高中化学人教版 (2019)选择性必修2第二节 分子晶体与共价晶体优质第二课时教学设计

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宏观辨识与微观探析： 能够从化学键的特征分析理解共价晶体的物理性质，能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体，并能利用“均摊法”对晶胞进行分析。能借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点，掌握金刚石、硅单质、二氧化硅等的晶胞特征。证据推理与模型认知： 通过金刚石、硅单质、二氧化硅的晶胞模型推导共价晶体的物理性质并掌握两者的关系。科学探究与创新意识： 掌握金刚石、硅单质、二氧化硅的晶胞模型，培养辩证地认识物质的科学态度和科学精神。
1.借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点，掌握金刚石、硅单质、二氧化硅等的晶胞特征。2.能够从化学键的特征分析理解共价晶体的物理性质。3.能利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体，并能利用“均摊法”对晶胞进行分析。重点：利用共价晶体的通性推断常见的共价晶体，从化学键的特征分析理解共价晶体的物理性质。难点：借助共价晶体模型认识共价晶体的结构特点，掌握金刚石、硅单质、二氧化硅等的晶胞特征。
问题：碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族，CO2和SiO2的一些物理性质如表所示，它们晶体类型是否相同？
CO2晶体(干冰)属于分子晶体，SiO2晶体属于共价晶体。
思考：二者的构成微粒和微粒间作用力有何区别？
相邻原子之间以共价键相结合形成的具有空间网状结构的晶体。晶体中只含有共价键，无单个分子存在。
注意：①并非所有的由原子构成的晶体都是共价晶体，如稀有气体。②共价晶体中只有共价键，但含有共价键的晶体不一定是原子晶体，还有可能是分子晶体。
硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、金刚石(C)和灰锡(Sn)等
碳化硅(SiC)，二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)及氮化硅(Si3N4)等
如刚玉(ɑ-Al2O3)
近年来Si3N4以为基础，用Al取代部分Si，用O取代部分N而获得结构多样化的陶瓷，用于制作LED发光材料。
共价晶体不存在单个分子、整块晶体就是一个“巨分子”，单质的化学式用元素符号表示如晶体硅 Si、金刚石 C；化合物的化学式：按各原子数目的最简比写化学式。石英晶体：SiO2，表示晶体中硅、氧原子个数比1：2，不存在单个的SiO2分子。碳化硅SiC、氮化硅Si3N4 、氮化硼BN 等。
注意：共价晶体的化学式：
3、共价晶体的物理性质
②硬度很大。 ③一般不导电，但晶体硅、锗是半导体。④难溶于一般溶剂。
共价晶体中，原子间以较强的共价键相结合，要使物质熔化就要克服共价键，需要很高的能量。
Si3N4用作航天耐高温材料，SiC用作耐磨砂轮。
(1)怎样从原子结构的角度理解金刚石，硅和锗的熔点和硬度依次下降？
结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体熔点越高。原子半径C 金刚石、碳化硅、晶体硅都是共价晶体，原子半径：C碳化硅>晶体硅。
小结：一般原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越稳定，晶体的熔、沸点越高，硬度越大。
(3)硬度大的物质一定经得起锤击吗？
硬度是衡量固体软硬程度的指标。以固体互相刻画时出现刻痕的固体的摩尔硬度较低。金刚石不能被任何天然矿物画出刻痕，因而是最硬的。但却很容易经锺击而破碎。物质经受锤击的性质属于延展性。由于共价晶体中的共价键具有方向性，当受到大的外力作用时会发生原了错位而断裂。硬度大的物质不一定经得锤击。
(2)“具有共价键的晶体叫做共价晶体”，这种说法对吗？为什么？
不对，分子晶体中通常也含有共价键。如CO2晶体干冰，只有分子内部才通过共价键结合，而分子间通过范德华力结合成分子晶体；此外，某些离子晶体中也含共价键，如NaOH、NH4Cl
4、 共价晶体的结构特征
金刚石晶体的结构特点：
金刚石晶胞中：六元环结构 : 碳原子数目 : C－C键数目 = 2 : 1 : 2
①每个C周围紧邻　个C；围成正四面体形。②每个碳原子都采取 ；③所有的C－C键长相等，键角相等，键角为_________；④晶体中最小的碳环由__个碳组成，且_____同一平面内，最多有 个碳原子在同一平面上；⑤晶体中每个C参与了 条C-C键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故C原子数与C-C键数之比为____；⑥一个C原子被　 个六元环共用，1个碳环占有的碳原子数为 个。每个C—C键被___个最小环共用，每个环平均拥有___个C—C。
每个C原子形成4个共价键，可组合6个角，每个角可延伸两个六元环，则每个C原子被2×6=12个六元环共用。则每个C-C键被2×3=6个六元环共用。
①金刚石晶胞中C原子配位数为___
②金刚石晶胞中含有的C原子数为___
③12g 金刚石含有____个C原子，含有____个C-C键
配位数：一个C原子周围最邻近的C原子数
金刚石模型的演变 —— 等电子体原理
①与碳同族单质(如Si、Ge)都具有与金刚石相似的结构；
②第ⅣA族相邻元素间也可形成相似结构的晶体(如SiC)
③与第ⅣA族同周期的元素间根据等电子体原理，如BN、GaAs等也可形成与金刚石结构相似的晶体。
SiO2是自然界含量最高的二元氧化物，熔点1713 ℃，有多种结构 ，最常见的是低温石英。遍布河岸的黄沙、带状的石英矿脉、花岗石里的白色晶体以及透明的水晶都低温石英。
①SiO2在自然界分布：
其结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，而没有封闭的环状结构。这一结构决定了它具有手性，被广泛用作压电材料，如石英手表。
石英晶体中硅氧四面体相连构成的螺旋链
SiO2用途：制造水泥、玻璃、人造红宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料
练习1、在硅酸盐中，SiO44-四面体(如下图(a))通过共用顶角氧离子可形成岛状、链状、层状、骨架网状四大类结构型式。图(b)为一种无限长单链结构的多硅酸根，其中Si原子的杂化形式为　　，Si与O的原子数之比为　　　，化学式为　　　　。 
sp3
①在SiO2晶体中，每个硅原子采取sp3杂化与 个氧原子结合；每个氧原子与 个硅原子结合；每个正四面体占有___个Si，__个O。在SiO2晶体中硅原子与氧原子个数之比是 。 单个的SiO2分子存在。 ②在SiO2 晶体中，每个硅原子形成 个共价键；每个氧原子形成 个共价键，1 ml SiO2中含 ml Si－O。③在SiO2 晶体中，最小环为 元环，由 个Si原子和 个O原子构成。 每个Si原子被 个12元环共用，每个O原子被 个12元环共用，每个Si—O—Si键被___个最小环共用。
晶体硅的晶胞中，在Si－Si键之间插入O原子，即得到方石英的晶胞(最常见的SiO2晶胞)。
①二氧化硅晶胞中含有的Si原子数为___，O原子数为___。
②1mlSiO2晶体中含_____mlSi-O键。
练习2、金刚石晶胞结构如图所示，回答下列问题。
(1)已知晶胞参数为a pm，则金刚石的密度为_____________ g·cm－3。
(2)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为_____ pm。
(3)碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？
小结：常见共价晶体的结构
①依据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断。构成共价晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键；构成分子晶体的微粒是分子或原子(稀有气体)，微粒间作用力是分子间作用力。②依据晶体的熔点判断。共价晶体的熔点高，常在1 000 ℃以上；而分子晶体熔点低，常在数百摄氏度以下甚至更低。③还可以依据晶体的硬度与机械性能判断。共价晶体硬度大，分子晶体硬度小且较脆。
5、分子晶体和共价晶体的判断方法
④依据导电性判断。分子晶体为非导体，但部分溶于水后能导电；原子晶体多数为非导体，但晶体硅、锗是半导体。⑤依据物质的分类判断常见的共价晶体单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等，常见的共价晶体化合物有SiC、BN、AlN、Si3N4、C3N4、SiO2等；大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外)、气态氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、酸、绝大多数有机物(除有机盐外)都是分子晶体。⑥依据物质的状态判断一般常温常压下，呈气态或液态的单质与化合物，在固态时属于分子晶体。
练习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．氮化碳属于共价晶体B．氮化碳中碳显－4价，氮显＋3价C．氮化碳的化学式为C3N4D．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
【解析】根据β-­氮化碳硬度超过金刚石晶体判断，氮化碳属于共价晶体，A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、D正确。
碳化硅晶体中，硅原子杂化类型为 ，每个硅原子周围与其距离最近的碳原子有___ 个；设晶胞边长为a cm，密度为b g·cm－3，则阿伏加德罗常数可表示为__________ (用含a、b的式子表示)。
练习4、碳化硅和结构与金刚石类似，硬度仅次于金刚石，其晶胞结构如图所示。
立方氮化硼晶胞中有 个硼原子，_____ 个氮原子，硼原子的杂化类型为 ，若晶胞的边长为a cm，则立方氮化硼的密度表达式为_____g·cm－3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。
练习5、立方氮化硼的结构与金刚石类似，硬度与金刚石相当，其晶胞结构如图所示。