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共价晶体
课时2
第3章
第
2
节
学
习
目
标
1.能辨识常见的共价晶体。
2.能从微观角度分析共价晶体中各构成微粒之间的作用对共价晶体物理性质的影响(重、难点)。
新课导入
英王权杖
钻石
钻戒
钻石切割刀
金刚石的用途是由性质决定的，其性质又是由金刚石的结构决定的，那么金刚石具有怎样的结构呢？
内
容
索
引
目标一　共价晶体的结构特征
目标二　典型的共价晶体
共价晶体的结构特征
< 目标一 >
1.共价晶体
(1)概念：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。
如二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC，俗称金刚砂)、Si3N4等。
(2)常见的共价晶体：
①某些单质
如金刚石(C)、硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、灰锡(Sn)等；
②某些非金属化合物
金刚石
硅单质
二氧化硅
碳化硅
2.共价晶体的物理性质
(1)在共价晶体中，各原子均以共价键相结合，只要共价键不被破坏，原子就不能自由移动。
(2)共价晶体熔化或被粉碎时必须破坏共价键，结构相似的共价晶体，共价键的键能越大，晶体的熔点就越高、硬度就越大。
1.正误判断
(1)凡是由原子构成的晶体都是共价晶体
(2)含有共价键的晶体不一定是共价晶体
(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
(5)共价晶体由于硬度及熔、沸点都较高，故常温时不与其他物质反应
×
√
√
×
×
2.金刚石、碳化硅、晶体硅均具有相似的结构，下表列出了它们的键长、键能、熔点和硬度的数据。
使共价晶体熔化，需要破坏共价键。使金刚石、碳化硅、晶体硅熔化分别破坏的是C—C键、C—Si键、Si—Si键。
晶体 键长/pm 键能/(kJ·mol-1) 熔点/℃ 硬度
金刚石 154 347 >3 500 10
碳化硅 186 301 2 830 9
晶体硅 234 226 1 412 7
(1)共价晶体金刚石、碳化硅、晶体硅熔化时，需要破坏的粒子间的作用力是什么？分别是什么？
(2)共价晶体的熔点和硬度等物理性质与共价晶体中共价键的键长、键能之间存在什么关系？
结构相似的共价晶体，其原子间形成共价键的键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高，硬度就越大。
晶体 键长/pm 键能/(kJ·mol-1) 熔点/℃ 硬度
金刚石 154 347 >3 500 10
碳化硅 186 301 2 830 9
晶体硅 234 226 1 412 7
1.下列物质的晶体直接由原子构成的一组是
①CO2　②SiO2　③晶体Si　④白磷　⑤氨基乙酸
A.①②③④⑤ B.②③④
C.②③ D.①②⑤
√
2.将SiCl4与过量的液氨反应可生成化合物Si(NH2)4。将该化合物在无氧条件下高温灼烧，可得到氮化硅(Si3N4)固体，氮化硅是一种新型耐高温、耐磨材料，在工业上有广泛的应用。下列推断正确的是
A.SiCl4、Si3N4的晶体类型相同
B.Si3N4晶体具有共价键三维骨架结构
C.共价晶体C3N4的熔点比Si3N4的低
D.Si3N4晶体在熔化过程中无化学键断裂
√
< 目标二 >
典型的共价晶体
1.金刚石
(1)晶胞
109 28
1.55×10－10 m
8×＋6×＋4＝8
①碳原子采取sp3杂化，键角为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成正四面体结构，向空间伸展形成空间立体网状结构；
③最小环上有6个碳原子，每个碳原子被12个六元环共用。
④1 mol C原子组成的金刚石中含有C—C键数目为2NA 。
(2)结构特点
1.金刚石
⑤距离最近的两个碳原子的距离是晶胞体对角线长的，每个金刚石晶胞中含有8个C原子。
2.碳化硅(金刚砂)
(1)晶胞
(2)结构特点
碳化硅晶体的结构类似于金刚石晶体，其中碳原子和硅原子的位置是交替的，相当于用硅原子替代一半的碳原子，整个晶体中Si：C=1：1。
碳化硅硬度大，具有耐热性、耐氧化性和耐腐蚀性，可用作磨料、耐火材料、电热元件等，还可用来制造机械工程中的结构件和化学工程中的密封件等。
3.二氧化硅
① Si原子采取sp3杂化，O—Si—O夹角为109°28′；
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，O原子位于正四面体的顶点，同时每个O原子被2个硅氧正四面体共用，晶体中Si原子与O原子个数比为1∶2 ；
SiO2晶体空间立体网状结构示意图
109 28
(1)晶胞
(2)结构特点
③最小环上有12个原子，包括6个O原子和6个Si原子；
④ 1 mol SiO2晶体中含Si—O键数目为4NA。
顶点：8×
面心：6×
体内：4
3.二氧化硅
(2)结构特点
归纳总结
金刚石(晶体硅) 碳化硅 二氧化硅
晶胞
中心原子杂化类型 sp3 sp3 sp3
键角 109°28' 109°28' 109°28'
晶胞中微粒数目 8个C(Si) C：4个 Si：4个 Si：8个
O：16个
1 mol物质中化学键 数目 2NA个C—C键 (Si—Si键) 4NA个C—Si键 4NA个Si—O键
1.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
√
2.单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答问题：
金刚石 晶体硅 晶体硼
熔点/℃ >3 500 1 412 2 573
沸点/℃ 5 100 2 355 2 823
硬度 10 7 9.5
(1)晶体硼属于　　 晶体，理由是　　　　　 　　　　　 。
共价
晶体硼的熔、沸点高，硬度大
(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)。
A.金刚石的熔点高与C—C键的键能无关
B.金刚石中碳原子个数与C—C键数之比为1∶2
C.金刚石的熔点高，所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却
B
(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键的键角为　　，该结构单元共含有　　个B—B键。
12
60°
30
每个正三角形含有×3个硼原子，每个结构单元含硼原子数为20××3＝12
每个B—B键被2个正三角形所共有，故每个结构单元含B—B键的个数为20××3＝30
1.下列说法正确的是
A.在含4 mol Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4NA
B.金刚石晶体中，碳原子数与C—C键数之比为1∶2
C.30 g二氧化硅晶体中含有0.5 mol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
√
2.二氧化硅晶体是空间立体网状结构，如图所示，下列说法正确的是
A.n(Si)∶n(O)∶n(Si—O键)＝1∶2∶4
B.CO2和 SiO2是等电子体，晶体类型相同
C.晶体中Si原子杂化方式为 sp3，O原子杂化方式为 sp
D.晶体中最小环上的原子数为6
√
3.金刚石晶胞结构如图所示：
(1)已知晶胞参数为a pm，则金刚石的密度为　　　 g·cm-3。
(2)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为　　 pm。碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？
a
提示　2r＝a pm，即r＝a pm。
4.12 g金刚石晶体含C—C共价键的数目是多少？60 g二氧化硅晶体含Si—O键的数目是多少？
依据切割法可知，金刚石中每个碳原子形成4个共价键，其中碳原子数与C—C共价键数之比是1∶2，故12 g金刚石中含有的C—C共价键的数目是2NA。SiO2晶体中Si原子与Si—O键数目之比为1∶4，故60 g SiO2晶体中含Si—O键的数目是4NA。
本课结束
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