版高中化学 第3章第3节 原子晶体与分子晶体 第1课时学案 鲁科版选修3.docx

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版高中化学第3章第3节原子晶体与分子晶体第1课时学案鲁科版选修3

第1课时　原子晶体

[学习目标定位]　知道原子晶体的概念，熟知常见的原子晶体的结构与性质，能从原子结构的特点，分析理解其物理特性。

一、常见的原子晶体的结构

1．金刚石的晶体结构模型如图所示。

回答下列问题：

（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个碳原子相结合，形成正四面体结构，这些正四面体向空间发展，构成彼此联结的立体网状结构。

（2）晶体中相邻碳碳键的夹角为109.5°，碳原子采取了sp3杂化。

（3）最小环上有6个碳原子。

（4）晶体中C原子个数与C—C键数之比为1∶2。

（5）晶体中C—C键键长很短，键能很大，故金刚石的硬度很大，熔点很高。

（6）1molC原子组成的金刚石中含有2molC—C键。

2．二氧化硅是由硅原子和氧原子组成的空间立体网状的原子晶体。

其结构示意图如下：

观察分析二氧化硅晶体结构示意图，回答下列问题：

（1）在二氧化硅晶体中，每个Si原子周围结合4个O原子，同时每个O原子与2个Si原子结合。

（2）在二氧化硅晶体中，位于四面体中心的原子是硅原子，位于四面体四个顶点上的原子是氧原子。

（3）在二氧化硅晶体中，硅原子采取sp3杂化，Si—O—Si键与Si—O—Si键的夹角是109.5°。

（4）二氧化硅晶体中最小环上的原子数是12，包括6个O原子和6个Si原子。

（5）1mol二氧化硅晶体中含有4molSi—O键。

（1）原子晶体：

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。

①构成原子晶体的基本微粒是原子。

②形成原子晶体的作用力是共价键。

在原子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。

（2）原子晶体的结构特征

①由于共价键的方向性和饱和性，每个中心原子周围排列的原子数目是有限的，故原子不遵循紧密堆积原则。

②原子晶体呈空间立体网状结构，原子晶体中不存在单个分子，原子晶体的化学式仅仅表示晶体中的原子个数关系。

（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）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。

例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　⑥固态He

A．①②③④⑤⑥B．②③④⑥

C．②③⑥D．①②⑤⑥

答案　C

例2

　下列有关原子晶体的叙述不正确的是（　　）

A．金刚石和二氧化硅晶体的最小结构单元都是正四面体

B．含1molC的金刚石中C—C键数目是2NA,1molSiO2晶体中Si—O键数目是4NA

C．水晶和干冰在熔化时，晶体中的共价键都会断裂

D．SiO2晶体是原子晶体，所以晶体中不存在分子，SiO2不是它的分子式

答案　C

解析　金刚石是1个中心碳原子连接4个碳原子，二氧化硅是1个中心硅原子连接4个氧原子，均为正四面体，A项正确；金刚石中，1个C原子与另外4个C原子形成4个C—C键，这个C原子对每个单键的贡献只有

，所以1molC原子形成的C—C键为4mol×

＝2mol，而二氧化硅晶体中1个Si原子分别与4个O原子形成4个Si—O键，则1molSiO2晶体中Si—O键为4mol，B项正确；干冰熔化时只破坏分子间作用力，共价键不会断裂，C项错误；原子晶体的构成微粒是原子不是分子，D项正确。

规律总结　

（1）晶体硅的结构与金刚石相似，即将金刚石中的碳原子换成硅原子。

不同的是，硅晶体中的Si—Si键的键长比金刚石中的C—C键的键长长。

（2）SiO2晶体结构相当于晶体硅结构中每个Si—Si键中间插入一个O原子。

（3）碳化硅晶体与金刚石结构相似，其空间结构中碳原子和硅原子交替排列。

碳原子和硅原子个数之比为1∶1。

二、原子晶体的性质与共价键的关系

晶体硅（Si）和金刚砂（SiC）都是与金刚石相似的原子晶体。

其结构与性质比较如下表所示：

晶体

键能/kJ·mol－1

键长/pm

熔点/℃

摩氏硬度

金刚石

（C—C）347

154

3350

10

金刚砂

（C—Si）301

186

2600

9

晶体硅

（Si—Si）226

234

1415

7

请根据上表中的数据，分析其熔点、硬度的大小与其结构之间的关系。

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。

（1）由于原子晶体中原子间以较强的共价键相结合，故原子晶体：

①熔、沸点很高；②硬度大；③一般不导电；④难溶于溶剂。

（2）原子晶体具有不同的结构类型，对于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，晶体的稳定性越高，熔、沸点越高，硬度越大。

提醒　原子晶体的熔、沸点不一定高于金属晶体和离子晶体。

如MgO（2800℃）＞SiO2（1713℃）、钨（3410℃）＞SiO2（1713℃）。

例3

　根据下列物质的性质，判断其属于原子晶体的是（　　）

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

答案　B

解析　原子晶体一般不导电，没有延展性，A项错误；原子晶体难溶于水，C项错误；原子晶体一般熔点很高，硬度很大，D项错误。

例4

　下表是某些原子晶体的熔点和硬度。

原子晶体

金刚石

氮化硼

碳化硅

石英

硅

锗

熔点/℃

3900

3000

2700

1710

1410

1211

硬度

10

9.5

9.5

7.0

6.5

6.0

分析表中的数据，判断下列叙述正确的是（　　）

A．构成原子晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高

B．构成原子晶体的原子间的共价键键能越大，晶体的熔点越高

C．构成原子晶体的原子的半径越大，晶体的硬度越大

D．构成原子晶体的原子的相对分子质量越大，晶体的硬度越大

答案　B

1．下列物质中，属于原子晶体的化合物是（　　）

A．无色水晶B．晶体硅

C．金刚石D．干冰

答案　A

解析　A项，无色水晶是原子晶体，属于化合物；B项，晶体硅是单质；C项，金刚石是单质；D项，干冰是分子晶体。

2．下列有关原子晶体的叙述中正确的是（　　）

A．原子晶体中只存在非极性共价键

B．原子晶体的熔点一定比金属晶体的高

C．在SiO2晶体中，1个硅原子和2个氧原子形成2个共价键

D．石英晶体是直接由硅原子和氧原子通过共价键所形成的空间网状结构的晶体

答案　D

解析　原子晶体单质中含有非极性共价键，原子晶体化合物中存在极性共价键；在SiO2晶体中，1个硅原子与周围4个氧原子形成4个Si—O键；金属晶体的熔点差别很大，有些金属晶体（如W）熔点可能高于某些原子晶体的熔点。

3．二氧化硅晶体是空间立体网状结构，如图所示，下列关于二氧化硅晶体的说法中正确的是（　　）

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原子最外电子层都满足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个为硅原子，6个为氧原子。

4．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．碳氮键键长比金刚石中的碳碳键键长更短

C．氮原子电子数比碳原子电子数多

D．碳、氮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，原子晶体的结构是一种空间网状结构而不是平面结构，A选项错误；氮原子的半径比碳原子的半径小，二者所形成的共价键的键长要比碳碳键的键长短，所以该晶体的硬度应该比金刚石更高，B选项正确；原子的电子数和单质的活泼性一般不会影响所形成的晶体的硬度等，所以C、D选项错误。

5．回答下列问题：

（1）氮化碳和氮化硅晶体结构相似，是新型的非金属高温陶瓷材料，它们的硬度大、熔点高，化学性质稳定。

①氮化硅的硬度________（填“大于”或“小于”）氮化碳的硬度，原因是________________

________________________________________________________________________。

②已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且氮原子与氮原子不直接相连、硅原子与硅原子不直接相连，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________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）第ⅢA、ⅤA族元素组成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的新型半导体材料，其晶体结构与单晶硅相似。

①在GaN晶体中，每个Ga原子与______个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间构型为____________，GaN属于______晶体。

②三种新型半导体材料的熔点由高到低的顺序为_________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）①小于　氮化硅和氮化碳均为原子晶体，氮化硅中N—Si键的键长比氮化碳中C—N键的键长长，键能小　②Si3N4

（2）①4　正四面体　原子　②GaN＞GaP＞GaAs

解析　

（1）①氮化硅和氮化碳均为原子晶体。

氮化硅中N—Si键的键长比氮化碳中C—N键的键长长，键能小，所以氮化硅硬度比氮化碳小。

②由题意知，氮化硅晶体中每个Si原子连接4个N原子，每个N原子连接3个Si原子，Si和N原子均达到8电子稳定结构，其化学式为Si3N4。

（2）①GaN与单晶硅结构相似，所以每个Ga原子与4个N原子形成共价键，每个N原子与4个Ga原子形成共价键。

与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间构型为正四面体结构，GaN与晶体硅都是原子晶体。

②原子半径越小，共价键越强，晶体的熔点越高。

[对点训练]

题组1　原子晶体的结构

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

答案　D

解析　A项，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；B项，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；C项，原子晶体是由原子以共价键相结合形成的，不存在独立的分子；D项，原子晶体是原子通过共价键连接的，熔化时需要破坏共价键。

2．在单质的晶体中一定不存在的微粒是（　　）

A．原子B．分子

C．阴离子D．阳离子

答案　C

解析　A项，例如金刚石由碳原子组成；B项，例如I2由碘分子组成；D项，例如金属Cu由Cu2＋和自由电子组成；C项中阴离子只能存在于离子化合物中。

3．下列关于SiO2晶体网状结构的叙述中正确的是（　　）

A．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

B．最小的环上，有3个Si原子和3个O原子

C．最小的环上，Si原子和O原子个数之比为1∶2

D．最小的环上，有6个Si原子和6个O原子

答案　D

解析　二氧化硅是原子晶体，为空间网状结构，存在四面体结构，硅原子处于中心，氧原子处于4个顶角，所以A项错误；晶体硅的结构与金刚石相似（金刚石中最小碳环为6个碳原子），而SiO2晶体只是在两个Si原子间插入1个O原子，即最小环含6个Si原子和6个O原子。

4．下列说法正确的是（　　）

A．在含4molSi—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．30g二氧化硅晶体中含有0.5NA个二氧化硅分子

D．晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的原子晶体

答案　B

解析　在二氧化硅晶体中，每个硅原子形成4个Si—O键，故含有4molSi—O键的二氧化硅晶体的物质的量为1mol，即含有2NA个氧原子，A项错误；金刚石中每个碳原子均与另外4个碳原子形成共价键，且每两个碳原子形成一个C—C键，故1mol碳原子构成的金刚石中共有2molC—C键，因此碳原子数与C—C键数之比为1∶2，B项正确；二氧化硅晶体中不存在分子，C项错误；氖晶体是由单原子分子靠分子间作用力结合在一起形成的，属于分子晶体，D项错误。

题组2　原子晶体的性质及判断

5．氮化铝（AlN）常用做砂轮及高温炉衬材料，熔化状态下不导电，可知它属于（　　）

A．离子晶体B．原子晶体

C．分子晶体D．无法判断

答案　B

解析　熔化状态下不导电的化合物必定是共价化合物，排除是离子化合物的可能，又因为具有耐高温的性能，所以必定是原子晶体。

6．下列事实能说明刚玉（Al2O3）是一种原子晶体的是（　　）

①Al2O3是两性氧化物　②硬度很大　③它的熔点为2045℃　④几乎不溶于水　⑤自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石

A．①②③B．②③④

C．④⑤D．②⑤

答案　B

解析　①指的是Al2O3的分类，⑤指的是刚玉的种类，这两项都无法说明Al2O3是一种原子晶体。

7．AB型共价化合物晶体，若其原子最外层电子数之和为8，常是具有半导体性质的原子晶体。

已知金刚石不导电而导热；锆石（ZrO2）不导电、不导热，却硬似钻石；近期用制耐热器的碳化硅制成了假钻石，则识别它们的可行方法是（　　）

A．能在玻璃上刻划出痕迹的为金刚石

B．很硬不导电而导热的是金刚石和碳化硅

C．既可导电又可导热的是碳化硅

D．不导电的为锆石

答案　B

解析　金刚石、SiC、锆石均为原子晶体，但物理性质有差异。

8．下列物质的熔点顺序判断不正确的是（　　）

A．Li>Na>K>Rb

B．原子晶体>离子晶体>金属晶体

C．金刚石>碳化硅>晶体硅

D．NaCl>KCl>CsCl

答案　B

解析　晶体熔、沸点高低取决于结构微粒间作用力的大小，即金属键、共价键、离子键、分子间作用力的大小。

金属晶体的熔点差别很大，可能比离子晶体的熔、沸点高，离子晶体的熔、沸点与离子半径和离子所带电荷数有关，电荷数相同时，离子半径越小，晶体的熔、沸点越高，原子晶体中原子的半径越小，熔点越高。

题组3　原子晶体结构与性质的综合考查

9.磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料。

右图为其晶体结构中最小的重复结构单元，其中的每个原子均满足8电子稳定结构。

下列有关说法正确的是（　　）

A．磷化硼晶体的化学式为BP，属于离子晶体

B．磷化硼晶体的熔点高，且熔融状态下能导电

C．磷化硼晶体中每个原子均形成4个共价键

D．磷化硼晶体结构微粒的空间堆积方式与氯化钠相同

答案　C

解析　根据题意，磷化硼为超硬耐磨材料，说明其晶体类型为原子晶体，熔融状态不导电，A项和B项错误；磷化硼原子间均为共价键，由图可以发现，每个原子均形成4个共价键，C正确；由磷化硼的晶体结构可以看出，它的配位数为4，而NaCl晶体的配位数为6，二者结构微粒的堆积方式明显不同，故D错误。

10．在40GPa高压下，用激光器加热到1800K时，科学家成功地制得了原子晶体CO2，下列有关这种CO2晶体推断正确的是（　　）

A．原子晶体CO2易升华，可用做制冷剂

B．原子晶体CO2的硬度和耐磨性都不如水晶

C．原子晶体CO2有很高的熔、沸点，很大的硬度，可用做耐磨材料

D．每摩尔原子晶体CO2含2molC—O键，每摩尔C原子与4molO原子形成共价键

答案　C

解析　原子晶体CO2中C和O原子之间以共价键结合成空间立体网状结构，共价键作用强，所以其具有很高的熔、沸点，很大的硬度，A不正确，C正确；CO2与SiO2组成相似，将SiO2晶体中的Si原子换成C原子就是原子晶体CO2的结构，由于C—O键的键长小于Si—O键的键长，C—O键的键能大于Si—O键的键能，所以原子晶体CO2的硬度和耐磨性都强于水晶，B不正确；在原子晶体CO2中，每个C原子都处于4个氧原子构成的四面体的中心，所以每摩尔原子晶体CO2中含有4molC—O键，每摩尔C原子与4molO原子形成共价键，D不正确。

11．已知氮化碳晶体是新发现的高硬度材料，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。

下列关于该晶体的说法错误的是（　　）

A．氮化碳属于原子晶体，比金刚石中的硬度更大

B．该晶体中每个碳原子与4个氮原子相连，每个氮原子与3个碳原子相连，氮化碳的化学式为C3N4

C．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构

D．该晶体与金刚石相似，都是原子间以非极性键形成空间网状结构

答案　D

解析　氮化碳为高硬度材料且是由非金属元素组成，因此该晶体应为原子晶体。

又因为C—C键键长大于C—N键键长，故C—N键的键能大于C—C键，硬度更大的是氮化碳，A项正确；每个C原子与4个N原子形成共价单键，每个N原子与3个C原子形成共价单键，C原子和N原子的最外层都达到8电子稳定结构，所以氮化碳的化学式为C3N4，B、C项正确；氮化碳晶体原子间以N—C极性键形成空间网状结构，D项错误。

12．氮化硼（BN）晶体有多种相结构。

六方相氮化硼是通常存在的稳定相，与石墨相似，具有层状结构，可作高温润滑剂；立方相氮化硼是超硬材料，有优异的耐磨性。

它们的晶体结构如图所示，下列关于这两种晶体的说法正确的是（　　）

A．六方相氮化硼与石墨一样可以导电

B．立方相氮化硼含有σ键和π键，所以硬度大

C．两种晶体均为分子晶体

D．六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间构型为平面三角形

答案　D

解析　A项，六方相氮化硼晶体中没有可以自由移动的电子或离子，所以不导电，错误；B项，立方相氮化硼中只含有σ键，错误；C项，立方相氮化硼是原子晶体，错误；D项，由六方相氮化硼的晶体结构可知，每个硼原子与相邻3个氮原子构成平面三角形，正确。

[综合强化]

13．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/K

＞3823

1683

2573

沸点/K

5100

2628

2823

硬度

10

7.0

9.5

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

________________________________________________________________________。

（2）已知晶体硼的基本结构单元是由硼原子组成的正二十面体（如图），其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点上各有1个B原子。

通过观察图形及推算，此晶体结构单元由________个B原子组成，键角为________。

答案　

（1）原子　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原子晶体，B与C相邻且与Si处于对角线位置，也应为原子晶体

（2）12　60°

解析　

（2）每个三角形的顶点被5个三角形所共有，所以，此顶点完全属于一个三角形的只占到

，每个三角形中有3个这样的点，且晶体B中有20个这样的三角形，因此，晶体B中这样的顶点（B原子）有

×20＝12个。

又因晶体B中的三角形面为正三角形，所以键角为60°。

14．

（1）Ge单晶具有金刚石型结构，其中Ge原子的杂化方式为______________，微粒之间存在的作用力是__________________。

（2）晶胞有两个基本要素：

①原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置。

如图为Ge单晶的晶胞，其中原子坐标参数A为（0,0,0）；B为（

，0，

），C为（

，

，0）。

则D原子的坐标参数为__________________________。

②晶胞参数，描述晶胞的大小和形状。

已知Ge单晶的晶胞参数a＝565.76pm，其密度为________g·cm－3（列出计算式即可）。

已知：

Ge的相对原子质量为73。

答案　

（1）sp3　共价键（或非极性共价键）

（2）①（

，

，

）　②

×107

解析　

（1）类比金刚石，晶体锗是原子晶体，每个锗原子与其周围的4个锗原子形成4个单键，故锗原子采用sp3杂化，锗原子间以共价键（或非极性共价键）结合。

（2）①对照晶胞图示及A、B、C点坐标，选A点为参照点，可知D在体对角线的

处，运用比例关系可得D的坐标参数为（

，

，

）；②因为其晶胞类似金刚石晶胞，故其晶胞内含8个Ge原子，ρ＝

＝

×107g·cm－3。

15．

（1）金刚砂（SiC）的硬度为9.5，其晶胞结构如图甲所示，则金刚砂晶体类型为________；在SiC中，每个C原子周围最近的C原子数目为______________；若晶胞的边长为apm，则金刚砂的密度表达式为______________________________。

（2）硅的某种单质的晶胞如图乙所示。

GaN晶体与该硅晶体相似。

则GaN晶体中，每个Ga原子与________个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为______________________。

若该硅晶体的密度为ρg·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA，则晶体中最近的两个硅原子之间的距离为____________cm（用代数式表示即可）。

答案　

（1）原子晶体　12　

（2）4　正四面体　

×

解析　

（1）金刚砂（SiC）的硬度为9.5，硬度大，属于原子晶体；每个碳原子连接4个硅原子，每个硅原子又连接其他3个碳原子，所以每个碳原子周围最近的碳原子数目为3×4＝12；该晶胞中C原子个数为8×

＋6×

＝4，Si原子个数为4，晶胞边长为a×10－10cm，体积V＝（a×10－10cm）3，ρ＝

＝

。

（2）根据物质的晶体结构可知，在GaN晶体中，每个Ga原子与4个N原子相连，与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为正四面体。

在晶体Si的晶胞中含有Si原子的数目是8×

＋6×

＋4＝8，则根据晶胞的密度ρ＝

可知V＝

＝

cm3＝

cm3，晶胞的边长a＝

＝

cm