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第三章 晶体结构与性质
第二节 分子晶体与共价晶体
第2课时
考点
常见共价晶体结构分析
共价晶体的
概念及其性质
01
02
二氧化硅
1 723
沸点/℃
2 230
熔点/℃
干冰
-56.2(527 kPa)
沸点/℃
-78.5
熔点/℃
碳和硅元素同为第四主族的元素，从其形成的化合物外形来看，均为晶体，而两种晶体的熔沸点却相差很大，这是为什么呢？
※ 组成的粒子：分子
※ 粒子间的作用力：范德华力
※ 性质：熔点低
分子
晶体
共价
晶体
※ 组成的粒子：原子
※ 粒子间的作用力：共价键
※ 性质：熔点高
共价晶体
通过金刚石晶体的结构认识共价晶体结构组成共价晶体的粒子和粒子间的作用力
探究一
※ 组成的粒子：原子
※ 粒子间的作用力：共价键
金刚石的多面体外形
晶体结构
晶胞示意图
晶胞示意图
共价晶体
共价晶体的结构特点及物理性质
※ 概念：相邻原子间以共价键相结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体。
※ 构成微粒及微粒间作用
原子
共价键
构成微粒
微粒间作用
判断
方法
常见的共价晶体
某些单质
极少数金属氧化物
某些非金属化合物
硼
其他：Si、金刚石、锗(Ge)等
刚玉
其他：Mn2O7、Cr2O3 等
碳化硅
其他：SiO2、BN、Si3N4
认识金刚石的晶体结构和性质：一个金刚石晶胞中，含有几个碳原子？
探究二
共价晶体
顶点
顶点：8× ＝1
8
1
认识金刚石的晶体结构和性质：一个金刚石晶胞中，含有几个碳原子？
探究二
共价晶体
面心
顶点：8× ＝1
8
1
面心：6× ＝3
2
1
认识金刚石的晶体结构和性质：一个金刚石晶胞中，含有几个碳原子？
探究二
共价晶体
体内：4
体内
顶点：8× ＝1
8
1
面心：6× ＝3
2
1
共计：1＋3＋4＝8
金刚石中，每个碳原子与多少个碳原子成键？碳原子采取什么杂化方式？
探究三
共价晶体
※ 每个碳原子与4个碳原子成键
109°28
※ 碳原子采取sp3杂化方式
在金刚石晶胞中：六元环结构 : 碳原子数目 : C C键数目＝________
探究四
金刚石结构中最小的环状结构为六元环，以标记为O的碳原子为着眼点，通过该碳原子的bOc“V形”可以形成两个六元环；而通过O碳原子的“V形”共有6个(aOb、aOc、aOd、 bOd、cOd)
因此通过O碳原子的六元环共6×2＝12个，(即:一个O碳原子为12个六元环共用)一个六元环对环上任意一个碳原子的占有为1/12，一个六元环实际享有6×1/12＝0.5个碳原子
※ 金刚石中六元环结构与碳原子数目比为 2 : 1
在金刚石晶胞中：六元环结构 : 碳原子数目 : C C键数目＝________
探究四
以标记为aO的C C为着眼点，通过该C C的“V形”共有3个(aOb、aOc、aOd)。
因此通过aOC－C键的六元环共3×2=6个，(即:一根aOC－C键为6个六元环共用)一个六元环对环上任意一根C C键的占有为1/6，一个六元环实际享有6×1/6 ＝1根C C键
※ 金刚石中六元环结构与C C键数目比为 1 : 1
※ 金刚石中六元环结构与碳原子数目比为 2 : 1
在金刚石晶胞中：六元环结构 : 碳原子数目 : C C键数目＝ 2 : 1 : 2
从金刚石结构的角度解释金刚石熔点高，硬度大的原因？
探究五
共价晶体
C－C键参数
键长 154 pm
键能 347.7 kJ/mol
共价键数目
金刚石
熔点＞3 500 ℃ (高)，硬度大
(很短)
(很高)
(很多)
金刚石晶体模型的演变 (等电子体原理)
探究六
金刚石
晶体硅
SiC
GaAs
※ 与碳同族单质(如Si、Ge)都具有与金刚石相似的结构
※ 第ⅣA族相邻元素间也可形成相似结构的晶体 (如SiC)
※ 与第ⅣA族同周期的元素间根据等电子体原理，如：BN、GaAs等也可形成与金刚石结构相似的晶体。
※ 晶体中每个硅原子与____个氧原子以共价键结合，形成 ________结构；每个正四面体占有____个Si，___个O。故该晶体中硅、氧原子个数比为______。
※ 最小环上有 ___个原子(__个Si和__个O) 1 mol SiO2晶体中含____mol Si O键。
金刚石晶体模型的衍生 (方石英SiO2)
探究七
金刚石
晶体硅
二氧化硅
4
正四面体
1
2
1 : 2
12
6
6
4
例、设NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法正确的是( )
A．124 g P4含有的P P键的个数为6NA
B．12 g 石墨中含有的C C键的个数为2NA
C．12 g 金刚石中含有的C C键的个数为1.5NA
D．60 g SiO2中含Si O键的个数为2NA
A
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，而没有封闭的环状结构，这一结构决定了它具有手性(左、右型)，被广泛用作压电材料，如制作石英手表。
二氧化硅晶体——低温石英
石英晶体中的硅氧四面体相连构成的螺旋链
石英的左、右型晶体
石英手表
二氧化硅晶体——重要用途
水泥
单晶硅
玻璃
单晶硅
制的芯片
硅太阳能
电池
二氧化硅
光导纤维
根据表中数据，归纳共价晶体的性质特点，并从结构角度解释原因
探究八
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
硬度* 10 9.5 9.5 7 6.5 6.0
*硬度是衡量固体软硬程度的指标。硬度有不同的标度，最普通的硬度标度是划痕硬度，即摩氏硬度，以固体互相刻画时出现刻痕的固体的硬度较低。
共价晶体的结构特点
共价晶体的性质特点
※ 非密堆积
※ 原子通过共价键形成空间网状结构
※ 熔点高 (通常＞1 000 ℃)
※ 硬度大
晶体的类型 分子晶体 共价晶体
概念 以分子间作用力结合 相邻原子间以共价键结合
组成的粒子 分子 原子
作用力 分子间作用力 共价键
熔点 较低 较高
硬度 小 大
分子晶体和共价晶体对比
三种物质中，每个原子均以sp3杂化形式与相邻的四个原子形成σ键，整体上形成三维骨架结构，同属于共价晶体，熔点都比较高。熔点的相对高低与共价键的强弱有关，共价键越强，熔点越高。
共价晶体 金刚石 硅 锗
熔点/℃ ＞3 500 1 410 1 211
硬度* 10 6.5 6.0
请同学们根据所学内容，思考并回答：怎样从原子结构的角度理解金刚石、硅和锗的熔点和硬度依次下降？
金刚石、硅和锗的结构差别在于碳、硅、锗原子半径依次递增。C-C键、Si-Si键、 Ge-Ge键的键长依次递增，键长越长，键能越小，所以熔点和硬度依次下降。
比较物质的熔点的方法
共价晶体
共价
晶体
分子
晶体
有氢键
只有
范德华力
方法
※ 依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力判断
※ 依据性质判断
判断晶体
的类型
键能越大
熔点越高
氢键的
数目多少
相对分子质量大小
判断键能
的大小
判断分子间
的作用力
第三代半导体：中国半导体的希望！
锗Ge、硅Si
※ 主要应用：低压、低频、中功率晶体管、光电探测器，取代了笨重的电子管，导致了集成电路的可能性
砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)
※ 主要应用：毫米波器件、发光器件、卫星通讯、移动通讯等，较好的电子迁移率、带隙等材料特性，资源稀缺，有毒性，污染环境。
碳化硅、氮化铝、氮化镓(GaN)、氧化锌、金刚石
※ 主要应用：高温、高频、抗辐射、大功率器件；二极管、半导体激光器，更优的电子迁移率、带隙、高频、高温特性
第一代
半导体
第二代
半导体
第三代
半导体
1、T-碳的结构是将立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
B. T-碳中C–C的最小夹角约为109°28′
C. T-碳属于共价晶体
D. T-碳的密度为 g·cm 3
B
12×32
NA(a×10 10)3
2、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
熔点/℃ ＞3 550 1 410 2 573
沸点/℃ 5 100 2 355 2 823
硬度 10 7.0 9.5
(1)晶体硼属于_____晶体，理由是_____________________________。
共价
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。其结构如图所示，下列判断正确的是____(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. 金刚石的熔点高与C–C的键能无关
C. 金刚石中碳原子个数与C–C数之比为1∶2
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
C
2、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
熔点/℃ ＞3 550 1 410 2 573
沸点/℃ 5 100 2 355 2 823
硬度 10 7.0 9.5
(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的键角为______，该结构单元共含有____个B–B。
12
60°
30
概念
金刚石
二氧化硅
性质
共价晶体中的粒子及粒子间的相互作用
第二节
　分子晶体与共价晶体
第2课时
共价
晶体
常见共价晶体结构分析
THANKS
谢 谢 聆 听

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