化学选择性必修2第二节 分子晶体与共价晶体第二课时学案

这是一份化学选择性必修2第二节 分子晶体与共价晶体第二课时学案，共8页。

2．理解共价晶体的结构特点。
3．学会分析典型共价分子的性质。
图说考点
必备基础——自学·尝试
1.共价晶体的结构特点
(1)构成微粒及作用力
共价晶体
(2)空间结构：整块晶体是一个三维的共价键________结构，不存在________的小分子，是一个“巨分子”，又称________晶体。
2．共价晶体与物质的类别
3.典型共价晶体
(1)金刚石
①碳原子采取________杂化，C—C—C夹角为________。
②每个碳原子与周围紧邻的________个碳原子以共价键结合成________结构，向空间伸展形成空间网状结构。
③最小碳环由________个碳原子组成，且最小环上有4个碳原子在同一平面内；每个碳原子被12个六元环共用。
(2)SiO2
①低温石英有顶角相连的________形成螺旋上升的长链，决定了它具有________，被广泛用作压电材料。
②有许多重要用途，是制造水泥、玻璃、单晶硅、________、芯片和________的原料。
4．共价晶体的熔、沸点
(1)共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时必须破坏共价键，而破坏它们需要很高的温度，所以共价晶体具有________的熔点。
(2)结构相似的共价晶体，原子半径越________，键长越________，键能越________，晶体的熔点越________。
[即学即练]
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体。( )
(2)共价晶体中不存在分子，所以SiO2 只表示原子个数比。( )
(3)以二氧化硅为主要成分的水晶和玛瑙均为共价晶体。( )
(4)共价晶体中每个原子周围尽可能结合更多的原子，大多数为12个。( )
2．下列关于共价晶体的说法不正确的是( )
A．共价晶体中的成键微粒是原子
B．共价晶体中原子之间全部以共价键结合
C．共价晶体均是化合物
D．共价晶体的熔、沸点都比较高
3．氮化硼是一种新合成的结构材料，它是超硬、耐磨、耐高温的物质，下列各组物质熔化时所克服的粒子间的作用力与氮化硼熔化时所克服的粒子间作用力相同的是( )
A．C60和金刚石 B．晶体硅和水晶
C．冰和干冰 D．碘和金刚砂
4．下列排列顺序正确的是( )
A．硬度：金刚石>碳化硅>晶体硅
B．熔点：SiC>Si>SiO2
C．沸点：SbH3>AsH3>PH3>NH3
D．硬度：白磷>冰>二氧化硅
5．氮化硅是化工行业已合成的一种硬度很大的晶体，若已知在此化合物中各元素均处于其最高或最低价态，据此推断：
(1)氮化硅的化学式可能是________。晶体中N和Si的杂化方式为________。
(2)氮化硅的晶体类型为________，该晶体中存在的作用力是________。氮化硅硬度大于单质硅，原因为_________________________________________________________________。
(3)氮化硅可能具有的性质或特点有________。
①硬度大 ②熔点高 ③可以导电 ④不存在单个分子 ⑤具有空间网状结构
核心素养——合作·分享
提升点 分子晶体与共价晶体的比较
例 (1)如图为CO2分子晶体结构的一部分，观察图形。试说明每个CO2分子周围有________个与之紧邻且等距的CO2分子；该结构单元平均占有________个CO2分子。
CO2分子晶体
(2)在40 GPa高压下，用激光器加热到1 800 K时，人们成功制得共价晶体干冰，其结构和性质与SiO2共价晶体相似，且比分子晶体干冰更稳定，下列说法正确的是________。
A．共价晶体干冰易升华，可用作制冷剂
B．共价晶体干冰有很高的熔点和沸点
C．共价晶体干冰的硬度小，不能用作耐磨材料
D．共价晶体干冰在一定条件下可与氢氧化钠反应
E.每摩尔共价晶体干冰中含有4 ml C—O键
(3)由分子晶体干冰转化为共价晶体干冰是________________(填“物理”或“化学”)变化，反应的ΔH________________(填“大于”或“小于”)0。
状元随笔 能量越低越稳定；化学组成相同，结构不同，属于不同物质。
[提升] C和Si元素在化学中占有极其重要的地位。
(1)SiC的晶体结构与晶体硅相似，其中C原子的杂化方式为________，微粒间存在的作用力是________________________________。SiC和晶体Si的熔、沸点高低顺序是______________。
(2)C、Si为同一主族的元素，CO2和SiO2的化学式相似，但结构和性质有很大的不同。SiO2属于________晶体，干冰属于________晶体，所以熔点：干冰________(填“＜”“＝”或“＞”)SiO2。
(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅、干冰、冰五种晶体的构成微粒分别是__________________(填“原子”“分子”或“离子”)，熔化时克服的微粒间的作用力分别是__________________，熔点由高到低的顺序为：________________________________。
状元随笔 不同晶体熔点：共价晶体大于分子晶体；同类晶体熔点：共价晶体看半径，分子晶体看分子间作用力。
【关键能力】
共价晶体与分子晶体的比较
状元随笔 1.比较共价晶体和分子晶体熔、沸点遵循如下规律：
2．判断分子晶体和共价晶体的方法
(1)依据组成晶体的微粒和微粒间的相互作用判断
组成共价晶体的微粒是原子，微粒间的相互作用是共价键；组成分子晶体的微粒是分子，微粒间的相互作用是分子间作用力。
(2)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。
(3)依据晶体的熔点判断
共价晶体的熔点更高，常在1 000 ℃至几千摄氏度；分子晶体的熔点低，常在数百摄氏度以下甚至更低温度。
(4)依据导电性判断
共价晶体一般为非导体；分子晶体为非导体，分子晶体中的电解质(主要是酸和非金属氢化物)溶于水，使分子内的化学键断裂形成自由移动的离子也能导电。
(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。
素养形成——自测·自评
1.下列说法中正确的是( )
A．组成共价晶体的原子比较小，范德华力大是共价晶体熔点高的主要原因
B．空间网状结构和键能大都是共价晶体硬度大的重要原因
C．空间网状结构和O—H键键能大都是冰硬度大的重要原因
D．冰中H2O分子的排布呈空间网状结构，冰是一种典型的共价晶体，硬度大
2．结合下列各物质的性质，判断其固态属于共价晶体的是( )
A．碳化铝，黄色晶体，熔点2 200 ℃，熔融态不导电
B.溴化铝，无色晶体，熔点98 ℃，熔融态不导电
C．五氟化钒，无色晶体，熔点19.5 ℃，易溶于乙醇、氯仿、丙酮中
D．氯化铝，无色晶体，溶于水中能导电
3．20世纪80年代中期，科学家发现并证明碳能以新的单质形态C60存在，该分子的空间结构呈球状。后来人们又相继得到了C70、C76、C84、C90等另外一些球碳分子(如图所示)。下列说法错误的是( )
A．金刚石的熔点比C60高
B．C60的熔点比C90低
C．C60的分子间作用力比管状碳分子大
D．C80球状分子能够制造出来
4．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相对原子质量越大，晶体的硬度越大
5．硅及其化合物的用途非常广泛，根据所学知识回答硅及其化合物的相关问题：
(1)基态硅原子的核外电子排布式为___________________________________________。
(2)单质硅存在与金刚石结构类似的晶体，其中原子与原子之间以________相结合，其晶胞中共有8个原子，其中在面心位置贡献________个原子，晶体硅中Si—Si—Si之间的夹角大小约为________。
(3)下表列有三种物质(晶体)的熔点：
简要解释熔点产生差异的原因：
①SiO2和SiCl4：_________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②SiCl4和SiF4：_________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)SiC晶体结构与金刚石相似(如图所示)，其硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能。其中C原子的杂化方式为__________，微粒间存在的作用力是__________，每个Si原子周围距离最近的C原子为__________个，每个Si原子周围最近的Si原子为__________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)。
第2课时 共价晶体
必备基础
1．(1)原子 共价键 (2)网状 单个 共价
2．非金属单质 非金属化合物 氧化物
3．(1)①sp3 109°28′ ②4 正四面体 ③6 (2)①硅氧四面体 手性 ②硅光电池 光导纤维
4．(1)很高 (2)小 短 大 高
即学即练
1．(1)× (2)√ (3)× (4)×
2．解析：共价晶体可能是单质，如金刚石、晶体硅，也可能是化合物，如二氧化硅、碳化硅等。
答案：C
3．解析：氮化硼是由两种非金属元素形成的化合物，根据该化合物的性质可知其为共价晶体，微粒间作用力为共价键。C60和金刚石熔化时分别克服的是分子间作用力和共价键，A项错误；冰和干冰熔化时均克服的是分子间作用力，C项错误；碘和金刚砂熔化时分别克服的是分子间作用力和共价键，D项错误。
答案：B
4．解析：碳原子半径小于Si原子半径，键长C—CSi—C>Si—Si，则硬度金刚石>碳化硅>晶体硅，A项正确。由于原子半径Si>C>O，键长Si—Si>Si—C>Si—O，键能Si—SiSiC>Si，B项错误。NH3形成分子间氢键，使其沸点高于PH3，C项错误。SiO2是共价晶体，其硬度最大；白磷和冰都是分子晶体，由于冰中存在分子间氢键，白磷中只有范德华力，故硬度二氧化硅>冰>白磷，D项错误。
答案：A
5．解析：(1)因为N和Si分别要形成3个与4个共价键，所以氮化硅的化学式为Si3N4；二者的价层电子对数均为4，所以均采取sp3杂化。
(2)因为氮化硅的硬度极大，所以它属于共价晶体，晶体中存在的作用力是共价键，由于N原子半径比Si小，所以键长短，键能大，硬度大；
(3)Si3N4为共价晶体，其性质为硬度大熔点高，又因它是由原子以共价键形成的晶体，所以不存在单个分子，且为空间网状结构。选①②④⑤。
答案：(1)Si3N4 sp3杂化 (2)共价晶体 共价键 N原子半径小于Si，所以N—Si 键长比Si—Si键长短，键能大 (3)①②④⑤
核心素养
例 解析：(1)题给CO2分子晶体的一部分，属面心立方结构。取任一顶点的CO2分子，则与之距离最近且等距的共用该顶点的三个面面心上的CO2分子，共3个；而该顶点被8个同样晶胞共用，而面心上的分子被2个晶胞共用，这样符合题意的CO2分子有：3×＝12个；在此结构中，8个CO2分子处于顶点，为8个同样结构共用，6个CO2分子处于面心，为2个同样结构共用。所以，该结构单元平均占有的CO2分子为：8×＋6×＝4(个)；(2)该题应从SiO2的结构和性质来判断；(3)二者属于不同物质，所以转化属于化学变化。由于共价晶体干冰更稳定，故该转化为放热反应，ΔH<0。
答案：(1)12 4 (2)BDE (3)化学 小于
提升 解析：(1)晶体硅中1个硅原子与4个硅原子相连，呈正四面体结构，所以其杂化方式是sp3，SiC晶体结构与晶体硅相似，故C原子的杂化方式也是sp3；因为Si—C键的键长小于Si—Si键，所以熔、沸点：碳化硅＞晶体硅。(2)SiO2为共价晶体，干冰为分子晶体，所以熔点：SiO2＞干冰。(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅均为共价晶体，构成微粒为原子，熔化时破坏共价键；干冰和冰为分子晶体，由分子构成，CO2分子以分子间作用力相结合。冰中水分子以范德华力和氢键相结合。
答案：(1)sp3 共价键 SiC>Si
(2)共价 分子 ＜
(3)原子、原子、原子、分子、分子 共价键、共价键、共价键、分子间作用力、分子间作用力 金刚石、二氧化硅、硅、冰、干冰
素养形成
1．答案：B
2．解析：A对，碳化铝的熔点高，熔融态不导电，说明碳化铝属于共价晶体。B错，溴化铝的熔点低，熔融态不导电，则溴化铝属于分子晶体。C错，五氟化钒的熔点很低且易溶于乙醇、氯仿、丙酮等有机溶剂，则属于分子晶体。D错，氯化铝是共价化合物，溶于水发生电离而导电，则属于分子晶体。
答案：A
3．解析：C60和管状碳分子的晶体都是分子晶体，C60的相对分子质量比管状碳分子小，则C60的分子间作用力比管状碳分子小。C76球状分子和C84球状分子都已经存在，则C80球状分子能够制造出来。
答案：C
4．解析：共价晶体的熔点和硬度与构成共价晶体的原子间的共价键键能有关，而原子间的共价键键能与原子半径的大小有关。
答案：B
5．解析：(1)硅为第三周期第ⅣA族元素，基态硅原子价电子排布式为3s23p2，故其核外电子排布式为1s22s22p63s23p2。
(2)金刚石中碳原子采取sp3杂化，C—C—C之间的夹角为109°28′，金刚石晶胞内部有4个碳原子，每个顶点和面心各有1个碳原子，故金刚石晶胞中含碳原子个数为4＋8×＋6×＝8个，晶体硅与金刚石结构相似，故Si与Si原子之间以共价键相结合，Si—Si—Si之间夹角为109°28′，且晶胞中有8个硅原子，其中在面心位置贡献硅原子的有6×＝3个。
(3)①SiO2与SiCl4晶体类型不同，前者为共价晶体，原子之间以共价键结合，共价键作用力强，后者为分子晶体，分子之间以范德华力结合，范德华力较弱，所以SiO2熔点高于SiCl4。
②SiF4和SiCl4晶体均为分子晶体，组成和结构均相似，相对分子质量越大，范德华力越大，故SiCl4熔点高于SiF4。
(4)碳化硅晶体中，每个碳原子和硅原子都采取sp3杂化，与四个硅原子形成四个共价键，每个硅原子周围最近的碳原子有四个。碳化硅晶胞中，若硅原子位于面心和顶点，则碳原子位于内部，故知每个硅原子周围最近的硅原子有12个。
该晶胞中硅原子数为6×＋8×＝4；四个碳原子位于晶胞内，故1个该晶胞中含有4个碳原子、4个硅原子，则1 ml该晶胞的质量、体积分别为160 g、a3NA cm3，因此晶体密度：b＝ g·cm－3，故NA＝ ml－1设阿伏加德罗常数为NA。
答案：(1)1s22s22p63s23p2 (2)共价键 3 109°28′
(3)①SiO2是共价晶体，微粒间作用力为共价键；SiCl4是分子晶体，微粒间作用力为范德华力，故SiO2熔点高于SiCl4 ②SiCl4和SiF4均为分子晶体，微粒间作用力为范德华力，结构相似时相对分子质量越大，范德华力越大，故SiCl4熔点高于SiF4
(4)sp3 共价键 4 12 ml－1物质种类
实例
某些__________
晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等
某些__________
碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等
某些__________
二氧化硅(SiO2)等
晶体类型
共价晶体
分子晶体
概念
相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体
分子间以分子间作用力相结合的晶体
组成微粒
原子
分子
微粒间作用力
共价键
分子间作用力
熔、沸点
很高
较低
硬度
很大
较小
溶解性
不溶于大部分溶剂
部分溶于水
导电性
不导电，个别为半导体
不导电，部分溶于水后导电
熔化时破坏的作用力
共价键
分子间作用力
实例
金刚石
干冰
共价晶体
金刚石
氮化硼
碳化硅
石英
硅
锗
熔点/℃
3 900
3 000
2 700
1 710
1 410
1 211
硬度
10
9.5
9.5
7
6.5
6.0
物质
SiO2
SiCl4
SiF4
熔点/℃
1 710
－70.4
－90.2