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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
课程标准 核心素养目标
1.借助共价晶体模型认识晶体的结构特点。
2．能结合实例说明共价晶体中的粒子及其粒子间的相互作用。 1.宏观辨识与微观探析：能结合具体实例，说明共价晶体的粒子间相互作用与其性质(熔点、硬度等)的关系。
2．证据推理与模型认知：知道共价晶体的结构特点，认识金刚石晶体中碳原子的三维骨架结构，借助共价晶体模型说明共价晶体中粒子间的相互作用。
一、共价晶体及其性质
1．共价晶体及作用力
2．常见的共价晶体
3．共价晶体的物理性质
(1)共价晶体大都具有_________、_________的特性，这与共价晶体中原子形成的_________三维骨架结构有关。
(2)共价晶体大多不能导电，但晶体硅是半导体。
(3)共价晶体一般难溶于一些常见的溶剂，如水、CCl4等。
高硬度
高熔点
共价键
二、典型共价晶体的结构及特点
1．金刚石的结构
(1)晶体的结构及晶胞结构
(2)结构特点
①在金刚石晶体中，每个碳原子以4个____________对称地与相邻的4个碳原子结合，C—C—C夹角为________________，即金刚石中的碳采取____杂化轨道形成共价键三维骨架结构。
②金刚石中的C—C共价键的键长______，键能______，这一结构使金刚石在所有已知晶体中硬度______，而且熔点也很高。
共价单键
109°28′
sp3
很短
很大
最大
2．二氧化硅晶体的结构
(1)晶体的结构及晶胞结构
(2)结构特点
①在二氧化硅晶体里，硅原子和氧原子交替排列，只有Si—O，即一个硅原子与四个氧原子形成4条共价键，每个氧原子与两个硅原子形成2条共价键。
②在低温石英的结构中，顶角相连的_______________形成螺旋上升的长链，这一结构决定了它具有______(左、右型)，被广泛用作压电材料。
硅氧四面体
手性
(3)重要用途
SiO2具有许多重要用途，是制造_____、______、单晶硅、__________、芯片和____________的原料。
水泥
玻璃
硅光电池
光导纤维
◆名师点拨
共价晶体中共价键的作用
(1)共价晶体是直接由原子通过共价键结合形成的晶体，只存在共价键一种作用力。
(2)共价晶体中不存在单个的小分子，其化学式表示晶体中原子的最简单整数比。
(3)共价晶体在受热熔化时，破坏的作用力是共价键，故共价晶体的熔点很高。
(4)共价晶体中只含共价键，但含有共价键的晶体不一定是共价晶体，如冰、干冰等分子晶体都含有共价键。
◆拓展延伸
共价键对共价晶体的熔点和硬度的影响
(1)对于结构相似的共价晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，共价晶体越稳定，其熔点越高、硬度越大。
(2)示例：以金刚石、碳化硅和晶体硅为例，原子半径：C＜Si，则键长：C—C＜C—Si＜Si—Si，键能：C—C＞C—Si＞Si—Si，因此，金刚石、碳化硅和晶体硅的熔点和硬度依次下降。
◆名师点拨
金刚石的结构分析
(1)金刚石中最小碳环由6 个碳原子形成，每个碳原子都采取sp3杂化，故六元碳环中6个碳原子不共平面。
(2)晶体中每个碳原子被12个六元碳环共用，每条C—C被2个碳原子共用。
◆名师点拨
二氧化硅晶体的分析
(1)在SiO2晶体中，最小的环是由6个Si原子和6个O原子形成的十二元环。
(2)在SiO2晶体中，每个Si原子与周围的4个O原子形成Si—O，故1 mol SiO2中含有4 mol Si—O。
◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”)
(1)具有共价键的晶体叫做共价晶体(　　　)
(2)共价晶体中原子都以非极性键相结合形成三维骨架结构(　　　)
(3)大多共价晶体的熔点高、硬度大，难溶于水(　　　)
(4)SiO2晶体的熔点高于SiCl4晶体，其原因是Si—O的键长短、键能大(　　　)
×
×
√
×
探究一__共价晶体与分子晶体的比较

科学家在40 GPa的高压下，将CO2在微米级的红宝石芯片上或者在铂薄膜上转化为具有类似SiO2结构的共价晶体。该晶体强烈发射Nd：YLF激光的二级谐振频率，这一性质引起人们对这种晶体在光电子学方面应用的浓厚兴趣。
[问题设计]
(1)碳和硅同处于元素周期表的第ⅣA族，为什么CO2晶体的熔点很低，而SiO2晶体的熔点很高？
提示：CO2晶体是分子晶体，分子之间存在较弱的分子间作用力；SiO2晶体是共价晶体，原子之间通过共价键结合，破坏共价键需要很高能量。
(2)高压下，CO2转变为共价晶体过程中，共价键如何变化？
提示：断裂CO2分子内的π键，形成C—O σ键。
(3)在CO2共价晶体中，碳、氧原子分别采取哪种杂化方式？晶体内是否仍存在CO2分子？
提示：C、O均采取sp3杂化；不存在CO2分子。
共价晶体与分子晶体组成与性质的比较
【例1】 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。下列有关这种CO2共价晶体的说法正确的是 (　　　)
A.CO2的共价晶体和分子晶体互为同素异形体
B.在一定条件下，CO2共价晶体转化为分子晶体是物理变化
C.CO2的共价晶体和分子晶体具有相同的物理性质
D.在CO2的共价晶体中，每个碳原子周围结合4个氧原子，每个氧原子与2个碳原子相结合
D
解析：
同素异形体是同种元素形成的不同单质的互称，CO2是化合物，故不是同素异形体，A错误；CO2的共价晶体和分子晶体的结构不同，转化过程涉及共价键的断裂与形成，故二者的转化是化学变化，B错误；CO2的共价晶体的熔点高、硬度大，而CO2的分子晶体的熔点低、硬度小，C错误；类似于SiO2晶体，在CO2的共价晶体中，每个碳原子与4个氧原子成键，每个氧原子与2个碳原子成键，D正确。
1．氮化硼具有抗化学侵蚀性质，不易被无机酸和水侵蚀，硬度很高，与金刚石接近。右图是一种纳米立方氮化硼的晶胞结构。以下说法错误的是 (　　　)
A.纳米立方氮化硼熔点较低
B.氮原子的配位数为4
C.硼原子的2s和2p原子轨道发生sp3杂化
D.纳米立方氮化硼属于共价晶体，可加工制成超硬材料
A
解析：
氮化硼的硬度与金刚石相近，则属于共价晶体，其熔点很高，A错误；由氮化硼的晶胞结构可知，氮原子的配位数为4，B正确；硼原子的核外电子排布式为1s22s22p1，该晶体中硼原子的2s轨道和2p轨道发生sp3杂化，形成4个sp3杂化轨道，形成4个共价键，C正确；纳米立方氮化硼属于共价晶体，其硬度很高，可加工制成超硬材料，D正确。
2．下列判断正确的是 (　　　)
A.硬度：金刚石<碳化硅<晶体硅
B.沸点：SiCl4＞SiBr4＞SiI4
C.键的极性：Cl—I＞Br—I
D.热稳定性：HF＜HCl＜HBr
C
解析：
由于原子半径：C＜Si，所以键长：C—C＜C—Si＜Si—Si，键长越短，共价键键能越大，硬度越大，因此硬度大小为金刚石＞碳化硅＞晶体硅，A错误；相对分子质量越大，分子晶体的沸点越高，因此沸点大小为SiCl4＜SiBr4＜SiI4，B错误；电负性强弱为Cl＞Br，则共价键极性大小为Cl—I＞Br—I，C正确；非金属性越强，最简单氢化物的稳定性越强，非金属性强弱为F>Cl>Br，热稳定性强弱为HF＞HCl＞HBr，D错误。
探究二__典型共价晶体的结构及分析

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。金刚石具有诸多优良性质，如熔点高，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？
[问题设计]
(1)结合金刚石的结构，利用均摊法计算金刚石中六元碳环含有的碳原子数及C—C数目。
(2)分析金刚石晶胞结构，确定碳原子在晶胞中的位置，并计算每个晶胞中含有碳原子的个数。
1．对比金刚石、晶体硅和二氧化碳晶体的结构
若以硅原子替代金刚石晶体结构中的碳原子，即可得到晶体硅的结构；若将晶体硅中的每个Si—Si中间插入一个氧原子，即可得到以硅氧四面体为骨架的二氧化硅晶体的结构，如图所示：
2．金刚石型晶胞结构的分析
【例2】 天然的金刚石经常呈现规则多面体的外形，其晶体结构如图所示。下列说法正确的是 (　　　)
A.金刚石晶体中的最小碳原子环由6个碳原子构成
B.金刚石晶体中的碳原子是sp2杂化
C.12 g金刚石中所含 C—C个数为4NA
D.金刚石化学性质稳定，即使在高温下也不和O2反应
A
解析：
3．SiO2晶体的网状结构如图所示，下列关于SiO2晶体的叙述正确的是 (　　　)
A.通常状况下，60 g SiO2晶体中含有的分子数为NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)
B.60 g SiO2晶体中，含有2NA个Si—O
C.晶体中与同一硅原子相连的4个氧原子处于同一四面体的4个顶角
D.SiO2晶体中含有1个硅原子和2个氧原子
C
解析：
SiO2晶体属于共价晶体，由原子构成，不含分子，A错误；60 g SiO2晶体即1 mol SiO2，晶体中含有Si—O的物质的量为4 mol(每个硅原子、氧原子分别含有4个、2个未成对电子，各拿出一个单电子形成Si—O共价键)，含4NA个Si—O，B错误；在SiO2晶体中，每个硅原子和与其相邻且最近的4个氧原子形成正四面体结构，硅原子处于该正四面体的中心，而4个氧原子处于该正四面体的4个顶角上，C正确；SiO2晶体中硅、氧原子个数比为1∶2，但不是只含有1个硅原子和2个氧原子，D错误。
1．以下晶体中，通过极性共价键形成共价晶体的是 (　　　)
A.金刚石晶体 B．氯化钠晶体
C.二氧化硅晶体 D．干冰晶体
C　
解析：
金刚石晶体为碳单质，存在非极性共价键，A错误；氯化钠是离子化合物，存在离子键，不存在共价键，B错误；二氧化硅晶体为共价晶体，含Si—O极性共价键，C正确；干冰晶体为分子晶体，D错误。
2．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，延展性好
B.无色晶体，熔点大于3 500 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂
C.无色晶体，易升华，能溶于水， 熔融时不导电
D.沸点为－78 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电
B　
解析：
导电性好、延展性好是金属的物理通性，不是共价晶体，A错误；熔点高、质硬，难溶于水和有机溶剂是共价晶体的物理通性，B正确；易升华，能溶于水， 熔融时不导电，则该晶体是分子晶体，C错误；熔点低、硬度小，固态或液态时不导电，说明该晶体是分子晶体，D错误。
C　
解析：
解析：
4．在高压下氮气会发生聚合得到高聚氮，这种高聚氮中每个氮原子都通过三个单键与其他氮原子结合并向空间发展构成立体网状结构，其中N—N的键能为160 kJ/mol(N2中N≡N的键能为942 kJ/mol)，其晶体片段结构如图所示。下列说法错误的是 (　　　)
A.高聚氮比氮气稳定
B.高聚氮为共价晶体
C.高聚氮与N2互为同素异形体
D.氮原子之间的化学键为非极性键
A　
解析：
高聚氮中的N—N的键能(160 kJ/mol)小于N2中N≡N的键能(942 kJ/mol)，则氮气比高聚氮稳定，A错误；高聚氮中每个氮原子都通过三个单键与其他氮原子结合并向空间发展构成立体网状结构，高聚氮为共价晶体，B正确；高聚氮和N2都是氮元素的单质，二者互为同素异形体，C正确；氮原子之间的化学键为非极性键，D正确。
5．下表是某些共价晶体的熔点和硬度，分析表中的数据，判断下列叙述正确的是 (　　　)
D　
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构成共价晶体的原子半径越大，晶体的硬度越大
④构成共价晶体的原子半径越小，晶体的硬度越大
A．①④ B．②③
C．①③ D．②④
解析：
共价晶体的熔点、沸点和硬度等物理性质取决于晶体内的共价键，构成共价晶体的原子半径越小，键长越短，键能越大，对应共价晶体的熔点、沸点越高，硬度越大。

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