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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
课时二共价晶体
01.借助共价晶体模型认识共价晶
体的结构特点，发展“证据推理
和模型认知”的科学素养
02.能够从化学键的特征分析理解 共价晶体的物理特性，发展“宏 观辨识和微观探析”的学科核心
素养
学习
目标
共价晶体
干冰
熔点/℃-56.2(527 kPa) 沸点/℃-78.5
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
二氧化硅
熔点/℃ 1723 沸点/℃ 2230
口组成的粒子：分子
口粒子间的作用力：范德华力
口性质：熔点低
口组成的粒子：原子
口粒子间的作用力：共价键
口性质：熔点高
共价
晶体
分子
晶体
01) 共价晶体
01 共价晶体
共价晶体 相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间立体 网状结构的晶体
构成粒子及作用力
构成粒子 原子
共价晶体
粒子间的作用力 共价键 金刚石晶体结构模型
【思考】:由原子构成的晶体一定是共价晶体吗
不一定，金属晶体也是由原子构成的(下一节学习)
2、含有共价键的晶体一定是共价晶体吗
不一定，共价晶体中含有共价键，但分子晶体中也 含有共价键，如CO
3、如何判断是否为共价晶体吗
01) 共价晶体
1、由原子构成的晶体一定是共价晶体吗
思考 讨论
1、某些单质 金刚石(C)、硅(Si)、锗 (Ge)、灰 锡(Sn)、 硼 (B)、 等
2、某些非金属化合物 二氧化硅(SiO )、氮化硼(BN)、氮 化 硅(Si N )、
金刚砂(SiC)、 等
Si N 晶体结构
B C N 0 F
Ne
Al Si P S CI
Ar
Ga Ge As Se Br
Kr
In Sn Sb Te
Xe
TI Pb Bi Po At
Rn
01)共价晶体
共价晶体的判断
方法一：根据物质类别
方法二：根据晶体的物理性质
1、共价晶体的熔点很高(一般情况下，大于1000℃)硬度很大 ( 如金刚石是天然矿物中最硬的物质),多数非导体(晶体硅和 锗为半导体)
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/℃ >3500 3000 2700 1710 1410
1211
硬度* 10 9.5 9.5 7 6.5
6.0
01)
共价晶体
分子晶体熔化或气化时断裂的是分子间作用力，而共价
晶体熔化或气化时断裂是共价键，共价键的强度比分子 间作用力的强度大的多
2、都是原子晶体，为什么熔点：金刚石>碳化硅>硅
由于原子半径：Si>C, 键长：C-C键能：C-C>C-Si>Si-Si,键能越大，共价键越稳定，熔沸点越 高
【总结】结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越
短，键能越大，共价键越稳定，晶体的熔点、沸点越高。
01 共价晶体
1、对比分子晶体，为什么共价晶体的熔点和硬度很高
思考 讨论
01 共价晶体
科学研究表明，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，不导电，硬度极高。这些性质显然 是由金刚石的结构决定的。那么,金刚石具有怎样的结构呢
金刚石磨头 金刚石钻石
01)共价晶体
一 、金刚石
①在晶体中每个碳原子以四个共价单键 与相邻的4_ 个碳原子相结合，成为正四 面体。
②晶体中C-C-C夹角为 109°28' , 碳 原 子采取_sp 杂化。
③最小环上有6个碳原子，最多4个 碳原子在同一平面。
④每个碳原子被12 个六元环共用。
正四面体
28
109°
1.55×10m
最小环为六元环
01共价晶体
一 、金刚石
⑤晶体中每个C参与了4 条C—C键的形成，
而在每条键中的贡献只有1/2 ,
故C原子与C—C 键数之比为：
即金刚石中，1molC 平均拥有2mol C—C键
12g金刚石含有NA 个C原子，含有2NA个C-C键
⑥在金刚石晶胞中占有的碳原子数_8 _
8×1/8+6×1/2+4=8
共价晶体
一个金刚石晶胞中含有_8_个碳原子，若碳原子半径为r,
则
已知：
空间利用率=
思考 讨论
金刚石晶胞边长为a, 根据硬球接触模型，
金刚石晶胞的空间利用率=
原子体积
晶胞体积
01)
×100%
: 、
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(封闭的环状结 构)。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 1:2 。
01 共价晶体
二氧化硅
二氧化硅是自然界含量最高的固态二元氧化物，熔点1713℃,有多种结构。
01) 共价晶体
低温石英(aSiO ) 是最常见的一种结构。遍布海滩河岸的黄沙、带状 的石英矿脉、花岗石里的白色晶体、透明的水晶都是低温石英。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
石英的左、右型晶体
水泥 玻璃
单晶硅
单晶硅 制的芯 片 硅太阳 能 电池
二氧化
硅
光导纤
维
共价晶体
用途
共价晶体
硅晶体结构与金刚石极其相似，只是将碳原子换成了硅原 子。那么1 mol单晶硅中含有多少个Si-Si键
1 mol SiO 中含有多少Si-O键
思考
讨论
单晶硅结构模型
1mol Si中含2mol Si-Si键 1mol SiO 中含4mol Si—O键
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/℃ >3500 3000 2700 1710 1410
1211
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。
01共价晶体
01 共价晶体
金刚石不能被任何天然矿物画出刻痕，因而是最硬的，以金刚石 的硬度为10,以另外几种天然矿物为代表可将摩氏硬度分为十度， 即 ：
硬度大的物质不一定经得起锤击，如金刚石硬度最大，很容易经锤
击而破碎。物质经受锤击的性质属于延展性。由于共价晶体中的共 价键具有方向性，当受到大的外力作用时会发生原子错位而断裂。
金刚石 刚玉 黄玉 石英 正长石 磷灰石 萤石 方解石 石膏
滑石
10 9 8 7 6 5 4 3 2
1
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
01共价晶体
■分子晶体和共价晶体对比
三种物质中，每个原子均以sp 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。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。
共价晶体 金刚石 硅
锗
熔点/℃ >3500 1410
1211
硬度* 10 6.5
6.0
01 共价晶体
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
01 共价晶体
■比较物质的熔点的方法
方 法 口依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力判断
口依据性质判断
有氢键 只有 范德华力
氢键的
数目多少
相对分子 质量大小
共价
判断 晶体 晶体的类型
分子 晶体
判断
键能的大小
判断
分子间的作
用力
键能越大
熔点越高
· 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、光通讯、GPS 导 航等，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
01 共价晶体
第三代半导体：中国半导体的希望!
· 碳化硅Sic、氮化铝AIN、氮化镓GaN、氧化锌ZnO、金刚石C
·主要应用：高温、高频、抗辐射、大功率器件；蓝、绿、紫光二极管、
半导体激光器，更优的电子迁移率、带隙、击穿电压、高频、高温特性
· 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
第二代 半导体
第一代 半导体
第三代 半导体
课堂总结
概念
性质
共价晶体中的粒子及 粒子间的相互作用
金刚石
二氧化硅
共价晶体
常见共价晶 体结构分析
课堂总结
共价晶体
课堂练习
03课堂练习
1. 下面关于SiO 晶体网状结构的叙述正确的是
A. 最小的环上，有3个Si原子和3个O原子
B. 最小的环上，Si和O 原子数之比为1:2
C. 最小的环上，有6个Si原子和6个O 原子
D. 存在四面体结构单元，O 处于中心，Si处于4个顶角
03 课堂练习
【答案】C
【详解】根据SiO 的晶体空间结构模型可判断每个硅原子与4个氧原子 结合形成4个共价键，每个氧原子与2个硅原子结合形成2个共价键，其 空间网状结构中存在四面体结构单元，硅原子位于四面体的中心，氧 原子位于四面体的4个顶角；金刚石的最小环上有6个碳原子，SiO 的 晶体结构可将金刚石晶体结构中的碳原子用硅原子代替，每个Si—Si 键中“插入”一个氧原子，所以其最小环上有6个硅原子和6个氧原子，
Si、O原子个数比为1:1,因此选项ABD均是错误的，C正确；答案选
C。
03)课堂练习
2. 金刚石和石墨的物理性质存在着较大差异，原因是( )
A. 它们是由不同种元素构成的 B. 他们各自的原子排列方式不同 C. 它们具有不同的几何外形 D. 石墨能导电而金刚石不能
【答案】B
【详解】物质的组成和结构决定了物质的性质，金刚石和石墨均由C 元素构成，但由于结构中碳原子的排列方式不同，所以物理性质存在 较大差异，故答案为B。
03 课堂练习
3 .美国《科学》杂志曾报道：在40GPa 的高压下，用激光加热到 1800K, 人们成功制得了共价晶体CO , 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. 该共价晶体易汽化，可用作制冷材料
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
03课堂练习
【答案】B
【详解】A 、CO 固态时由分子晶体变为共价晶体，其成键情况也发生了变化， 由原来的C=0变为C-0, 但化学键依然为极性共价键，A项正确；
B 、CO 由分子晶体变成共价晶体，熔沸点高，不易汽化，不适合作制冷材料， B 不正确；
C、CO 由分子晶体变成共价晶体，共价晶体有很高的熔沸点，故C正确；
D、CO 由分子晶体变成共价晶体，共价晶体具有硬度大耐磨等特点，D 项正 确；
答案选B。
03课堂练习
4. 下面关于SiO 晶体网状结构的叙述正确的是
A.1 mol SiO 晶体中Si-O键为2 mol
B. 二氧化硅晶体的分子式是SiO
C. 晶体中Si、O原子最外电子层都满足8电子
D. 最小的环上，有3个Si原子和3个O原子
03 课堂练习
【答案】C
【详解】A. 每 个Si原子形成四个共价键，则1 mol SiO 晶体中含4 mol Si-O 键，故A错误；
B. 由二氧化硅晶体结构图可知，每个硅原子周围连有四个氧原子，每个氧
原子周围连有2个硅原子，则Si、O原子个数比为1:2,不存在分子，故B错 误 ；
C. 在晶体中硅原子周围有4对共用电子对，氧原子有2对共用电子对，而氧 原子最外层就是6个电子，这样两种原子都满足8电子结构，故C正确；
D. 由二氧化硅晶体结构图可知，晶体中最小环上含有6个硅原子和6个氧原 子，故D错误。
故 选 ：C。
03课堂练习
5. 最近科学家成功制成了一种新型的碳氧化合物，该化合物晶体中 每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为一种空间网状的无限伸 展结构，下列对该晶体叙述错误的是
A .该晶体类型是原子晶体
B. 晶体中碳原子数与C-O 化学键数之比为1:2
C. 该化合物中碳原子采取sp 杂化
D. 该晶体中碳原子和氧原子的个数比为1:2
03课堂练习
【答案】B
【详解】A. 该晶体中，每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为一种空间 网状的无限伸展结构，则此晶体类型是原子晶体，A正确；
B. 晶体中，每个碳原子与周围的4个氧原子以共价单键相连，则碳原子数与C-0 化学键数之比为1:4,B 错误；
C. 该化合物中每个碳原子与4个氧原子以共价单键相连，即每个碳原子形成4个σ 键，则碳原子的价层电子对数为4,采取sp 杂 化 ，C 正确；
D. 该晶体中，每个碳原子形成4个共价单键，每个氧原子形成2个共价单键，则 碳原子和氧原子的个数比为1:2,D 正确；
03课堂练习
6.下列关于SiO 和金刚石的叙述正确的是( C )
A .SiO 的晶体结构中，每个Si原子与2个0原子直接相连
B. 通常状况下，1 mol SiO 晶体中含有的分子数为NA(NA表示阿伏加 德罗常数的值)
C. 金刚石的网状结构中，由共价键形成的最小环上有6个碳原子
D.1mol 金刚石中含有4 NA个C-C键(NA表示阿伏加德罗常数的值)
0 3 课 堂 练 习
7.下列物质的晶体直接由原子构成的一组是( C )
①CO ②SiO ③ 晶体Si ④白 磷 ⑤ 氨 基 乙 酸 ⑥ 固 态He
A.①②③④⑤⑥ B.②③④⑥
C.②③⑥ D.①②⑤⑥
03课堂练习
8.下列晶体性质的比较中不正确的是( C )
A .熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅
B. 沸点：NH >PH
C. 硬度：白磷>冰>二氧化硅 D. 熔 点 ：SiI >SiBr >SiCl

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