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第3章　不同聚集状态的物质与性质
第2节　几种简单的晶体结构模型
第2课时　共价晶体
1.知道共价晶体的概念,能够从共价晶体的结构特点理解其物理特性。
2.学会晶体熔、沸点比较的方法。
学习目标
共价晶体
知能通关
1.概念
相邻原子间以　　　　　　结合而形成的具有　　　　　　　　结构的晶体。
2.结构特点
(1)共价晶体(如金刚石)中,在每个碳原子周围排列的其他碳原子只能有_____个,这是由共价键的　　　　与　　　　决定的。
(2)由于所有原子间均以　　　　相结合,所以晶体中不存在单个分子。
共价键
空间立体网状
四
饱和性
方向性
共价键
3.常见的共价晶体及所属物质类别
物质类别 实例
某些非金属单质 晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等
某些非金属化合物 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等
某些氧化物 二氧化硅(SiO2)等
4.物理性质
(1)一般熔点　　　,硬度　　　。
(2)结构相似的共价晶体,原子半径越小,共价键键长越短,键能越大,晶体的熔点越　　　。
较高
较大
高
5.典型共价晶体的结构
(1)金刚石(C)
①碳原子采取　　　　杂化,C—C键键角为　　　　。
②每个碳原子与周围紧邻的　　　　个碳原子以共价键结合成　　 　　结构,向空间伸展形成空间网状结构。
sp3
109°28'
4
正四面体
(2)碳化硅(SiC)
把金刚石中的C原子换成Si与C原子相互交替,就得到碳化硅的结构。晶体中Si与C原子个数比为　　　　。
(3)二氧化硅晶体(SiO2)
①Si原子采取　　　　杂化,正四面体内O—Si—O键角为　　　　。
②每个Si原子与4个O原子形成4个共价键,Si原子位于正四面体的中心,_____原子位于正四面体的顶点,同时每个O原子被　　　　个硅氧正四面体共用;每个O原子和　　　　个Si原子形成　　　　个共价键,晶体中Si原子与O原子个数比为　　　　　　。
1∶1
sp3
109°28'
O
2
2
2
1∶2
下列说法正确的是　　　　。
①含有共价键的晶体不一定是共价晶体
②二氧化硅晶体的化学式为SiO2,也可以表示其分子式
③硬度很大、熔点很高的晶体可能是共价晶体
④共价晶体都不导电
⑤1 mol金刚石晶体中含有4 mol C—C键
⑥1 mol SiO2晶体中含4 mol Si—O键
⑦金刚石中,最小的碳环上含有4个碳原子
①③⑥
小题对点过
1.手机使用的芯片主要成分是晶体Si。下列固体与其晶体类型相同的是(　　)
A.金刚石 B.金属铁
C.足球烯 D.氯化钠
解析　金刚石为共价晶体,A符合题意;铁为金属晶体,B不符合题意;足球烯为分子晶体,C不符合题意;氯化钠为离子晶体,D不符合题意。
A
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。其结构如右图所示,下列判断正确的是(　　)
A.金刚石中C—C键之间的夹角均为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键的键能无关
C.金刚石中碳原子数目与C—C键数目之比为1∶2
D.金刚石的熔点高,所以用金刚石钻头打孔过程中不需要进行浇水冷却
C
3.二氧化硅有晶体和无定形两种形态,晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。除石英外,SiO2还有磷石英和方英石等多种变体。方英石结构和金刚石相似,其结构单元如图。下列有关说法正确的是(　　)
A.方英石晶体中存在着SiO2结构单元
B.1 mol Si形成2 mol Si—O键
C.图示结构单元中实际占有18个硅原子
D.方英石晶体中,Si—O键之间的夹角为109°28'
D
1.共价晶体的判断依据
(1)根据共价晶体的构成微粒和微粒间作用力判断。
(2)根据共价晶体的物理性质判断。
由于共价晶体中原子间以较强的共价键相结合,故共价晶体:①熔点很高;②硬度大;③一般不导电;④难溶于溶剂。
(3)记住常见的共价晶体。
2.理解共价晶体的几个注意点
(1)共价晶体的熔、沸点不一定高于金属晶体和离子晶体。如MgO(2 800 ℃)>SiO2(1 713 ℃)、钨(3 410 ℃)>SiO2(1 713 ℃)。
(2)共价晶体中只存在共价键,不存在离子键和范德华力。
(3)碳化硅晶体与金刚石结构相似,其空间结构中碳原子和硅原子交替排列。碳原子和硅原子个数之比为1∶1。
课堂 达标训练
1.下列有关共价晶体的叙述错误的是(　　)
A.共价晶体中,原子不按紧密堆积排列 B.共价晶体具有空间立体网状结构
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,而共价键具有方向性和饱和性,所以共价晶体中,原子不遵循紧密堆积原理;B项,共价晶体是相邻原子之间通过共价键结合而形成的空间立体网状结构的晶体;C项,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;D项,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。
D
2.碳化硅(SiC)晶体结构与金刚石相似,俗称金刚砂。下列说法正确的是(　　)
A.SiC晶体中硅、碳元素的质量比为1∶1
B.SiC晶体的熔点较高
C.SiC晶体的硬度较小
D.SiC属于分子晶体
解析　SiC晶体中硅、碳元素的质量比为28∶12=7∶3,A项错误;SiC晶体结构与金刚石相似,属于共价晶体,熔点较高,硬度较大,B项正确;C项错误;SiC晶体结构与金刚石相似,属于共价晶体,D项错误。
B
3.根据下列物质的性质,判断其属于共价晶体的是(　　)
A.熔点为2 700 ℃,导电性强,延展性强
B.无色晶体,熔点为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.熔点为-56.6 ℃,微溶于水,硬度小,固态或液态时不导电
解析　共价晶体一般不导电,没有延展性,A项错误;共价晶体难溶于水,C项错误;共价晶体一般熔点很高,硬度很大,D项错误。
B
4.氮化碳部分结构如图所示,其中β 氮化碳的硬度超过金刚石晶体,成为首屈一指的超硬新材料。下列有关氮化碳的说法错误的是(　　)
A.β 氮化碳属于共价晶体,其化学键比金刚石的更稳定
B.该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子稳定结构
C.β 氮化碳的化学式为C3N4,其中氮显-3价,碳显+4价
D.该晶体与金刚石空间网状结构相似,原子间都是以极性共价键结合形成的
D
5.(2025·青岛高二月考)某些共价晶体的熔点如下表所示:
根据上表中的数据回答下列问题:
(1)从原子结构角度分析,金刚石、硅、锗的熔点逐渐降低的原因是
　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(2)ⅣA族与ⅤA族元素组成的晶体多是共价晶体,如氮化碳、氮化硅等。写出氮化碳、氮化硅的熔点大小关系:　　　　　　(用化学式表示)。
碳、硅、锗的原子半径逐渐增大,共价键键能逐渐减小
共价晶体 金刚石 氮化硼 硅 锗
熔点/℃ >3 500 3 000 1 412 1 211
C3N4>Si3N4
解析　(1)金刚石、硅、锗晶体的结构相似,都属于共价晶体,由于碳、硅、锗的原子半径逐渐增大,共价键的键能逐渐减小,所以金刚石、硅、锗的熔点逐渐降低。(2)由于C的原子半径比Si的原子半径小,则键长:C—N键Si—N>键,故熔点:C3N4>Si3N4。
课时精练17
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
1.下列事实能说明刚玉(Al2O3)是一种共价晶体的是(　　)
①Al2O3是两性氧化物　②硬度很大 ③它的熔点为2 045 ℃　
④几乎不溶于水 ⑤自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石
A.①②③ B.②③④ C.④⑤ D.②⑤
解析　①指的是Al2O3的分类,⑤指的是刚玉的种类,这两项都无法说明Al2O3是一种共价晶体。
B
2.(2025·义乌高二质检)碳化硅(SiC)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。它与晶体硅和金刚石相比较,下列说法正确的是(　　)
A.熔点:碳化硅>金刚石>晶体硅
B.键能:金刚石>晶体硅>碳化硅
C.三种晶体中的单元都是四面体结构
D.三种晶体都是共价晶体且均为绝缘体
解析　三种晶体均为共价晶体,键长:C—C键碳化硅>晶体硅,A、B项错误;三种晶体中的单元都是四面体结构,C项正确;晶体硅是半导体,D项错误。
C
3.科学家在实验室成功将CO2在高压下转化为类似SiO2的共价晶体。下列关于该CO2晶体的叙述中,不正确的是(　　)
A.该晶体中C、O原子个数比为1∶2
B.该晶体中C—O—C的键角为180°
C.该晶体的熔、沸点高,硬度大
D.该晶体中C、O原子最外层都满足8电子结构
解析　若为共价晶体,则不再是直线形分子,而是转化为与石英(SiO2)相似的空间立体网状结构。
B
4.氮氧化铝(AlON)属共价晶体,是一种超强透明材料,下列描述错误的是(　　)
A.AlON和石英的化学键类型相同
B.AlON和石英晶体类型相同
C.AlON和Al2O3的化学键类型不同
D.AlON和Al2O3晶体类型相同
解析　AlON与石英(SiO2)均为共价晶体,所含化学键均为共价键,故A、B项正确;Al2O3是离子晶体,晶体中不含共价键,故C项正确,D项错误。
D
5.下表是某些共价晶体的熔点和硬度。
B
共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗
熔点/℃ 3 900 3 000 2 830 1 710 1 412 1 211
硬度 10 9.5 9 7.0 7 6.0
分析表中的数据,判断下列叙述正确的是(　　)
A.构成共价晶体的原子种类越多,晶体的熔点越高
B.构成共价晶体的原子间的共价键键能越大,晶体的熔点越高
C.构成共价晶体的原子的半径越大,晶体的硬度越大
D.构成共价晶体的原子的相对分子质量越大,晶体的硬度越大
解析　共价晶体的熔点高低与共价键的强弱有关,与形成晶体的原子种类无关,A错,B对;构成共价晶体的原子半径越大,则键能越小,晶体的硬度越小,C错;晶体的硬度与构成共价键晶体的原子相对分子质量大小无关,D错。
6.立方氮化硼是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的,其硬度仅次于金刚石而远远高于其他材料,因此它与金刚石统称为超硬材料。如图是立方氮化硼的晶胞,下列说法不正确的是(　　)
A.每个晶胞包含4个B原子和4个N原子
B.每个N原子周围有4个B原子,每个B原子周围有2个N原子
C.立方氮化硼硬度很大与B—N共价键强度很大有关
D.立方氮化硼常被用作磨料和刀具材料
B
7.高压下氮气会聚合生成高聚氮,这种高聚氮晶体的立体网状结构如图所示。已知N—N键的键能为160 kJ·mol-1,而N≡N键的键能为945 kJ·mol-1。则下列有关说法不正确的是(　　)
A.高聚氮转化为氮气的过程中发生了化学变化
B.高聚氮晶体属于共价晶体
C.高聚氮晶体中n(N)∶n(N—N键)=1∶3
D.高聚氮可能会被用作炸药或高能材料
C
解析　高聚氮转化为氮气的过程中有新物质生成,发生了化学变化,A项正确;高聚氮晶体中原子间以共价键结合并形成立体网状结构,所以高聚氮晶体为共价晶体,B项正确;高聚氮晶体中每个氮原子与其他三个氮原子形成单键,而每个N—N键为两个氮原子共有,所以高聚氮晶体中n(N)∶n(N—N键)=2∶3,C项错误;由高聚氮的结构及N—N键键能较小,而N≡N键键能很大可知,高聚氮转化为N2会放出大量的热,可能会被用作炸药或高能材料,D项正确。
8.如图是氯化钠、氯化铯、二氧化硅、晶体硅晶体结构的一部分,有关晶体的叙述中,正确的是(　　)
A.SiC与二氧化硅晶体熔化时,所克服的微粒间相互作用不相同
B.氯化钠晶体中,每个Na+周围距离相等的Na+共有6个
C.氯化铯晶体中,每个Cs+周围紧邻8个Cl-
D.在晶体硅中,硅原子与Si—Si键数目比为1∶4
C
解析　SiC与二氧化硅晶体都属于共价晶体,熔化时,所克服的微粒间相互作用相同,故A错误;氯化钠晶体中氯离子位于顶点和面心,钠离子位于棱心和体心,则每个Na+周围距离相等的Na+共有12个,故B错误;氯化铯中氯离子位于顶点,铯离子位于体心,则在氯化铯晶体中每个Cs+周围紧邻8个Cl-,故C正确;在晶体硅中,每个硅原子平均形成2个Si—Si键,所以Si原子与Si—Si键数目比为1∶2,故D错误。
9.单质硼有无定形和结晶形两种,参考如表所示数据回答下列问题:
(1)晶体硼属于　　　　　　晶体,理由是　　　　　　　　　　　　　　　　。
共价
金刚石 晶体硅 晶体硼
熔点/℃ >3 500 1 412 2 573
沸点/℃ 5 100 2 628 2 823
硬度 10 7.0 9.5
晶体硼的熔、沸点高,硬度大
解析　(1)从题表可知,晶体硼的熔、沸点以及硬度都介于晶体硅和金刚石之间,而金刚石和晶体硅均为共价晶体,则晶体硼也属于共价晶体。
(2)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点,每个顶点上各有一个硼原子。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键的键角为　　　,该结构单元共含有　　　　个B—B键。
12
60°
30
B级　素养培优练
选择题有1个或2个选项符合题意
10.中外科学家团队共同合成了T 碳。T 碳是将金刚石中的每个碳原子用一个由4个碳原子形成的正四面体结构单元取代形成的碳的一种新型三维立方晶体,结构如图1所示。下列说法错误的是(　　)
A.每个T 碳晶胞中含32个碳原子
B.T 碳结构中的最小夹角为109.5 °
C.T 碳属于共价晶体
D.如图2是T 碳晶胞的俯视图
B
解析　一个金刚石晶胞中,含有C原子的数目为8×1/8+6×1/2+4=8,将每个C原子换成形成正四面体结构的4个C原子,则T 碳晶胞中含有碳原子的数目为8×4=32,A项正确;4个碳原子形成的正四面体结构单元中,两个碳碳键之间的夹角为60°,B项错误;C原子间以共价键结合形成空间网状结构,故T 碳属于共价晶体,C项正确;由T 碳晶胞结构可知,其俯视图正确,D项正确。
11.金刚石结构如图所示,晶体Si、立方SiC具有类似金刚石结构。下列说法错误的是(　　)
A.熔点:金刚石<晶体Si
B.晶体Si晶胞中含有8个Si
C.金刚石的晶体中碳原子数与C—C键数之比为1∶2
D.立方SiC晶胞顶点从1号位分别平移至2号位和3号位,所得晶胞中Si位置相同
AD
解析　碳碳键键长比硅硅键键长短,键能大,故A错误;利用均摊法,可得金刚石晶胞中有8个C原子,所以晶体硅晶胞中含有8个Si,故B正确;金刚石中每个碳原子均与另外4个碳原子形成共价键,且每两个碳原子形成一个C—C键,则1 mol碳原子构成的金刚石中共有2 mol C—C键,故C正确;平移后1号、2号位置原子相同,但1号与3号不同,故D错误。
12.磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料。如图为其晶体结构中最小的重复单元,其中每个原子最外层均满足8电子稳定结构。下列有关说法正确的是(　　)
A.磷化硼的化学式为BP,其晶体属于共价晶体
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
AC
13.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。

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