧化硅等共价晶体的结构与性质的关系共价晶体的结构与性质的关系证据推理与模型认知证据推理与模型认知知识体系知识体系 铜、钠、镁等金属的晶体是由金属阳离子和自由电子之间通铜、钠、镁等金属的晶体是由金属阳离子和自由电子之间通过金属键的作用形成的，由于金
2、属键没有方向性和饱和性，因此过金属键的作用形成的，由于金属键没有方向性和饱和性，因此金属晶体可以看成等径圆球的密堆积。金属晶体可以看成等径圆球的密堆积。复习复习回顾回顾 离子晶体是由阴、阳离子通过离子键的作用形成的晶体。由离子晶体是由阴、阳离子通过离子键的作用形成的晶体。由于阴、阳离子的半径大小不同，离子晶体属于不等径圆球的堆积，于阴、阳离子的半径大小不同，离子晶体属于不等径圆球的堆积，其中较大的离子按照等径圆球的方式进行密堆积，较小的离子有其中较大的离子按照等径圆球的方式进行密堆积，较小的离子有序地填充在半径大的离子所形成的空隙中。序地填充在半径大的离子所形成的空隙中。联想联想质疑质疑 共价
3、晶体是由原子通过共价键结合形成的晶体，由于共价键共价晶体是由原子通过共价键结合形成的晶体，由于共价键键具有方向性和饱和性，晶体中，在一个原子周围的其它原子的键具有方向性和饱和性，晶体中，在一个原子周围的其它原子的数目是有限的，原子的堆积方向也是确定的，因此，共价晶体中数目是有限的，原子的堆积方向也是确定的，因此，共价晶体中的微粒堆积不服从紧密堆积原理。的微粒堆积不服从紧密堆积原理。 金刚石的晶体就是由碳原子通过共价键的作用形成的共价晶金刚石的晶体就是由碳原子通过共价键的作用形成的共价晶体，组成金刚石的碳原子通过共价键形成了正四面体的构型。体，组成金刚石的碳原子通过共价键形成了正四面体的构型。
4、自然界中的金刚石的形成经历了地壳运动的高温、高压的特自然界中的金刚石的形成经历了地壳运动的高温、高压的特殊环境。金刚石具有熔点高、不导电、硬度大的优良性质，这些殊环境。金刚石具有熔点高、不导电、硬度大的优良性质，这些性质是由金刚石的结构决定的，那么金刚石具有怎样的结构呢？性质是由金刚石的结构决定的，那么金刚石具有怎样的结构呢？1 1、金刚石晶体中碳原子轨道杂化方、金刚石晶体中碳原子轨道杂化方式？碳原子结合方式？式？碳原子结合方式？观察观察思考思考观察金刚石的结构模型，思考下列问题：观察金刚石的结构模型，思考下列问题：2 2、从结构上分析金刚石熔点高、硬、从结构上分析金刚石熔点高、硬度大的原因？
5、度大的原因？3 3、共价晶体和金属晶体、离子晶体、共价晶体和金属晶体、离子晶体中微粒排列方式的区别？为什么？中微粒排列方式的区别？为什么？ 4 4、常见的共价晶体有哪些？、常见的共价晶体有哪些？三三. .共价晶体共价晶体定义：相邻原子间以共价键相结合而形成空间立体网状结构的定义：相邻原子间以共价键相结合而形成空间立体网状结构的晶体。晶体。微粒间的作用：微粒间的作用： 原子间以较强的共价键相结合。共价键具有方原子间以较强的共价键相结合。共价键具有方向性和饱和性。共价晶体中的微粒堆积不服从紧密堆积原理。向性和饱和性。共价晶体中的微粒堆积不服从紧密堆积原理。构成微粒：构成共价晶体的微粒是原子。构成微
6、粒：构成共价晶体的微粒是原子。1.1.共价晶体的概念共价晶体的概念某些氧化物：二氧化硅（某些氧化物：二氧化硅（ SiO）晶体等）晶体等某些单质：金刚石某些单质：金刚石(C)、晶体硅、晶体硅(Si)、 晶体硼晶体硼(B)、晶体锗、晶体锗(Ge)等等某些非金属化合物：碳化硅某些非金属化合物：碳化硅(SiC)晶体、氮化硼晶体、氮化硼(BN)晶体等晶体等2.2.几种典型的共价晶体几种典型的共价晶体金刚石晶体金刚石晶体金刚石的晶体结构：金刚石的晶体结构：晶胞的碳原子数：晶胞的碳原子数： 在金刚石的晶胞中，在金刚石的晶胞中，碳原子分别位于立方体碳原子分别位于立方体的的8 8个顶点、个顶点、6 6个面心、个
7、面心、4 4个小立方体的体心上，个小立方体的体心上，这这4 4个碳原子分别和周个碳原子分别和周围的围的4 4个碳原子通过个碳原子通过CCC C共价键结合。共价键结合。金刚石的晶胞金刚石的晶胞81/8 61/2 4 8每个晶胞的碳碳共价键数：每个晶胞的碳碳共价键数：4 4 4 4 1616晶胞中的原子数：晶胞中的原子数：8 8个个 配位数：配位数：4 4 在晶体中每个碳以共价键键与相邻在晶体中每个碳以共价键键与相邻4 4个碳结合个碳结合, ,无限延伸形成无限延伸形成空间立体网状结构。碳原子以空间立体网状结构。碳原子以sp3sp3杂化轨道与周围杂化轨道与周围4 4个碳原子以共个碳原子以共价键相结合
8、价键相结合,CC,CC键间的夹角为键间的夹角为109028109028。每个最小的碳原子环。每个最小的碳原子环上有上有6 6个碳原子。个碳原子。金刚石的晶体中的原子成键情况：金刚石的晶体中的原子成键情况：a ab bc cd d思考：在金刚石晶体中每个碳原子被几个六元环共用？思考：在金刚石晶体中每个碳原子被几个六元环共用？ 每个碳原子成每个碳原子成4 4个碳碳个碳碳键键a a、b b、c c、d d，四个碳碳，四个碳碳键中任选键中任选2 2个，有六种情个，有六种情况：况：abab、acac、adad、bcbc、bdbd、cdcd。知识拓展：知识拓展： 每两个碳碳键被两个每两个碳碳键被两个六元环
9、公用，所以四个碳六元环公用，所以四个碳碳键被碳键被1212个六元环共用。个六元环共用。所以个碳原子被所以个碳原子被1212个六元个六元环共用。环共用。A、 B、 C、D、 E、晶体中微粒的关系：晶体中微粒的关系：金刚石晶胞的参数金刚石晶胞的参数( (边边长长) )为为a a，C C半径为半径为r r 。a a4r4r8r8r4r4r立方体体对角线长度立方体体对角线长度就是就是CCCC键的键长键的键长2r2r的的4 4倍。倍。所以所以2r2r ，r r 晶体中晶体中C的空间坐标的空间坐标(以晶胞参数以晶胞参数(棱长棱长)a为单位长度为单位长度)(0,0,0)(0.5,0.5,0)(0,0.5,0
10、.5)(0.5,0,0.5)(0.25,0.25,0.25)(2)碳化硅碳化硅(SiC)晶体晶体SiCSiC晶胞中，硅原子晶胞中，硅原子位于立方体的位于立方体的8 8个顶个顶点和点和6 6个面心位置，个面心位置，碳原子位于由大立方碳原子位于由大立方体分割成的体分割成的8 8个小立个小立方体中的方体中的4 4个的体心个的体心处。每个碳原子与周处。每个碳原子与周围的围的4 4个硅原子成键。个硅原子成键。 碳化硅碳化硅(SiC)(SiC)的晶体结构：的晶体结构：晶胞的原子数：晶胞的原子数：Si原子数：原子数：81/8 61/2 4每个晶胞的碳硅共价键数：每个晶胞的碳硅共价键数：4 4 4 4 161
11、6C原子数：原子数：4碳化硅的化学式：碳化硅的化学式：SiCSiCSiC晶胞晶胞晶体中微粒的关系：晶体中微粒的关系：CSiSiC晶胞晶胞SiO2SiO2晶体晶体 在在SiO2SiO2晶体的晶体的晶胞中每个硅原子晶胞中每个硅原子与周围与周围4 4个氧原子形个氧原子形成共价键形成硅氧成共价键形成硅氧四面体，每个氧原四面体，每个氧原子与周围子与周围2 2个硅原子个硅原子形成共价键；形成形成共价键；形成空间立体网状结构。空间立体网状结构。SiO2SiO2的晶体结构：的晶体结构：SiO2晶体的晶胞晶体的晶胞SiO2SiO2的晶胞中的原子数：的晶胞中的原子数：Si原子数：原子数：81/8 61/2 4 8
12、 O原子数：原子数：44 16二氧化硅的化学式：二氧化硅的化学式：SiO2SiO2每个晶胞中每个晶胞中Si-O共价键数数：共价键数数：162 32 拓展视野拓展视野SiO2的晶体结构的多样性的晶体结构的多样性三种常见的共价晶体三种常见的共价晶体 金刚石金刚石碳化硅碳化硅二氧化硅二氧化硅晶胞晶胞 中心原子中心原子杂化类型杂化类型键角键角晶胞中微粒数目晶胞中微粒数目1 mol物质中化学物质中化学键物质的量键物质的量sp3sp3sp31092810928(O-Si-O)109028(Si-O-Si)?18008个个C2 mol CC键键 4 molCSi键键C:4个个 Si:4个个4 molSiO键
13、键Si:8个个 O:16个个(4)共价晶体一般具有熔点高、硬度大、不溶于溶剂，一般不导电共价晶体一般具有熔点高、硬度大、不溶于溶剂，一般不导电等特点。等特点。3.共价晶体的特点共价晶体的特点(1)共价晶体的构成微粒是原子共价晶体的构成微粒是原子,只存在共价键只存在共价键,不存在其他作用力。不存在其他作用力。(2)共价晶体的化学式表示其比例组成，在晶体中不存在分子。共价晶体的化学式表示其比例组成，在晶体中不存在分子。(3)共价晶体为空间立体网状结构，可把整个原子晶体看成一个巨共价晶体为空间立体网状结构，可把整个原子晶体看成一个巨型分子。共价键具有方向性和饱和性，使共价晶体中某个原子周型分子。共价
14、键具有方向性和饱和性，使共价晶体中某个原子周围结合的其他原子是有限的，因此比较松散。共价晶体中的微粒围结合的其他原子是有限的，因此比较松散。共价晶体中的微粒堆积不服从紧密堆积原理。但是由于整个晶体中各原子都以强作堆积不服从紧密堆积原理。但是由于整个晶体中各原子都以强作用力共价键相互结合，且构成了空间网状结构，所以共价晶体更用力共价键相互结合，且构成了空间网状结构，所以共价晶体更稳定。稳定。(1)键能由大到小的顺序：键能由大到小的顺序： 。(2)熔点由高到低的顺熔点由高到低的顺序：序： 。(3)硬度由大到小的顺硬度由大到小的顺序：序： 。得到的规律是：对结构相似的共价晶体来说，原子半径得到的规律
15、是：对结构相似的共价晶体来说，原子半径 ，键长键长 ，键能，键能 ，晶体的熔点就越高，硬度越大。，晶体的熔点就越高，硬度越大。部分共价晶体的键能、熔点和硬度部分共价晶体的键能、熔点和硬度C-C、C-Si、Si-Si金刚石、碳化硅、晶体硅金刚石、碳化硅、晶体硅金刚石、碳化硅、晶体硅金刚石、碳化硅、晶体硅越大越大越小越小越短越短4、共价晶体及共价晶体熔点高低和硬度大小的判断方法、共价晶体及共价晶体熔点高低和硬度大小的判断方法共价晶体中原子间以较强的共价键相结合，对于结构相似的共共价晶体中原子间以较强的共价键相结合，对于结构相似的共价晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的稳定价晶体来说，
16、原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的稳定性越强，熔点越高性越强，熔点越高,硬度越大。硬度越大。 原子半径越大，键长越长，共价键越不稳定，对应物质的熔原子半径越大，键长越长，共价键越不稳定，对应物质的熔点越低、硬度越小。点越低、硬度越小。共价晶体的判断依据共价晶体的判断依据 根据共价晶体的构成微粒和微粒间作用力判断，或根据共价根据共价晶体的构成微粒和微粒间作用力判断，或根据共价晶体的物理性质判断。晶体的物理性质判断。共价晶体通常共价晶体通常:熔点很高；硬度大；一般不导电；难溶熔点很高；硬度大；一般不导电；难溶于溶剂。于溶剂。经典例题经典例题例例1、根据下列物质的性质，判断其属于共价晶体的是、
17、根据下列物质的性质，判断其属于共价晶体的是() A熔点熔点2 700 ，导电性强，延展性强，导电性强，延展性强 B无色晶体，熔点无色晶体，熔点3 550 ，不导电，质硬，难溶于水和有机，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂溶剂 C无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800 ，熔化时，熔化时能导电能导电 D熔点熔点56.6 ，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电B例例2、氮化铝、氮化铝(AlN)常用作砂轮及高温炉衬材料，熔融状态下不导常用作砂轮及高温炉衬材料，熔融状态下不导电，可知它属于电，可知它属于() A离子晶体离子晶体B
18、共价晶体共价晶体 C分子晶体分子晶体 D无法判断无法判断B例例3、关于金刚石的下列说法中，错误的是、关于金刚石的下列说法中，错误的是( ) A晶体中不存在独立的分子晶体中不存在独立的分子 B碳原子间以共价键相结合碳原子间以共价键相结合 C是硬度最大的物质之一是硬度最大的物质之一 D化学性质稳定，即使在高温下也不会与氧气发生反应化学性质稳定，即使在高温下也不会与氧气发生反应D例例4、在金刚石的网状结构中，含有共价键形成的碳原子、在金刚石的网状结构中，含有共价键形成的碳原子 环，环，其中最小的环上，碳原子数是其中最小的环上，碳原子数是( ) A. 2个个 B. 3个个 C. 4个个 D. 6个个D
19、例例5、如果把、如果把SiO2的晶体结构想象为在的晶体结构想象为在晶体硅的晶体硅的SiSi键之间插入键之间插入O原子。根原子。根据据SiO2晶体结构图，下列说法不正确的晶体结构图，下列说法不正确的是是() A石英晶体中每个石英晶体中每个Si原子通过原子通过SiO极性键与极性键与4个个O原子作用原子作用 B每个每个O原子也通过原子也通过SiO极性键与极性键与2个个Si原子作用原子作用 C石英晶体中石英晶体中Si原子与原子与O原子的原子个数比为原子的原子个数比为1 2，可用，可用“SiO2”来表示石英的组成来表示石英的组成 D在晶体中存在石英分子，故石英的分子式为在晶体中存在石英分子，故石英的分子
20、式为SiO2D例例6、二氧化硅是立体的网状结构，其晶体模型如图所示，请认、二氧化硅是立体的网状结构，其晶体模型如图所示，请认真观察该晶体模型后回答以下问题：真观察该晶体模型后回答以下问题：(1)二氧化硅晶体中最小环为二氧化硅晶体中最小环为_元环。元环。(2)每个硅原子为每个硅原子为_个最小环共有；个最小环共有；每个最小环中有每个最小环中有_个硅原子，个硅原子，_个氧原子。个氧原子。(3)每个最小环平均拥有每个最小环平均拥有_个硅原子，个硅原子， _个氧原子。个氧原子。(4)1 mol SiO2中含有中含有_mol SiO键。键。1212661/214例例7、单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数
21、据：、单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据： 金刚石金刚石晶体硅晶体硅晶体硼晶体硼熔点熔点/3 3501 4152 573沸点沸点/4 8272 6282 823摩氏硬度摩氏硬度107.09.5(1)晶体硼的晶体类型属于晶体硼的晶体类型属于_，理由是，理由是_。 晶体硼的熔沸点和硬晶体硼的熔沸点和硬度均介于金刚石和晶体硅之间，而金刚石和晶体硅都是共价晶体度均介于金刚石和晶体硅之间，而金刚石和晶体硅都是共价晶体共价晶体共价晶体(2)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，其中有示，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点
22、，每个顶点各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。通过观察图形及推算，得出此基本结构单元由有一个硼原子。通过观察图形及推算，得出此基本结构单元由_个硼原子构成，其中个硼原子构成，其中BB键的键角为键的键角为_，共含有，共含有_个个BB键。键。126030例例8、(2020年山东高考试题年山东高考试题17题题)以晶胞参数为单位长度建立的坐以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置，称作原子的分数坐标。四方标系可以表示晶胞中各原子的位置，称作原子的分数坐标。四方晶系晶系CdSnAs2的晶胞结构如下图所示，晶胞棱边夹角均为的晶胞结构如下图所示，晶胞棱边夹角均为90
23、，晶胞中部分原子的分数坐标如下表所示。晶胞中部分原子的分数坐标如下表所示。坐标原子坐标原子xyzCd000Sn000.5As0.250.250.125一个晶胞中有一个晶胞中有 个个Sn，找出距离，找出距离Cd(0,0,0)最近的最近的Sn （用（用分数坐标表示）。分数坐标表示）。CdSnAs2晶体中与单个晶体中与单个Sn键合的键合的As有有 个。个。44CdSnAs4个个Cd4个个Sn8个个As例例9、现有几组物质的熔点、现有几组物质的熔点()数据：数据：A组组B组组C组组D组组金刚石：金刚石：3 550Li：181HF：83NaCl硅晶体：硅晶体：1 410Na：98HCl：115KCl硼晶
24、体：硼晶体：2 300K：64HBr：89RbCl二氧化硅：二氧化硅：1 732Rb：39HI：51MgO：2 800据此回答下列问题：据此回答下列问题：(1)由表格可知，由表格可知，A组熔点普遍偏高，据此回答：组熔点普遍偏高，据此回答：A组属于组属于_晶体，其熔化时克服的粒子间的作用力是晶体，其熔化时克服的粒子间的作用力是_。硅的熔点低于二氧化硅，是由于硅的熔点低于二氧化硅，是由于_。硼晶体的硬度与硅晶体相对比：硼晶体的硬度与硅晶体相对比：_。硼晶体大于硅晶体硼晶体大于硅晶体共价共价共价键共价键SiSi键键能小于键键能小于SiO键键能键键能A组组B组组C组组D组组金刚石：金刚石：3 550L
25、i：181HF：83NaCl硅晶体：硅晶体：1 410Na：98HCl：115KCl硼晶体：硼晶体：2 300K：64HBr：89RbCl二氧化硅：二氧化硅：1 732Rb：39HI：51MgO：2 800(2)B组晶体中存在的作用力是组晶体中存在的作用力是_，其共同的物理性质是，其共同的物理性质是_(填序号填序号)。有金属光泽导电性导热性延展性。有金属光泽导电性导热性延展性(3)C组中组中HF熔点反常是由于熔点反常是由于_。(4)D组晶体可能具有的性质是组晶体可能具有的性质是_(填序号填序号)。硬度小水溶液能导电硬度小水溶液能导电 固体能导电熔融状态能导电固体能导电熔融状态能导电金属键金属键
26、HF分子间能形成氢键分子间能形成氢键(5)D组晶体中组晶体中NaCl、KCl、RbCl的熔点由高到低的顺序为的熔点由高到低的顺序为_，MgO晶体的熔点高于三者，其原因解释晶体的熔点高于三者，其原因解释为为_ _。NaClKClRbClMgO晶体为离子晶体，离子所带电荷数越多，半径越小，熔晶体为离子晶体，离子所带电荷数越多，半径越小，熔点越高点越高A组组B组组C组组D组组金刚石：金刚石：3 550Li：181HF：83NaCl硅晶体：硅晶体：1 410Na：98HCl：115KCl硼晶体：硼晶体：2 300K：64HBr：89RbCl二氧化硅：二氧化硅：1 732Rb：39HI：51MgO：2 800
