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基础课时15　共价晶体
学习目标　1.知道共价晶体的概念及典型的共价晶体，认识共价晶体中的微粒种类及微粒间的相互作用。2.借助金刚石、二氧化硅等模型认识共价晶体的结构特点及物理性质。
一、共价晶体的概念和组成
(一)知识梳理
1.共价晶体的结构特点及物理性质
(1)概念
相邻原子间以共价键相结合形成共价键三维骨架结构的晶体。
(2)构成微粒及微粒间作用
(3)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”。
(4)物理性质
①共价晶体中，由于各原子均以强的共价键相结合，因此一般熔点很高，硬度很大，难溶于常见溶剂，一般不导电。
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。
2.常见共价晶体及物质类别
(1)某些单质：如硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、金刚石等。
(2)某些非金属化合物：如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。
(3)极少数金属氧化物，如刚玉(α－Al2O3)等。
(二)互动探究
C60是一种碳原子簇，它由60个碳原子构成像足球一样的32面体，包括20个正六边形，12个正五边形。这60个C原子在空间进行排列时，形成一个化学键最稳定的空间排列位置，恰好与足球表面的排列一致。这个结构的提出是受到建筑学家富勒的启发，富勒曾设计一种用六边形和五边形构成的球形薄壳建筑结构，因此科学家把C60叫做足球烯，也叫做富勒烯。
【问题讨论】
问题1　金刚石晶体和富勒烯晶体的构成微粒相同吗？
提示　不同。富勒烯晶体的构成微粒为分子，金刚石晶体的构成微粒为原子。
问题2　金刚石晶体和富勒烯晶体受热熔化时克服的微粒间作用力相同吗？
提示　不同。前者受热熔化时克服共价键，后者受热熔化时克服分子间作用力。
问题3　以金刚石为例，说明共价晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同？
提示　①构成微粒不同，共价晶体中只存在原子，没有分子。②微粒间作用力不同，共价晶体中原子间只存在共价键，而分子晶体中分子之间存在分子间作用力。
【探究归纳】
1.分子晶体和共价晶体的比较
晶体类型 分子晶体 共价晶体
定义 分子间通过分子间作用力结合形成的晶体 相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间网状结构的晶体
组成微粒 分子 原子
物质类别 多数非金属单质和共价化合物 金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等
微粒间的作用力 分子间作用力 共价键
熔化时需 克服的作用力 较弱的分子间作用力 很强的共价键
物理性质 熔、沸点 较低 很高
硬度 较小 很大
导电性 固态和熔融态时一般都不导电，但某些分子晶体溶于水能导电，如HCl 固态和熔融态时多数不导电，但晶体Si、晶体Ge为半导体，能导电
溶解性 相似相溶 难溶于一般溶剂
决定熔、沸点 高低的因素 分子间作用力的强弱 共价键的强弱
典型例子 干冰、冰 金刚石、二氧化硅
2.共价晶体熔、沸点高低的判断
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＞碳化硅＞晶体硅。
3.正确理解共价晶体
(1)共价晶体中不存在单个分子，化学式仅仅表示的是物质中的原子个数比关系，不是分子式。
(2)由原子组成的晶体不一定是共价晶体。如：稀有气体组成的晶体属于分子晶体。
(3)共价晶体中一定存在共价键，但晶体中有共价键却不一定都是共价晶体，还可以是分子晶体或离子晶体。
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.根据下列性质判断，属于共价晶体的物质是(　　)
A.熔点为2 700 ℃，导电性好，延展性强
B.无色晶体，熔点为3 500 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂
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
答案　B
解析　根据共价晶体的性质判断，共价晶体没有自由移动的电子，不导电，A错误；共价晶体熔点高，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂，B正确；共价晶体难溶于水，C错误；共价晶体熔点高，难溶于水，硬度大，D错误。
2.我国的激光技术在世界上处于领先地位，据报道，有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。其原因可能是(　　)
A.碳、氮原子构成平面结构的晶体
B.碳氮键比金刚石中的碳碳键键长更短
C.氮原子电子数比碳原子电子数多
D.碳、氮的单质的化学性质均不活泼
答案　B
解析　碳、氮原子结合成的碳氮化合物比金刚石更坚硬，说明该化合物为共价晶体，为立体三维骨架结构，A错误；由于原子半径：N3.有下列几种晶体：A.水晶，B.冰醋酸，C.白磷，D.金刚石，E.晶体氩，F.干冰。
①属于分子晶体的是____________(填字母，下同)，直接由原子构成的分子晶体是____________。
②属于共价晶体的化合物是____________。
③直接由原子构成的晶体是____________。
④受热熔化时，化学键不发生变化的是____________，需克服共价键的是____________。
答案　①BCEF　E　②A　③ADE　④BCF　AD
解析　根据构成晶体的粒子不同，分子晶体仅由分子组成，共价晶体中无分子。分子晶体有B、C、E、F，其中晶体氩是单原子分子构成的晶体；共价晶体和单原子分子晶体都由原子直接构成，共价晶体有A、D，但化合物只有A；分子晶体熔化时，一般不破坏化学键；共价晶体熔化时，破坏化学键。
二、常见共价晶体的结构特征
(一)知识梳理
　两种典型的共价晶体
(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，形成共价键三维骨架结构。
③金刚石里的C—C共价键的键长短，键能大，这一结构使金刚石的熔点高，硬度大。
(2)二氧化硅晶体
①SiO2是自然界含量最高的固态二元氧化物，熔点高。
②SiO2有多种结构，最常见结构是低温石英，其结构中，顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链(如图1)，这一结构决定了它具有手性(如图2)，被广泛用作压电材料，如制作石英手表。
③二氧化硅的用途：二氧化硅是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。
(二)互动探究
下表是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
【问题讨论】
问题1　结合金刚石的结构分析，该晶体中碳原子数和碳碳共价键数之比是多少？12 g金刚石中C—C共价键数是多少？为什么金刚石的熔点高、硬度大？
提示　金刚石晶体中碳原子数和碳碳共价键数之比是1∶2；12 g金刚石晶体中含有2NA C—C共价键；金刚石晶体中C—C共价键的键能很大，很难破坏C—C共价键，因此，金刚石的熔点高、硬度大。
问题2　分析二氧化硅的结构模型(如图)，判断晶体中最小的环上有多少个原子？晶体中硅原子和与硅原子直接相连的氧原子构成的空间构型是什么？60 g SiO2晶体中Si—O的数目是多少？
晶体结构
提示　SiO2晶体中最小环上有12个原子，其中有6个Si原子和6个O原子；晶体中Si原子和其周围相连的4个氧原子形成正四面体结构；60 g SiO2晶体中Si—O的数目是4NA。
【探究归纳】
1.金刚石的结构分析(晶胞结构如图)
(1)每个碳原子都采取sp3杂化，与相邻的4个碳原子以共价键相结合，正四面体形结构，键角109°28′。
(2)晶体中最小的碳环由6个碳原子组成，且不在同一平面内，最多有4个碳原子在同一平面。
(3)每个C形成4个C—C键，每个C占有2个C—C键，即C原子与C—C键之比为1∶2。
(4)每个C原子被12个六元环共用。每个C—C键被6个六元环共用。
2.二氧化硅的结构分析(晶体结构如图)
(1)1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个O原子和2个Si原子相结合。
(2)1 mol SiO2中含4 mol Si—O键。
(3)最小环是由6个Si原子和6个O原子组成。每个Si原子被12个12元环共用，每个O原子被6个12元环共用，每个Si—O键被6个12元环共用。
1.下列关于SiO2晶体空间结构的叙述中正确的是(　　)
A.最小的环上，有3个硅原子和3个氧原子
B.最小的环上，硅原子数和氧原子数之比为1∶2
C.最小的环上，有6个硅原子和6个氧原子
D.存在四面体结构单元，O原子处于中心，Si原子处于4个顶角
答案　C
解析　SiO2晶体中，每个硅原子与4个氧原子成键，每个氧原子与2个硅原子成键，晶体中的硅氧四面体中Si原子处于中心，O原子处于4个顶角。最小的环是十二元环，环上有6个Si原子、6个O原子，Si、O原子数之比是1∶1。
2.已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于C3N4晶体的说法错误的是(　　)
A.该晶体属于共价晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固
B.该晶体中每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子
C.该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构
D.该晶体与金刚石相似，都是原子间以非极性键形成三维骨架结构
答案　D
解析　C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，该晶体为共价晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固，A正确；碳原子最外层有4个电子，氮原子最外层有5个电子，则该晶体中每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子，B正确；构成该晶体的微粒间只以单键结合，每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子，则晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构，C正确；金刚石只含有非极性共价键，但是C3N4晶体中碳、氮之间以极性共价键结合，原子间以极性键形成三维骨架结构，D错误。
3.(1)单质硅存在与金刚石结构类似的晶体，其中原子与原子之间以____________相结合，其晶胞中共有8个原子，其中在面心位置贡献____________个原子。
(2)金刚砂(SiC)与金刚石具有相似的晶体结构(如图所示)，在金刚砂的空间网状结构中，碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。试回答：
①金刚砂属于____________晶体，金刚砂的熔点比金刚石的熔点____________。
②在金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合了____________个碳原子，其键角是____________。
③金刚砂的结构中含有共价键形成的原子环，其中最小的环上有____________个硅原子。
答案　(1)共价键　3
(2)①共价　低　②4　109°28′　③3
解析　(1)硅晶体和金刚石晶体相似，即硅原子间以共价键相结合。晶胞每个面心上的硅原子为2个晶胞共有，则面心位置贡献的原子为6×＝3个。(2)①由于金刚砂是空间网状结构，碳原子和硅原子交替以共价单键结合，所以金刚砂是共价晶体；硅原子的半径比碳原子的半径大，所以金刚砂的熔点比金刚石的低。②硅和碳是同主族元素，所以硅原子周围同样有4个碳原子，键角为109°28′。③构成的六元环中，有3个碳原子、3个硅原子。
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
(一)共价晶体的概念和组成
1.下列晶体中①SiO2　②CO2　③P4　④晶体硅　⑤H2SO4　⑥P2O5　⑦SO3　⑧SiC　⑨冰醋酸　⑩金刚石，属于共价晶体的一组是(　　)
A.①③④⑤⑥⑩ B.①④⑧⑩
C.③④⑧⑨⑩ D.全部
答案　B
解析　十种物质中属于分子晶体的有CO2、P4、H2SO4、P2O5、SO3、冰醋酸，其余的四种物质均为共价晶体。
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
答案　D
解析　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.氮氧化铝(AlON)属于共价晶体，是一种高强度透明材料，下列叙述错误的是(　　)
A.AlON和SiO2所含化学键的类型相同
B.电解熔融AlON可得到Al
C.AlON中N元素的化合价为－1
D.AlON和SiO2的晶体类型相同
答案　B
解析　AlON和SiO2均属于共价晶体，均只含有共价键，A、D项正确；AlON属于共价晶体，熔融时不导电，B项错误；AlON中O为－2价，Al为＋3价，所以N元素的化合价为－1，C项正确。
4.美国《科学》杂志曾报道：在40 GPa的高压下，用激光加热到1 800 K，人们成功制得了共价晶体CO2，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.该共价晶体易气化，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
答案　B
解析　共价晶体具有高硬度，高熔、沸点等性质，不易气化，不可用作制冷材料，B项错误。
5.科学家成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体，下列关于CO2的共价晶体说法，正确的是(　　)
A.CO2的共价晶体和分子晶体互为同分异构体
B.在一定条件下，CO2共价晶体转化为CO2分子晶体是物理变化
C.CO2的共价晶体和CO2分子晶体具有相同的物理性质和化学性质
D.在CO2的共价晶体中，每一个C原子周围结合4个O原子，每一个O原子跟2个C原子相结合
答案　D
解析　CO2的共价晶体不存在分子形式，与分子晶体不互为同分异构体，故A错误；二氧化碳共价晶体和二氧化碳分子晶体不是一种物质，所以在一定条件下，CO2共价晶体转化为分子晶体是化学变化不是物理变化，故B错误；二氧化碳分子晶体和二氧化碳共价晶体的构成微粒不同，空间构型不同，所以其物理性质和化学性质不同，故C错误；利用知识迁移的方法分析，把二氧化硅结构中的硅原子替换成碳原子，所以在二氧化碳的共价晶体中，每个C原子周围结合4个O原子，每个O原子跟两个C原子相结合，故D正确。
(二)常见共价晶体的结构特征
6.碳有多种同分异构体，其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示，下列说法不正确的是(　　)
A.在石墨烯晶体中，每个正六元环拥有的共价键和碳原子数之比为3∶2
B.石墨烯中含碳碳双键
C.金刚石晶体中，碳原子采用sp3杂化
D.金刚石晶体中最小的碳环上有6个碳原子
答案　B
解析　在石墨烯晶体中，最小的环为六元环，每个碳原子连接3个C—C化学键，每个六元环占有的碳原子数为6×＝2个，个数比为3∶2，A正确；石墨烯晶体中，单层上的碳原子除形成单键外，还形成大π键，不存在碳碳双键，B错误；金刚石晶体中，每个碳原子形成4个σ键，采用sp3杂化，C正确；由金刚石晶体结构模型可知，最小的环为6元环，D正确。
7.我们可以将SiO2的晶体结构想象为：在晶体硅的Si—Si之间插入O原子。根据SiO2晶体结构图，下列说法不正确的是(　　)
A.石英晶体中每个Si原子通过Si—O极性键与4个O原子作用
B.每个O原子也通过Si—O极性键与2个Si原子作用
C.石英晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2，可用SiO2来表示石英的组成
D.在晶体中存在石英分子，故能叫分子式
答案　D
解析　晶体硅的结构是五个硅原子形成正四面体结构，其中有一个位于正四面体的中心，另外四个位于四面体的顶角，故SiO2的结构为每个硅原子周围有四个氧原子，A正确；每个氧原子周围有两个硅原子，B正确；在晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2，SiO2仅表示石英的组成，故没有单个的SiO2分子，C正确，D错误。
8.氮化硼(BN)晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相，与石墨相似，具有层状结构，可作高温润滑剂；立方相氮化硼是超硬材料，有优异的耐磨性。它们的晶体结构如图所示，下列关于这两种晶体的说法正确的是(　　)
A.六方相氮化硼与石墨一样可以导电
B.立方相氮化硼含有σ键和π键，所以硬度大
C.两种晶体均为分子晶体
D.六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间结构为平面三角形
答案　D
解析　A项，六方相氮化硼晶体中没有可以自由移动的电子或离子，所以不导电，错误。B项，立方相氮化硼中只含有σ键，错误。C项，立方相氮化硼是共价晶体，错误。D项，由六方相氮化硼的晶体结构可知，每个硼原子与相邻3个氮原子构成平面三角形，正确。
9.现有两组物质的熔点数据如表所示，根据表中数据回答下列问题。
A组 B组
金刚石：3 550 ℃ HF：－83 ℃
晶体硅：1 410 ℃ HCl：－115 ℃
晶体硼：2 300 ℃ HBr：－89 ℃
二氧化硅：1 710 ℃ HI：－51 ℃
(1)A组属于____________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是____________。
(2)B组中HF熔点反常是由于__________________________________________
____________________________________________________________________。
(3)B组晶体不可能具有的性质是____________。
①硬度小　②水溶液能导电　③固体能导电　④液体状态能导电
答案　(1)共价　共价键
(2)HF分子间能形成氢键，熔化时需要消耗的能量更多
(3)③④
解析　(1)A组熔点很高，应是共价晶体，共价晶体熔化时破坏的是共价键；(2)B组是分子晶体，且结构相似，一般是相对分子质量越大，熔点越高；HF的相对分子质量最小但熔点比HCl高，出现反常的原因是HF分子间存在氢键，HF熔化时除了破坏分子间作用力，还要破坏氢键，所需能量更高，因而熔点更高；(3)分子晶体在固态和熔化状态都不导电。
B级　素养培优练
10.金刚石、石墨、C60和石墨烯的结构示意图分别如图所示，下列说法不正确的是(　　)
A.金刚石和石墨烯中碳原子的杂化方式不相同
B.金刚石、石墨、C60和石墨烯的关系：互为同素异形体
C.这四种物质完全燃烧后的产物都是CO2
D.石墨与C60的晶体类型相同
答案　D
解析　金刚石中每个碳原子形成4个C—C σ键，金刚石中碳原子采取sp3杂化，石墨烯中每个碳原子形成3个碳碳σ键，碳原子上没有孤电子对，石墨烯中碳原子采取sp2杂化，A项正确；金刚石、石墨、C60和石墨烯是碳元素形成的不同单质，互为同素异形体，B项正确；金刚石、石墨、C60和石墨烯是碳元素形成的不同单质，四种物质完全燃烧后的产物都是CO2，C项正确；石墨不属于分子晶体，C60属于分子晶体，石墨和C60的晶体类型不同，D项错误。
11.金刚石是由碳原子所形成的正四面体结构向空间无限延伸而得到的具有空间网状结构的共价晶体。在立方体中，若一碳原子位于立方体体心，则与它直接相邻的四个碳原子位于该立方体互不相邻的四个顶角上(如图中的小立方体)。请问，图中与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数为多少，它们分别位于大立方体的什么位置(　　)
A.12，大立方体的12条棱的中点
B.8，大立方体的8个顶角
C.6，大立方体的6个面的中心
D.14，大立方体的8个顶角和6个面的中心
答案　A
解析　与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子分别位于大立方体的12条棱的中点，共12个。如图所示：
12.我国科学家预言的T 碳已被合成。T 碳的晶体结构可看作将金刚石中的碳原子用由四个碳原子组成的正四面体结构单元取代所得，金刚石和T 碳的晶胞如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.金刚石中每个碳原子被12个最小环共用
B.T 碳晶胞由32个碳原子组成
C.T 碳属于共价晶体
D.T 碳中键角是109°28′
答案　D
解析　在金刚石晶体中，C原子所连接的最小环为六元环，每个C原子连接4个碳原子，连接的4个C原子中每个C原子形成3个六元环，所以金刚石晶体中每个C原子能形成12个六元环，A正确；由晶胞结构可知，在T 碳晶胞中四个碳原子组成的正四面体结构单元有8个位于顶角，6个位于面心，4个位于体内，个数为：8×＋6×＋4＝8，则碳原子个数为32，B正确；由晶胞结构可知T 碳也是以四面体为结构单元的空间网状结构，为共价晶体，C正确；T 碳中4个碳原子围成正四面体结构，该结构中键角为60°，D错误。
13.磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料，如图为其晶胞，其中的每个原子均满足8电子稳定结构。下列说法不正确的是(　　)
A.磷化硼晶体的熔点很高
B.磷化硼晶体的化学式为BP，属于共价晶体
C.磷化硼晶体中每个原子均形成4条共价键
D.磷化硼晶体结构中粒子的空间堆积方式与干冰相同
答案　D
解析　磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料，说明磷化硼是共价晶体，其熔点很高，A正确；由磷化硼晶胞结构可知，每个晶胞含有4个B原子和4个P原子，B、P原子个数之比为1∶1，故磷化硼的化学式为BP，属于共价晶体，B正确；该晶胞配位数为4，即每个原子均形成4条共价键，C正确；干冰晶体是面心立方结构，8个CO2分子位于晶胞顶角，6个CO2分子位于晶胞的6个面心，与磷化硼晶胞结构不同，D错误。
14.碳化硅也叫金刚砂，硬度大，具有耐热性、耐氧化和耐腐蚀性等性能，结构如图，下列叙述不正确的是(　　)
A.碳化硅为共价晶体
B.碳化硅的熔点比金刚石低
C.1 mol碳化硅中含2 mol Si—C
D.碳和硅原子的杂化方式相同
答案　C
解析　碳化硅也叫金刚砂，硬度大，具有耐热性，碳化硅为共价晶体，A正确；碳化硅和金刚石都是共价晶体，Si原子半径大于C原子，Si—C键的键长比C—C键的长，键能小，故碳化硅的熔点比金刚石低，B正确；碳化硅中，1个C和4个Si形成4个Si—C，故1 mol碳化硅中含4 mol Si—C，C错误；碳化硅中，碳和硅都形成了4个键，其中碳和硅原子都采取sp3杂化，D正确。
15.请按要求填空：
(1)C、N元素形成的新材料具有如图所示的晶胞结构，该晶体的化学式为____________。
(2)氮化碳和氮化硅晶体结构相似，是新型的非金属高温陶瓷材料，它们的硬度大、熔点高、化学性质稳定。
①氮化硅的硬度____________(填“大于”或“小于”)氮化碳的硬度，原因是____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
②已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且氮原子与氮原子不直接相连、硅原子与硅原子不直接相连，同时每个原子都满足最外层8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式：____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(3)第ⅢA、ⅤA族元素组成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的新型半导体材料，其晶体结构与晶体硅相似。在GaN晶体中，每个Ga原子与____________个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为____________，GaN属于____________晶体。
答案　(1)C3N4　(2)①小于　硅原子半径大于碳原子半径，氮原子和碳原子形成的共价键键长比氮原子和硅原子形成的共价键键长短，故氮碳键的键能大，硬度大　②Si3N4　(3)4　正四面体形　共价
解析　(1)根据题给晶胞的结构可知，该晶胞中含有碳原子个数为8×＋4×＝3，含有氮原子个数为4，则该晶体的化学式为C3N4。(2)②N的最外层电子数为5，要满足8电子稳定结构，需要形成3个共价键，Si的最外层电子数为4，要满足8电子稳定结构，需要形成4个共价键，所以氮化硅的化学式为Si3N4。(3)GaN的晶体结构与晶体硅相似，则GaN属于共价晶体，每个Ga原子与4个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为正四面体形。基础课时15　共价晶体
学习目标　1.知道共价晶体的概念及典型的共价晶体,认识共价晶体中的微粒种类及微粒间的相互作用。2.借助金刚石、二氧化硅等模型认识共价晶体的结构特点及物理性质。
一、共价晶体的概念和组成
(一)知识梳理
1.共价晶体的结构特点及物理性质
(1)概念
相邻原子间以　　　　相结合形成共价键三维骨架结构的晶体。
(2)构成微粒及微粒间作用
(3)空间结构:整块晶体是一个三维的共价键　　　　结构,不存在单个的小分子,是一个“巨分子”。
(4)物理性质
①共价晶体中,由于各原子均以强的共价键相结合,因此一般熔点很高,硬度很大,难溶于常见溶剂,一般不导电。
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。
2.常见共价晶体及物质类别
(1)某些单质:如硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、金刚石等。
(2)某些非金属化合物:如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。
(3)极少数金属氧化物,如刚玉(α-Al2O3)等。
(二)互动探究
C60是一种碳原子簇,它由60个碳原子构成像足球一样的32面体,包括20个正六边形,12个正五边形。这60个C原子在空间进行排列时,形成一个化学键最稳定的空间排列位置,恰好与足球表面的排列一致。这个结构的提出是受到建筑学家富勒的启发,富勒曾设计一种用六边形和五边形构成的球形薄壳建筑结构,因此科学家把C60叫做足球烯,也叫做富勒烯。
【问题讨论】
问题1　金刚石晶体和富勒烯晶体的构成微粒相同吗
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题2　金刚石晶体和富勒烯晶体受热熔化时克服的微粒间作用力相同吗
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题3　以金刚石为例,说明共价晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究归纳】
1.分子晶体和共价晶体的比较
晶体类型 分子晶体 共价晶体
定义 分子间通过分子间作用力结合形成的晶体 相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间网状结构的晶体
组成微粒 分子 原子
物质类别 多数非金属单质和共价化合物 金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等
微粒间的作用力 分子间作用力 共价键
熔化时需 克服的作用力 较弱的分子间作用力 很强的共价键
熔、沸点 较低 很高
硬度 较小 很大
导电性 固态和熔融态时一般都不导电,但某些分子晶体溶于水能导电,如HCl 固态和熔融态时多数不导电,但晶体Si、晶体Ge为半导体,能导电
溶解性 相似相溶 难溶于一般溶剂
决定熔、沸点 高低的因素 分子间作用力的强弱 共价键的强弱
典型例子 干冰、冰 金刚石、二氧化硅
2.共价晶体熔、沸点高低的判断
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>碳化硅>晶体硅。
3.正确理解共价晶体
(1)共价晶体中不存在单个分子,化学式仅仅表示的是物质中的原子个数比关系,不是分子式。
(2)由原子组成的晶体不一定是共价晶体。如:稀有气体组成的晶体属于分子晶体。
(3)共价晶体中一定存在共价键,但晶体中有共价键却不一定都是共价晶体,还可以是分子晶体或离子晶体。
1.根据下列性质判断,属于共价晶体的物质是 (　　)
A.熔点为2 700 ℃,导电性好,延展性强
B.无色晶体,熔点为3 500 ℃,不导电,质硬,难溶于水和有机溶剂
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
2.我国的激光技术在世界上处于领先地位,据报道,有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松,与此同时再用射频电火花喷射氮气,此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称,这种化合物可能比金刚石更坚硬。其原因可能是 (　　)
A.碳、氮原子构成平面结构的晶体
B.碳氮键比金刚石中的碳碳键键长更短
C.氮原子电子数比碳原子电子数多
D.碳、氮的单质的化学性质均不活泼
3.有下列几种晶体:A.水晶,B.冰醋酸,C.白磷,D.金刚石,E.晶体氩,F.干冰。
①属于分子晶体的是　　　　　　(填字母,下同),直接由原子构成的分子晶体是　　　　　　。
②属于共价晶体的化合物是　　　　　　。
③直接由原子构成的晶体是　　　　　　。
④受热熔化时,化学键不发生变化的是　　　　　　　　　　,
需克服共价键的是　　　　　　。
二、常见共价晶体的结构特征
(一)知识梳理
　两种典型的共价晶体
(1)金刚石
①碳原子采取　　　　杂化,C—C—C夹角为　　　　。
②每个碳原子与周围紧邻的　　　　个碳原子以共价键结合,形成共价键三维骨架结构。
③金刚石里的C—C共价键的键长　　　　　,键能　　　　　　,这一结构使金刚石的熔点　　　　　　,硬度　　　　　　。
(2)二氧化硅晶体
①SiO2是自然界含量最高的固态二元氧化物,熔点　　　　。
②SiO2有多种结构,最常见结构是低温石英,其结构中,顶角相连的　　　　　　形成螺旋上升的长链(如图1),这一结构决定了它具有手性(如图2),被广泛用作压电材料,如制作　　　　手表。
③二氧化硅的用途:二氧化硅是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和　　　　　　的原料。
(二)互动探究
下表是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
【问题讨论】
问题1　结合金刚石的结构分析,该晶体中碳原子数和碳碳共价键数之比是多少 12 g金刚石中C—C共价键数是多少 为什么金刚石的熔点高、硬度大
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题2　分析二氧化硅的结构模型(如图),判断晶体中最小的环上有多少个原子 晶体中硅原子和与硅原子直接相连的氧原子构成的空间构型是什么 60 g SiO2晶体中Si—O的数目是多少
晶体结构
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究归纳】
1.金刚石的结构分析(晶胞结构如图)
(1)每个碳原子都采取sp3杂化,与相邻的4个碳原子以共价键相结合,正四面体形结构,键角109°28'。
(2)晶体中最小的碳环由6个碳原子组成,且不在同一平面内,最多有4个碳原子在同一平面。
(3)每个C形成4个C—C键,每个C占有2个C—C键,即C原子与C—C键之比为1∶2。
(4)每个C原子被12个六元环共用。每个C—C键被6个六元环共用。
2.二氧化硅的结构分析(晶体结构如图)
(1)1个Si原子和4个O原子形成4个共价键,每个O原子和2个Si原子相结合。
(2)1 mol SiO2中含4 mol Si—O键。
(3)最小环是由6个Si原子和6个O原子组成。每个Si原子被12个12元环共用,每个O原子被6个12元环共用,每个Si—O键被6个12元环共用。
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.下列关于SiO2晶体空间结构的叙述中正确的是 (　　)
A.最小的环上,有3个硅原子和3个氧原子
B.最小的环上,硅原子数和氧原子数之比为1∶2
C.最小的环上,有6个硅原子和6个氧原子
D.存在四面体结构单元,O原子处于中心,Si原子处于4个顶角
2.已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度,且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于C3N4晶体的说法错误的是 (　　)
A.该晶体属于共价晶体,其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固
B.该晶体中每个碳原子连接4个氮原子,每个氮原子连接3个碳原子
C.该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构
D.该晶体与金刚石相似,都是原子间以非极性键形成三维骨架结构
3.(1)单质硅存在与金刚石结构类似的晶体,其中原子与原子之间以　　　　　　相结合,其晶胞中共有8个原子,其中在面心位置贡献　　　　　　　　　　 个原子。
(2)金刚砂(SiC)与金刚石具有相似的晶体结构(如图所示),在金刚砂的空间网状结构中,碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。试回答:
①金刚砂属于　　　　　　晶体,金刚砂的熔点比金刚石的熔点　　　　　　。
②在金刚砂的结构中,一个硅原子周围结合了　　　　个碳原子,其键角是　　　　　　。
③金刚砂的结构中含有共价键形成的原子环,其中最小的环上有　　　　　　个硅原子。
:课后完成　第三章　基础课时15(共60张PPT)
基础课时 共价晶体
15
第三章
晶体结构与性质
第二节　分子晶体与共价晶体
1.知道共价晶体的概念及典型的共价晶体，认识共价晶体中的微粒种类及微粒间的相互作用。
2.借助金刚石、二氧化硅等模型认识共价晶体的结构特点及物理性质。
学习目标
一、共价晶体的概念和组成
二、常见共价晶体的结构特征
目
录
CONTENTS
课后巩固训练
一、共价晶体的概念和组成
对点训练
(一)知识梳理
1.共价晶体的结构特点及物理性质
(1)概念
相邻原子间以________相结合形成共价键三维骨架结构的晶体。
(2)构成微粒及微粒间作用
共价键
原子
共价键
(3)空间结构：整块晶体是一个三维的共价键______结构，不存在单个的小分子，是一个“巨分子”。
(4)物理性质
①共价晶体中，由于各原子均以强的共价键相结合，因此一般熔点很高，硬度很大，难溶于常见溶剂，一般不导电。
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。
网状
2.常见共价晶体及物质类别
(1)某些单质：如硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、金刚石等。
(2)某些非金属化合物：如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。
(3)极少数金属氧化物，如刚玉(α－Al2O3)等。
(二)互动探究
C60是一种碳原子簇，它由60个碳原子构成像足球一样的32面体，包括20个正六边形，12个正五边形。这60个C原子在空间进行排列时，形成一个化学键最稳定的空间排列位置，恰好与足球表面的排列一致。这个结构的提出是受到建筑学家富勒的启发，富勒曾设计一种用六边形和五边形构成的球形薄壳建筑结构，因此科学家把C60叫做足球烯，也叫做富勒烯。
【问题讨论】
问题1　金刚石晶体和富勒烯晶体的构成微粒相同吗？
提示　不同。富勒烯晶体的构成微粒为分子，金刚石晶体的构成微粒为原子。
问题2　金刚石晶体和富勒烯晶体受热熔化时克服的微粒间作用力相同吗？
提示　不同。前者受热熔化时克服共价键，后者受热熔化时克服分子间作用力。
问题3　以金刚石为例，说明共价晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同？
提示　①构成微粒不同，共价晶体中只存在原子，没有分子。②微粒间作用力不同，共价晶体中原子间只存在共价键，而分子晶体中分子之间存在分子间作用力。
【探究归纳】
1.分子晶体和共价晶体的比较
晶体类型 分子晶体 共价晶体
定义 分子间通过分子间作用力结合形成的晶体 相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间网状结构的晶体
组成微粒 分子 原子
物质类别 多数非金属单质和共价化合物 金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等
微粒间的作用力 分子间作用力 共价键
熔化时需 克服的作用力 较弱的分子间作用力 很强的共价键
晶体类型 分子晶体 共价晶体
物理性质 熔、沸点 较低 很高
硬度 较小 很大
导电性 固态和熔融态时一般都不导电，但某些分子晶体溶于水能导电，如HCl 固态和熔融态时多数不导电，但晶体Si、晶体Ge为半导体，能导电
溶解性 相似相溶 难溶于一般溶剂
决定熔、沸点高低的因素 分子间作用力的强弱 共价键的强弱
典型例子 干冰、冰 金刚石、二氧化硅
2.共价晶体熔、沸点高低的判断
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＞碳化硅＞晶体硅。
3.正确理解共价晶体
(1)共价晶体中不存在单个分子，化学式仅仅表示的是物质中的原子个数比关系，不是分子式。
(2)由原子组成的晶体不一定是共价晶体。如：稀有气体组成的晶体属于分子晶体。
(3)共价晶体中一定存在共价键，但晶体中有共价键却不一定都是共价晶体,还可以是分子晶体或离子晶体。
1.根据下列性质判断，属于共价晶体的物质是(　　)
A.熔点为2 700 ℃，导电性好，延展性强
B.无色晶体，熔点为3 500 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂
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
B
解析　根据共价晶体的性质判断，共价晶体没有自由移动的电子，不导电，A错误；共价晶体熔点高，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂，B正确；共价晶体难溶于水，C错误；共价晶体熔点高，难溶于水，硬度大，D错误。
2.我国的激光技术在世界上处于领先地位，据报道，有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。其原因可能是(　　)
A.碳、氮原子构成平面结构的晶体
B.碳氮键比金刚石中的碳碳键键长更短
C.氮原子电子数比碳原子电子数多
D.碳、氮的单质的化学性质均不活泼
B
解析　碳、氮原子结合成的碳氮化合物比金刚石更坚硬，说明该化合物为共价晶体，为立体三维骨架结构，A错误；由于原子半径：N3.有下列几种晶体：A.水晶，B.冰醋酸，C.白磷，D.金刚石，E.晶体氩，F.干冰。
①属于分子晶体的是____________(填字母，下同)，直接由原子构成的分子晶体是____________。
②属于共价晶体的化合物是____________。
③直接由原子构成的晶体是____________。
④受热熔化时，化学键不发生变化的是____________，需克服共价键的是____________。
BCEF
E
A
ADE
BCF
AD
解析　根据构成晶体的粒子不同，分子晶体仅由分子组成，共价晶体中无分子。分子晶体有B、C、E、F，其中晶体氩是单原子分子构成的晶体；共价晶体和单原子分子晶体都由原子直接构成，共价晶体有A、D，但化合物只有A；分子晶体熔化时，一般不破坏化学键；共价晶体熔化时，破坏化学键。
二、常见共价晶体的结构特征
对点训练
(一)知识梳理
两种典型的共价晶体
(1)金刚石
①碳原子采取________杂化，C—C—C夹角为________________。
②每个碳原子与周围紧邻的____个碳原子以共价键结合，形成共价键三维骨架结构。
③金刚石里的C—C共价键的键长____，键能____，这一结构使金刚石的熔点____，硬度____。
sp3
109°28′
4
短
大
高
大
(2)二氧化硅晶体
①SiO2是自然界含量最高的固态二元氧化物，熔点高。
②SiO2有多种结构，最常见结构是低温石英，其结构中，顶角相连的____________形成螺旋上升的长链(如图1)，这一结构决定了它具有手性(如图2)，被广泛用作压电材料，如制作______手表。
③二氧化硅的用途：二氧化硅是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和__________的原料。
硅氧四面体
石英
光导纤维
(二)互动探究
下表是某些共价晶体的熔点和硬度。
【问题讨论】
问题1　结合金刚石的结构分析，该晶体中碳原子数和碳碳共价键数之比是多少？12 g金刚石中C—C共价键数是多少？为什么金刚石的熔点高、硬度大？
提示　金刚石晶体中碳原子数和碳碳共价键数之比是1∶2；12 g金刚石晶体中含有2NA C—C共价键；金刚石晶体中C—C共价键的键能很大，很难破坏C—C共价键，因此，金刚石的熔点高、硬度大。
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
问题2　分析二氧化硅的结构模型(如图)，判断晶体中最小的环上有多少个原子？晶体中硅原子和与硅原子直接相连的氧原子构成的空间构型是什么？60 g SiO2晶体中Si—O的数目是多少？
提示　SiO2晶体中最小环上有12个原子，其中有6个Si原子和6个O原子；晶体中Si原子和其周围相连的4个氧原子形成正四面体结构；60 g SiO2晶体中Si—O的数目是4NA。
晶体结构
【探究归纳】
1.金刚石的结构分析(晶胞结构如图)
(1)每个碳原子都采取sp3杂化，与相邻的4个碳原子以
共价键相结合，正四面体形结构，键角109°28′。
(2)晶体中最小的碳环由6个碳原子组成，且不在同一平面内，最多有4个碳原子在同一平面。
(3)每个C形成4个C—C键，每个C占有2个C—C键，即C原子与C—C键之比为1∶2。
(4)每个C原子被12个六元环共用。每个C—C键被6个六元环共用。
2.二氧化硅的结构分析(晶体结构如图)
(1)1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个O原子和2个Si原子相结合。
(2)1 mol SiO2中含4 mol Si—O键。
(3)最小环是由6个Si原子和6个O原子组成。每个Si原子被12个12元环共用，每个O原子被6个12元环共用，每个Si—O键被6个12元环共用。
1.下列关于SiO2晶体空间结构的叙述中正确的是(　　)
A.最小的环上，有3个硅原子和3个氧原子
B.最小的环上，硅原子数和氧原子数之比为1∶2
C.最小的环上，有6个硅原子和6个氧原子
D.存在四面体结构单元，O原子处于中心，Si原子处于4个顶角
C
解析　SiO2晶体中，每个硅原子与4个氧原子成键，每个氧原子与2个硅原子成键，晶体中的硅氧四面体中Si原子处于中心，O原子处于4个顶角。最小的环是十二元环，环上有6个Si原子、6个O原子，Si、O原子数之比是1∶1。
2.已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于C3N4晶体的说法错误的是(　　)
A.该晶体属于共价晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固
B.该晶体中每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子
C.该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构
D.该晶体与金刚石相似，都是原子间以非极性键形成三维骨架结构
D
解析　C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，该晶体为共价晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固，A正确；碳原子最外层有4个电子，氮原子最外层有5个电子，则该晶体中每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子，B正确；构成该晶体的微粒间只以单键结合，每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子，则晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构，C正确；金刚石只含有非极性共价键，但是C3N4晶体中碳、氮之间以极性共价键结合，原子间以极性键形成三维骨架结构，D错误。
3.(1)单质硅存在与金刚石结构类似的晶体，其中原子与原子之间以___________相结合，其晶胞中共有8个原子，其中在面心位置贡献_______个原子。
(2)金刚砂(SiC)与金刚石具有相似的晶体结构(如图所示)，在金刚砂的空间网状结构中，碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。试回答：
①金刚砂属于___________晶体，金刚砂的熔点比金刚石的熔点____________。
②在金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合了___个碳原子，其键角是______。
③金刚砂的结构中含有共价键形成的原子环,其中最小的环上有_____个硅原子。
共价键
3
共价
低
4
109°28′
3
课后巩固训练
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
(一)共价晶体的概念和组成
1.下列晶体中①SiO2　②CO2　③P4　④晶体硅　⑤H2SO4　⑥P2O5　⑦SO3　
⑧SiC　⑨冰醋酸　⑩金刚石，属于共价晶体的一组是(　　)
A.①③④⑤⑥⑩ B.①④⑧⑩
C.③④⑧⑨⑩ D.全部
B
解析　十种物质中属于分子晶体的有CO2、P4、H2SO4、P2O5、SO3、冰醋酸，其余的四种物质均为共价晶体。
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
解析　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。
D
3.氮氧化铝(AlON)属于共价晶体，是一种高强度透明材料，下列叙述错误的是(　　)
A.AlON和SiO2所含化学键的类型相同
B.电解熔融AlON可得到Al
C.AlON中N元素的化合价为－1
D.AlON和SiO2的晶体类型相同
解析　AlON和SiO2均属于共价晶体，均只含有共价键，A、D项正确；AlON属于共价晶体，熔融时不导电，B项错误；AlON中O为－2价，Al为＋3价，所以N元素的化合价为－1，C项正确。
B
4.美国《科学》杂志曾报道：在40 GPa的高压下，用激光加热到1 800 K，人们成功制得了共价晶体CO2，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.该共价晶体易气化，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
解析　共价晶体具有高硬度，高熔、沸点等性质，不易气化，不可用作制冷材料，B项错误。
B
5.科学家成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的共价晶体，下列关于CO2的共价晶体说法，正确的是(　　)
A.CO2的共价晶体和分子晶体互为同分异构体
B.在一定条件下，CO2共价晶体转化为CO2分子晶体是物理变化
C.CO2的共价晶体和CO2分子晶体具有相同的物理性质和化学性质
D.在CO2的共价晶体中，每一个C原子周围结合4个O原子，每一个O原子跟2个C原子相结合
D
解析　CO2的共价晶体不存在分子形式，与分子晶体不互为同分异构体，故A错误；二氧化碳共价晶体和二氧化碳分子晶体不是一种物质，所以在一定条件下，CO2共价晶体转化为分子晶体是化学变化不是物理变化，故B错误；二氧化碳分子晶体和二氧化碳共价晶体的构成微粒不同，空间构型不同，所以其物理性质和化学性质不同，故C错误；利用知识迁移的方法分析，把二氧化硅结构中的硅原子替换成碳原子，所以在二氧化碳的共价晶体中，每个C原子周围结合4个O原子，每个O原子跟两个C原子相结合，故D正确。
(二)常见共价晶体的结构特征
6.碳有多种同分异构体，其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示，下列说法不正确的是(　　)
A.在石墨烯晶体中，每个正六元环拥有的
共价键和碳原子数之比为3∶2
B.石墨烯中含碳碳双键
C.金刚石晶体中，碳原子采用sp3杂化
D.金刚石晶体中最小的碳环上有6个碳原子
B
7.我们可以将SiO2的晶体结构想象为：在晶体硅的Si—Si之间插入O原子。根据SiO2晶体结构图，下列说法不正确的是(　　)
A.石英晶体中每个Si原子通过Si—O极性键与4个O原子作用
B.每个O原子也通过Si—O极性键与2个Si原子作用
C.石英晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2，可用SiO2来表示石英的组成
D.在晶体中存在石英分子，故能叫分子式
D
解析　晶体硅的结构是五个硅原子形成正四面体结构，其中有一个位于正四面体的中心，另外四个位于四面体的顶角，故SiO2的结构为每个硅原子周围有四个氧原子，A正确；每个氧原子周围有两个硅原子，B正确；在晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2，SiO2仅表示石英的组成，故没有单个的SiO2分子，C正确，D错误。
8.氮化硼(BN)晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相，与石墨相似，具有层状结构，可作高温润滑剂；立方相氮化硼是超硬材料，有优异的耐磨性。它们的晶体结构如图所示，下列关于这两种晶体的说法正确的是(　　)
A.六方相氮化硼与石墨一样可以导电
B.立方相氮化硼含有σ键和π键，所以硬度大
C.两种晶体均为分子晶体
D.六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间结构为平面三角形
D
解析　A项，六方相氮化硼晶体中没有可以自由移动的电子或离子，所以不导电，错误。B项，立方相氮化硼中只含有σ键，错误。C项，立方相氮化硼是共价晶体，错误。D项，由六方相氮化硼的晶体结构可知，每个硼原子与相邻3个氮原子构成平面三角形，正确。
9.现有两组物质的熔点数据如表所示，根据表中数据回答下列问题。
A组 B组
金刚石：3 550 ℃ HF：－83 ℃
晶体硅：1 410 ℃ HCl：－115 ℃
晶体硼：2 300 ℃ HBr：－89 ℃
二氧化硅：1 710 ℃ HI：－51 ℃
(1)A组属于___________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是____________。
(2)B组中HF熔点反常是由于____________________________________________。
(3)B组晶体不可能具有的性质是____________。
①硬度小　②水溶液能导电　③固体能导电　④液体状态能导电
共价
共价键
HF分子间能形成氢键,熔化时需要消耗的能量更多
③④
解析　(1)A组熔点很高，应是共价晶体，共价晶体熔化时破坏的是共价键；(2)B组是分子晶体，且结构相似，一般是相对分子质量越大，熔点越高；HF的相对分子质量最小但熔点比HCl高，出现反常的原因是HF分子间存在氢键，HF熔化时除了破坏分子间作用力，还要破坏氢键，所需能量更高，因而熔点更高；(3)分子晶体在固态和熔化状态都不导电。
B级　素养培优练
10.金刚石、石墨、C60和石墨烯的结构示意图分别如图所示，下列说法不正确的是(　　)
A.金刚石和石墨烯中碳原子的杂化方式不相同
B.金刚石、石墨、C60和石墨烯的关系：互为同素异形体
C.这四种物质完全燃烧后的产物都是CO2
D.石墨与C60的晶体类型相同
D
解析　金刚石中每个碳原子形成4个C—C σ键，金刚石中碳原子采取sp3杂化，石墨烯中每个碳原子形成3个碳碳σ键，碳原子上没有孤电子对，石墨烯中碳原子采取sp2杂化，A项正确；金刚石、石墨、C60和石墨烯是碳元素形成的不同单质，互为同素异形体，B项正确；金刚石、石墨、C60和石墨烯是碳元素形成的不同单质，四种物质完全燃烧后的产物都是CO2，C项正确；石墨不属于分子晶体，C60属于分子晶体，石墨和C60的晶体类型不同，D项错误。
11.金刚石是由碳原子所形成的正四面体结构向空间无限延伸而得到的具有空间网状结构的共价晶体。在立方体中，若一碳原子位于立方体体心，则与它直接相邻的四个碳原子位于该立方体互不相邻的四个顶角上(如图中的小立方体)。请问，图中与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数为多少，它们分别位于大立方体的什么位置(　　)
A.12，大立方体的12条棱的中点
B.8，大立方体的8个顶角
C.6，大立方体的6个面的中心
D.14，大立方体的8个顶角和6个面的中心
A
解析　与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子分别位于大立方体的12条棱的中点，共12个。如图所示：
12.我国科学家预言的T -碳已被合成。T -碳的晶体结构可看作将金刚石中的碳原子用由四个碳原子组成的正四面体结构单元取代所得，金刚石和T- 碳的晶胞如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.金刚石中每个碳原子被12个最小环共用
B.T- 碳晶胞由32个碳原子组成
C.T -碳属于共价晶体
D.T -碳中键角是109°28′
D
13.磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料，如图为其晶胞，其中的每个原子均满足8电子稳定结构。下列说法不正确的是(　　)
A.磷化硼晶体的熔点很高
B.磷化硼晶体的化学式为BP，属于共价晶体
C.磷化硼晶体中每个原子均形成4条共价键
D.磷化硼晶体结构中粒子的空间堆积方式与干冰相同
D
解析　磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料，说明磷化硼是共价晶体，其熔点很高，A正确；由磷化硼晶胞结构可知，每个晶胞含有4个B原子和4个P原子，B、P原子个数之比为1∶1，故磷化硼的化学式为BP，属于共价晶体，B正确；该晶胞配位数为4，即每个原子均形成4条共价键，C正确；干冰晶体是面心立方结构，8个CO2分子位于晶胞顶角，6个CO2分子位于晶胞的6个面心，与磷化硼晶胞结构不同，D错误。
14.碳化硅也叫金刚砂，硬度大，具有耐热性、耐氧化和耐腐蚀性等性能，结构如图，下列叙述不正确的是(　　)
A.碳化硅为共价晶体
B.碳化硅的熔点比金刚石低
C.1 mol碳化硅中含2 mol Si—C
D.碳和硅原子的杂化方式相同
C
解析　碳化硅也叫金刚砂，硬度大，具有耐热性，碳化硅为共价晶体，A正确；碳化硅和金刚石都是共价晶体，Si原子半径大于C原子，Si—C键的键长比C—C键的长，键能小，故碳化硅的熔点比金刚石低，B正确；碳化硅中，1个C和4个Si形成4个Si—C，故1 mol碳化硅中含4 mol Si—C，C错误；碳化硅中，碳和硅都形成了4个键，其中碳和硅原子都采取sp3杂化，D正确。
15.请按要求填空：
(1)C、N元素形成的新材料具有如图所示的晶胞结构，该晶体的化学式为____________。
C3N4
(2)氮化碳和氮化硅晶体结构相似，是新型的非金属高温陶瓷材料，它们的硬度大、熔点高、化学性质稳定。
①氮化硅的硬度____________(填“大于”或“小于”)氮化碳的硬度，原因是____________________________________________________________________
_____________________________________________________。
②已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且氮原子与氮原子不直接相连、硅原子与硅原子不直接相连，同时每个原子都满足最外层8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式：__________。
小于
硅原子半径大于碳原子半径，氮原子和碳原子形成的共价键键长比氮原子和硅原子形成的共价键键长短，故氮碳键的键能大，硬度大
Si3N4
解析 (2)②N的最外层电子数为5，要满足8电子稳定结构，需要形成3个共价键，Si的最外层电子数为4，要满足8电子稳定结构，需要形成4个共价键，所以氮化硅的化学式为Si3N4。
(3)第ⅢA、ⅤA族元素组成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的新型半导体材料，其晶体结构与晶体硅相似。在GaN晶体中，每个Ga原子与____________个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为____________，GaN属于____________晶体。
4
正四面体形
共价
解析 (3)GaN的晶体结构与晶体硅相似，则GaN属于共价晶体，每个Ga原子与4个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为正四面体形。
解析 (3)GaN的晶体结构与晶体硅相似，则GaN属于共价晶体，每个Ga原子与4个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为正四面体形。

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