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（A04）11-12高中化学第三册、、第1章、第1节、 离子晶体 分子晶体和原子晶体（第三课时）
第三课时
［问题情境］C、Si同属ⅣA元素，且上下相邻，应具相似的性质。今已知CO2的晶体为分子晶体，熔、沸点很低。那么SiO2晶体是否具有与其相似的结构和性质呢？
［投影］CO2和SiO2一些性质的比较
［分析］两者相比，性质差异很大。由SiO2很高的熔、沸点，可推知它不属于分子晶体。其质点粒子不是分子。它是离子晶体吗？
从其元素组成和化合物类别看，SiO2不是离子化合物。它属于我们本节要学习的一类晶体。
［板书］三、原子晶体
［引述］SiO2和CO2性质的差别缘于两者结构的不同。
［展示］SiO2的晶体结构模型。
［观察并思考］1.构成SiO2晶体的粒子是什么？
2.粒子通过何种方式结合？怎样构成晶体？
［讲述］构成SiO2晶体的粒子是中性原子，原子与原子间以共价键相结合。其中，1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，Si原子位于正四面体的中心，4个O原子占据四面体四个顶点；同时每个O原子跟2个Si原子相结合。可以想象每个O原子应被两个正四面体所共用。
［投影显示］
许许多多的Si—O正四面体通过氧原子互相联结形成一种空间网状结构的晶体，这就是原子晶体。
［板书］1.概念：相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体，叫做原子晶体。
［强调］“原子”“共价键”“空间网状结构”等字样。
［讨论］观察SiO2晶体结构，那么晶体中存在SiO2的小分子吗？“SiO2”表示什么？
［讲解］SiO2晶体中，Si、O原子通过共价键相结合，形成一个由“无限”数目原子构成的空间网状结构。由于在各个方向上这种共价键是相同的，因此在晶体中，不存在独立的小分子，而只能把整个晶体看成一个大分子。晶体有多大，分子也就有多大，没有确定的分子量。这跟CO2晶体中的小分子是不同的。那么，“SiO2”自然不叫分子式了。它只表示晶体中Si原子和O原子的个数比，为晶体的化学式。
［思考］SiO2晶体中Si—O键的夹角（即键角）是多少？每个正四面体占有的Si、O原子数是多少？
［分析］Si、O原子通过共价键连成正四面体结构，Si原子位于正四面体中心，Si—O键角为108°28′。每个正四面体占有一个完整的Si、四个“半O原子”，故晶体中Si原子与O原子个数比为1∶（4×）=1∶2，晶体化学式为“SiO2”。
［多媒体三维动画］纯净的SiO2晶体——水晶。
［画外音］纯净的SiO2晶体叫做水晶，它是六方柱状的透明晶体，是较贵重的宝石。江苏省东海县素有“水晶之乡”之称。1958年在该县发现我国最大的“水晶王”，质量达3.5 t。1983年1月又在该县南溜村2 m深的地下挖出一块质量为3 t高为1.4 m的水晶，同时出土的还有一块质量为400 kg的水晶体。水晶除可用于漂亮的装饰品外，还常用于制造精密仪器轴承，耐磨器皿和耐高温化学仪器。此外，SiO2可用来制造用于光纤通迅等的光导纤维，制造压电晶体，用于钟表工业和超声技术上。
［引导］请同学们从以上有关SiO2晶体及其用途中，推测并归纳原子晶体的性质。
［板书］2.性质特点：
熔、沸点高，硬度大，一般不导电，难溶于常见溶剂。
［提问］为什么原子晶体的熔、沸点很高，硬度很大呢？
［回答］究其本质是因为原子晶体中原子通过很强的共价键连接，由于共价键比较牢固，要拆开它需要消耗较大的能量，所以原子晶体一般具有较高的熔、沸点和较大的硬度。
［思考］为什么原子晶体一般不导电？
［分析］原子晶体由中性原子通过牢固的共价键结合而成，晶体中不含离子和自由电子，所以一般不导电。
［转引］原子晶体特殊的结构决定了其特殊的性质，也就产生了其特殊的应用。如果说SiO2晶体是典型的原子晶体之一，那么还有最典型的一例，它是自然界中熔点最高（3750℃）、硬度最大的固体。那么，它是谁呢？
［板书］典型晶体：金刚石晶体。
［讲述］且不说金刚石作为漂亮宝石的价值，由于它的坚硬，在精密机械工业中每年就要消耗几百万克拉（1克拉=200 mg），它还广泛用作为金属表面的磨料、石油勘探的钻头。它的结构是：
［多媒体展示］金刚石及其晶体结构模型。
［引导观察］请同学们对比SiO2晶体结构模型，比较两者的差别，并简要说明金刚石晶体的形成。
［概述］金刚石的晶体与SiO2晶体相似。金刚石晶体中，C原子的排列与Si原子完全相同，只是碳原子之间没有O原子，即每个C原子与相邻的4个C原子通过共价键相连，该C原子位于4个C原子的中心，形成正四面体结构，由无数正四面体互相联结构成空间网状结构的原子晶体。晶体中所有C—C键长相等，键角相等（均为109°28′)。
［观察并思考］1.金刚石晶体中最小碳环的碳原子数和环的特点如何？
［分析］最小碳环由6个C原子组成且不在同一平面内。
2.金刚石晶体中碳原子数与C—C键数之比是多少？
［析］晶体中每个C原子参与了4条C—C键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故C原子数与C—C键数之比为1∶（4×）=1∶2。
［投影］二氧化硅晶体中，每个硅原子通过4个氧原子与它周围的4个硅原子形成的空间结构为 形；并推算二氧化硅晶体中最小的硅氧原子环上共有 个原子。
［答案］正四面体 12
［转述］若去掉SiO2晶体中的O原子，则可得到与金刚石空间网状结构相同的晶体——Si的晶体。Si晶体也属原子晶体。
［投影］金刚石与晶体Si的熔、沸点比较[HT6]
［质疑］同为结构相同的原子晶体，为什么金刚石比晶体Si的熔、沸点高？
［分析］原子晶体熔、沸点高是因共价键键能大，而键能的大小又主要取决于原子半径的大小。在此，由于原子半径C＜Si，所以C—C键长＜Si—Si键长，C—C键能＞Si—Si键能，熔、沸点金刚石＞晶体Si。
［投影思考］已知金刚砂即碳化硅（SiC）质地坚硬，常用作优质磨料。其结构和金刚石相似，只是碳的骨架结构中有一半位置被Si原子所取代，形成C—Si交替的空间网状结构。金刚砂属于 晶体，其熔、沸点与金刚石、晶体Si相比高低顺序为 。
［分析］据金刚砂的结构和性质不难推断为原子晶体。而其熔、沸点与金刚石、晶体Si相比高低如何，只需比较C—C、C—Si、Si—Si键的键能即可。通过比较C、Si原子半径，不难得出键能：C—C＞C—Si＞Si—Si，所以熔、沸点为金刚石＞碳化硅＞晶体Si。
［小结］以上分析中，属于原子晶体的物质主要有：SiO2、金刚石、晶体Si、SiC。
［投影练习］1.下列物质中，属于原子晶体的化合物是
A.水晶 B.晶体硅 C.金刚石 D.干冰
［析］题干有两个条件：原子晶体、化合物。属于化合物的是水晶（SiO2）和干冰，而干冰是分子晶体，故选A。
2.下列物质的晶体中，不存在分子的是
A.二氧化硅 B.二氧化硫 C.二氧化碳 D.二硫化碳
［析］SiO2、SO2、CO2、CS2中，只有SiO2属于原子晶体，不存在分子，故选A。
3.化工行业已合成有一种硬度比金刚石还大的晶体——氮化碳，若已知氮在化合物中显—3价，推断：
（1）其化学式可能是 ；
（2）其晶体类型是 ；
（3）你认为其硬度比金刚石大的主要原因是 。
［答案］（1）C3N4 （2）原子晶体 （3）原子半径：N＜C，键长：C—N＜C—C，键能：C—N＞C—C。键能越大，硬度越大。
［投影过渡］已知石墨为碳元素的单质，与金刚石互为同素异形体，石墨具有以下性质和用途：
石墨的熔、沸点分别为3652℃～3697℃、4827℃。石墨具导电性，是一种很好的电极材料。石墨具有润滑性，工业上常用其作固体润滑剂。石墨质软呈灰黑色固体，工业上可作铅笔芯原料。
［问题］据有关对石墨的描述推测，石墨是否同金刚石一样属于原子晶体。
［分析］原子晶体熔、沸点高，硬度大，一般不导电，如金刚石。而石墨熔、沸点虽高却质软、润滑、能导电。那它属何种晶体呢？其结构如何？
［多媒体展示］石墨及晶体结构模型。
［学生观察］发现并寻找一些结论。
［投影小结］
1.石墨晶体是层状结构。每一层内碳原子排列成正六边形，构成平面的网状结构。
2.同一层内每个碳原子跟其他三个碳原子以较强的共价键相结合（C—C键角为120°），使石墨熔、沸点很高。如同原子晶体。
3.层与层之间以较弱的分子间作用力相结合，使得片层之间易滑动，质软。如同分子晶体。
4.石墨能导电是因在片层中存在能自由移动的电子。如同金属晶体。
［讲述］由于在石墨晶体中既有共价键又带有金属键的性质，而层间结合则依靠分子间作用力。因此像石墨这样的晶体（含两种以上作用力）一般称为过渡型晶体或混合型晶体。
［思考］石墨晶体中C原子数与C—C键数之比是多少？其中每一个正六边形占有的C原子数平均为几个？
［析］石墨晶体中每个碳原子被三个正六边形共用，故每个正六边形平均只占有2个C原子（6×）。每个C原子参与了3条C—C键的形成，而对每条键中的贡献只有一半，故C原子数与C—C键数之比为1∶（3×）=2∶3。
［总结］本节我们主要以SiO2和金刚石为例学习了原子晶体，至此已学习了三种晶体的知识。学习方法思路为：晶体——粒子——粒子间作用力——结构特点——性质特点。
下面同学们对三类晶体进行小结。
［投影］晶体类型及性质比较。
［布置作业］课本P8～9一、3、4 二、2 三、1、3
●板书设计
三、原子晶体
1.概念：相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体，叫做原子晶体。
2.性质特点：
熔、沸点高，硬度大，一般不导电，难溶于常见的溶剂。
典型晶体：金刚石晶体
●综合能力训练题
1.选择下列物质，填写下列空白。
A.干冰 B.金刚石 C.氯化铵 D.氟化钙 E.固体碘 F.烧碱
（1）熔化时不需要破坏化学键的是 （填序号，下同）；
（2）熔化时需断裂共价键的是 ；
（3）熔点最高的是 ，熔点最低的是 ；
（4）晶体中存在分子的是 ；
（5）晶体中既有离子键又有共价键的是 。
［析］此题必须熟悉掌握晶体类型与晶体性质间的关系，把握晶体粒子与粒子间的作用力。
［答案］（1）AE （2）B （3）BA （4）AE （5）CF
2.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃反应获得。
（1）氮化硅晶体属于 晶体（填晶体类型）。
（2）根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是 。
A.制汽轮机叶片 B.制有色玻璃
C.制永久性模具 D.制造柴油机
（3）已知氮化硅晶体结构中，原子间都以单键相连，且N原子和N原子、Si原子和Si原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构。请写出氮化硅的化学式 。
（4）氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应。试推测该陶瓷被HF腐蚀的化学方程式为 。
（5）现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅。反应的化学方程式为 。
［答案］（1）原子 （2）ACD （3）Si3N4（4）Si3N4+12HF===3SiF4+4NH3
（5）3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl
3.下表所列有关晶体的说明，有错误的是
［析］在此有一特殊类型的晶体：混合型晶体——石墨，其晶体内除共价键外，还存在分子间作用力。故选答案C。
4.化学的核心是发现与合成新物质。1965年舒尔茨曾设计过一种烷烃分子，到1981年，伊顿合成了它。这种分子结构里有10个碳原子，它们无结构上的差别，各以两种不同键角与其他碳原子相连。
（1）试画出这种分子的立体结构简式。
（2）这种分子是舒尔茨设计的一个同系列的一员。试画出该同系列中与该化合物最相邻的另外4个成员的立体结构简式。
（3）若这种烷烃分子的碳原子数目很大，请画出该烷烃分子的结构。
［分析］
这是一道以立体结构为主题的谜语型试题。化学谜语型试题不同于寻常灯谜，其谜底多为未知之物，需据“谜面”信息，科学地创造出来。此题谜面：“各碳原子以两种不同的键角与其他碳原子相连”，这是解题关键。一个碳原子以两种不同键角与其他碳原子相连就至少要连3个碳原子，因它是“烷烃”，且具“无结构差别”的碳原子，意味着不会有的碳原子不连氢原子而有的碳原子连氢原子。可见每个碳原子上连1个氢原子和3个碳原子。故可推得：此分子定为C10H10。又由不饱和度可知，此分子定为环烃。开动想象力吧！它是什么呢？不管你怎样想，答案是惟一的——它是五角棱柱烷！验证：五角棱柱体有7个环，似乎与不饱和度等于6矛盾（对比C12H22和C10H10）。非也，环烃不饱和度应考查它打开的环数！五角棱柱体烷的同系列应是各种棱柱体烷。通式为CnHn，系差为（CH）n，其相邻的同系列当然是三角棱柱烷（C6H6，是苯的同分异构体）、四角棱柱烷（C8H8，就是立方烷）、六角棱柱烷（C12H12）和七角棱柱烷（C14H14）。
［答案］（1）
（2）
（3）若碳原子数很多，则该圆形应为圆柱体：
●教学说明
本节教材是在原子结构、元素周期律及分子结构、化学键的基础上对物质晶体结构知识的进一步发展和深入研究。为了使学生对各类晶体有一个较深入、较完善、较系统的了解，教学中紧紧围绕教学目标，着重设计了以下几点。
1.以晶体类型与其性质的关系为主，突出教学重点。
2.以分析晶体结构入手，归纳晶体结构特点，体会结构决定性质的关系。
3.采用模型和多媒体辅助教学，以增强直观性和趣味性，有助学生跨越障碍。
4.引导学生大胆假设和想象，培养其逻辑思维、抽象思维和空间想象能力。
5.研究晶体采用从外到内，再从内到外结合的方法。在把握晶体局部和整体的关系上，认识晶体中形与数的关系。进而训练学生在陌生领域内解决问题的能力。

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