学年高中化学选修3配套文档第三章 第二节.docx

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学年高中化学选修3配套文档第三章第二节

第2课时　原子晶体

[目标导航]　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.学会晶体熔、沸点比较的方法。

一、原子晶体的概念及其性质

1．原子晶体

（1）概念：

相邻原子间以共价键相结合形成的具有空间立体网状结构的晶体，称为原子晶体。

（2）构成微粒：

原子晶体中的微粒是原子，原子与原子之间的作用力是共价键。

（3）常见的原子晶体：

①常见的非金属单质，如金刚石（C）、硼（B）、晶体硅（Si）、锗（Ge）等。

②某些非金属化合物，如碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）、二氧化硅（SiO2）等。

2．原子晶体的熔沸点变化规律

原子晶体的熔点高低与其内部结构密切相关：

对结构相似的原子晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。

【议一议】

1．“具有共价键的晶体叫做原子晶体”这种说法对吗？

为什么？

答案　不对。

如HCl、H2O、CO2、CH3CH2OH分子中都有共价键，而它们都是分子晶体；如金刚石、晶体Si、SiC、SiO2中都有共价键，它们都是原子晶体；只有相邻原子间以共价键相结合形成空间网状结构的晶体才是原子晶体。

二、典型的原子晶体

1．金刚石：

正四面体网状空间结构，C—C—C夹角为109°28′，成键碳原子采取sp3杂化。

特点：

①硬度最大、熔点高；②不溶于（填“溶于”或“不溶于”）一般的溶剂；③不能导电。

2．SiO2：

把金刚石晶体中的碳原子换为硅原子，每两个硅原子之间增加一个氧原子，即成SiO2的晶体结构。

【议一议】

2．原子晶体的化学式是否可以代表其分子式？

答案　不能。

因为原子晶体是一个三维的网状结构，无小分子存在。

3．以金刚石为例，说明原子晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同？

答案　

（1）组成微粒不同，原子晶体中只存在原子，没有分子。

（2）相互作用不同，原子晶体中存在的是共价键。

一、原子晶体

【例1】　下列晶体中，其中任何一个原子都被相邻四个原子包围，以共价键形成正四面体，并向空间伸展成网状结构的是（　　）

A．C60B．冰C．金刚石D．水晶

答案　C

解析　C60和冰都是分子晶体，不符合题意。

在金刚石中，每个碳原子周围都有四个等距离的碳原子与之形成正四面体结构，所以C项正确。

在水晶中，每个硅原子周围有四个氧原子以共价键与其相连形成正四面体结构，但是每个氧原子周围只有两个硅原子与之直接相连，因此D选项不符合题意。

规律总结

1．构成原子晶体的微粒是原子，其相互作用是共价键。

2．原子晶体中不存在单个分子，化学式仅仅表示的是物质中的原子个数比关系，不是分子式。

变式训练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．是硬度最大的物质之一

D．化学性质稳定，即使在高温下也不会与氧气发生反应

答案　D

解析　在金刚石中，碳原子以共价键结合成空间网状结构，不存在固定组成的分子。

由于碳的原子半径比较小，碳与碳之间的共价键键能高，所以金刚石的硬度很高。

因此A、B、C选项是正确的。

但是由于金刚石是碳的单质，所以可以在空气或氧气中燃烧生成CO2分子，故D选项的说法是错误的。

二、原子晶体的性质

【例2】　晶体硅（Si）和金刚砂（SiC）都是与金刚石相似的原子晶体，请根据下表中数据，分析其熔点、硬度的大小与其结构之间的关系。

晶体

键能/kJ·mol－1

键长/pm

熔点/℃

摩氏硬度

金刚石

（C—C）348

154

3900

10

金刚砂

（C—Si）301

184

2700

9.5

晶体硅

（Si—Si）226

234

1410

6.5

答案　键长越短，键能越大，熔点越高，硬度越大；反之，键长越长，键能越小，熔点越低，硬度越小。

解析　在原子晶体里，所有原子都以共价键相互结合，整块晶体是一个三维的共价键网状结构。

所以，影响原子晶体的熔点、硬度的主要因素就是共价键的键能大小，键能越大，原子晶体的熔点、硬度越高，而共价键的键能又与键长相关，一般来说，键长越短，键能越大，键长越长，键能越小。

规律总结

晶体熔、沸点和硬度的比较方法：

1．先判断晶体类型。

主要依据构成晶体的微粒及其微粒间的作用力。

对于不同类型的晶体，一般来说，原子晶体的熔、沸点高于分子晶体，原子晶体的硬度大于分子晶体。

2．对于同一类型的晶体

（1）原子晶体的熔点高低、硬度大小取决于共价键的强弱，原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越强，熔点越高。

（2）分子晶体的熔、沸点高低取决于分子间作用力，分子间作用力与相对分子质量有关，同时还要考虑分子极性及是否存在氢键。

变式训练2　据报道，有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。

据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。

其原因可能是（　　）

A．碳、氮原子构成平面结构的晶体

B．碳氮键比金刚石中的碳碳键更短

C．氮原子电子数比碳原子电子数多

D．碳、氮的单质的化学性质均不活泼

答案　B

解析　由“这种化合物可能比金刚石更坚硬”可知该晶体应该是一种原子晶体，原子晶体是一种空间网状结构而不是平面结构，所以A选项是错误的。

由于氮原子的半径比碳原子的半径要小，所以二者所形成的共价键的键长要比碳碳键的键长短，所以该晶体的熔点、沸点和硬度应该比金刚石更高，因此B选项是正确的。

而原子的电子数和单质的活泼性一般不会影响到所形成的晶体的硬度等，所以C、D选项也是错误的。

1．氮化硅（Si3N4）是一种新型的耐高温耐磨材料，在工业上有广泛用途，它属于（　　）

A．原子晶体B．分子晶体

C．金属晶体D．离子晶体

答案　A

解析　耐高温、耐磨是原子晶体的特点，故氮化硅（Si3N4）是原子晶体。

2．干冰和二氧化硅晶体同属第ⅣA族元素的最高价氧化物，它们的熔、沸点差别很大的原因是（　　）

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

答案　C

解析　干冰和SiO2所属晶体类型不同，干冰为分子晶体，熔化时破坏分子间作用力；SiO2为原子晶体，熔化时破坏化学键，所以熔点较高。

3．二氧化硅晶体是空间立体网状结构，如图所示：

关于二氧化硅晶体的下列说法中，正确的是（　　）

A．1molSiO2晶体中Si—O键为2mol

B．二氧化硅晶体的分子式是SiO2

C．晶体中Si、O原子是外电子层都满足8电子结构

D．晶体中最小环上的原子数为8

答案　C

解析　A选项错误，SiO2晶体中，1个硅原子与周围4个氧原子形成Si—O键，所以1molSiO2晶体中Si—O键为4mol；B选项错误，晶体中1个硅原子与周围4个氧原子形成共价键，1个氧原子与周围2个硅原子形成共价键，SiO2表示晶体中Si、O原子个数比为1∶2，并不是分子式；C选项正确，1个硅原子分别与4个氧原子形成4对共用电子对，1个氧原子分别与2个硅原子形成2对共用电子对，所以Si、O原子最外电子层都满足8电子结构；D选项错误，晶体中最小环上硅与氧交替连接，SiO2晶体中最小环上的原子数为12，其中6个硅原子，6个氧原子。

4．下列物质熔点的比较正确的是（　　）

A．F2＞Cl2＞Br2B．金刚石＞P4＞O2

C．S＞HBr＞金刚石D．I2＞CH4＞冰

答案　B

解析　A项中F2、Cl2、Br2均是分子晶体，由相对分子质量可知熔点：

F2＜Cl2＜Br2；晶体类型不同时，一般是原子晶体的熔点大于分子晶体的熔点，在常温时P4为固体，O2为气体，所以B项正确；同理因为标准状况下HBr、CH4是气态，冰、I2、S是固态且C项中金刚石为原子晶体，所以C、D两项错误。

5．固体熔化时，必须破坏非极性共价键的是（　　）

A．冰B．晶体硅

C．溴D．二氧化硅

答案　B

解析　冰在融化时克服的是分子间作用力，晶体硅克服的是非极性共价键，溴克服的是分子间作用力，二氧化硅克服的是极性共价键。

选项B符合题意。

6．现有两组物质的熔点数据如表所示：

A组

B组

金刚石：

3550℃

HF：

－83℃

晶体硅：

1410℃

HCl：

－115℃

晶体硼：

2300℃

HBr：

－89℃

二氧化硅：

1710℃

HI：

－51℃

根据表中数据回答下列问题。

（1）A组属于________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是_____________。

（2）B组中HF熔点反常是由于____________。

（3）B组晶体不可能具有的性质是________________。

①硬度小　②水溶液能导电　③固体能导电　④液体状态能导电

答案　

（1）原子　共价键

（2）HF分子间能形成氢键，熔化时需要消耗的能量更多

（3）③④

解析　A组熔点很高，应是原子晶体，原子晶体熔化时破坏的是共价键；B组是分子晶体，且结构相似，一般是相对分子质量越大，熔点越高；HF的相对分子质量最小但熔点比HCl高，出现反常的原因是HF分子间存在氢键，HF熔化时除了破坏分子间作用力，还要破坏氢键，所需能量更高，因而熔点更高，分子晶体在固态时和熔化状态时都不导电。

[经典基础题]

1．氮化硼（BN）是一种新型结构材料，具有质硬、耐磨、耐高温等优良特性，下列各组物质熔化时，所克服的微粒间作用与氮化硼熔化时克服的微粒间作用都相同的是（　　）

A．硝酸钠和金刚石B．晶体硅和水晶

C．冰和干冰D．苯和萘

答案　B

解析　因为BN为原子晶体，熔化时克服的微粒间的相互作用是共价键。

A中硝酸钠为离子晶体；C、D中物质均为分子晶体，只有B中物质均为原子晶体。

2．根据下列性质判断，属于原子晶体的物质是（　　）

A．熔点2700℃，导电性好，延展性强

B．无色晶体，熔点3550℃，不导电，质硬，难溶于水和无机溶剂

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－56.6℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电

答案　B

解析　本题考查的是各类晶体的物理性质特征。

A项中延展性好，不是原子晶体的特征，因为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，A项不正确；B项符合原子晶体的特征；C项符合离子晶体的特征；D项符合分子晶体的特征。

所以应该选择B项。

3．氮化碳结构如图，其中β氮化碳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C3N4

D．每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连

答案　B

解析　根据β氮化碳硬度超过金刚石晶体判断，氮化碳属于原子晶体，A项正确；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，B项错误；氮化碳的化学式为C3N4，每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连，C项和D项正确。

故答案为B项。

4．下列关于原子晶体和分子晶体的说法不正确的是（　　）

A．原子晶体硬度通常比分子晶体大

B．原子晶体的熔、沸点较高

C．分子晶体中有的水溶液能导电

D．金刚石、水晶和干冰都属于原子晶体

答案　D

解析　由于原子晶体中粒子间以共价键结合，而分子晶体中