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高中人教版 (2019)第二节 分子晶体与共价晶体优秀学案
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这是一份高中人教版 (2019)第二节 分子晶体与共价晶体优秀学案，共12页。
知道共价晶体的结构特点，能辨识常见的共价晶体。
认识金刚石晶体中碳原子的三维骨架结构，能借助共价晶体的晶体结构模型说明共价晶体中粒子间的相互作用，促进“证据推理与模型认知”化学核心素养的发展。
重点：共价晶体的结构与物理性质。
难点：共价晶体的结构与物理性质。
共价晶体
(1)相邻原子间以共价键结合形成共价键三维骨架结构的晶体，不存在单个的小分子。
(2)
(3)物理性质
共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时必需破坏共价键，而破坏它们需要很高的温度，所以一般熔点很高，硬度很大。
金刚石的晶体结构
(1)金刚石是典型的共价晶体，天然的金刚石经常呈现规则多面体的外形。C—C—C夹角为109°28′，即金刚石中的碳以sp3杂化轨道形成共价键。
(2)金刚石里的C—C共价键的键长很短，键能很大，这一结构使金刚石在所有已知晶体中硬度最大，而且熔点也很高。
SiO2的结构及应用
(1)SiO2是另一种典型的共价晶体，熔点为1713 ℃，有多种结构，最常见的是低温石英，其结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，这一结构决定了它具有手性，被广泛用作压电材料。
(2)SiO2具有许多重要用途，是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。
其他常见的共价晶体
(1)某些单质，如硼、硅、锗和灰锡等。
(2)某些非金属化合物，如碳化硅(SiC)(俗称金刚砂)、氮化硼(BN)等。
1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。
(1)共价晶体中共价键越强，熔点越高。( )
(2)共价晶体可能含有离子键。( )
(3)共价晶体的原子间只存在共价键，而分子晶体内只存在范德华力。( )
(4)SiO2的晶体结构中，每个Si原子与2个O原子直接相连。( )
(5)通常状况下，60 g SiO2晶体中含有的分子数为NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)。( )
(6)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体。( )
【答案】 (1)√ (2)× (3)× (4)× (5)× (6)×
【解析】 (2)共价晶体中原子与原子间通过共价键结合，不可能含有离子键。
(3)共价晶体的原子间只存在共价键，分子晶体内可能存在范德华力、氢键和共价键。
(4)二氧化硅的晶体结构为，每个Si原子形成4个共价键，所以每个Si原子与4个O原子直接相连。
(5)二氧化硅是由Si原子和O原子构成的共价晶体，所以二氧化硅晶体中不含分子。
2．根据下表中给出的有关数据，判断下列说法中错误的是( )
A.SiCl4是分子晶体
B．晶体硼是共价晶体
C．AlCl3是分子晶体，加热能升华
D．金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键弱
【答案】 D
【解析】 碳原子的半径比硅原子的半径小，金刚石中的C—C键键长比晶体硅中的Si—Si键键长短，金刚石中的C—C键键能比晶体硅中的Si—Si键键能大，金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键强，D错误。
3．有下列几种晶体：A.无色水晶，B.冰醋酸，C.白磷，D.金刚石，E.晶体氩，F.干冰。
(1)属于分子晶体的是________(填字母，下同)。
(2)属于共价晶体的化合物是________。
(3)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________。
(4)晶体中存在氢键的是________。
(5)晶体中不存在化学键的是________。
【答案】 (1)BCEF (2)A (3)BCF AD (4)B (5)E
考点1分子晶体的结构特点和物理性质
典型共价晶体的结构模型
注意：(1)二氧化硅晶体中，没有独立存在的SiO2分子，所以SiO2仅是代表二氧化硅晶体的元素组成的化学式，而不是二氧化硅晶体的分子式。
(2)金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等共价晶体中的成键数目：①金刚石(或晶体硅)中，1 ml C(或Si)形成2 ml C—C(或Si—Si)键；②碳化硅晶体中，1 ml碳或1 ml硅均形成4 ml C—Si键；③SiO2晶体中，1 ml SiO2晶体中有4 ml Si—O键。
共价晶体的物理特性及熔点比较
(1)共价晶体的物理性质
①一般熔点都很高、硬度都很大。
②一般不导电，但晶体硅是半导体。
③难溶于常见的溶剂。
(2)共价晶体熔点比较
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，晶体的熔点越高。如金刚石、碳化硅、晶体硅的物理性质见下表：
由于金刚石、碳化硅、晶体硅的结构相似，C原子半径小于Si原子半径，键能：C—C键>C—Si键>Si—Si键，所以三者的熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。
氮化碳部分结构如下图所示，其中β-氮化碳的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错误的是( )
A．β氮化碳属于共价晶体，其化学键比金刚石的更稳定
B．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子稳定结构
C．β氮化碳的化学式为C3N4，其中氮显－3价，碳显＋4价
D．该晶体与金刚石结构相似，都是原子间以非极性键形成的空间网状结构
【答案】 D
【解析】 A项，N原子半径小于C原子半径，键长：C—N键下列关于C、Si及其化合物结构与性质的论述错误的是
A．键能 C-C＞Si-Si、C-H＞Si-H ，因此C2H6稳定性大于Si2H6
B．立方型SiC是与金刚石成键、结构均相似的共价晶体，因此具有很高的硬度和熔点
C．常温下C、Si的最高价氧化物晶体类型相同，性质相同。
D．Si原子间难形成双键而C原子间可以，是因为Si的原子半径大于C，难形成 键
【答案】C
【解析】A．原子半径越小、共价键键能越大，物质越稳定，原子半径Si＞C，所以键能C-C＞Si-Si、C-H＞Si-H，C2H6稳定性大于Si2H6，故A正确；
B．由于立方型SiC是与金刚石成键、结构均相似的共价晶体，由于SiC是共价晶体，所以立方型SiC具有很高的硬度和熔点，故B正确；
C．C、Si所形成的最高价氧化物分别为CO2和SiO2，CO2空间构型是直线型，属于分子晶体，SiO2空间构型是空间网状结构，属于共价晶体，二者晶体类型不同，故C错误；
D．Si的原子半径较大，原子间形成的σ键较长，p-p轨道重叠程度很小，难以形成π键，所以Si原子间难形成双键而C原子间可以，故D正确；
答案为C。
一、选择题(每小题只有1个选项符合题意)
1．下列物质属于共价晶体的是( )
①干冰 ②SiO2 ③晶体硅 ④白磷 ⑤氨基乙酸 ⑥固态He
A．①③④⑤⑥ B．②③④⑥
C．②③ D．①②⑤⑥
【答案】 C
【解析】 干冰、白磷、氨基乙酸和固态He属于分子晶体，SiO2和晶体硅属于共价晶体。
2．下列关于共价晶体和分子晶体的说法不正确的是( )
A．共价晶体硬度通常比分子晶体大
B．共价晶体的熔点较高
C．分子晶体中有的水溶液能导电
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点高，硬度大，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，C正确。干冰(固态CO2)是分子晶体，D错误。
3．为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是
A．1 ml 被CO还原成Fe，转移个电子
B．标准状况下，11.2 L H2O含有的共价键总数为
C．常温下，将0.5 ml Fe投入浓硫酸中，反应转移的电子数为
D．2 ml 中含个分子
【答案】A
【解析】A．用磁铁矿炼铁的反应中，l ml Fe3O4被CO还原成Fe，得关系式Fe3O4 (FeO·Fe2O3)~3Fe，Fe元素从+2、+3价均变为0价，共降低8价，根据得失电子守恒可知，转移8 ml电子，A正确；
B．标准状况下，H2O不是气体，无法计算11.2 L H2O的物质的量，无法判断共价键总数，B错误；
C．常温下铁遇浓硫酸钝化，反应不能持续进行，无法判断反应转移的电子数，C错误；
D．SiO2是由Si原子和O原子构成的共价晶体，没有SiO2分子，D错误；
故选A。
4．下列说法正确的是
A．相同条件下，PH3 比 NH3易溶于水、易液化
B．NCl3的空间结构和 VSEPR 模型都为四面体形
C．基态气态25Mn2+再失去1个电子比基态气态26Fe2+再失去1个电子难
D．AlN 和 GaN的成键结构与金刚石相似，为共价晶体，GaN 的熔点高于AlN
【答案】C
【解析】A．NH3分子间存在氢键，所以相同条件下NH3比PH3易溶于水、易液化，故A错误；
NCl3中氮原子价成电子对数为3+12×(5-3×1)=4，且含有一个孤电子对，所以NCl3的空间结构为三角锥形，VSEPR模型为四面体形，故B错误；
C．基态气态25Mn2+价电子排布为3d5，为半满稳定状态，基态气态26Fe2+价电子排布为3d6，基态气态26Mn2+再失去一个电子比基态气态26Fe2+再失去一个电子难，故C正确；
D．AlN和GaN的成键结构与金刚石相似，为共价晶体，GaN的键长长，键能低，熔点低于AlN，故D错误；
故答案为：C。
5．氮氧化铝(AlON)属于共价晶体，是一种高强度透明材料，下列叙述错误的是( )
A．AlON和SiO2所含化学键的类型相同
B．电解熔融AlON可得到Al
C．AlON中N元素的化合价为－1
D．AlON和SiO2的晶体类型相同
【答案】 B
【解析】 AlON和SiO2均属于共价晶体，均只含有共价键，A、D正确；AlON属于共价晶体，熔融时不导电，B错误；AlON中O为－2价，Al为＋3价，所以N元素的化合价为－1，C正确。
6．下列晶体性质的比较中错误的是( )
A．熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅
B．沸点：NH3>PH3
C．硬度：白磷>冰>二氧化硅
D．熔点：SiI4>SiBr4>SiCl4
【答案】 C
【解析】 A项，三种物质都是共价晶体，因为C的原子半径小于Si的，所以键长：C—C键C—Si键>Si—Si键，键能越大，共价晶体的熔点越高，正确；B项，NH3和PH3都是分子晶体，但NH3分子间存在氢键，故NH3的沸点较高，正确；C项，二氧化硅是共价晶体，硬度较大，白磷和冰都是分子晶体，硬度较小，错误；D项，卤化硅为分子晶体，它们的组成和结构相似，分子间不存在氢键，故相对分子质量越大，分子间作用力越大，熔点越高，正确。
7．下列说法正确的是(NA代表阿伏加德罗常数的值)( )
A．在含2 ml Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4NA
B．30 g二氧化硅晶体中含有0.5NA个二氧化硅分子
C．金刚石的熔点高与C—C键的键能有关
D．晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的共价晶体
【答案】 C
【解析】 1 ml SiO2中含有4 ml Si—O键，所以在含2 ml Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为NA，A错误；二氧化硅晶体属于共价晶体，所以二氧化硅晶体中没有分子，B错误；晶体硅属于共价晶体，晶体氖是分子晶体，D错误。
8．将SiCl4与过量的液氨反应可生成化合物Si(NH2)4。将该化合物在无氧条件下高温灼烧，可得到氮化硅(Si3N4)固体，氮化硅是一种新型耐高温、耐磨材料，在工业上有广泛的应用。下列推断可能正确的是( )
A．SiCl4、Si3N4的晶体类型相同
B．Si3N4晶体是立体网状结构
C．C3N4的熔点比Si3N4的低
D．SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂
【答案】 B
【解析】 SiCl4是分子晶体，在熔化过程中克服的是分子间作用力，化学键不断裂。Si3N4是共价晶体，其晶体为立体网状结构。根据C、Si的原子半径推知C—N键的键能比Si—N键的键能大，故C3N4的熔点比Si3N4的高。
9．已知C3N4晶体很可能具有比金刚石更大的硬度，且原子间均以单键结合，下列关于晶体说法正确的是
A．C3N4晶体中每个C原子连接4个N原子，而每个N原子连接3个C原子
B．C3N4晶体中，C—N键的键长比金刚石中C—C键的键长要长
C．C3N4晶体是分子晶体
D．C3N4晶体中微粒间通过离子键结合
【答案】A
【解析】A．该晶体中原子间均以单键结合，且每个原子都达到8电子稳定结构，所以每个C原子能形成4个共价键连接4个N原子，每个N原子能形成3个共价键连接3个C原子，故A正确；
B．原子半径越大，原子间的键长越长，原子半径C＞N，所以C3N4晶体中C-N键长比金刚石中C-C要短，故B错误；
C．C3N4晶体具有比原子晶体的金刚石更大的硬度，且原子间均以单键结合，说明该物质是原子晶体；分子晶体熔沸点较低、硬度较小，原子晶体硬度较大，故C错误；
D．离子晶体微粒之间通过离子键结合，原子晶体微粒间通过共价键结合，该晶体是原子晶体，所以微粒间通过共价键结合，故D错误；
故选A。
10．中外科学家团队共同合成了T碳。T碳是将金刚石中的每个碳原子用一个由4个碳原子形成的正四面体结构单元取代形成的碳的一种新型三维立方晶体，结构如图1所示。下列说法错误的是( )
A．每个T碳晶胞中含32个碳原子
B．T碳结构中的最小夹角为109°28′
C．T碳属于共价晶体
D．如图2是T碳晶胞的俯视图
【答案】 B
【解析】 一个金刚石晶胞中，含有C原子的数目为8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＋4＝8，将每个C原子换成形成正四面体结构的4个C原子，则T碳晶胞中含有碳原子的数目为8×4＝32，A正确；4个碳原子形成的正四面体结构单元中，两个碳碳键之间的夹角为60°，B错误；C原子间以共价键结合形成空间网状结构，故T碳属于共价晶体，C正确；由T碳晶胞结构可知，其俯视图正确，D正确。
11.已知SiC晶体具有较大的硬度，且原子间均以单键结合，下列关于SiC晶体的说法正确的是（ ）
A.SiC晶体是分子晶体
B.SiC晶体中C—Si键的键长比金刚石中C—C键的键长要短
C.SiC晶体中粒子间通过离子键结合
D.SiC晶体中每个C原子连接4个Si原子，而每个Si原子连接4个C原子
【答案】 D
【解析】SiC晶体具有较大的硬度，且原子间均以单键结合，则SiC晶体属于共价晶体，A项错误；原子半径Si>C，则键长C—Si>C—C，B项错误；SiC晶体是共价晶体，Si和C原子之间通过共价键相结合，不存在离子键，C项错误；C、Si原子最外层均有4个价电子，均能形成4个单键，SiC晶体中每个C原子连接4个Si原子，而每个Si原子连接4个C原子，D项正确。
12．单质硼有无定型和晶体两种，参考下表数据，回答下列问题：
(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，每个顶点上各有一个硼原子。通过观察及推算，此基本结构单元由________个硼原子构成，其中B—B键的键角为________，B—B键的键数为________。
【答案】 (1)共价 晶体硼的熔、沸点和硬度都介于晶体硅和金刚石之间，晶体硅和金刚石均为共价晶体，晶体硼也为共价晶体
(2)12 60° 30
【解析】 (1)晶体硼的熔、沸点和硬度都介于晶体硅和金刚石之间，而晶体硅和金刚石均为共价晶体，故晶体硼也为共价晶体。(2)三角形的顶点为5个三角形所共有，此顶点完全属于一个三角形的只有eq \f(1,5)，每个三角形有3个这样的顶点，且晶体的基本单元中有20个这样的三角形，故有3×eq \f(1,5)×20＝12，又因为三角形为正三角形，所以键角为60°，每个边为2个三角形共用，所以边数为20×3×eq \f(1,2)＝30。
13．请回答下列问题：
(1)31Ga基态原子的核外电子排布式是________________。某种半导体材料由Ga和As两种元素组成，该半导体材料的化学式是________，其晶体结构类型可能为________。
(2)如图是氮化镓的晶胞结构：
氮化镓中镓原子的杂化方式为________，每个氮原子共与________个镓原子相结合。
(3)立方氮化硼结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为a cm，立方氮化硼晶胞中含有________个氮原子、________个硼原子。
【答案】 (1)1s22s22p63s23p63d104s24p1或[Ar]3d104s24p1 GaAs 共价晶体
(2)sp3 4 (3)4 4
【解析】 (2)每个Ga与4个N形成共价键，这四个N构成正四面体结构；每个N与4个Ga通过共价键结合，这四个Ga构成正四面体结构，所以氮化镓中镓原子的杂化方式为sp3杂化。
(3)金刚石晶胞是立方体，其中8个顶角有8个碳原子，6个面心有6个碳原子，立方体内部还有4个碳原子，所以金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数＝8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＋4＝8，因此立方氮化硼晶胞中应该含有4个N原子和4个B原子。
14．(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a pm，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ρ g·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)共价晶体 12
eq \f(4×40 g·ml－1,（a×10－10 cm）3×6.02×1023 ml－1)
(2)4 正四面体 eq \f(\r(3),4)×eq \r(3,\f(224,ρNA))
【解析】 (1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5，硬度大，属于共价晶体；每个碳原子周围最近的碳原子数目为3×8×eq \f(1,2)＝12；该晶胞中C原子个数为8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＝4，Si原子个数为4，晶胞边长为a×10－10 cm，体积V＝(a×10－10 cm)3，ρ＝eq \f(m,V)＝eq \f(4×40 g·ml－1,（a×10－10 cm）3×6.02×1023 ml－1)。
(2)在晶体Si的晶胞中含有Si原子的数目是8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＋4＝8，则V＝eq \f(m,ρ)＝eq \f(\f(28×8,NA),ρ) cm3＝eq \f(224,ρNA) cm3，晶胞的边长a＝eq \r(3,V)＝eq \r(3,\f(224,ρNA)) cm，在晶胞中两个最近的Si原子之间的距离为晶胞体对角线长的eq \f(1,4)，即eq \f(\r(3),4)×eq \r(3,\f(224,ρNA)) cm。AlCl3
SiCl4
晶体硼
金刚石
晶体硅
熔点/℃
190
－60
2300
3550
1410
沸点/℃
183
57
2550
4827
2355
物质
晶体结构
结构特点
金刚石
a.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
b．晶体中C—C—C夹角为
109°28′，碳原子采取sp3杂化
c．最小环上有6个碳原子且六个碳原子不在同一平面内
d．晶体中C原子个数与C—C键个数之比为1∶eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(4×\f(1,2)))＝1∶2
二氧化硅
a.每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构
b．每个正四面体占有1个Si，4个“eq \f(1,2)O”，n(Si)∶n(O)＝1∶2
c．最小环上有12个原子，即6个O，6个Si
晶体
键能/(kJ·ml－1)
熔点/℃
硬度
金刚石
(C—C)347
3350
10
碳化硅
(C—Si)301
2600
9
晶体硅
(Si—Si)226
1415
7
物质
金刚石
晶体硅
晶体硼
熔点/K
大于3 828
1 683
2 573
沸点/K
5 100
2 628
2 823
硬度/Mb
10
7.0
9.5
知道共价晶体的结构特点，能辨识常见的共价晶体。
认识金刚石晶体中碳原子的三维骨架结构，能借助共价晶体的晶体结构模型说明共价晶体中粒子间的相互作用，促进“证据推理与模型认知”化学核心素养的发展。
重点：共价晶体的结构与物理性质。
难点：共价晶体的结构与物理性质。
共价晶体
(1)相邻原子间以共价键结合形成共价键三维骨架结构的晶体，不存在单个的小分子。
(2)
(3)物理性质
共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时必需破坏共价键，而破坏它们需要很高的温度，所以一般熔点很高，硬度很大。
金刚石的晶体结构
(1)金刚石是典型的共价晶体，天然的金刚石经常呈现规则多面体的外形。C—C—C夹角为109°28′，即金刚石中的碳以sp3杂化轨道形成共价键。
(2)金刚石里的C—C共价键的键长很短，键能很大，这一结构使金刚石在所有已知晶体中硬度最大，而且熔点也很高。
SiO2的结构及应用
(1)SiO2是另一种典型的共价晶体，熔点为1713 ℃，有多种结构，最常见的是低温石英，其结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，这一结构决定了它具有手性，被广泛用作压电材料。
(2)SiO2具有许多重要用途，是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。
其他常见的共价晶体
(1)某些单质，如硼、硅、锗和灰锡等。
(2)某些非金属化合物，如碳化硅(SiC)(俗称金刚砂)、氮化硼(BN)等。
1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。
(1)共价晶体中共价键越强，熔点越高。( )
(2)共价晶体可能含有离子键。( )
(3)共价晶体的原子间只存在共价键，而分子晶体内只存在范德华力。( )
(4)SiO2的晶体结构中，每个Si原子与2个O原子直接相连。( )
(5)通常状况下，60 g SiO2晶体中含有的分子数为NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)。( )
(6)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体。( )
【答案】 (1)√ (2)× (3)× (4)× (5)× (6)×
【解析】 (2)共价晶体中原子与原子间通过共价键结合，不可能含有离子键。
(3)共价晶体的原子间只存在共价键，分子晶体内可能存在范德华力、氢键和共价键。
(4)二氧化硅的晶体结构为，每个Si原子形成4个共价键，所以每个Si原子与4个O原子直接相连。
(5)二氧化硅是由Si原子和O原子构成的共价晶体，所以二氧化硅晶体中不含分子。
2．根据下表中给出的有关数据，判断下列说法中错误的是( )
A.SiCl4是分子晶体
B．晶体硼是共价晶体
C．AlCl3是分子晶体，加热能升华
D．金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键弱
【答案】 D
【解析】 碳原子的半径比硅原子的半径小，金刚石中的C—C键键长比晶体硅中的Si—Si键键长短，金刚石中的C—C键键能比晶体硅中的Si—Si键键能大，金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键强，D错误。
3．有下列几种晶体：A.无色水晶，B.冰醋酸，C.白磷，D.金刚石，E.晶体氩，F.干冰。
(1)属于分子晶体的是________(填字母，下同)。
(2)属于共价晶体的化合物是________。
(3)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________。
(4)晶体中存在氢键的是________。
(5)晶体中不存在化学键的是________。
【答案】 (1)BCEF (2)A (3)BCF AD (4)B (5)E
考点1分子晶体的结构特点和物理性质
典型共价晶体的结构模型
注意：(1)二氧化硅晶体中，没有独立存在的SiO2分子，所以SiO2仅是代表二氧化硅晶体的元素组成的化学式，而不是二氧化硅晶体的分子式。
(2)金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等共价晶体中的成键数目：①金刚石(或晶体硅)中，1 ml C(或Si)形成2 ml C—C(或Si—Si)键；②碳化硅晶体中，1 ml碳或1 ml硅均形成4 ml C—Si键；③SiO2晶体中，1 ml SiO2晶体中有4 ml Si—O键。
共价晶体的物理特性及熔点比较
(1)共价晶体的物理性质
①一般熔点都很高、硬度都很大。
②一般不导电，但晶体硅是半导体。
③难溶于常见的溶剂。
(2)共价晶体熔点比较
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，晶体的熔点越高。如金刚石、碳化硅、晶体硅的物理性质见下表：
由于金刚石、碳化硅、晶体硅的结构相似，C原子半径小于Si原子半径，键能：C—C键>C—Si键>Si—Si键，所以三者的熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。
氮化碳部分结构如下图所示，其中β-氮化碳的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错误的是( )
A．β氮化碳属于共价晶体，其化学键比金刚石的更稳定
B．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子稳定结构
C．β氮化碳的化学式为C3N4，其中氮显－3价，碳显＋4价
D．该晶体与金刚石结构相似，都是原子间以非极性键形成的空间网状结构
【答案】 D
【解析】 A项，N原子半径小于C原子半径，键长：C—N键
A．键能 C-C＞Si-Si、C-H＞Si-H ，因此C2H6稳定性大于Si2H6
B．立方型SiC是与金刚石成键、结构均相似的共价晶体，因此具有很高的硬度和熔点
C．常温下C、Si的最高价氧化物晶体类型相同，性质相同。
D．Si原子间难形成双键而C原子间可以，是因为Si的原子半径大于C，难形成 键
【答案】C
【解析】A．原子半径越小、共价键键能越大，物质越稳定，原子半径Si＞C，所以键能C-C＞Si-Si、C-H＞Si-H，C2H6稳定性大于Si2H6，故A正确；
B．由于立方型SiC是与金刚石成键、结构均相似的共价晶体，由于SiC是共价晶体，所以立方型SiC具有很高的硬度和熔点，故B正确；
C．C、Si所形成的最高价氧化物分别为CO2和SiO2，CO2空间构型是直线型，属于分子晶体，SiO2空间构型是空间网状结构，属于共价晶体，二者晶体类型不同，故C错误；
D．Si的原子半径较大，原子间形成的σ键较长，p-p轨道重叠程度很小，难以形成π键，所以Si原子间难形成双键而C原子间可以，故D正确；
答案为C。
一、选择题(每小题只有1个选项符合题意)
1．下列物质属于共价晶体的是( )
①干冰 ②SiO2 ③晶体硅 ④白磷 ⑤氨基乙酸 ⑥固态He
A．①③④⑤⑥ B．②③④⑥
C．②③ D．①②⑤⑥
【答案】 C
【解析】 干冰、白磷、氨基乙酸和固态He属于分子晶体，SiO2和晶体硅属于共价晶体。
2．下列关于共价晶体和分子晶体的说法不正确的是( )
A．共价晶体硬度通常比分子晶体大
B．共价晶体的熔点较高
C．分子晶体中有的水溶液能导电
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点高，硬度大，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，C正确。干冰(固态CO2)是分子晶体，D错误。
3．为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是
A．1 ml 被CO还原成Fe，转移个电子
B．标准状况下，11.2 L H2O含有的共价键总数为
C．常温下，将0.5 ml Fe投入浓硫酸中，反应转移的电子数为
D．2 ml 中含个分子
【答案】A
【解析】A．用磁铁矿炼铁的反应中，l ml Fe3O4被CO还原成Fe，得关系式Fe3O4 (FeO·Fe2O3)~3Fe，Fe元素从+2、+3价均变为0价，共降低8价，根据得失电子守恒可知，转移8 ml电子，A正确；
B．标准状况下，H2O不是气体，无法计算11.2 L H2O的物质的量，无法判断共价键总数，B错误；
C．常温下铁遇浓硫酸钝化，反应不能持续进行，无法判断反应转移的电子数，C错误；
D．SiO2是由Si原子和O原子构成的共价晶体，没有SiO2分子，D错误；
故选A。
4．下列说法正确的是
A．相同条件下，PH3 比 NH3易溶于水、易液化
B．NCl3的空间结构和 VSEPR 模型都为四面体形
C．基态气态25Mn2+再失去1个电子比基态气态26Fe2+再失去1个电子难
D．AlN 和 GaN的成键结构与金刚石相似，为共价晶体，GaN 的熔点高于AlN
【答案】C
【解析】A．NH3分子间存在氢键，所以相同条件下NH3比PH3易溶于水、易液化，故A错误；
NCl3中氮原子价成电子对数为3+12×(5-3×1)=4，且含有一个孤电子对，所以NCl3的空间结构为三角锥形，VSEPR模型为四面体形，故B错误；
C．基态气态25Mn2+价电子排布为3d5，为半满稳定状态，基态气态26Fe2+价电子排布为3d6，基态气态26Mn2+再失去一个电子比基态气态26Fe2+再失去一个电子难，故C正确；
D．AlN和GaN的成键结构与金刚石相似，为共价晶体，GaN的键长长，键能低，熔点低于AlN，故D错误；
故答案为：C。
5．氮氧化铝(AlON)属于共价晶体，是一种高强度透明材料，下列叙述错误的是( )
A．AlON和SiO2所含化学键的类型相同
B．电解熔融AlON可得到Al
C．AlON中N元素的化合价为－1
D．AlON和SiO2的晶体类型相同
【答案】 B
【解析】 AlON和SiO2均属于共价晶体，均只含有共价键，A、D正确；AlON属于共价晶体，熔融时不导电，B错误；AlON中O为－2价，Al为＋3价，所以N元素的化合价为－1，C正确。
6．下列晶体性质的比较中错误的是( )
A．熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅
B．沸点：NH3>PH3
C．硬度：白磷>冰>二氧化硅
D．熔点：SiI4>SiBr4>SiCl4
【答案】 C
【解析】 A项，三种物质都是共价晶体，因为C的原子半径小于Si的，所以键长：C—C键
7．下列说法正确的是(NA代表阿伏加德罗常数的值)( )
A．在含2 ml Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4NA
B．30 g二氧化硅晶体中含有0.5NA个二氧化硅分子
C．金刚石的熔点高与C—C键的键能有关
D．晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的共价晶体
【答案】 C
【解析】 1 ml SiO2中含有4 ml Si—O键，所以在含2 ml Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为NA，A错误；二氧化硅晶体属于共价晶体，所以二氧化硅晶体中没有分子，B错误；晶体硅属于共价晶体，晶体氖是分子晶体，D错误。
8．将SiCl4与过量的液氨反应可生成化合物Si(NH2)4。将该化合物在无氧条件下高温灼烧，可得到氮化硅(Si3N4)固体，氮化硅是一种新型耐高温、耐磨材料，在工业上有广泛的应用。下列推断可能正确的是( )
A．SiCl4、Si3N4的晶体类型相同
B．Si3N4晶体是立体网状结构
C．C3N4的熔点比Si3N4的低
D．SiCl4晶体在熔化过程中化学键断裂
【答案】 B
【解析】 SiCl4是分子晶体，在熔化过程中克服的是分子间作用力，化学键不断裂。Si3N4是共价晶体，其晶体为立体网状结构。根据C、Si的原子半径推知C—N键的键能比Si—N键的键能大，故C3N4的熔点比Si3N4的高。
9．已知C3N4晶体很可能具有比金刚石更大的硬度，且原子间均以单键结合，下列关于晶体说法正确的是
A．C3N4晶体中每个C原子连接4个N原子，而每个N原子连接3个C原子
B．C3N4晶体中，C—N键的键长比金刚石中C—C键的键长要长
C．C3N4晶体是分子晶体
D．C3N4晶体中微粒间通过离子键结合
【答案】A
【解析】A．该晶体中原子间均以单键结合，且每个原子都达到8电子稳定结构，所以每个C原子能形成4个共价键连接4个N原子，每个N原子能形成3个共价键连接3个C原子，故A正确；
B．原子半径越大，原子间的键长越长，原子半径C＞N，所以C3N4晶体中C-N键长比金刚石中C-C要短，故B错误；
C．C3N4晶体具有比原子晶体的金刚石更大的硬度，且原子间均以单键结合，说明该物质是原子晶体；分子晶体熔沸点较低、硬度较小，原子晶体硬度较大，故C错误；
D．离子晶体微粒之间通过离子键结合，原子晶体微粒间通过共价键结合，该晶体是原子晶体，所以微粒间通过共价键结合，故D错误；
故选A。
10．中外科学家团队共同合成了T碳。T碳是将金刚石中的每个碳原子用一个由4个碳原子形成的正四面体结构单元取代形成的碳的一种新型三维立方晶体，结构如图1所示。下列说法错误的是( )
A．每个T碳晶胞中含32个碳原子
B．T碳结构中的最小夹角为109°28′
C．T碳属于共价晶体
D．如图2是T碳晶胞的俯视图
【答案】 B
【解析】 一个金刚石晶胞中，含有C原子的数目为8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＋4＝8，将每个C原子换成形成正四面体结构的4个C原子，则T碳晶胞中含有碳原子的数目为8×4＝32，A正确；4个碳原子形成的正四面体结构单元中，两个碳碳键之间的夹角为60°，B错误；C原子间以共价键结合形成空间网状结构，故T碳属于共价晶体，C正确；由T碳晶胞结构可知，其俯视图正确，D正确。
11.已知SiC晶体具有较大的硬度，且原子间均以单键结合，下列关于SiC晶体的说法正确的是（ ）
A.SiC晶体是分子晶体
B.SiC晶体中C—Si键的键长比金刚石中C—C键的键长要短
C.SiC晶体中粒子间通过离子键结合
D.SiC晶体中每个C原子连接4个Si原子，而每个Si原子连接4个C原子
【答案】 D
【解析】SiC晶体具有较大的硬度，且原子间均以单键结合，则SiC晶体属于共价晶体，A项错误；原子半径Si>C，则键长C—Si>C—C，B项错误；SiC晶体是共价晶体，Si和C原子之间通过共价键相结合，不存在离子键，C项错误；C、Si原子最外层均有4个价电子，均能形成4个单键，SiC晶体中每个C原子连接4个Si原子，而每个Si原子连接4个C原子，D项正确。
12．单质硼有无定型和晶体两种，参考下表数据，回答下列问题：
(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，每个顶点上各有一个硼原子。通过观察及推算，此基本结构单元由________个硼原子构成，其中B—B键的键角为________，B—B键的键数为________。
【答案】 (1)共价 晶体硼的熔、沸点和硬度都介于晶体硅和金刚石之间，晶体硅和金刚石均为共价晶体，晶体硼也为共价晶体
(2)12 60° 30
【解析】 (1)晶体硼的熔、沸点和硬度都介于晶体硅和金刚石之间，而晶体硅和金刚石均为共价晶体，故晶体硼也为共价晶体。(2)三角形的顶点为5个三角形所共有，此顶点完全属于一个三角形的只有eq \f(1,5)，每个三角形有3个这样的顶点，且晶体的基本单元中有20个这样的三角形，故有3×eq \f(1,5)×20＝12，又因为三角形为正三角形，所以键角为60°，每个边为2个三角形共用，所以边数为20×3×eq \f(1,2)＝30。
13．请回答下列问题：
(1)31Ga基态原子的核外电子排布式是________________。某种半导体材料由Ga和As两种元素组成，该半导体材料的化学式是________，其晶体结构类型可能为________。
(2)如图是氮化镓的晶胞结构：
氮化镓中镓原子的杂化方式为________，每个氮原子共与________个镓原子相结合。
(3)立方氮化硼结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为a cm，立方氮化硼晶胞中含有________个氮原子、________个硼原子。
【答案】 (1)1s22s22p63s23p63d104s24p1或[Ar]3d104s24p1 GaAs 共价晶体
(2)sp3 4 (3)4 4
【解析】 (2)每个Ga与4个N形成共价键，这四个N构成正四面体结构；每个N与4个Ga通过共价键结合，这四个Ga构成正四面体结构，所以氮化镓中镓原子的杂化方式为sp3杂化。
(3)金刚石晶胞是立方体，其中8个顶角有8个碳原子，6个面心有6个碳原子，立方体内部还有4个碳原子，所以金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数＝8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＋4＝8，因此立方氮化硼晶胞中应该含有4个N原子和4个B原子。
14．(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a pm，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ρ g·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)共价晶体 12
eq \f(4×40 g·ml－1,（a×10－10 cm）3×6.02×1023 ml－1)
(2)4 正四面体 eq \f(\r(3),4)×eq \r(3,\f(224,ρNA))
【解析】 (1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5，硬度大，属于共价晶体；每个碳原子周围最近的碳原子数目为3×8×eq \f(1,2)＝12；该晶胞中C原子个数为8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＝4，Si原子个数为4，晶胞边长为a×10－10 cm，体积V＝(a×10－10 cm)3，ρ＝eq \f(m,V)＝eq \f(4×40 g·ml－1,（a×10－10 cm）3×6.02×1023 ml－1)。
(2)在晶体Si的晶胞中含有Si原子的数目是8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＋4＝8，则V＝eq \f(m,ρ)＝eq \f(\f(28×8,NA),ρ) cm3＝eq \f(224,ρNA) cm3，晶胞的边长a＝eq \r(3,V)＝eq \r(3,\f(224,ρNA)) cm，在晶胞中两个最近的Si原子之间的距离为晶胞体对角线长的eq \f(1,4)，即eq \f(\r(3),4)×eq \r(3,\f(224,ρNA)) cm。AlCl3
SiCl4
晶体硼
金刚石
晶体硅
熔点/℃
190
－60
2300
3550
1410
沸点/℃
183
57
2550
4827
2355
物质
晶体结构
结构特点
金刚石
a.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
b．晶体中C—C—C夹角为
109°28′，碳原子采取sp3杂化
c．最小环上有6个碳原子且六个碳原子不在同一平面内
d．晶体中C原子个数与C—C键个数之比为1∶eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(4×\f(1,2)))＝1∶2
二氧化硅
a.每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构
b．每个正四面体占有1个Si，4个“eq \f(1,2)O”，n(Si)∶n(O)＝1∶2
c．最小环上有12个原子，即6个O，6个Si
晶体
键能/(kJ·ml－1)
熔点/℃
硬度
金刚石
(C—C)347
3350
10
碳化硅
(C—Si)301
2600
9
晶体硅
(Si—Si)226
1415
7
物质
金刚石
晶体硅
晶体硼
熔点/K
大于3 828
1 683
2 573
沸点/K
5 100
2 628
2 823
硬度/Mb
10
7.0
9.5
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