鲁科版 (2019)选择性必修2第2节 几种简单的晶体结构模型第2课时学案及答案

第2课时　共价晶体与分子晶体　晶体结构的复杂性

共价晶体

1．由金刚石的晶体结构可以看出，在每个碳原子周围排列的碳原子只能有四个，这是由共价键的饱和性和方向性决定的。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．除了金刚石外，通常情况下，晶体硅、晶体锗、晶体硼、碳化硅、二氧化硅等都属于共价晶体。二氧化硅晶体中硅原子和氧原子的个数比为1∶2。在共价晶体里，不存在单个的分子。

3．在共价晶体中，各原子均以共价键相结合，只要共价键不被破坏，原子就不能自由移动。由于共价晶体熔化或被粉碎时必须破坏其中的共价键，对结构相似的共价晶体来说，共价键的键能越大，晶体的熔点就越高、硬度就越大。

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．碘晶体的晶胞是一个长方体，除了长方体的每个顶点处有一个碘分子外，每个面上还有一个碘分子。氯单质、溴单质的晶体结构与碘晶体的结构非常相似，只是晶胞的大小不同。干冰的晶胞为立方体。

3．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。

4．典型的分子晶体是指有限数目的原子以共价键结合为分子后，这些分子再通过分子间作用力结合形成晶体。苯甲酸分子排列形成层状结构，同一平面内分子之间通过氢键相互作用连接，平面之间的分子依靠范德华力维系。

晶体结构的复杂性

1．石墨晶体既存在共价键又存在范德华力，同时还存在类似金属键的作用力，我们将这类晶体称为混合型晶体。

2.金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体等模型都是典型的晶体结构模型，大多数实际晶体结构要复杂的多。一方面，物质组成的复杂性导致晶体中存在多种不同微粒以及不同的微粒间作用，这也使这类晶体具有重要应用。另一方面，金属键、离子键、共价键、配位键等都是化学键的典型模型，但是原子之间形成的化学键往往介于典型模型之间的过渡状态。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)构成共价晶体的基本微粒是原子。(　　)

(2)共价晶体呈空间立体网状结构。(　　)

(3)共价晶体的化学式表示单个分子。(　　)

(4)分子晶体熔、沸点较低，硬度较小。(　　)

(5)分子晶体固态、熔融态都不导电。(　　)

(6)分子晶体汽化或熔融时，破坏了化学键。(　　)

答案　(1)√　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√　(6)×

解析　(3)共价晶体不存在单个分子，化学式仅表示晶体中原子的个数关系。

(6)分子晶体汽化或熔融时，克服分子间作用力，不破坏化学键。

2．氮化硼是一种超硬、耐磨、耐高温的物质。下列各组物质熔化时，所克服的微粒间作用力与氮化硼熔化所克服的微粒间作用力都相同的是(　　)

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　氮化硼超硬、耐磨、耐高温，说明氮化硼晶体是共价晶体，熔化时克服的微粒间作用力是共价键。硝酸钠是离子晶体，熔化时克服的微粒间作用力是离子键；金刚石、晶体硅、水晶都是共价晶体，熔化时克服的微粒间作用力是共价键；冰是分子晶体，熔化时克服的微粒间作用力是范德华力和氢键；干冰、苯、萘都是分子晶体，熔化时克服的微粒间作用力是范德华力。

3．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．是天然存在的硬度最大的物质

D．化学性质稳定，在高温下也不与氧气发生反应

答案　D

解析　金刚石是碳原子间以共价键结合形成的空间网状结构的共价晶体，不存在单个的分子。在天然存在的物质中，金刚石的硬度最大。在高温下金刚石可以与氧气反应生成二氧化碳。

4．下列关于分子晶体的说法不正确的是(　　)

A．晶体的构成微粒是分子

B．干燥或熔融时均能导电

C．分子间以分子间作用力相结合

D．熔、沸点一般比较低

答案　B

解析　A项，分子晶体是由分子构成的；B项，干燥或熔融时，分子晶体既不电离也没有自由移动的电子，均不能导电；C项，分子间以分子间作用力相结合；D项，分子晶体的熔、沸点一般比较低。

探究一　共价晶体

观察金刚石结构模型，思考下列问题：

(1)金刚石晶体每个碳原子周围紧邻的碳原子有几个？

(2)每个碳原子连接几个共价键？

(3)碳原子数与C—C共价键的个数比是多少？

提示：(1)金刚石晶体中每个碳原子周围紧邻的碳原子有4个。

(2)金刚石晶体中每个碳原子连接有4个共价键。

(3)在金刚石晶体中碳原子个数与C—C共价键个数之比是1∶2。

1．共价晶体

(1)共价晶体：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构成共价晶体的基本微粒是原子。

②形成共价晶体的作用力是共价键。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。

(2)共价晶体的结构特征

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

(3)常见的共价晶体

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。

2．典型的共价晶体——金刚石和二氧化硅

(1)金刚石

①晶体中C—C键间的夹角为109°28′，碳原子采取sp3杂化。

②在晶体中每个碳原子以共价键与相邻的4个碳原子相结合形成空间网状结构。

③最小环上有6个碳原子，且最小环上有4个碳原子在同一平面上；每个碳原子被12个六元环共用。

(2)二氧化硅

①1个硅原子和4个氧原子形成4个共价键，1个氧原子和2个硅原子形成2个共价键，SiO2晶体中硅原子与氧原子的个数比为1∶2。

②最小环上有12个原子，包括6个硅原子和6个氧原子。

3．共价晶体的性质

(1)由于共价晶体中原子间以较强的共价键相结合，故共价晶体：①熔、沸点很高；②硬度大；③一般不导电；④难溶于溶剂。

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

共价晶体的熔、沸点不一定高于金属晶体和离子晶体。如熔点MgO(2800 ℃)>SiO2(1713 ℃)、钨(3410 ℃)>SiO2(1713 ℃)。

1．下列有关共价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1 mol C的金刚石中C—C键数目是2NA,1 mol SiO2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晶体是共价晶体，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，每个C—C键被2个碳原子共用，所以1 mol C原子形成的C—C键为4 mol×＝2 mol，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1 mol SiO2晶体中Si—O键为4 mol，B正确；干冰熔化时只破坏分子间作用力，共价键不会断裂，C错误；共价晶体的构成微粒是原子不是分子，D正确。

2．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

答案　B

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

(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。

探究二　分子晶体

为什么干冰的熔点比冰低，密度比冰高？

提示：冰是水在0 ℃以下结成的分子晶体。在冰晶体中，每个水分子周围有4个紧邻的水分子，水分子之间主要靠氢键连接在一起，具有方向性。一个水分子位于中心与四个相邻的位于顶角的水分子相互吸引构成一个四面体结构，空间利用率不高。因此，冰中水分子不是密堆积方式。而干冰是二氧化碳的分子晶体，因外观很像冰而得名。由于CO2分子间不存在氢键，每个CO2分子周围有12个紧邻的分子，空间利用率高，属于分子密堆积方式。所以干冰的密度比冰高，但熔点比冰低得多，且易升华。

1．分子晶体

(1)分子晶体的结构特点

若分子间不存在氢键，则分子晶体的微粒排列时尽可能采用紧密堆积方式；若分子间存在氢键，由于氢键具有方向性和饱和性，则晶体不能采用紧密堆积方式。

(2)常见的分子晶体

①所有非金属氢化物：H2O、NH3、CH4、H2S等。

②多数非金属单质：卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、红磷、硫、稀有气体等。

③多数非金属氧化物：CO2、SO2、SO3、P2O5等。

④几乎所有的酸：H2SO4、CH3COOH、H3PO4等。

⑤绝大多数有机物：乙醇、蔗糖等。

(3)分子晶体的性质

①分子晶体一般具有较低的熔点和沸点，较小的硬度、较强的挥发性。

②分子晶体在固态、熔融时均不导电。

③不同的分子晶体在溶解度上存在较大差别，并且同一分子晶体在不同的溶剂中溶解度也有较大差别。

2．典型的分子晶体

3．晶体结构的复杂性——以石墨晶体为例

(1)结构特点

①石墨晶体具有层状结构，在每一层内，碳原子排列成正六边形，一个个正六边形排列成平面的网状结构，每一个碳原子都跟其他3个碳原子相结合。

②在同一层内，相邻的碳原子以共价键相结合，每一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，因此还能形成遍及整个平面的大π键。

③层与层之间以范德华力相结合。

(2)所属类型

石墨中既有共价键，又有范德华力，同时还有金属键的特性，是一种混合型晶体。

(3)性质

熔点高、质软、易导电。

(1)稀有气体固态时形成分子晶体，微粒之间只存在分子间作用力，分子内不存在化学键。

(2)分子晶体汽化或熔融时，克服分子间作用力，不破坏化学键。

1．共价晶体与分子晶体的区别

2.不同类型晶体熔、沸点高低的一般规律

共价晶体>离子晶体>分子晶体。

3．同种晶体类型的物质熔、沸点高低的一般规律

晶体内微粒间的作用力越大，熔、沸点越高。

(1)共价晶体：比较共价键的强弱。

一般认为，原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越牢固，物质的熔、沸点越高。如熔点：金刚石(C)>金刚砂(SiC)>晶体硅(Si)。

(2)离子晶体：比较离子键的强弱(或晶格能的大小)。

一般认为，阴、阳离子所带电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用力越大，离子键越强，晶格能越大，熔、沸点越高。如熔点：MgO>NaCl>CsCl。

(3)金属晶体：比较金属键的强弱。

一般认为，金属阳离子的半径越小，离子所带电荷越多，则金属键越强，晶体的熔、沸点越高。如熔点：Al>Mg>Na。

(4)分子晶体：比较分子间作用力的强弱。

①组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，分子间作用力越大，熔、沸点越高。如熔点：F2<Cl2<Br2<I2。

②若分子间具有氢键，熔、沸点反常。如沸点：H2O>H2Te>H2Se>H2S。

③在有机物的同分异构体中，随着支链的增多，熔、沸点降低。如熔点：正戊烷>异戊烷>新戊烷。

3．下列各组物质各自形成晶体，均属于分子晶体的化合物是(　　)

A．NH3、HD、C10H8  B．PCl3、CO2、H2SO4

C．SO2、SiO2、P2O5  D．CCl4、Na2S、H2O2

答案　B

解析　A中HD是单质，不是化合物；C中SiO2为共价晶体，不是分子晶体；D中Na2S是离子晶体，不是分子晶体。

4．下图为冰晶体的结构模型，大球代表O，小球代表H。下列有关说法正确的是(　　)

A．冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体

B．冰晶体具有空间网状结构，是共价晶体

C．水分子间通过H—O键形成冰晶体

D．冰融化时，水分子之间空隙增大

答案　A

解析　冰中的水分子是靠氢键结合在一起，氢键不是化学键，而是一种分子间作用力，故B、C均错误；H2O分子形成氢键时沿O的四个sp3杂化轨道形成氢键，可以与4个水分子形成氢键，这4个水分子形成空间四面体结构，A正确；水分子靠氢键连接后，分子间空隙变大，因此融化时，分子间空隙缩小，D错误。

1．分子晶体具有熔、沸点较低，硬度较小，固态、熔融态不导电等物理特性。所有在常温下呈气态的物质、常温下呈液态的物质(除汞外)、易升华的固体物质都属于分子晶体。

2．(1)冰和水中存在氢键，水蒸气中不存在氢键。

(2)冰中每个水分子能与4个H2O分子形成氢键，平均每个水分子有2个氢键。

(3)水结成冰体积膨胀与氢键有关。

(4)冰融化时破坏氢键和范德华力，不破坏共价键。水分子的稳定性与氢键无关，水的熔、沸点与共价键无关。

本课小结

课时作业

一、选择题(本题共8小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．下列有关共价晶体的叙述错误的是(　　)

A．共价晶体中，原子不遵循紧密堆积原理

B．共价晶体具有空间网状结构

C．共价晶体中不存在独立的分子

D．共价晶体熔化时不破坏共价键

答案　D

解析　A项，共价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，所以共价晶体中，原子不遵循紧密堆积原理；B项，共价晶体是相邻原子之间通过共价键结合而形成的空间网状结构的晶体；C项，共价晶体是由原子以共价键相结合而形成的，不存在独立的分子；D项，共价晶体是原子间通过共价键结合而形成的，熔化时需要破坏共价键。

2．在金刚石的晶体结构中含有由共价键形成的碳原子环，其中最小的环上的碳原子数及每个碳原子上任意两个C—C键间的夹角分别是(　　)

A．6、120°   B．5、108°

C．4、109°28′   D．6、109°28′

答案　D

解析　金刚石中最小的碳环含有6个碳原子，两个C—C键间的夹角是109°28′。

3．共价晶体具有的性质是(　　)

A．熔点高  B．易导热

C．能导电  D．有延展性

答案　A

解析　共价晶体的构成微粒是原子，原子间存在共价键，共价晶体具有的空间网状结构使其具有键能大、熔点高、硬度大的特性，一般不能导电、导热，没有延展性，故选A。

4．下列关于共价晶体和分子晶体的说法不正确的是(　　)

A．共价晶体的硬度通常比分子晶体大

B．共价晶体的熔、沸点较高

C．某些分子晶体的水溶液能导电

D．金刚石、水晶和干冰都属于共价晶体

答案　D

解析　由于共价晶体中粒子间以共价键结合，而分子晶体中分子间以分子间作用力结合，故共价晶体比分子晶体的熔、沸点高，硬度通常更大，A、B正确；有些分子晶体溶于水后能电离出自由移动的离子而导电，如H2SO4、HCl等，C正确；干冰(固态CO2)是分子晶体，D错误。

5．下列有关分子晶体的说法一定正确的是(　　)

A．分子内均存在共价键

B．分子间一定存在范德华力

C．分子间一定存在氢键

D．分子晶体一定采取分子紧密堆积方式

答案　B

解析　A项，稀有气体都是单原子分子，故稀有气体形成的晶体中不存在任何化学键；B项，分子间作用力包括范德华力和氢键，范德华力存在于所有的分子晶体中；C项，氢键只存在于含有与电负性较强的N、O、F原子结合的氢原子的分子间或分子内；D项，只存在范德华力的分子晶体一般采取分子紧密堆积的方式。

6．二氧化硅晶体是立体网状结构，其结构如图所示。关于二氧化硅晶体的下列说法不正确的是(　　)

A．晶体中Si、O原子个数比为1∶2

B．晶体中Si、O原子最外层都满足8电子稳定结构

C．晶体中1个硅原子形成Si—O键的数目为4

D．晶体中最小环上的原子数为6

答案　D

解析　由二氧化硅晶体的结构图可知，每个硅原子周围连有4个氧原子，每个氧原子周围连有2个硅原子，Si、O原子个数比为1∶2，故A正确；硅原子最外层有4个电子，氧原子最外层有6个电子，而二氧化硅晶体中硅原子周围有4对共用电子对，氧原子周围有2对共用电子对，故两种原子都满足8电子稳定结构，故B正确；依据二氧化硅晶体结构图可知1个硅原子与4个氧原子形成4个Si—O键，故C正确；由二氧化硅晶体的结构图可知，晶体中最小环上含有6个硅原子和6个氧原子，所含原子数为12，故D错误。

7．根据下列几种物质的熔点和沸点数据，判断下列有关说法错误的是(　　)

注：AlCl3的熔点在2.02×105 Pa条件下测定。

A．SiCl4是分子晶体

B．单质B可能是共价晶体

C．AlCl3加热能升华

D．单质B和AlCl3晶体类型相同

答案　D

解析　由表中数据可知，SiCl4的溶、沸点较低，属于分子晶体，故A正确；单质B的溶、沸点很高，所以单质B可能是共价晶体，故B正确；AlCl3的沸点比熔点低，所以AlCl3加热能升华，故C正确；单质B的熔、沸点很高，所以单质B可能是共价晶体，而AlCl3熔、沸点较低，所以AlCl3属于分子晶体，两者晶体类型不同，故D错误。

8．干冰晶体是一种面心立方结构，如图所示，即每8个CO2构成立方体，且在6个面的面心又各有1个CO2分子，在每个CO2周围与之距离为a(其中a为立方体棱长)的CO2有(　　)

A．4个  B．8个 

C．12个  D．6个

答案　C

解析　选取顶点处的CO2分子为研究对象，与其距离为a的CO2分子分布于与顶点相邻的3个面的面心，每个面心上的CO2分子被2个立方体所共用，每个顶点上的CO2分子被8个立方体所共用，故在每个CO2周围与之距离为a的CO2分子共有8×(3×)＝12个。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

9．下表是某些共价晶体的熔点和硬度。

分析表中的数据，判断下列叙述正确的是(　　)

A．构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高

B．构成共价晶体的原子间的共价键键能越大，晶体的熔点越高

C．构成共价晶体的原子的半径越大，晶体的硬度越大

D．构成共价晶体的原子的半径越大，晶体的硬度越小

答案　BD

解析　A项，共价晶体的熔点与所含原子种类多少无关，错误；C项，构成共价晶体的原子的半径越大，共价键键能越小，晶体的硬度越小，错误。

10．下列说法正确的是(　　)

A．二氧化硅与二氧化碳都是共价化合物，且晶体类型相同

B．氧气生成臭氧的过程中有化学键的断裂和生成

C．因为N≡N键的键能比O===O键的键能大，所以氮气的沸点比氧气的高

D．硫晶体与氖晶体均是由单原子构成的分子晶体

答案　B

解析　SiO2中Si与O形成共价键，CO2中C与O形成共价键，所以二者都是共价化合物，但SiO2形成的是共价晶体，CO2形成的是分子晶体，A错误。N2与O2形成的晶体都是分子晶体，二者沸点的高低取决于分子间作用力的相对大小，与分子中共价键的键能无关，C错误。硫晶体不是单原子构成的分子晶体，D错误。

11．如图是甲烷晶体的晶胞结构，图中每个小球代表一个甲烷分子(甲烷分子分别位于立方体的顶点和面心)，下列有关该晶体的说法正确的是(　　)

A．该晶体与HI的晶体类型不同

B．该晶体熔化时只需要破坏共价键

C．SiH4的稳定性比甲烷的强

D．每个顶点上的甲烷分子与之距离最近且等距的甲烷分子有12个

答案　D

解析　甲烷、HI晶体均属于分子晶体，A错误；甲烷晶体属于分子晶体，熔化时只需要破坏分子间作用力，不需要破坏共价键，B错误；C的非金属性比Si的强，所以SiH4的稳定性比甲烷的弱，C错误；根据晶胞的结构可知，以晶胞中顶点上的甲烷分子为研究对象，与它距离最近且等距的甲烷分子分布在立方体的3个面心上，每个顶点上的甲烷分子被8个立方体共用，每个面心上的甲烷分子被2个立方体共用，所以每个甲烷分子周围与它距离最近且等距的甲烷分子个数为＝12，D正确。

12．正硼酸(H3BO3)是一种片层状结构的白色晶体，层内的H3BO3分子通过氢键相连(如图所示)。下列有关说法正确的是(　　)

A．正硼酸晶体属于分子晶体

B．H3BO3分子的稳定性与氢键有关

C．分子中硼原子最外层为8电子稳定结构

D．1 mol H3BO3晶体中有3 mol氢键

答案　AD

解析　A项，正硼酸晶体应属于分子晶体；B项，H3BO3分子的稳定性与分子内部的共价键有关，与分子间氢键无关；C项，分子中的硼原子不符合最外层8电子稳定结构；D项，1 mol H3BO3晶体中含有3 mol氢键。

三、非选择题(本题共3小题)

13．有下列几种晶体：A.无色水晶，B.冰醋酸，C.白磷，D.金刚石，E.干冰。

(1)属于分子晶体的是________(填序号，下同)。

(2)属于共价晶体的化合物是________。

(3)直接由原子构成的晶体是________。

(4)受热熔化时化学键不发生变化的晶体是________，受热熔化时需克服共价键的晶体是________。

(5)晶体中存在氢键的是________。

答案　(1)BCE　(2)A　(3)AD　(4)BCE　AD

(5)B

解析　根据构成晶体的微粒不同，可知分子晶体由分子构成，共价晶体中无分子。属于分子晶体的有B、C、E；属于共价晶体的有A、D，其中化合物只有A；分子晶体熔化时，一般不破坏化学键；共价晶体熔化时，破坏化学键；CH3COOH分子中存在—OH，分子间能形成氢键。

14．石墨的片层结构如图所示，试回答下列问题：

(1)每个正六边形实际占有碳原子数为________。

(2)石墨晶体中每一层内碳原子数与C—C键数目之比是________。

(3)若NA代表阿伏加德罗常数的值，n g碳原子可构成________个正六边形。

答案　(1)2　(2)2∶3　(3)

解析　(1)每个正六边形实际占有碳原子数为6×＝2。

(2)分析每个正六边形：所含的碳原子数为6×＝2，所含的C—C键数目为6×＝3，故二者之比为2∶3。

(3)n g碳原子的个数为NA，故可构成的正六边形个数为＝。

15．请按要求填空：

(1)C、N元素形成的新材料具有如图所示的结构，该晶体的化学式为________。

(2)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最外层8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式：________。

(3)第ⅢA、ⅤA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，其晶体结构与晶体硅相似。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原子构成的空间结构为________。在四大晶体类型中，GaN属于________晶体。

答案　(1)C3N4　(2)①小于　硅原子半径大于碳原子半径，氮碳形成的共价键键长比氮硅形成的共价键键长短，故氮碳形成的共价键的键能大　②Si3N4　(3)4　正四面体形　共价

解析　(1)根据晶胞结构可知含有的碳原子个数是8×＋4×＝3，氮原子全部在晶胞中，含有的氮原子个数是4，则该晶体的化学式为C3N4。

(2)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，这说明二者形成的晶体都是共价晶体，由于硅原子半径大于碳原子半径，氮碳形成的共价键键长比氮硅形成的共价键键长短，键能大，所以氮化硅的硬度小于氮化碳的硬度。②N的最外层电子数为5，要满足8电子稳定结构，需要形成3个共价键，Si的最外层电子数为4，要满足8电子稳定结构，需要形成4个共价键，所以氮化硅的化学式为Si3N4。

(3)GaN的晶体结构与晶体硅相似，GaN属于共价晶体，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形。