学年人教版化学选修三江苏专用学案第三章 第二节 第2课时 原子晶体 Word版含答案.docx

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学年人教版化学选修三江苏专用学案第三章第二节第2课时原子晶体Word版含答案

第2课时　原子晶体

1．知道原子晶体的概念，能够从原子晶体的结构特点理解其物理特性。

2．学会原子晶体熔、沸点比较的方法。

　原子晶体的概念及其性质

1．原子晶体的结构特点及物理性质

（1）构成微粒及其相互作用

（2）物理性质

①原子晶体中，由于各原子均以强的共价键相结合，因此一般熔点很高，硬度很大，难溶于常见溶剂，一般不导电。

②结构相似的原子晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。

2．常见的原子晶体

（1）物质类别

（2）金刚石的结构特点

金刚石的晶体结构模型

①在晶体中，每个碳原子以4个共价单键对称地与相邻的4个碳原子结合成正四面体。

②晶体中C—C—C夹角为109°28′，碳原子采取sp3杂化。

③最小环上有6个碳原子。

④晶体中碳原子个数与C—C键数之比为1∶（4×

）＝1∶2。

（3）二氧化硅的结构特点

二氧化硅的晶体结构模型

①每个硅原子都采取sp3杂化，以4个共价单键与4个氧原子结合，每个氧原子与2个硅原子结合，向空间扩展，构成空间网状结构，硅、氧原子个数比为1∶2。

②晶体中最小的环为6个硅原子、6个氧原子组成的12元环。

1．正误判断（正确的打“√”，错误的打“×”，并阐释错因或列举反例）。

语句描述

正误

阐释错因或列举反例

（1）由原子直接构成的晶体一定是原子晶体

（2）具有共价键的晶体叫做原子晶体

（3）原子晶体在固态或熔化时都不导电

（4）原子晶体由于硬度及熔、沸点都较高，故常温时不与其他物质反应

（5）SO2与SiO2的化学键类型相同，晶体类型也相同

（6）60gSiO2晶体中含4molSi—O键

答案：

（1）×　稀有气体形成的晶体是分子晶体

（2）×　分子晶体中可能含有共价键

（3）×　原子晶体硅是半导体，能导电

（4）×　化学反应与硬度及熔、沸点等物理性质没有直接关系

（5）×　SO2是分子晶体而SiO2是原子晶体

（6）√

2．某碳氮化合物具有立体网状结构，硬度比金刚石还硬，不溶于水，也不导电，你认为其属于什么晶体？

答案：

原子晶体。

3．怎样从原子结构的角度理解金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降？

答案：

从碳到硅，核电荷数增大，电子层数增多，原子半径增大，C—C键、C—Si键、Si—Si键的键长依次增大，键长越短，共价键越牢固，原子晶体熔化时破坏的是共价键，而键的稳定性是C—C键>C—Si键>Si—Si键，所以，金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降。

题组一　原子晶体的概念理解及性质判断

1．金刚石是典型的原子晶体，下列关于金刚石的说法中错误的是（　　）

A．晶体中不存在独立的分子

B．碳原子间以共价键相结合

C．是自然界中硬度最大的物质

D．化学性质稳定，即使在高温下也不会与氧气发生反应

解析：

选D。

在金刚石中，碳原子之间以共价键结合形成空间立体网状结构，不存在具有固定组成的分子；由于碳的原子半径比较小，碳与碳之间的共价键键能很高，所以金刚石的硬度很大，故A、B、C选项正确。

但是由于金刚石是碳的单质，在高温下可以在空气或氧气中燃烧生成CO2，故D选项错误。

2．美国《科学》杂志曾报道：

在40GPa的高压下，用激光加热到1800K，人们成功制得了原子晶体CO2，下列对该物质的推断一定不正确的是（　　）

A．该原子晶体中含有极性键

B．该原子晶体易汽化，可用作制冷材料

C．该原子晶体有很高的熔、沸点

D．该原子晶体的硬度大，可用作耐磨材料

解析：

选B。

原子晶体具有高硬度、高熔沸点等性质，不易汽化，不可用作制冷材料，B项错误。

题组二　常见的原子晶体

3．下列关于SiO2晶体网状结构的叙述中正确的是（　　）

A．最小的环上，有3个硅原子和3个氧原子

B．最小的环上，硅原子数和氧原子数之比为1∶2

C．最小的环上，有6个硅原子和6个氧原子

D．存在四面体结构单元，O原子处于中心，Si原子处于4个顶角

解析：

选C。

SiO2晶体中，每个硅原子与4个氧原子成键、每个氧原子与2个硅原子成键，晶体中的硅氧四面体中Si原子处于中心、O原子处于4个顶角。

最小的环是十二元环，环上有6个Si原子、6个O原子，Si、O原子数之比是1∶1。

4．（双选）设NA为阿伏加德罗常数的值。

下列说法中正确的是（　　）

A．28g晶体硅中含有Si—Si键的个数为2NA

B．124g白磷（P4）晶体中含有P—P键的个数为6NA

C．12g金刚石中含有C—C键的个数为4NA

D．SiO2晶体中1mol硅原子可与氧原子形成2NA个共价键（Si—O键）

解析：

选AB。

晶体硅的结构与金刚石相似，每个硅原子与周围4个原子形成4个共价键，依据“均摊法”，1个硅（或碳）原子分得的共价键数为4×

＝2，A正确，C错误；白磷为正四面体结构，每个P4分子中含有6个P—P键，B正确；SiO2晶体中每个硅原子与周围4个氧原子形成4个Si—O键，D错误。

5．单质硼有无定形和结晶形两种，参考下表数据回答问题：

金刚石

晶体硅

晶体硼

熔点/℃

＞3550

1410

2573

沸点/℃

5100

2628

2823

硬度

10

7.0

9.5

（1）晶体硼属于________晶体，理由是________________________________________

________________________________________________________________________。

（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________。

A．金刚石中C—C键的键角均为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键的键能无关

C．金刚石中碳原子个数与C—C键键数之比为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

（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。

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原子晶体，在元素周期表中B与C相邻、与Si处于对角线位置，则晶体硼也属于原子晶体。

（2）选项A，金刚石是原子晶体，CH4是分子晶体，二者的晶体类型不同。

选项B，金刚石熔化过程中C—C键断裂，因C—C键的键能大，断裂时需要的能量多，故金刚石的熔点很高。

选项C，金刚石中每个C都参与了4个C—C键的形成，而每个C对每条键的贡献只有一半，故碳原子个数与C—C键键数之比为（4×

）∶4＝1∶2。

选项D，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。

（3）从题图可得出，每个顶角上的硼原子均被5个正三角形所共有，故分摊到每个正三角形的硼原子为

个，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，而每个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。

答案：

（1）原子　晶体硼的熔、沸点高，硬度大　

（2）C

（3）12　60°　30

　分子晶体和原子晶体的比较与判断

1．分子晶体和原子晶体的比较

晶体类型

分子晶体

原子晶体

定义

分子间通过分子间作用力结合形成的晶体

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

组成微粒

分子

原子

物质类别

多数的非金属单质和共价化合物

金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等少数非金属单质及共价化合物

微粒间的作用力

分子间作用力

共价键

熔化时需克服的作用力

较弱的分子间作用力

很强的共价键

物理性质

熔、沸点

较低

很高

硬度

较小

很大

导电性

固态和熔化时一般都不导电，但某些分子晶体溶于水能导电，如HCl

固态和熔化时一般都不导电

溶解性

相似相溶

难溶于一般溶剂

决定熔、沸点高低的因素

分子间作用力的强弱

共价键的强弱

典型例子

干冰、冰

金刚石、二氧化硅

2.原子晶体与分子晶体的判断方法

（1）依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力判断

组成原子晶体的粒子是原子，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）依据物质的分类判断

①常见的原子晶体有金刚石、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，它们大多属于原子晶体。

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、沸点判断

原子晶体的熔、沸点高，常在1000℃以上；分子晶体的熔、沸点低，常在数百摄氏度甚至更低。

（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）依据硬度和机械性能判断

原子晶体的硬度大，分子晶体的硬度小且较脆。

（7）熟记常见的、典型的原子晶体

常见的原子晶体有①单质，如金刚石、晶体硅、晶体硼、晶体锗等；②化合物，如SiO2、SiC、BN、AlN、Si3N4等。

除原子晶体外的绝大多数非金属单质、所有非金属氢化物、部分非金属氧化物、几乎所有的酸、绝大多数有机物属于分子晶体。

现有下列物质：

①水晶；②冰醋酸；③氧化钙；④白磷；⑤晶体氩；⑥氢氧化钠；⑦铝；⑧金刚石；⑨过氧化钠；⑩碳化钙；⑪碳化硅；⑫干冰；⑬过氧化氢。

根据要求填空：

（1）属于原子晶体的化合物是____________。

（2）直接由原子构成的晶体是____________。

（3）直接由原子构成的分子晶体是____________。

（4）由极性分子构成的晶体是____________，属于分子晶体的单质是____________。

解析：

属于原子晶体的是金刚石、碳化硅和水晶；属于分子晶体的是晶体氩（无化学键）、白磷（非极性分子）、干冰（由极性键构成的非极性分子）、过氧化氢和冰醋酸（由极性键和非极性键构成的极性分子）。

答案：

（1）①⑪　

（2）①⑤⑦⑧⑪　（3）⑤

（4）②⑬　④⑤

1．下列关于原子晶体和分子晶体说法不正确的是（　　）

A．原子晶体的硬度通常比分子晶体的硬度大

B．原子晶体的熔、沸点较高

C．有些分子晶体的水溶液能导电

D．金刚石、水晶和干冰都属于原子晶体

解析：

选D。

原子晶体中原子间通过共价键结合成立体网状结构，因此硬度大，熔、沸点较高。

分子晶体在固态熔融时不导电，但有的溶于水时能导电，如H2SO4等。

干冰是二氧化碳晶体，属于分子晶体。

2．（2019·瓦房店高级中学高二期中）下列说法不正确的是（　　）

A．下列物质的熔、沸点排列：

晶体硅<碳化硅<金刚石

B．石墨烯是一种从石墨材料中用“撕裂”方法剥离出的单层碳原子面材料，用这种方法从C60、金刚石等中获得“只有一层碳原子厚的碳薄片”也必将成为研究方向

C．氢键、范德华力、离子键、共价键等都是微粒间的作用力，其中只有离子键和共价键是化学键

D．黄色晶体碳化铝，熔点为2200℃，熔融状态下不导电，是原子晶体

解析：

选B。

石墨是层状结构，可用“撕裂”方法剥离出石墨烯，C60和金刚石均为立体结构，不能剥离出“只有一层碳原子厚的碳薄片”，B错误。

3．（2019·杭州高二检测）C60、金刚石和石墨的结构模型如图所示（石墨仅表示出其中的一层结构）。

（1）固态时，C60属于________（填“原子”或“分子”）晶体，其熔点比金刚石________（填“高”或“低”）。

（2）硅晶体的结构跟金刚石相似，1mol硅晶体中含有Si—Si键的数目约是________NA。

二氧化硅的结构相当于在硅晶体结构中每个Si—Si键之间插入1个氧原子。

二氧化硅的空间网状结构中，硅、氧原子形成的最小环上氧原子数目是________。

（3）石墨层状结构中，平均每个正六边形占有的碳原子数是________。

解析：

（1）构成C60晶体的粒子是C60分子，所以它属于分子晶体，熔点比金刚石（为原子晶体）低。

（2）每个硅原子形成4个Si—Si键，同时每个Si—Si键为两个原子所共有，所以1mol硅晶体中含有2molSi—Si键。

在晶体硅的最小环上有6个Si—Si键（6条边），分别插入一个氧原子，则变成十二元环，有6个氧原子。

（3）石墨晶体中每个碳原子与另外3个碳原子成键，所以平均每个正六边形占有的碳原子个数为6×

＝2。

答案：

（1）分子　低　

（2）2　6　（3）2

学习小结

1.金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等原子晶体中的成键数目

（1）金刚石（或晶体硅）中，1molC（或Si）形成2molC—C（或Si—Si）键。

（2）SiC晶体中，1molC或1molSi均形成4molC—Si键。

（3）1molSiO2晶体中，共有4molSi—O键。

2.金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅中最小环上的原子数

（1）金刚石、晶体硅、SiC晶体中最小环上的原子数分别为6个C、6个Si、3个Si和3个C。

（2）SiO2晶体中最小环上有12个原子（6个Si和6个O）。

3.金刚石、晶体硅的一个晶胞中，分别含有碳原子数为8、硅原子数为8。

课后达标检测

一、单项选择题

1．下列有关原子晶体的叙述错误的是（　　）

A．原子晶体中，原子不遵循紧密堆积原则

B．原子晶体具有空间网状结构

C．原子晶体中不存在独立的分子

D．原子晶体熔化时不破坏共价键

解析：

选D。

原子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，所以原子晶体中，原子不遵循紧密堆积原则；原子晶体是相邻原子之间通过共价键结合而成的空间网状结构，不存在独立的分子，熔化时需要破坏共价键。

2．二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。

下列有关说法中正确的是（　　）

A．方英石晶体中存在着SiO4结构单元

B．1molSi形成2molSi—O键

C．图中所示的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90°

解析：

选A。

由方英石结构示意图知方英石晶体中存在着SiO4的结构单元，A项正确；1molSi形成4molSi—O键，B项错误；题图所示的结构单元实际占有的硅原子数：

8×

＋6×

＋4＝8个，C项错误；方英石晶体中存在着SiO4的结构单元，说明Si—O键之间的夹角为109°28′，D项错误。

3．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。

下列推断可能正确的是（　　）

A．SiCl4、Si3N4的晶体类型相同

B．Si3N4晶体是立体网状结构

C．原子晶体C3N4的熔点比Si3N4的低

D．SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂

解析：

选B。

SiCl4是分子晶体，在熔化过程中克服的是分子间作用力，化学键不断裂。

Si3N4是原子晶体，其晶体为立体网状结构。

根据C、Si的原子半径推知C—N键的键能比Si—N键的键能大，故C3N4的熔点比Si3N4的高。

4．据报道：

用激光可将置于铁室中的石墨靶上的碳原子“炸松”，再用一个射频电火花喷射出氮气，可使碳、氮原子结合成碳氮化合物的薄膜，该碳氮化合物的硬度比金刚石还大，则下列分析正确的是（　　）

A．该碳氮化合物呈片层状结构

B．该碳氮化合物呈立体网状结构

C．该碳氮化合物中C—N键键长比金刚石的C—C键键长长

D．相邻主族非金属元素形成的化合物的硬度比单质小

解析：

选B。

由题意知，该碳氮化合物的硬度比金刚石还大，说明该碳氮化合物为原子晶体，因此是立体网状结构；与金刚石相比，C原子半径大于N原子半径，所以C—N键键长小于C—C键键长。

5．（2019·银川一中高二检测）制造光导纤维的材料是一种纯度很高的硅氧化物，它是具有立体网状结构的晶体，如图是其简化了的平面示意图，下列关于这种物质的说法正确的是（　　）

A．晶体中Si与O的原子个数比是1∶4

B．晶体中Si与O的原子个数比是1∶6

C．该物质是原子晶体

D．该物质是分子晶体

解析：

选C。

分析题图可知，每个十二元环中有6个硅原子和6个氧原子，但是每个氧原子形成2个Si—O键，每个硅原子形成4个Si—O键，Si与O的原子个数比是1∶2，A、B项错误。

该晶体是具有立体网状结构的晶体，因此其是原子晶体而非分子晶体，C项正确，D项错误。

6．金刚石是由碳原子所形成的正四面体结构向空间无限延伸而得到的具有空间网状结构的原子晶体。

在立方体中，若一碳原子位于立方体体心，则与它直接相邻的四个碳原子位于该立方体互不相邻的四个顶角上（如图中的小立方体）。

请问，图中与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数为多少，它们分别位于大立方体的什么位置（　　）

A．12，大立方体的12条棱的中点

B．8，大立方体的8个顶角

C．6，大立方体的6个面的中心

D．14，大立方体的8个顶角和6个面的中心

解析：

选A。

与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子分别位于大立方体的12条棱的中点，共12个。

如图所示：

7．组成干冰和二氧化硅晶体的化合物均属于第ⅣA族元素的最高价氧化物，但它们的熔、沸点差别很大，原因是（　　）

A．二氧化硅的相对分子质量大于二氧化碳的相对分子质量

B．C===O键键能比Si—O键键能小

C．干冰为分子晶体，二氧化硅为原子晶体

D．干冰易升华，二氧化硅不能

解析：

选C。

组成干冰和二氧化硅晶体的化合物虽然均属于第ⅣA族元素的最高价氧化物，但干冰是分子晶体，二氧化硅为原子晶体，干冰的熔、沸点取决于其分子间作用力的大小，而二氧化硅的熔、沸点则由硅氧共价键的强度决定。

二、不定项选择题

8．下列晶体性质的比较正确的是（　　）

A．熔点：

金刚石＞晶体硅＞晶体锗＞硫

B．熔点：

SiI4＜SiBr4＜SiCl4＜SiF4

C．沸点：

H2S＞H2O＞HF＞NH3

D．硬度：

金刚石＞白磷＞冰＞水晶

解析：

选A。

A项，金刚石、晶体硅和晶体锗都是原子晶体，硫是分子晶体，且原子半径：

C＜Si＜Ge，熔点：

金刚石＞晶体硅＞晶体锗＞硫；B项，SiI4、SiBr4、SiCl4和SiF4是组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量：

SiI4＞SiBr4＞SiCl4＞SiF4，故熔点：

SiI4＞SiBr4＞SiCl4＞SiF4；C项，H2O、HF和NH3都存在分子间氢键，H2O分子之间的氢键最强，NH3分子之间的氢键最弱，H2S分子之间只存在范德华力，故沸点：

H2O＞HF＞NH3＞H2S；D项，白磷和冰是分子晶体，硬度小，金刚石和水晶是原子晶体，硬度大。

9．根据下列性质判断，属于原子晶体的是（　　）

A．熔点为2700℃，导电性好，延展性好

B．无色晶体，熔点为3550℃，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：

选B。

A项，延展性好不是原子晶体的性质，原子晶体中原子与原子之间以共价键结合，而共价键有一定的方向性，使原子晶体质硬而脆；B项，属于原子晶体的性质；C项，应该属于离子化合物；D项，符合分子晶体的特征。

10．（2019·徐州高二检测）根据下表中的有关数据分析，下列说法错误的是（　　）

AlCl3

SiCl4

晶体硼

金刚石

晶体硅

熔点/℃

190

－68

2573

＞3550

1410

沸点/℃

178

57

2832

4827

2355

A.SiCl4是分子晶体

B．晶体硼是原子晶体

C．AlCl3是原子晶体，加热能升华

D．金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键弱

解析：

选CD。

SiCl4、AlCl3的熔、沸点低，都是分子晶体，AlCl3的沸点低于其熔点，即在未熔化的温度下它就能升华，故AlCl3加热能升华，A项正确，C项错误；晶体硼的熔、沸点高，所以晶体硼是原子晶体，B项正确；C原子的半径比Si原子的半径小，金刚石中的C—C键的键长比晶体硅中的Si—Si键的键长短，故金刚石中的C—C键的键能比晶体硅中的Si—Si键的键能大，则金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键强，D项错误。

11．氮化碳的硬度比金刚石大，其结构如图所示。

下列有关氮化碳的说法不正确的是（　　）

A．氮化碳属于原子晶体

B．氮化碳中碳显－4价，氮显＋3价

C．氮化碳的化学式为C4N3

D．每个碳原子与4个氮原子相连，每个氮原子与3个碳原子相连

解析：

选BC。

A项，根据氮化碳的硬度比金刚石晶体大判断，氮化碳属于原子晶体；B项，氮的非金属性大于碳的非金属性，氮化碳中碳显＋4价，氮显－3价；C项，晶体结构模型中虚线部分（正方形）是晶体的最小结构单元，该正方形顶角的原子被4个正方形共用，边上的原子被2个正方形共用，则其含有的碳原子数为4×

＋4×

＝3，氮原子数为4，故氮化碳的化学式为C3N4；D项，碳形成4个共价键，每个碳原子与4个氮原子相连；氮形成3个共价键，每个氮原子与3个碳原子相连。

三、非选择题

12．C和Si元素在化学中占有极其重要的地位。

（1）SiC的晶体结构与晶体硅的相似，其中C原子的杂化方式为________，微粒间存在的作用力是________，SiC和晶体Si的熔、沸点高低顺序是________________。

（2）C、Si为同一主族的元素，CO2和SiO2的化学式相似，但结构和性质有很大的不同。

CO2中C与O原子间形成σ键和π键，SiO2中Si与O原子间不形成π键。

从原子半径大小的角度分析，C、O原子间能形成π键，而Si、O原子间不能形成π键的原因是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

SiO2属于________晶体，CO2属于________晶体，所以熔点：

CO2________SiO2（填“<”“＝”或“>”）。

（3）金刚石、晶体硅、二氧化硅、CO24种晶体的组成微粒种类分别是

________________________________________________________________________，

熔化时克服的微粒间的作用力分别是________________________