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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
第二课时　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。2.认识共价晶体中的微粒及其 微粒间的相互作用。3.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。
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研习任务一　共价晶体的概念及性质
教材　认知
1. 共价晶体的概念
晶体中相邻原子间都以 结合，整个晶体是许多共价键三维骨架结构，叫作 共价晶体。
2. 共价晶体的结构特点及性质
（1）构成微粒及微粒间作用
共价键　
①由于共价键的 和 ，使每个中心原子周围排列的原子数目是固 定的。
②由于所有原子间均以共价键相结合，所以晶体中不存在 分子。其化学式不 是 ，仅表示该物质中原子个数比。
饱和性　
方向性　
单个　
分子式　
（2）结构特点
（3）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 ，硬度 很 ， 溶于常见溶剂，一般 导电。
②结构相似的共价晶体，原子半径越 ，键长越 ，键能越 ，晶体的 熔点越 ，硬度越 。
高　
大　
难　
不　
小　
短　
大　
高　
大　
（4）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。

√

探究　活动
[问题探讨]
1. 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？
提示：由于金刚石、晶体硅和锗的结构相似，原子半径：C＜Si＜Ge，键长： C—C＜Si—Si＜Ge—Ge，键能：C—C＞Si—Si＞Ge—Ge，所以三者的熔点和 硬度依次下降。
2. “具有共价键的晶体叫做共价晶体”，这种说法对吗？为什么？
提示：此说法不对。“具有共价键”并不是判定共价晶体的唯一条件，有些分子晶体 的分子内部也有共价键，如冰和干冰晶体都是分子晶体，但H2O和CO2中存在共价 键。对共价晶体的认识除了要求“具有共价键”外，还要求形成晶体的粒子是原子。
应用　体验
A. 冰 B. 石英
C. 干冰 D. 白磷
解析：水形成晶体的类型是分子晶体，物态变化时破坏的是氢键及范德华力，A不符 题意；石英是SiO2，晶体类型是共价晶体，原子间以共价键相连，熔融时破坏的是共 价键，B符合题意；干冰和白磷都是分子晶体，熔融时需破坏的是范德华力，故C、D 不符题意。
B
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：共价晶体中原子之间通过共价键相连，在共价晶体中只存在共价键，故A正 确；共价晶体是相邻原子之间通过共价键结合而形成的空间网状结构的晶体，故B正 确；共价晶体是由原子以共价键相结合而形成的，不存在独立的分子，故C正确；共 价晶体是原子间通过共价键结合而形成的，熔化时需要破坏共价键，故D错误。
D
①干冰　②SiO2　③晶体硅　④白磷　⑤氨基乙酸　⑥固态He
A. ①②③④⑤⑥ B. ②③④⑥
C. ②③ D. ①②⑤⑥
解析：干冰、白磷、氨基乙酸和固态He属于分子晶体，SiO2和晶体硅属于共价晶体。 故选C。
C
A. 六方氮化硼转化为立方氮化硼是物理变化
B. 立方氮化硼（BN）中氮元素的化合价为＋3价
C. 和Si—Si相比，B—N的键长更长
D. 立方氮化硼比晶体硅的熔点更高，硬度更大
D
解析：由题干信息可知，六方氮化硼和立方氮化硼的结构不同，性质不同，故六方氮 化硼转化为立方氮化硼有新物质生成，故是化学变化，A错误；由于N的电负性强于B 的，故立方氮化硼（BN）中氮元素的化合价为－3价，B错误；共价键的键长是指两 原子的核间距，近似等于两原子半径之和，由于Si的半径大于B和N的，故和Si—Si相 比，B—N的键长更短，C错误；由于Si的半径大于B和N的，故立方氮化硼中B—N的 键长比晶体硅中Si—Si的键长更短，键能更大，故立方氮化硼比晶体硅的熔点更高， 硬度更大，D正确。
A. 熔点从高到低的顺序是金刚石＞碳化硅＞晶体硅
B. 熔点从高到低的顺序是金刚石＞晶体硅＞碳化硅
C. 三种晶体中的结构单元都是三角锥结构
D. 三种晶体都是共价晶体且均为电的良导体
解析：碳化硅的晶体有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的，这 说明碳化硅形成的晶体是共价晶体。形成共价晶体的原子半径越小，共价键越强，其 熔沸点越高。原子半径：C＞Si，则熔点从高到低的顺序是金刚石＞碳化硅＞晶体 硅，A正确，B错误；三种晶体中的结构单元都是四面体结构，C错误；三种晶体都是 共价晶体且均不是电的良导体，D错误。
A
判断晶体类型（共价晶体和分子晶体）的方法
（1）依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力判断
组成共价晶体的粒子是原子，粒子间的作用力是共价键；组成分子晶体的粒子是分 子，粒子间的作用力是分子间作用力。
（2）依据物质的类别判断
①常见的共价晶体有：金刚石、晶体硼、晶体锗等单质；SiO2、SiC、BN、AlN、 Si3N4等化合物。新型无机非金属材料“家庭”的成员（如Si3N4、BN等）熔点高、硬 度大、耐高温、抗氧化，它们大多属于共价晶体。　
②大多数非金属单质（金刚石、石墨、晶体硅等除外）、气态氢化物、非金属氧化物 （SiO2除外）、酸、绝大多数有机物（有机盐除外）都是分子晶体。
（3）依据晶体的熔点判断
共价晶体的熔、沸点高，常在1 000 ℃以上；分子晶体的熔、沸点低，常在数百摄氏 度以下甚至更低。
（4）依据物质的状态判断
一般常温下呈气态或液态的单质（Hg除外）与化合物，其呈固态时都属于分子 晶体。
（5）依据物质的挥发性判断
一般易挥发的物质呈固态时都属于分子晶体。
（6）依据导电性判断
分子晶体为非导体，但部分分子晶体溶于水后能够导电；共价晶体多数为非导体，但 晶体硅、晶体锗是半导体。
（7）依据硬度和机械性能判断
共价晶体的硬度大，分子晶体的硬度小且较脆。　
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研习任务二　常见共价晶体结构分析
教材　认知
1. 金刚石
在金刚石晶体中，每个碳原子都采取 杂化，每个碳原子都被相邻的4个碳原子 包围，以共价键跟4个碳原子结合，形成 ，被包围的碳原子处于正四面 体的中心。这些正四面体向空间发展，构成一个坚实的、彼此连接的三维骨架结构的 晶体（如图甲）。
　　
sp3　
正四面体　
（1）金刚石晶体中所有的C—C键键长 ，
键能相等，键角相等；均为 .
（如图乙）。
相等　
109°28'　
（2）晶体中最小的碳环由 碳原子组成且不在同一平面内。
（3）晶体中每个C参与了4个C—C的形成，而在每个键中的贡献只有一半，故C原子 个数与C—C的数目之比为 ＝ 。即1 mol（12 g）金刚石中 含有C—C共价键数为 。
6个　
1∶2　
2 NA　
12　
0.5　
2. 二氧化硅
　　
（1）二氧化硅晶体
①1个Si原子和 个O原子形成4个 ，每个O原子和 个Si原子 相结合。
②1 mol SiO2中含 mol Si—O。
③最小环由 个Si原子和 个O
原子组成。
④每个Si原子被 个12元环共用，
每个O原子被 个12元环共用。
4　
共价键　
2　
4　
6　
6　
12　
6　
（2）低温石英
低温石英的结构中有顶角相连的 形成螺旋上升的长链，这一结构决定 了它具有 。
硅氧四面体　
手性　
探究　活动
[问题探讨]
下面是金刚石的多面体外形及晶体结构：
　　
1. 金刚石晶体中有没有分子？晶体中碳原子之间的结合力是什么？
提示：金刚石晶体中不存在分子，存在的是碳原子。晶体中碳原子之间以共价键（σ 键）结合。
2. 金刚石晶体中每个碳原子与几个碳原子相结合？这些碳原子之间形成的空间结构 是什么？碳原子的杂化轨道类型是什么？
提示：金刚石晶体中，每个碳原子与相邻的4个碳原子以共价键相结合，它们形成的 空间结构是正四面体形，碳原子采取sp3杂化。
3. 为什么金刚石的熔点高，硬度大？
提示：金刚石晶体中C—C共价键的键能很大，熔化时需破坏共价键，故金刚石的熔 点高，硬度最大。
应用　体验
A. 共价晶体干冰的熔、沸点很高
B. 共价晶体干冰易升华，可用作制冷材料
C. 共价晶体干冰的硬度大，可用作耐磨材料
D. 1 mol共价晶体干冰中含4 mol C—O
解析：题中已经指出制得的干冰是“共价晶体”，则共价晶体干冰熔、沸点高，A正 确；共价晶体干冰熔、沸点高，不易升华，B错误；题中已经指出制得的干冰是“共 价晶体”，则共价晶体干冰硬度大，C正确；共价晶体干冰结构与SiO2结构类似，则1 mol共价晶体干冰中含4 mol C—O，D正确。
B
A. 金刚石和二氧化硅晶体的最小结构单元都是正四面体
B. 含1 mol C的金刚石中C—C数目是2 NA，1 mol SiO2晶体中Si—O数目是4 NA
C. 水晶和干冰在熔化时，晶体中的共价键都会断裂
D. SiO2晶体是共价晶体，所以晶体中不存在分子，SiO2不是它的分子式
C
3. （2024·石嘴山第三中学高二期中）二氧化硅晶体是空间立体网状结构，如图 所示：
C
A. CO2与SiO2两种晶体熔沸点相差不大
B. 二氧化硅晶体的最小环为六元环
C. 晶体中Si、O原子最外电子层都满足8电子结构
D. 晶体中Si原子与O原子的个数比为2∶1
解析：CO2晶体是分子晶体，SiO2晶体是原子晶体，两者熔沸点相差很大，故A错 误；SiO2晶体的最小环为十二元环，即6个Si原子和6个O原子组成，故B错误；经过分 析可知，在SiO2晶体中，硅原子与氧原子最外层都达到了8电子稳定结构，故C正确； 晶体中Si原子与O原子的个数比为1∶2，故D错误。
A. 氮化碳属于共价晶体
B. 氮化碳的化学式为C3N4
C. 碳、氮原子均采取sp3杂化
D. 1 mol氮化碳中含有4 mol N—C
D
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课堂强研习 合作学习 精研重难
课时作业
A. 熔点2 700 ℃，导电性好，延展性强
B. 无色晶体，熔点3 550 ℃，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－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电
解析：导电性、延展性好不是共价晶体的特征，因为共价晶体中原子与原子之 间以共价键结合，熔、沸点很高，而共价键有一定的方向性，使共价晶体质硬 而脆，A项不符合，B项符合共价晶体的特征；C项不符合共价晶体的特征；D项 符合分子晶体的特征。
B
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AlCl3 SiCl4 晶体硼 金刚石 晶体硅
熔点/℃ 190 －60 2 300 3 550 1 410
沸点/℃ 183 57 2 550 4 827 2 355
A. SiCl4是分子晶体
B. 晶体硼是共价晶体
C. AlCl3是分子晶体，加热能升华
D. 金刚石中的C—C比晶体硅中的Si—Si弱
D
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解析：由题表中数据可知，SiCl4的熔、沸点较低，属于分子晶体，故A正确； 晶体硼的熔、沸点很高，所以晶体硼是共价晶体，故B正确；由题表中数据可 知，AlCl3的熔点比沸点高，所以AlCl3加热能升华，故C正确；C原子半径小于 Si的原子半径，金刚石中的C—C键长比晶体硅中的Si—Si键长短，键能也大， C—C比Si—Si强，故D错误。
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①SiO2和SO3　②金刚石和白磷　③CO2和SO2　④晶体硅和金刚石　⑤晶体氖和晶体 氮　⑥硫黄和单质碘
A. ①②③ B. ④⑤⑥
C. ③④⑥ D. ①③⑤
解析：属于分子晶体的有SO3、CO2、SO2、白磷、晶体氖、晶体氮、硫黄和单质碘， 属于共价晶体的有SiO2、晶体硅和金刚石，但晶体氖是由稀有气体单原子分子组成， 晶体中不存在化学键，故C正确。
C
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A. CO2的共价晶体中存在范德华力
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. 每1 mol CO2共价晶体中含有2 NA个π键
D. CO2的共价晶体中，每个C原子周围结合4个O原子，每个O原子与2个C原子相结合
解析：二氧化碳共价晶体中只存在共价键，不存在范德华力，故A错误；二氧化碳共 价晶体和分子晶体的晶体类型不同，化学键也不相同，共价晶体转化为分子晶体时存 在化学键的断裂和生成，属于化学变化，故B错误；二氧化碳共价晶体与SiO2晶体结 构类似，每个碳原子与4个氧原子形成4个σ键，每个氧原子与2个碳原子形成2个σ键， 晶体中不存在π键，故C错误，D正确。
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A. 在含4 mol Si—O二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4 NA
B. 金刚石晶体中，碳原子数与C—C数目之比为1∶2
C. 30 g二氧化硅晶体中含有0.5 NA个二氧化硅分子
D. 晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的共价晶体
解析：在含4 mol Si—O二氧化硅晶体中，含Si原子是1 mol，由化学式SiO2知，在含4 mol Si—O二氧化硅晶体中，含氧原子的数目为2 NA，A错误；在金刚石晶体中，碳原 子与相邻的4个C原子形成4个C—C，每个C—C为形成共价键的2个C所共有，所以C 原子数与C—C数目之比为1∶2，B正确；二氧化硅晶体属于共价晶体，无二氧化硅分 子，C错误；晶体硅是由相应原子直接构成的共价晶体，而晶体氖则属于分子晶体， 构成微粒是分子，1个Ne原子就是1个分子，D错误。
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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. 该晶体与金刚石相似，碳原子个数与碳氮单键之比为1∶2
D. 该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构
C
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解析：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，则 C3N4晶体为共价晶体，碳最外层有4个电子，氮最外层有5个电子，则每个碳原子连接 4个氮原子、每个氮原子连接3个碳原子。晶体具有比金刚石还大的硬度，则该晶体属 于共价晶体，C—N键长比C—C键长短，键能大，故其化学键比金刚石更牢固，A正 确；由以上分析知，B正确；根据以上分析可知该晶体中碳原子个数与碳氮单键之比 为1∶4，C错误；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，D 正确。
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A. 磷化硼的化学式为BP，其晶体属于分子晶体
B. 磷化硼晶体的熔点高，且熔融状态下能导电
C. 磷化硼晶体中每个原子均参与形成4个共价键
D. 磷化硼晶体在熔化时需克服范德华力
C
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A. 11B和10B互为同位素
B. N原子周围等距且最近的B原子数为8
C. 该晶胞中含有4个B原子，4个N原子
D. 立方氮化硼晶体属于共价晶体
B
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A. T－碳与石墨、金刚石互为同分异构体
B. T－碳晶体与金刚石晶体类似，属于共价晶体
C. T－碳晶体和金刚石晶体中含有的化学键不同
D. T－碳与金刚石中的碳原子采取的杂化方式不同
B
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解析：根据题干信息和T－碳的晶胞分析可知，T－碳是由C元素组成的单质，与石 墨、金刚石互为同素异形体，A项错误；T－碳可以看作金刚石结构中的一个碳原子 被四个碳原子构成一个正四面体结构单元替代，属于共价晶体，B项正确；T－碳晶 体和金刚石晶体中含有的化学键均是共价键，C项错误；T－碳与金刚石中的碳原子 均采取sp3杂化，杂化方式相同，D项错误。
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A. SiC晶体中碳原子和硅原子均采用sp3杂化
B. 硅单质的熔点低于2 700 ℃
C. 距离硅原子最近的硅原子数为4
C
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11. 单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答问题：
晶体 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 。
解析：（1）从题表可知，晶体硼是共价晶体，熔、沸点高硬度大。
共价　
晶体硼的熔、沸点高，硬度大
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（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）。
C　
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的个数之比为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
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解析：（2）金刚石是共价晶体，CH4是分子晶体，两者的晶体类型不同，A错 误；金刚石熔化过程中C—C断裂，因C—C的键能大，断裂时需要的能量多，故 金刚石的熔点很高，B错误；金刚石中每个C都参与了4个C—C的形成，而每个 碳原子对每条键的贡献只有一半，故碳原子个数与C—C的个数之比为1∶2，C 正确；金刚石的熔点高，但在打孔过程中会产生很高的温度，如不浇水冷却钻 头，会导致钻头熔化，D错误。
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（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　
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共价晶体　
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