高中化学新教材同步选择性必修第二册第3章第二节第2课时：共价晶体

第2课时共价晶体
[核心素养发展目标] 1.能辨识常见的共价晶体，并能从微观角度分析共价晶体中各构成微粒之间的作用对共价晶体物理性质的影响。

2.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。

一、共价晶体的概念及其性质
1．共价晶体的结构特点及物理性质
(1)概念
相邻原子间以共价键相结合形成共价键三维骨架结构的晶体。

(2)构成微粒及微粒间作用
(3)物理性质
①共价晶体中，由于各原子均以强的共价键相结合，因此一般熔点很高，硬度很大，难溶于常见溶剂，一般不导电。

②结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。

2．常见共价晶体及物质类别
(1)某些单质：如硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、金刚石等。

(2)某些非金属化合物：如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si3N4)等。

(3)极少数金属氧化物，如刚玉(α-Al2O3)等。

(1)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体()
(2)具有共价键的晶体一定是共价晶体()
(3)共价晶体在固态或熔化时均不导电()
(4)共价晶体由于硬度及熔、沸点都较高，故常温时不与其他物质反应()
答案(1)×(2)×(3)×(4)×
1．怎样从原子结构角度理解金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降。

提示从碳到硅，核电荷数增大，电子层数增多，原子半径增大，C—C、C—Si、Si—Si的键长依次增大，键长越短，共价键越牢固，共价晶体熔化时破坏的是共价键，而键能大小是
C—C＞C—Si＞Si—Si，所以，金刚石、碳化硅、晶体硅的熔点和硬度依次下降。

2．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()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109.59.57 6.5 6.0
①构成共价晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高
②构成共价晶体的原子间的共价键的键能越大，晶体的熔点越高
③构成共价晶体的原子半径越大，晶体的硬度越大
④构成共价晶体的原子半径越小，晶体的硬度越大
A．①②B．③④C．①③D．②④
答案D
解析共价晶体的熔、沸点和硬度等物理性质取决于晶体内的共价键，构成共价晶体的原子半径越小，键长越短，键能越大，对应共价晶体的熔、沸点越高，硬度越大。

3．(2019·长沙高二检测)下列物质的晶体直接由原子构成的一组是()
①CO2②SiO2③晶体Si④白磷⑤氨基乙酸⑥固态He
A．①②③④⑤⑥B．②③④⑥
C．②③⑥D．①②⑤⑥
答案C
解析CO2、白磷、氨基乙酸、固态He是分子晶体，其晶体由分子构成，稀有气体He由单原子分子构成；SiO2、晶体Si属于共价晶体，其晶体直接由原子构成。

二、常见共价晶体结构分析
1．金刚石晶体
金刚石晶体中，每个碳原子均以4个共价单键对称地与相邻的4个碳原子相结合，形成C—C—C夹角为109°28′的正四面体结构(即金刚石中的碳采取sp3杂化轨道形成共价键)，整块金刚石晶体就是以共价键相连的三维骨架结构。

其中最小的环是六元环。

2.二氧化硅晶体
(1)二氧化硅晶体中，每个硅原子均以4个共价键对称地与相邻的4个氧原子相结合，每个氧原子与 2个硅原子相结合，向空间扩展，形成三维骨架结构。

晶体结构中最小的环上有6个硅原子和6个氧原子，硅、氧原子个数比为1∶2。

(2)低温石英的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。

(1)金刚石晶体中最小碳环是六元环，且6个碳原子在同一平面内( )
(2)金刚石晶体中每个碳原子被12个碳原子环所共有，每个C—C 被6个六元环共用( ) (3)1 mol 金刚石晶体中含有4 mol 碳碳键( ) (4)1 mol 二氧化硅晶体中含有4 mol 硅氧键( ) 答案 (1)× (2)√ (3)× (4)√
解析 (2)任意两条相邻的C—C 参加了2个六元环的形成，每个C 原子可形成4条C—C ，两面相邻的组合有C 24＝6种，故每个C 原子被6×2＝12个六元环共用。

而每条C—C 可以与相邻的3条C—C 两两相邻，故每条C—C 被3×2＝6个六元环共用。

1．金刚石晶胞结构如图所示，回答下列问题。

(1)一个金刚石晶胞中含有________个碳原子。

答案 8
解析 8×18＋6×1
2
＋4＝8。

(2)已知晶胞参数为a pm ，则金刚石的密度为________ g·cm －
3。

答案
12×8
N A (a ×10－
10)3
(3)晶体中两个最近的碳原子之间的距离为______ pm 。

答案
34
a 解析 两个最近的碳原子之间的距离为晶胞内体对角线的14，即3
4
a 。

2．(2019·厦门外国语学校期中)2017年中外科学家团队共同合成了T -碳。

T -碳的结构是将立方金刚石中的每个碳原子用一个由4个碳原子组成的正四面体结构单元取代，形成碳的一种
新型三维立体晶体结构，如图所示(图中的表示碳形成的正四面体结构)。

已知T -碳
晶胞参数为a pm ，N A 为阿伏加德罗常数的值。

下列说法错误的是( )
A ．每个T -碳晶胞中含32个碳原子
B ．T -碳中C—
C 的最小夹角约为109°28′ C ．T -碳属于共价晶体
D ．T -碳的密度为12×32N A ×(a ×10－10)3 g·cm
－3
答案 B
解析 1个金刚石晶胞中，含有碳原子的数目为8×18＋6×1
2＋4＝8，将每个C 原子换成一个
由4个碳原子组成的正四面体结构单元，则1个T -碳晶胞中含有的碳原子数目为8×4＝32，故A 正确；T -碳中C—C 的最小夹角为60°，故B 错误；T -碳中碳原子间以共价键结合成空间网状结构，属于共价晶体，故C 正确；1个T -碳晶胞中含碳原子的数目为32，则该晶体的密度为12×32N A ×(a ×10－10)
3 g·cm
－3
，故D 正确。

1．金刚石是典型的共价晶体，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 ．是自然界中硬度最大的物质
D ．化学性质稳定，即使在高温下也不会与氧气发生反应 答案 D
解析 在金刚石中，碳原子之间以共价键结合形成空间三维骨架结构，不存在具有固定组成的分子；由于碳的原子半径比较小，碳与碳之间的共价键键能很高，所以金刚石的硬度很大，
故A 、B 、C 选项正确；由于金刚石是碳的单质，高温下可以在空气或氧气中燃烧生成CO 2，故D 选项错误。

2．美国《科学》杂志曾报道：在40 GPa 的高压下，用激光加热到1 800 K ，人们成功制得了共价晶体CO 2，下列对该物质的推断一定不正确的是( ) A ．该共价晶体中含有极性键
B ．该共价晶体易气化，可用作制冷材料
C ．该共价晶体有很高的熔、沸点
D ．该共价晶体的硬度大，可用作耐磨材料 答案 B
解析 共价晶体具有高硬度，高熔、沸点等性质，不易气化，不可用作制冷材料，B 项错误。

3．下列关于SiO 2晶体空间结构的叙述中正确的是( ) A ．最小的环上，有3个硅原子和3个氧原子 B ．最小的环上，硅原子数和氧原子数之比为1∶2 C ．最小的环上，有6个硅原子和6个氧原子
D ．存在四面体结构单元，O 原子处于中心，Si 原子处于4个顶角 答案 C
解析 SiO 2晶体中，每个硅原子与4个氧原子成键，每个氧原子与2个硅原子成键，晶体中的硅氧四面体中Si 原子处于中心，O 原子处于4个顶角。

最小的环是十二元环，环上有6个Si 原子、6个O 原子，Si 、O 原子数之比是1∶1。

4．设N A 为阿伏加德罗常数的值。

下列说法中正确的是( ) A ．28 g 晶体硅中含有Si—Si 的个数为2N A B ．124 g 白磷(P 4)晶体中含有P—P 的个数为4N A C ．12 g 金刚石中含有C—C 的个数为4N A
D ．SiO 2晶体中1 mol 硅原子可与氧原子形成2N A 个共价键(Si—O) 答案 A
解析 晶体硅的结构与金刚石相似，每个硅原子与周围4个原子形成4个共价键，依据“均摊法”，1个硅(或碳)原子分得的共价键数为4×1
2＝2，A 正确、C 错误；白磷为正四面体结
构，每个P 4分子中含有6个P—P ，B 错误；SiO 2晶体中每个硅原子与周围4个氧原子形成4个Si—O ，D 错误。

5．如图所示是某共价晶体A 的空间结构片段，A 与某物质B 反应生成C ，其实质是在每个A—A 中插入一个B 原子，则C 物质的化学式可能为( )
A．AB B．A5B4
C．AB2D．A2B5
答案C
6．单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答问题：
金刚石晶体硅晶体硼
熔点/℃＞3 550 1 410 2 573
沸点/℃ 5 100 2 355 2 823
硬度107.09.5
(1)晶体硼属于________晶体，理由是_______________________________________________。

(2)金刚石具有硬度大、熔点高等特点，大量用于制造钻头、金属切割刀具等。

其结构如图所示，下列判断正确的是________(填字母)。

A．金刚石中C—C的键角均为109°28′，所以金刚石和CH4的晶体类型相同
B．金刚石的熔点高与C—C的键能无关
C．金刚石中碳原子个数与C—C数之比为1∶2
D．金刚石的熔点高，所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却
(3)已知晶体硼的结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图所示)，该结构单元中有20个正三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角上各有一个硼原子。

通过观察图形及推算，得出此结构单元是由________个硼原子构成的，其中B—B的键角为__________，该结构单元共含有________个B—B。

答案 (1)共价 晶体硼的熔、沸点高，硬度大 (2)C (3)12 60° 30
解析 (1)从题表可知，晶体硼的熔、沸点以及硬度都介于晶体硅和金刚石之间。

而金刚石和晶体硅均为共价晶体，在元素周期表中B 与C 相邻，与Si 处于对角线位置，则晶体硼也属于共价晶体。

(2)选项A ，金刚石是共价晶体，CH 4是分子晶体，二者的晶体类型不同；选项B ，金刚石熔化过程中C—C 断裂，因C—C 的键能大，断裂时需要的能量多，故金刚石的熔点很高；选项C ，金刚石中每个C 都参与了4个C—C 的形成，而每个C 对每条键的贡献只有一半，故碳原子个数与C—C 数之比为(4×1
2)∶4＝1∶2；选项D ，金刚石的熔点高，但在打孔过程中
会产生很高的温度，如不浇水冷却钻头，会导致钻头熔化。

(3)从题图可得出，每个顶角上的硼原子均被5个正三角形所共有，故分摊到每个正三角形的硼原子为15个，每个正三角形含有15×3个硼原子，每个结构单元含硼原子数为20×1
5×3＝12，
而每个B—B 被2个正三角形所共有，故每个结构单元含B—B 的个数为20×1
2
×3＝30。

题组一 共价晶体及其性质
1．下列晶体中①SiO 2 ②CO 2 ③P 4 ④晶体硅 ⑤H 2SO 4 ⑥P 2O 5 ⑦SO 3 ⑧SiC ⑨冰醋酸 ⑩金刚石，属于共价晶体的一组是( ) A ．①③④⑤⑥⑩ B ．①④⑧⑩ C ．③④⑧⑨⑩ D ．全部
答案 B
解析 十种物质中属于分子晶体的有CO 2、P 4、H 2SO 4、P 2O 5、SO 3、冰醋酸，其余的4种物质均为共价晶体。

2．下列物质中，属于共价晶体的化合物是( ) A ．水晶 B ．晶体硅 C ．金刚石 D ．干冰 答案 A
解析 A 项，水晶是共价晶体，属于化合物；B 项，晶体硅是单质；C 项，金刚石是单质；D 项，干冰是分子晶体。

3．晶体AB 型共价化合物，若原子最外层电子数之和为8，常是具有半导体性质的共价晶体。

已知金刚石不导电、导热，锆石(ZrO 2)不导电、不导热，却硬似钻石，近期用制耐热器的碳化硅也制成假钻石，则识别它们的可靠方法是( )
A．能在玻璃上刻画出痕迹的为金刚石
B．很硬不导电而导热的是金刚石
C．既可导电又可导热的是碳化硅
D．不导电的为锆石
答案B
解析比玻璃硬度大的物质比较多，用刻画玻璃的方法不可靠，由题干知金刚石导热但不导电，而锆石不导电也不导热，故选B。

4．根据下列性质判断，属于共价晶体的物质是()
A．熔点为2 700 ℃，导电性好，延展性强
B．无色晶体，熔点为3 500 ℃，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．熔点为－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电
答案B
解析共价晶体的熔点高，但不导电，因此熔点为2 700 ℃，导电性好，延展性强应该是金属，A不正确；无色晶体，熔点为3 500 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂，符合共价晶体的性质特点，B正确；无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800 ℃，熔化时能导电，不符合共价晶体的性质，C不正确；熔点为－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电，符合分子晶体的性质，属于分子晶体，D不正确。

5．我国的激光技术在世界上处于领先地位，据报道，有科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物薄膜。

据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。

其原因可能是()
A．碳、氮原子构成平面结构的晶体
B．碳氮键比金刚石中的碳碳键键长更短
C．氮原子电子数比碳原子电子数多
D．碳、氮的单质的化学性质均不活泼
答案B
解析碳、氮原子结合成的碳氮化合物比金刚石更坚硬，说明该化合物为共价晶体，为立体三维骨架结构，A错误；由于原子半径：N<C，原子半径越小，共价键的键长越短，则键能越大，所以碳氮化合物比金刚石更坚硬，B正确；共价晶体的熔、沸点和硬度，与共价键有关，与电子数的多少无关，C错误；碳、氮的单质的化学性质均不活泼，与两种元素形成的化合物的性质无关，D错误。

6．碳化硅的晶体有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。

它与晶体硅和金刚石相比较，正确的是()
A．熔点从高到低的顺序：金刚石＞碳化硅＞晶体硅
B．熔点从高到低的顺序：金刚石＞晶体硅＞碳化硅
C．三种晶体中的结构单元都是三角锥结构
D．三种晶体都是共价晶体且均为电的良导体
答案A
解析碳化硅的晶体有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的，这说明碳化硅形成的晶体是共价晶体。

则形成共价晶体的原子半径越小，共价键键能越大，其熔、沸点越高。

原子半径：C＜Si，则熔点从高到低的顺序：金刚石＞碳化硅＞晶体硅，A正确、B 错误；三种晶体中的结构单元都是四面体结构，C错误；三种晶体都是共价晶体且都不是电的良导体，D错误。

7．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项正确；AlON属于共价晶体，熔融时不导电，B项错误；AlON中O为－2价，Al为＋3价，所以N元素的化合价为－1，C项正确。

题组二共价晶体的晶体结构
8．金刚石是由碳原子所形成的正四面体结构向空间无限延伸而得到的具有三维骨架结构的共价晶体。

在立方体中，若一碳原子位于立方体体心，则与它直接相邻的四个碳原子位于该立方体互不相邻的四个顶角上(如图中的小立方体)。

请问，图中与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子数为多少，它们分别位于大立方体的什么位置()
A．12，大立方体的12条棱的中点
B．8，大立方体的8个顶角
C．6，大立方体的6个面的中心
D．14，大立方体的8个顶角和6个面的中心
答案A
解析与小立方体顶角的四个碳原子直接相邻的碳原子分别位于大立方体的12条棱的中点，
共12个。

如图所示：
9．在金刚石的晶体中，含有由共价键形成的碳原子环，其中最小的环上所需碳原子数及每个碳原子上任意两个C—C间的夹角是()
A．6个，120° B．5个，108°
C．4个，109°28′D．6个，109°28′
答案D
解析根据金刚石的晶体结构特点可知最小环上碳原子数为6，任意两个C—C间的夹角为109°28′。

10．单质硅的晶体结构如图所示。

下列关于单质硅晶体的说法不正确的是()
A．是一种立体三维骨架结构的晶体
B．晶体中每个硅原子与4个硅原子相连
C．晶体中最小环上的原子数目为8
D．晶体中最小环上的原子数目为6
答案C
解析单质硅是一种立体三维骨架结构的共价晶体，A正确；晶体中每个硅原子与4个硅原子相连，B正确；根据单质硅的晶胞结构可判断晶体中最小环上的原子数目为6，C错误、D 正确。

11．已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。

下列关于C3N4晶体的说法错误的是()
A．该晶体属于共价晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固
B．该晶体中每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子
C．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构
D．该晶体与金刚石相似，都是原子间以非极性键形成三维骨架结构
答案D
解析C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，该晶体为共价晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固，A正确；碳原子最外层有4个电子，氮原子最外层有5个电子，则该晶体中每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子，B正确；构成该晶体的微粒间只以单键结合，每个碳原子连接4个氮原子，每个氮原子连接3个碳原子，则晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构，C正确；金刚石只含有非极性共价键，但是C3N4晶体中碳、氮之间以极性共价键结合，原子间以极性键形成三维骨架结构，D错误。

12．参照如图SiO2的晶体结构模型分析SiO2晶体的结构，并回答下列问题。

(1)在二氧化硅晶体中有若干环状结构，最小的环状结构由________个原子构成。

(2)在二氧化硅晶体中，硅原子的价电子层原子轨道发生了杂化，杂化方式是______，Si—O—Si的键角是______。

(3)二氧化硅属于重要的无机非金属材料，请列举两项二氧化硅的主要用途：
①________________________________________________________________________。

②________________________________________________________________________。

(4)下列说法中正确的是________(填序号)。

①凡是共价晶体都含有共价键
②凡是共价晶体都有正四面体结构
③凡是共价晶体都具有三维骨架结构
④凡是共价晶体都具有很高的熔点
答案(1)12(2)sp3109°28′(3)①制造石英玻璃②制造石英表中的压电材料(或制造光导纤维等)(4)①③④
解析可根据金刚石中碳原子的原子轨道杂化方式判断二氧化硅晶体中硅原子的杂化方式。

根据原子轨道的杂化方式，即可确定键角。

不同的共价晶体结构可能不同，并不是所有的共价晶体都具有正四面体结构。

13．金刚石和金刚砂(SiC)具有相似的晶体结构，在金刚砂的三维骨架结构中，碳原子、硅原子交替以单键相结合。

试回答：
(1)金刚砂属于________晶体。

金刚砂熔点比金刚石熔点________。

(2)在金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合________个碳原子，键角是________。

(3)金刚砂的结构中含有由共价键形成的原子环，其中最小的环上有________个硅原子。

答案 (1)共价 低 (2)4 109°28′ (3)3
解析 (1)根据题意可知金刚砂属于共价晶体，由于Si—C 的键长大于C—C 的键长，故Si—C 的键能小，金刚砂的熔点比金刚石的熔点低。

(2)Si 原子与C 原子交替以共价单键相结合，且Si 、C 原子都形成四个单键，故一个碳原子周围结合4个硅原子，同时一个硅原子周围结合4个碳原子。

由于硅原子周围的四个碳原子在空间呈正四面体形排列，故键角为109°28′。

(3)类比金刚石中最小的原子环中有6个碳原子可知，在金刚砂中，最小的环上应有3个硅原子和3个碳原子。

14．氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在13 000 ℃时反应获得。

(1)氮化硅晶体属于________晶体。

(2)已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且N 原子和N 原子，Si 原子与Si 原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式：______________。

(3)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得到较高纯度的氮化硅。

反应的化学方程式为___________________________________________________________。

(4)六方氮化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5 pm ，立方氮化硼晶胞中含有________个氮原子、________个硼原子，立方氮化硼的密度是________ g·cm －3(只要求列算式，不必计算出数值，阿伏加德罗常数的值为N A )。

答案 (1)共价 (2)Si 3N 4 (3)3SiCl 4＋2N 2＋6H 2=====强热Si 3N 4＋12HCl (4)4 4
25×4(361.5×10－10)3×N A
解析 (2)氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且N 原子和N 原子， Si 原子和Si 原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构，因此氮化硅的化学式为Si 3N 4。

(4)立方氮化硼的结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，在金刚石的一个晶胞中含有C 原子
的个数：8×18＋6×12
＋4＝8，则在立方氮化硼晶胞中含有4个氮原子、4个硼原子；由于晶胞边长为361.5 pm ，所以立方氮化硼的密度是ρ＝m V ＝25×4(361.5×10－10)3×N A g·cm －3。