高中化学人教版（2019）选择性必修2分子晶体与共价晶体导学案

第 2 课时 共价晶体 发 展 目 标 体 系 构 建 1.借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点。 2.能够从化学键的特征，分析理解共价晶体的物理特性。 一、共价晶体的结构和性质 1．共价晶体的结构特点 (1)构成粒子及作用力 共价晶体 构成粒子：原子 粒子间作用力：共价键 (2)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，是一个“巨分 子”。 2．共价晶体与物质的类别 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)、氮化硼(BN)等 某些氧化物 二氧化硅(SiO2)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，熔化时必需破坏共价键，而破坏它们需要很高 的温度，所以共价晶体具有很高的熔点。 (2)结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。 微点拨：含有共价键的晶体都是共价晶体吗？ 提示：共价晶体中都有共价键，但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。 二、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成正四面体结构，向空间伸展形成空间网 状结构。 (3)最小碳环由 6 个碳原子组成，且最小环上有 4 个碳原子在同一平面内；每个碳原子被 12 个 六元环共用。 2．二氧化硅晶体 (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(αSiO2)。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，没有封闭的环状结构，这一结构决 定了它具有手性。 石英晶体中的硅氧四面体 石英的左、右型晶体 相连构成的螺旋链 ①Si 原子采取 sp3 杂化，正四面体内 O—Si—O 键角为 109°28′。 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，O 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 2 个 Si 原子形成 2 个共价 键，晶体中 Si 原子与 O 原子个数比为 1∶2。 ③最小环上有 12 个原子，包括 6 个 O 原子和 6 个 Si 原子。 (2)二氧化硅的用途 二氧化硅是制造水泥、玻璃、人造红宝石、单晶硅、硅电电池、芯片和光导纤维的原料。 微点拨：SiO2 是二氧化硅的分子式吗？ 提示：二氧化硅为共价晶体，晶体中不存在单个分子，其化学式为 Si 与 O 的最简个数比，而 不是分子式。 1．判断正误(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。) (1)凡是由原子构成的晶体都是共价晶体 (×) (2)CO2 和 SiO2 中化学键类型相同，晶体类型也相同 (×) (3)1 mol SiO2 晶体中含 4 mol Si—O 键 (×) (4)由于共价键的键能远大于分子间作用力，故共价晶体的熔点比分子晶体高 (√) 2．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．共价晶体具有空间网状结构 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 [A 项，共价晶体中原子之间通过共价键相连；B 项，共价晶体是相邻原子之间通过共价键 结合而成的空间网状结构；C 项，共价晶体是由原子以共价键相结合形成的，不存在独立的分子； D 项，共价晶体中原子是通过共价键连接的，熔化时需要破坏共价键。] 3．有下列物质：①水晶 ②冰醋酸 ③氧化钙 ④白磷 ⑤晶体氩 ⑥氢氧化钠 ⑦铝 ⑧ 金刚石 ⑨过氧化钠 ⑩碳化钙 ⑪碳化硅 ⑫干冰 ⑬过氧化氢。 根据要求填空： (1)属于共价晶体的化合物是________（填序号，下同）。 (2)直接由原子构成的晶体是________。 (3)直接由原子构成的分子晶体是________。 (4)由极性分子构成的晶体是________，属于分子晶体的单质是________。 [解析] 属于共价晶体的是金刚石、碳化硅和水晶；属于分子晶体的有晶体氩(无化学键)、白磷 (非极性分子)、干冰(由极性键构成的非极性分子)、过氧化氢和冰醋酸(由极性键和非极性键构成的 极性分子)。 [答案] (1)①⑪ (2)①⑤⑧⑪ (3)⑤ (4)②⑬ ④⑤ 共价晶体与分子晶体的比较 科学研究揭示，30 亿年前，在地壳下 200 km 左右的地幔中处在高温、高压岩浆中的碳元素， 逐渐形成了具有正四面体结构的金刚石。火山爆发时，金刚石夹在岩浆中上升到接近地表时冷却， 形成含有少量金刚石的原生矿床。金刚石具有诸多不同凡响的优良性质：熔点高(3 350 ℃)，不导电， 硬度极高。而干冰容易气化，碘晶体容易升华。 (1)分子晶体和共价晶体的构成粒子相同吗？ 提示：不同。分子晶体为分子，共价晶体为原子。 (2)分子晶体和共价晶体受热熔化时克服粒子间作用力相同吗？ 提示：不同，前者为分子间作用力，后者为共价键。 1．共价晶体与分子晶体的结构特征 (1)共价晶体的结构特征 在共价晶体中，各原子均以共价键结合，因为共价键有方向性和饱和性，所以中心原子周围的 原子数目是有限的，原子不采取密堆积方式。 (2)分子晶体的结构特征 ①分子间不存在氢键的分子晶体，由于范德华力没有方向性和饱和性，所以分子尽可能采取密 堆积方式。 ②分子间存在氢键的分子晶体，由于氢键具有方向性和饱和性，所以分子不能采取密堆积方式。 2．共价晶体与分子晶体熔、沸点高低的比较 (1)晶体类型不同：共价晶体＞分子晶体 理由：共价晶体的熔、沸点与共价键有关，分子晶体的熔、沸点与分子间作用力有关。共价键 的作用力远大于分子间作用力。 (2)晶体类型相同 ①共价晶体 一般来说，对结构相似的共价晶体来说，键长越短，键能越大，晶体的熔、沸点越高。例如： 金刚石＞二氧化硅＞碳化硅＞晶体硅。 ②分子晶体 a．若分子间有氢键，则分子间作用力比结构相似的同类晶体大，故熔、沸点较高。如 HF＞HI； NH3＞PH3；H2O＞H2Te。 b．组成和结构相似的分子晶体，一般相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高。如 I2＞Br2＞Cl2＞F2；SnH4＞GeH4＞SiH4＞CH4。 c．组成和结构不相似的物质(相对分子质量接近)，分子的极性越大，范德华力越大，熔、沸点 越高。如 CO＞N2。 d．同类别的同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。如正戊烷＞异戊烷＞新戊烷。 1．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/℃ 3 900 3 000 2 700 1 710 1 410 1 211 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 D [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。] 2．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 [A 项中三种物质都是共价晶体，因原子半径 r(C)