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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　共价晶体
内容索引
学习目标
活动方案
课堂反馈
学 习 目 标
1. 知道共价晶体的特征，认识常见的共价晶体。
2. 知道共价晶体和分子晶体结构和性质上的差别。
活 动 方 案
1. 下图所示分别为金刚石的晶体、晶体部分结构和晶胞的示意图。
活动一：以金刚石、二氧化硅为例认识共价晶体的结构特征
(1) 观察金刚石的晶体部分结构，描述碳原子是如何形成金刚石晶体的。
【答案】 每个碳原子都与另外4个碳原子形成4个碳碳单键，碳碳单键形成了三维骨架结构。
(2) 金刚石晶体中是否存在分子？为什么金刚石的熔点很高、硬度很大？
【答案】 不存在。金刚石熔化或碎裂时需要破坏共价键。
(3) 金刚石晶体中，碳原子采用什么杂化方式？每个金刚石晶胞中一共包括多少个原子？
【答案】 sp3杂化。8个。
2. SiO2的熔点是1 713 ℃，有多种结构，如方石英、低温石英等。黄沙、带状的石英矿脉、花岗岩中的白色晶体以及透明的水晶都是低温石英。方石英、低温石英的晶胞分别如下图所示。
(1) 描述SiO2晶体中Si和O是如何成键的。
【答案】 每个Si原子都与4个O原子形成4个Si—O单键，每个O原子都与2个Si原子形成2个Si—O单键，Si—O形成了三维骨架结构。
(2) SiO2晶体中是否存在分子？为什么SiO2晶体的熔点很高、硬度很大？
【答案】 不存在。SiO2晶体熔化或碎裂时需要破坏共价键。
3. 金刚石和SiO2晶体均是常见的共价晶体。共价晶体的结构特征是什么？
【答案】 晶体内部相邻原子间以共价键结合，共价键形成晶体的三维骨架结构。
1. 金刚石、碳化硅、晶体硅均为共价晶体，下表中列出了它们的熔点和硬度的数据以及晶体内部所含共价键的键长、键能的数据。
活动二：探究几种共价晶体
晶体 键长/pm 键能/(kJ·mol－1) 熔点/℃ 摩氏硬度
金刚石 154 348 >3 500 10
碳化硅 184 301 2 700 9.5
晶体硅 234 226 1 410 6.5
(1) 从碳原子和硅原子的结构特点猜想晶体硅、碳化硅的结构与金刚石结构的关系。
【答案】 晶体硅、碳化硅的结构与金刚石的结构相似。将金刚石中的碳原子全部换为硅原子即晶体硅，若将金刚石中C—C键改为C—Si键，且C和Si交替成键，则为碳化硅。
(2) 共价晶体的熔点和硬度等物理性质，与共价晶体中共价键的键长、键能之间存在什么关系？
【答案】 结构相似的共价晶体，其原子间形成共价键的键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高，硬度越大。
(3) 如果不提供上述表格中的数据，你能判断金刚石、碳化硅、晶体硅的键长、键能、熔点和硬度的相对大小吗？写出你的判断方法。
【答案】 能。根据元素周期表，碳和硅为同一主族元素，原子半径：C＜Si，因此键长大小顺序为C—C键＜C—Si键＜Si—Si键，键能大小顺序为C—C键＞C—Si键＞Si—Si键，熔点和硬度大小顺序为金刚石＞碳化硅＞晶体硅。
2. 材料科学是近年来化学研究的热点之一。氮化硅(Si3N4)是一种高温陶瓷材料，具有耐磨、耐腐蚀、抗冷热冲击、抗氧化的特性。氮化硅中只含有单键。判断下列有关氮化硅结构的说法中，哪些是正确的。
①氮化硅晶体是分子晶体。
②每个N与3个Si成键，每个Si与4个N成键，具有三维骨架结构。
③氮化硅的硬度大。
④氮化硅易溶于水。
【答案】 ②和③是正确的。①中氮化硅晶体应是共价晶体；④中氮化硅是共价晶体，难溶于水。
1. 大多数分子晶体与共价晶体均是由非金属元素构成的。我们如何从结构或性质中区分它们？
【答案】 从结构上看，分子晶体中有单个的分子存在，共价键只存在分子内部。共价晶体中不存在单个分子，共价键形成了整个晶体的三维骨架结构。
从性质上看，分子晶体熔沸点低、硬度小，有些易溶于水或有机溶剂；共价晶体熔沸点高、硬度大，不溶于水或有机溶剂。
活动三：学会区分分子晶体与共价晶体
2. 科学家在实验室合成出了一种二氧化碳晶体，该二氧化碳晶体具有超高的硬度，在高温下还能保持其结构的稳定性。该二氧化碳晶体属于什么类型的晶体，它的结构可能与我们学过的哪一种物质的晶体结构相似？
【答案】 共价晶体。SiO2。
课 堂 反 馈
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1. 下列属于共价晶体的单质是( 　　)
A. 晶体氦 B. 金刚砂(SiC)
C. 白磷 D. 晶体硅
【解析】 晶体氦是单原子分子，属于分子晶体，A错误；金刚砂属于共价晶体的化合物，B错误；白磷是分子晶体，C错误；晶体硅是共价晶体的单质，D正确。
【答案】 D
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2. 共价晶体一定具有的性质是( 　　)
A. 熔点高 B. 易导热
C. 能导电 D. 良好的延展性
【解析】 高硬度、高熔点是共价晶体的特性，共价晶体不能导电、导热，延展性差，故选A。
【答案】 A
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3. 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
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【解析】 金刚石是典型的共价晶体，原子之间以共价键结合，构成三维骨架结构，不存在独立的分子，A正确；共价晶体中微粒间的相互作用是共价键，B正确；硬度大是共价晶体的特点之一，C正确；金刚石性质稳定，但在高温下可与O2反应，生成CO2气体，D错误。
【答案】 D
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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 ℃，导电性强
B. 无色晶体，熔点为3 550 ℃，不导电，质硬，难溶于水和无机溶剂
C. 无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800 ℃，熔化时能导电
D. 熔点为－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电
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【解析】 根据性质判断应为金属晶体，A错误；共价晶体的特点为硬度大、熔沸点高、不导电、不溶于水和有机溶剂，B正确；根据性质判断应为离子晶体，C错误；根据性质判断应为分子晶体，D错误。
【答案】 B
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5. 下列说法正确的是( 　　)
A. 在含4 mol Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4 mol
B. 金刚石晶体中，碳原子数与C—C键数之比为1∶2
C. 30 g二氧化硅晶体中含有0.5 mol二氧化硅分子
D. 晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的共价晶体
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【解析】 在含4 mol Si—O键的二氧化硅晶体中，二氧化硅的物质的量为1 mol，氧原子的数目为2NA，A错误；金刚石晶体中，碳原子数与C—C键数之比为1∶2，B正确；二氧化硅晶体是由硅原子和氧原子构成的，没有分子，C错误；晶体氖是分子晶体，D错误。
【答案】 B
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6. 下表是某些结构相似的共价晶体的熔点和硬度，分析表中的数据，下列叙述正确的是( 　　)
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结构相似的共价晶体中原子半径越大，晶体的硬度越大
④结构相似的共价晶体中原子半径越小，晶体的硬度越大
A. ①② B. ③④
C. ①③ D. ②④
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共价晶体 金刚石 碳化硅 硅 锗
熔点/℃ 3 900 2 700 1 410 1 211
摩氏硬度 10 9.5 6.5 6.0
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【解析】 共价晶体的熔点和硬度与构成共价晶体的原子间的共价键的键能有关；原子间的共价键的键能与原子半径的大小有关；原子半径越小，键长越短，键能越大，熔、沸点越高，硬度越大，D正确。
【答案】 D
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7. 氮化碳结构如图所示，其硬度超过金刚石晶体。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. 氮化碳中碳显－4价，氮显＋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
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【解析】 图示为网状结构，硬度超过金刚石，则氮化碳晶体为共价晶体，A正确；由于氮的电负性比碳的大，所以氮化碳中碳显正价，氮显负价，B错误；每个碳原子和4个氮原子形成共价键，每个氮原子与3个碳原子相连，所以氮化碳的化学式为C3N4，C、D正确。
【答案】 B
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