高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2第2节几种简单的晶体结构模型第2课时学案设计

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这是一份高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2第2节几种简单的晶体结构模型第2课时学案设计

基础课时13　共价晶体　分子晶体　晶体结构的复杂性一、共价晶体1．共价晶体及结构特点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晶体的结构在二氧化硅晶体中，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。3．共价晶体的物理性质根据表中有关数据分析，并填写表下面的空白。(1)键能：C—C>C—Si>Si—Si；熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅；硬度：金刚石>碳化硅>晶体硅(用“>”或“<”填空)。(2)规律：共价晶体具有很高的熔点，很大的硬度；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。　(1)含有共价键的晶体都是共价晶体。 (　　)(2)“SiO2”是二氧化硅的分子式。 (　　)[答案]　(1)×　(2)×二、分子晶体1．分子晶体2．分子晶体的物理性质(1)分子晶体在熔化时，只需克服分子间作用力，不破坏化学键，由于分子间作用力很弱，所以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)由于分子晶体的构成微粒是分子或原子，所以分子晶体在固态或熔融状态时都不导电。(3)不同的分子晶体的溶解度差别很大，并且同一分子晶体在不同的溶剂中溶解度也有很大的差别，如碘易溶于CCl4等有机溶剂，但难溶于水。分子晶体在溶剂中的溶解情况一般符合“相似相溶”原理：非极性溶质一般易溶于非极性溶剂，极性溶质一般易溶于极性溶剂。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)干冰干冰的结构模型(晶胞)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)。(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。　(1)二氧化硅和干冰虽然是同一主族的氧化物，但属于不同的晶体类型。(　　)(2)水是一种非常稳定的化合物，这是由于水中存在氢键。 (　　)[答案]　(1)√　(2)×三、晶体结构的复杂性1．石墨晶体2．Na2SiO3晶体在Na2SiO3固体中并不存在单个的简单SiOeq \o\al(2－,3)，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{SiOeq \o\al(2－,3)}∞单元(如图所示)，带负电的链状硅酸盐{SiOeq \o\al(2－,3)}∞单元与金属阳离子以离子键相互作用。3．晶体的复杂性(1)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。例如，BaTiO3含有一种阴离子和多种阳离子，Ca5(PO4)3OH含有一种阳离子和多种阴离子。(2)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是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。(3)金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体等都是典型的晶体结构模型，大多数晶体结构复杂得多，都是过渡晶体或混合型晶体。　(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。水晶是一种古老的宝石，晶体完好时呈六棱柱钻头形，它的主要成分是二氧化硅。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”键呈角形。2．在SiO2晶体中，1 mol SiO2含几摩尔“Si—O”键？提示：4 mol。1．共价晶体的结构特征(1)在共价晶体中，各原子均以共价键结合，因为共价键有方向性和饱和性，所以中心原子周围的原子数目是有限的，原子不采取密堆积方式。(2)共价晶体的组成微粒是原子，不存在单个分子，其化学式仅代表原子的个数比。(3)空间构型：空间网状结构。2．共价晶体熔点和硬度的比较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。3．判断晶体是否是共价晶体的思路(1)根据共价晶体的构成微粒和微粒间作用力判断。(2)根据共价晶体的物理性质判断。(3)常见的共价晶体。(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。1．根据下列物质的性质，判断其属于共价晶体的是(　　)A．熔点2 700 ℃，导电性强，延展性强B．无色晶体，熔点3 550 ℃，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．(2021·山东枣庄三中高二下月考)磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料，如图为其晶胞，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．磷化硼晶体中每个原子均形成4条共价键B．磷化硼晶体的化学式为BP，属于离子晶体C．磷化硼晶体的熔点很低D．磷化硼晶体结构中微粒的空间堆积方式与氯化钠晶体相同A　[根据磷化硼晶胞结构可知，晶体中每个原子均形成4条共价键，故A正确；白球位于立方晶胞内，1个晶胞中有4个，而黑球位于顶点和面心，1个晶胞中黑球个数为8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＝4，所以磷化硼晶体的化学式为BP，由磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料知其属于共价晶体，故B错误；磷化硼晶体是共价晶体，熔点很高，故C错误；磷化硼晶体中微粒的空间堆积方式与氯化钠晶体不相同，故D错误。]3．二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)1 mol SiO2中含有________mol Si—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eq \f(4×6,2)＝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eq \f(1,12)，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×eq \f(1,12)＝eq \f(1,2)。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eq \f(1,2)×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1 mol SiO2中有4 mol Si—O键。[答案]　(1)12　(2)12　6　6　(3)eq \f(1,2)　1　(4)4晶体类型的判断方法(1)依据组成晶体的微粒和微粒间的相互作用判断：共价晶体：原子―→共价键。分子晶体：分子或原子―→分子间作用力。离子晶体：离子―→离子键。金属晶体：金属阳离子和自由电子―→金属键。(2)依据物质的分类判断：①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；②分子晶体：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)；③离子晶体：金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(如NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类；④金属晶体：金属单质与合金。(3)依据晶体的熔点判断：①离子晶体的熔点较高，常在数百至1 000余度；②共价晶体熔点很高，常在1 000度至几千度；③分子晶体熔点低，常在数百度以下至很低温度；④金属晶体多数熔点高，但也有少数熔点很低。(4)依据导电性判断：①共价晶体：一般不导电。②分子晶体：eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(若不是电解质：固态、液态不导电、溶于水不反应，,不导电。,若是电解质：固态、液态不导电，溶于水不反应，,导电。))③离子晶体：固态不导电，熔融或溶于水导电。④金属晶体：固态或熔融均导电。(5)依据硬度和机械性能判断：共价晶体硬度大；分子晶体硬度小且较脆；离子晶体硬度较大而且较脆；金属晶体多数硬度大，但也有较小的，且具有延展性。1．下列关于晶体的叙述中，正确的是(　　)A．共价晶体中，共价键的键能越大，熔、沸点越高B．分子晶体中，分子间的作用力越大，该分子越稳定C．分子晶体中，共价键的键能越大，熔、沸点越高D．某晶体溶于水后，可电离出自由移动的离子，该晶体一定是离子晶体A　[共价晶体中，共价键的键能越大，熔、沸点越高，故A正确；分子晶体中，分子间作用力越大，熔、沸点越高，共价键的键能越大，分子稳定性越强，故B、C错误；部分分子晶体、离子晶体溶于水都可电离出自由移动的离子，如HCl、NaCl，而熔融状态下能电离出自由移动的离子的化合物一定是离子晶体，故D错误。]2．下列表述不正确的是(　　)A．熔点：CF4碳化硅>晶体硅C．晶格能：NaF>NaCl>NaBr>NaID．熔点：Na>Mg>AlD　[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－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。]3．晶体的结构决定了晶体的性质。下面为几种晶体或晶胞的示意图：冰晶体　　　　　　金刚石晶体Cu晶胞　　　　　　MgO晶胞CaCl2晶胞　　　　　干冰晶胞请回答下列问题：(1)图中晶体或晶胞所表示的物质以共价键结合所形成的是________。(2)冰、金刚石、MgO、CaCl2、干冰5种晶体的熔点由高到低的顺序为________________。(3)NaCl晶体与MgO晶体类型相同，NaCl晶体的晶格能________(填“大于”或“小于”)MgO晶体的晶格能，原因是___________________________。(4)干冰晶胞中每个CO2分子与________个CO2分子紧邻，CaCl2晶体中Ca2＋的配位数为________。(5)铜晶胞中，晶胞边长为a cm，Cu的相对原子质量为64，金属铜密度为ρ g·cm－3，则阿伏加德罗常数的数值NA可表示为________。[解析]　(1)分子晶体中，分子之间以分子间作用力结合；共价晶体中，原子之间以共价键结合；离子晶体中，阴、阳离子之间以离子键结合；金属晶体中，金属原子之间以金属键结合，所以题图晶体或晶胞中所表示的物质以共价键结合形成的是金刚石。(2)金刚石是共价晶体，熔点最高；冰和干冰均为分子晶体，干冰的分子间作用力为范德华力，较小，冰的分子间作用力除了范德华力外，还存在氢键，熔点：冰>干冰；MgO和CaCl2均为离子晶体，半径Mg2＋CaCl2，熔点：MgO>CaCl2，故熔点由高到低的顺序为金刚石>MgO>CaCl2>冰>干冰。(3)离子所带电荷越多，晶格能越大，离子的半径越小，晶格能越大；离子半径：Mg2＋NaCl。(4)干冰晶胞中，以一个顶点上的二氧化碳分子为中心，距离它最近的是晶胞面对角线上的二氧化碳分子，将8个晶胞“无隙并置”组成1个大的正方体，可知每个二氧化碳分子周围紧邻12个二氧化碳分子；由氯化钙的晶胞可看出，每个Ca2＋周围与它距离最近的Cl－有8个，故Ca2＋的配位数为8。(5)每个铜晶胞中含有的Cu原子数为8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＝4，每个铜晶胞的质量为eq \f(4×64,NA) g，金属铜密度为eq \f(4×64,NA×a3) g·cm－3，所以NA＝eq \f(256,ρ a3)。[答案]　(1)金刚石　(2)金刚石>MgO>CaCl2>冰>干冰　(3)小于　MgO中的离子所带电荷数大于NaCl中离子所带电荷数，且离子半径Mg2＋