学年高中化学第3章第2节第2课时共价晶体分子晶体晶体结构的复杂性教案鲁科版必修2doc.docx

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学年高中化学第3章第2节第2课时共价晶体分子晶体晶体结构的复杂性教案鲁科版必修2doc

第2课时　共价晶体　分子晶体　晶体结构的复杂性

发展目标

体系构建

1.通过金刚石、晶体硅、SiO2晶体的结构模型认识共价晶体的结构特点，能解释共价晶体的性质。

2.通过干冰、冰、碘晶体的结构模型，认识由范德华力和氢键形成分子晶体的结构特点的不同，能解释分子晶体的性质。

3.通过认识石墨晶体的特殊结构，知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的。

一、共价晶体

1．共价晶体的概念及特点

（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称为共价晶体。

（2）特点

共价晶体的熔点很高，硬度很大。

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

　共价晶体中的原子服从紧密堆积排列吗？

说明理由。

提示：

不服从。

由于共价键具有方向性和饱和性，共价晶体中每个原子周围排列的原子的数目是有限的，故原子的排列不服从紧密堆积方式。

2．几种共价晶体的结构

（1）金刚石的晶体结构

在晶体中，碳原子以sp3杂化轨道与周围4个碳原子以共价键相结合，C—C键间的夹角为109°28′。

因为中心原子周围排列的原子的数目是有限的，所以这种比较松散的排列与金属晶体和离子晶体中的紧密堆积排列有很大的不同。

（2）SiC晶体的结构

SiC晶体的结构类似于金刚石晶体结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的，所以在整个晶体中硅原子与碳原子个数比为1∶1。

（3）SiO2晶体的结构

水晶是由Si和O构成的空间立体网状的二氧化硅晶体，一个硅原子与四个氧原子形成四个共价键，每个氧原子与两个硅原子形成两个共价键，从而形成以硅氧四面体为骨架的结构，且只存在Si—O键。

二氧化硅晶体中硅原子和氧原子个数比为1∶2，不存在单个分子，可以把整个晶体看成巨型分子。

二、分子晶体

1．分子之间通过分子间作用力结合形成的晶体称为分子晶体。

非金属单质、非金属的氧化物和氢化物等无机物以及多数有机化合物形成的晶体大都属于分子晶体。

2．性质

（1）分子晶体在熔化时，破坏的只是分子间作用力，所以只需要外界提供较少的能量。

因此，分子晶体的熔点通常较低，硬度也较小，有较强的挥发性。

（2）对组成和结构相似且晶体中没有氢键的分子晶体来说，随着相对分子质量的增大，分子间作用力增强，熔点升高。

（3）一般来说，分子间作用力无方向性，也使得分子在堆积时，会尽可能利用空间并采取紧密堆积方式，但是，分子的形状、分子的极性以及分子之间是否存在氢键等，都会影响分子的堆积方式。

3．几种常见的分子晶体

（1）碘晶体

碘晶体的晶胞是一个长方体，碘分子除了占据长方体的每个顶点外，在每个面上还有一个碘分子。

（2）干冰

干冰晶胞呈立方体型，其中二氧化碳分子因分子之间的相互作用，在晶胞中呈现有规律的排列（如图所示）。

干冰的结构模型（晶胞）

（3）冰晶体

冰晶体主要是水分子依靠氢键而形成的。

由于氢键具有一定的方向性，中央的水分子与周围四个水分子结合，边缘的四个水分子也按照同样的规律再与其他水分子结合，每个氧原子周围都有四个氢原子。

这种排列类似于蜂巢结构，比较松散。

因此水由液态变成固态时，密度变小。

三、晶体结构的复杂性

1．石墨晶体

石墨晶体具有层状结构，同一层中的每个碳原子用sp2杂化轨道与邻近的三个碳原子以共价键相结合，形成无限的六边形平面网状结构，每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道，并含有一个未成对电子，因此能够形成遍及整个平面的大π键。

大π键具有金属键的性质。

石墨晶体中既有共价键，又有范德华力，同时还有金属键的特性，所以称为混合型晶体。

（1）石墨晶体为什么具有导电性？

提示：

石墨晶体中每个C原子未参与杂化的轨道中含有1个未成对电子，能形成遍及整个平面的大π键，由于电子可以在整个六边形网状平面上运动，因此石墨沿层平行方向导电。

（2）稀有气体由单原子构成，它属于共价晶体吗？

提示：

不是，它属于分子晶体。

2．Na2SiO3晶体

在Na2SiO3固体中并不存在单个的简单SiO

，Si通过共价键与4个O原子相连，形成硅氧四面体。

硅氧四面体通过共用顶角O原子而连成较大的链状硅酸盐{SiO

}∞单元（如图所示），带负电的链状硅酸盐{SiO

}∞单元与金属阳离子以离子键相互作用。

3．过渡晶体

原子之间形成的化学键往往是介于典型模型（金属键、离子键、共价键、配位键）之间的过渡状态。

由于微粒间的作用存在键型过渡，即使组成简单的晶体，也可能是居于金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体之间的过渡状态，形成过渡晶体。

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）金刚石的晶胞构型为正四面体。

（×）

（2）二氧化硅的分子式是SiO2。

（×）

（3）通常情况下，分子晶体的熔、沸点比较低，原子晶体的熔、沸点比较高。

（√）

（4）水是一种非常稳定的化合物，这是由于水中存在氢键。

（×）

2．下列说法中正确的是（　　）

A．冰融化时，分子中H—O键发生断裂

B．共价晶体中，共价键越强，共价晶体的熔点越高

C．分子晶体中，共价键键能越大，该分子晶体的熔、沸点一定越高

D．稀有气体形成的晶体属于共价晶体

B　[冰属于分子晶体，冰晶体中存在分子间作用力，所以冰融化时克服分子间作用力，共价键不变，A错误；共价晶体中共价键的强弱决定其熔点的高低，所以共价晶体中共价键越强，共价晶体的熔点越高，B正确；分子晶体的熔点和沸点与分子间作用力有关，与分子内的共价键的键能强弱无太大关系，C错误；稀有气体分子是单原子分子，形成的晶体为分子晶体，D错误。

]

3．分子晶体具有的本质特征是（　　）

A．组成晶体的基本构成微粒是分子

B．熔融时不导电

C．晶体内微粒间以分子间作用力相结合，这种作用很弱

D．熔点一般比共价晶体低

C　[分子晶体相对于其他晶体来说，熔、沸点较低，硬度较小，导致这些性质特征的本质原因是基本构成微粒间的相互作用——范德华力及氢键相对于化学键来说是极其微弱的。

]

共价晶体的结构特点及常见共价晶体的结构

（素养养成——宏观辨识与微观探析）

水晶是一种古老的宝石，晶体完好时呈六棱柱钻头形，它的成分是二氧化硅。

水晶的结构可以看成是硅晶体中每个Si—Si键中“插入”一个氧原子形成的。

1．在水晶中“Si—O—Si”键是否是直线型？

提示：

不是，“Si—O—Si”键呈V形。

2．在SiO2晶体中，1molSiO2含几摩尔“Si—O”键？

提示：

4mol。

1．共价晶体的结构特征

（1）构成共价晶体的基本微粒：

原子。

晶体中不存在单个分子，共价晶体的化学式仅仅表示物质中的原子个数关系，不是分子式。

（2）形成共价晶体的作用力：

共价键。

在共价晶体中只存在共价键（极性键或非极性键），没有分子间作用力和其他相互作用。

（3）共价晶体中的原子以共价键相结合，共价键有方向性和饱和性，因此在共价晶体中，每个原子周围的其他原子的数目是一定的，原子之间的相对位置也是确定的，彼此连接形成稳定的空间立体网状结构。

原子的堆积不遵循紧密堆积原则。

2．金刚石和二氧化硅结构

金刚石

（1）每个碳与相邻4个碳以共价键结合，形成正四面体结构

（2）键角均为109°28′

（3）最小碳环由6个C组成且六个原子不在同一平面内

（4）每个C参与4条C—C键的形成，C原子数与C—C键个数之比为1∶2

（5）每个晶胞含8个C

SiO2

（1）每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构

（2）每个正四面体占有1个Si,4个“

O”，n（Si）∶n（O）＝1∶2

（3）最小环上有12个原子，即6个O,6个Si

微点拨：

（1）若把金刚石中的碳原子换成硅原子，便可得到晶体硅的结构，跟金刚石不同的是，硅晶体中Si—Si键的键长大于金刚石晶体中C—C键的键长。

（2）碳化硅晶体的结构类似于金刚石晶体的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的，每个碳原子结合4个硅原子，同时每个硅原子结合4个碳原子，所以在整个晶体中硅与碳的原子个数比是1∶1，碳化硅的化学式是SiC。

碳化硅晶体中的Si—C键的键长小于硅晶体中Si—Si键的键长，大于金刚石晶体中C—C键的键长。

（3）SiO2晶体结构相当于将金刚石中的C原子全都改换为Si原子，同时在每两个Si原子中心连线的中间增添一个O原子，在晶体中只存在Si—O键，不存在Si—Si键和O—O键。

【例1】　我们可以将SiO2的晶体结构想象为在晶体硅的Si—Si键之间插入O原子。

根据SiO2晶体结构图，下列说法不正确的是（　　）

A．石英晶体中每个Si原子通过Si—O极性键与4个O原子作用

B．每个O原子也通过Si—O极性键与2个Si原子作用

C．石英晶体中Si原子与O原子的原子个数比为1∶2，可用“SiO2”来表示石英的组成

D．在晶体中存在石英分子，故石英的分子式为SiO2

D　[由题图可知每个硅原子与四个氧原子相连，而每个氧原子与两个硅原子相连，在晶体中Si原子与O原子的个数比为1∶2，“SiO2”仅表示石英的组成，不存在单个的SiO2分子，故D错误。

]

1．根据下列物质的性质，判断其属于共价晶体的是（　　）

A．熔点2700℃，导电性强，延展性强

B．无色晶体，熔点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－56.6℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电

B　[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。

]

2.二氧化硅是立体的网状结构，其晶体模型如图所示，请认真观察该晶体模型后回答以下问题：

（1）二氧化硅晶体中最小环为________元环。

（2）每个硅原子为________个最小环共有；每个最小环中有________个硅原子，________个氧原子。

（3）每个最小环平均拥有________个硅原子，________个氧原子。

（4）1molSiO2中含有________molSi—O键。

[解析]　

（1）SiO2晶体中Si原子的排列方式和金刚石晶体中碳原子的排列方式是相同的。

在金刚石晶体中，每个最小环上有6个碳原子，因此SiO2晶体中每个最小环上有6个Si原子，另外六边形的每条边上都插入了1个氧原子，所以最小环为12元环。

（2）据图可知，每个硅原子周围有四条边，而每条边又被6个环所共有，同时由于每个环上有两条边是同一个硅原子周围的，因此还要除以2以剔除重复。

所以最终计算式为

＝12。

（3）由于每个硅原子被12个环共有，因此每个环只占有该硅原子的

，又因为每个最小环上有6个硅原子，所以每个最小环平均拥有的硅原子数为6×

＝

。

又因为SiO2晶体是由硅原子和氧原子按1∶2的比例所组成，因此氧原子的数目为

×2＝1。

（4）据图可知，1个Si原子周围有4条Si—O键，无共用，所以1molSiO2中有4molSi—O键。

[答案]　

（1）12　

（2）12　6　6　（3）

　1　（4）4

四种晶体比较

（素养养成——证据推理与模型认知）

　　类型

项目　　

离子晶体

共价晶体

分子晶体

金属晶体

构成晶体

的微粒

阴、阳

离子

原子

分子

金属阳离子

和自由电子

微粒间

的作用

离子键

共价键

分子间作用

力（范德华

力或氢键）

金属键

作用力强

弱（一般地）

较强

很强

弱

一般较强，

有的较弱

确定作用

力强弱的

一般判断

方法

离子电

荷、半径

键长（原

子半径）

组成和结

构相似时

比较相对

分子质量

离子半

径、价电

子数

熔、沸点

较高

高

低

差别较大

（汞常温下

为液态，钨

熔点为

3410℃）

硬度

略硬而脆

大

较小

差别较大

导热和

导电性

不良导体

（熔化后

或溶于水

导电）

不良

导体

不良导体

（部分溶于

水发生电

离后导电）

良导体

溶解性

（水）

多数易溶

一般

不溶

相似相溶

一般不溶于

水，少数与

水反应

组成微粒

堆积方式

非等径

圆球紧

密堆积

不服从

紧密堆

积原理

紧密堆积

（与分子形

状有关且

分子间不

存在氢键）

等径圆球

紧密堆积

（A1、A2、A3）

【例2】　下列分子晶体，关于熔点、沸点高低的叙述中，正确的是（　　）

A．Cl2>I2

B．SiCl4

C．NH3>PH3

D．C（CH3）4>CH3CH2CH2CH2CH3

C　[A、B项属于无氢键存在的分子结构相似的情况，相对分子质量大的熔点、沸点高；C选项属于分子结构相似的情况，但存在氢键的熔点、沸点高；D项属于相对分子质量相同，但分子结构不同的情况，支链多的熔点、沸点低。

]

判断分子晶体的熔点、沸点高低时，主要从以下两个方面去考虑：

一是有无氢键，有氢键的分子晶体熔点、沸点较高；二是看分子间作用力，主要是结构相似的情况下，看物质的相对分子质量大小，相对分子质量大者，其分子间作用力强，对应晶体的熔点、沸点高。

1．下列表述不正确的是（　　）

A．熔点：

CF4

B．硬度：

金刚石>碳化硅>晶体硅

C．晶格能：

NaF>NaCl>NaBr>NaI

D．熔点：

Na>Mg>Al

D　[A项中均为分子晶体，其熔点和分子间作用力有关，分子间作用力越大，熔点越高，对组成和结构相似的分子晶体而言，相对分子质量越大，分子间作用力越大，A项正确。

B项中均为共价晶体，形成共价键的原子半径越小，共价键越强，硬度越大，B项正确。

C项中均为离子晶体，形成离子晶体的离子半径越小，离子所带电荷越多，离子键越强，晶格能越大，离子半径：

F－

NaF>NaCl>NaBr>NaI，C项正确。

D项中均为金属晶体，形成金属键的金属阳离子半径越小，所带电荷越多，金属键越强，金属晶体的熔点就越高，离子半径：

Na＋>Mg2＋>Al3＋，熔点：

Al>Mg>Na，D项错误。

]

2．下列物质的性质变化规律与化学键的强弱无关的是（　　）

A．钠、镁、铝的熔点和沸点逐渐升高，硬度逐渐增大

B．金刚石的硬度大于晶体硅的硬度，其熔点也高于晶体硅的熔点

C．KF、KCl、KBr、KI的熔点依次降低

D．CF4、SiF4、GeF4的熔点和沸点逐渐升高

D　[A项，钠、镁、铝的熔点和沸点逐渐升高，硬度逐渐增大，这是因为它们所含的金属键逐渐增强，与化学键的强弱有关；B项，金刚石的硬度大于晶体硅的硬度，其熔点也高于晶体硅的熔点，这是因为C—C键的键长比Si—Si键的键长短，C—C键的键能比Si—Si键的键能大，与化学键的强弱有关；C项，KF、KCl、KBr、KI的熔点依次降低，这是因为它们所含的离子键的强度逐渐减弱，与化学键的强弱有关；D项，CF4、SiF4、GeF4的熔点和沸点逐渐升高，这是因为分子间作用力随相对分子质量的增大而增大，与化学键的强弱无关。

]

石墨不同于金刚石，它的碳原子不像金刚石的碳原子那样呈sp3杂化，而是呈sp2杂化，形成平面六元并环结构（如下图①），因此，石墨晶体是层状结构的，层内的碳原子的核间距为142pm，层间距离为335pm（比键长大得多）说明层间没有化学键相连，是靠范德华力维系的（如图②）

①石墨晶体中的二维平面结构　②石墨的层状结构

1．金刚石与石墨的熔点均很高，那么二者熔点是否相同？

若不相同，哪种更高一些？

为什么？

提示：

不相同。

石墨熔点高于金刚石。

金刚石中C原子杂化方式为sp3杂化，C原子之间存在σ键，而石墨中C原子杂化方式为sp2杂化，C原子之间存在σ键和π键，石墨中化学键的键能大，故熔点高。

2．观察冰的晶体结构，思考下列问题：

（1）冰晶体中微粒间的作用力有哪几种？

（2）冰晶体的结构特点如何？

冰中水分子的排列是否采取紧密堆积的方式？

为什么？

（3）由水变为冰，水的密度如何变化？

为什么？

提示：

（1）范德华力和氢键。

（2）冰晶体主要是水分子依靠氢键而形成的。

因氢键具有一定的方向性，故冰中水分子不能采取紧密堆积方式。

（3）密度减小；因冰中水分子的间距较大，分子的排列比较松散。

通过本情境素材中对不同晶体的作用力分析，明确各类晶体物理性质与形成晶体的作用力间的关系，提升了“证据推理与模型认知”的化学学科素养。

1．关于金刚石的下列说法中，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

D　[金刚石在高温下与O2反应生成CO2。

]

2．SiCl4的分子结构与CCl4的相似，下列对SiCl4的推测不正确的是（　　）

A．SiCl4晶体是分子晶体

B．常温、常压下SiCl4是气体

C．SiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子

D．SiCl4为正四面体结构

B　[由于SiCl4的分子结构与CCl4的相似，所以SiCl4属于分子晶体。

CCl4分子是正四面体结构，SiCl4与其结构相似，因此也是正四面体结构，是含极性键的非极性分子。

]

3．（素养题）氮化铝（AlN）常用作砂轮及高温炉衬材料，熔融状态下不导电，可知它属于（　　）

A．离子晶体　　　B．共价晶体

C．分子晶体D．无法判断

B　[熔融状态下不导电的化合物必定是共价化合物，又因为具有耐高温的性能，所以必定是共价晶体。

]

4．当SO3晶体熔化时，下述各项发生变化的是（　　）

A．化学键

B．硫与氧的原子个数之比

C．分子构型

D．分子间作用力

D　[当SO3晶体熔化时，分子间作用力被破坏，故选D项。

]

5．单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据：

金刚石

晶体硅

晶体硼

熔点/℃

3350

1415

2573

沸点/℃

4827

2628

2823

摩氏硬度

10

7.0

9.5

（1）晶体硼的晶体类型属于________，理由是________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

_____________________________________________________________。

（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，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点各有一个硼原子。

通过观察图形及推算，得出此基本结构单元由________个硼原子构成，其中B—B键的键角为________，共含有________个B—B键。

[解析]　

（1）晶体硼的熔沸点和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，且从周期表中位置看硼与碳相邻，与硅处于对角线处（相似），也能推知晶体硼属于共价晶体。

（2）均摊法：

B原子个数为20×

×3＝12（个），正三角形键角为60°，B—B键键数为20×

×3＝30。

[答案]　

（1）共价晶体　晶体硼的熔沸点和硬度均介于金刚石和晶体硅之间，而金刚石和晶体硅都是共价晶体

（2）12　60°　30

微专题4　不同结构物质的熔、沸点比较

物质沸点高低是由构成物质质点间作用力大小决定的。

物质质点间作用力包括分子间作用力和各种化学键。

以下是常见的几种比较物质沸点高低的方法。

1．根据物质状态判断

即物质沸点高低按常温下的状态：

固体＞液体＞气体。

如：

NaCl＞H2O＞CO2。

2．根据物质不同结构特点判断

（1）共价晶体：

共价晶体间键长越短、键能越大，共价键越稳定，物质熔、沸点越高，反之越低。

如：

金刚石（C—C）＞晶体硅（Si—Si）。

（2）离子晶体：

离子晶体中阴、阳离子半径越小，电荷数越多，则离子键越强，熔、沸点越高，反之越低。

如KCl＞KBr。

（3）分子晶体：

分子晶体分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高，反之越低。

①组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，分子间作用力越强，物质的熔、沸点越高。

如：

CH4＜SiH4＜GeH4＜SnH4。

②因为氢键＞范德华力，所以存在分子间氢键的物质沸点高于只存在范德华力的物质。

如：

乙醇＞氯乙烷；HF＞HCl。

1．下列说法错误的是（　　）

A．卤族元素的氢化物中HF的沸点最高，是由于HF分子间存在氢键

B．邻羟基苯甲醛的熔、沸点比对羟基苯甲醛的熔、沸点低

C．H2O的沸点比HF的沸点高，是由于水中氢键的键能大

D．氨气极易溶于水与氨气分子和水分子间形成氢键有关

C　[HF分子间存在氢键，故沸点相对较高，A项正确；能形成分子间氢键的物质熔、沸点较高，邻羟基苯甲醛易形成分子内氢键，对羟基苯甲醛易形成分子间氢键，所以邻羟基苯甲醛的熔、沸点比对羟基苯甲醛的熔、沸点低，B项正确；H2O分子中的O可与周围H2O分子中的两个H原子形成两个氢键，而HF分子中的F原子只能形成一个氢键，氢键越多，沸点越高，所以H2O的沸点高，C项错误；氨气分子和水分子间形成氢键，导致氨气极易溶于水，D项正确。

]

2．（双选）下列关于金属晶体的叙述正确的是（　　）

A．常温下，金属单质都以金属晶体形式存在

B．金属阳离子与自由电子之间的强烈作用，在一定外力作用下，不因形变而消失

C．钙的熔、沸点高于钾

D．温度越高，金属的导电性越好

BC　[常温下，Hg为液态，A错；因为金属键无方向性，故金属键在一定范围内不因形变而消失，B正确；钙的金属键强于钾，故熔、沸点高于钾，C正确；温度升高，金属的导电性减弱，D错。

]

3．美国《科学》杂志曾报道：

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

A．该共价晶体中含有极性键

B．该共价晶体易汽化，可用作制冷材料

C．该共价晶体有很高的熔点、沸点

D．该共价晶体硬度大，可用作耐磨材料

B　[CO2由分子晶体变为共价晶体，其成键情况也发生了变化，由原来的C===O变为C—O，但化学键依然为极性共价键，故A项正确。

由于晶体类型及分子结构发生变化，物质的熔、沸点等性质也发生了变化，CO2共价晶体具有高硬度、高熔、沸点等特点，故C、D选项正确，B项错误。

]

4．某化学兴趣小组在学习分子晶体后，查阅了几种氯化物的熔点，记录如下：

NaCl

MgCl2

AlCl3

SiCl4

CaCl2

熔点/℃

801

712

190

－68

782

根据这些数据分析，他们认为属于分子晶体的是（　　）

A．NaCl、MgCl2、CaCl2B．AlCl3、SiCl4

C．NaCl、CaCl2D．全部

B　[分子晶体中，分子与分子之间以分子间作用力相互作用，而分子间作用力较小，克服分子间作用力所需能量较低，故分子晶体的熔点较低，表中的MgCl2、NaCl、CaCl2的熔点均很高，不属于分子晶体，AlCl3、SiCl4的熔点较低，应为分子晶体，所以B项正确。

]

5．现有几组物质的熔点（℃）数据：

A组

B组

C组

D组

金刚石：

3550