高中化学选修3.原子晶体素材

Si O
109º 28´
共价键
①二氧化硅中Si原子均以sp3杂化，分别 与4个O原子成键，每个O原子与2个Si原子 成键； ②晶体中的最小环为十二元环，其中有6 个Si原子和6个O原子，含有12个Si-O键； 每个Si原子被12个十二元环共有，每个O原 子被6个十二元环共有，每个Si-O键被6个 十二元环共有；每个十二元环所拥有的Si 原子数为6×1/12=1/2，拥有的O原子数为 6×1/6=1，拥有的Si-O键数为12×1/6=2， 则Si原子数与O原子数之比为1：2。晶体中 Si原子数与Si-O键之比为1：4。
例3、单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据
金刚石 熔点 >3823 沸点 5100 硬度 10
晶体硅 1683 2628 7.0
晶体硼 2573 2823 9.5
（1）晶体硼的晶体类型属于________晶体， 理由是___________________。 （2）已知晶体硼结构单元是由硼原子组成的正二十面 体，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1个B原子。通过视察图形及推算，此晶 体结构单元由_____个硼原子构成。其中B—B键的键 角为_______。
（1）石墨中C原子以sp2杂化； （2）石墨晶体中最小环为六元环，含有C 2个，C-C键为 3； （3）石墨分层，层间为范德华力，硬度小， 可导电； （4）石墨中r（C-C）比金刚石中r（C-C） 短。
思考：
（1）石墨为什么很软？
石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合， 容易滑动，所以石墨很软。 沸点 （ ℃） 4827 4827
分子晶体、原子晶体结构与性质关系的比较
晶体类型
结构、性质
分子晶体
原子晶体
结 构
构成晶体粒子
粒子间的作用力 硬度 溶、沸点
分子 分子间作用力 较导电 相似相溶
很高
不导电
性 质
导电
溶解性
难溶于常见溶剂
3、常见的原子晶体
• 某些非金属单质：
–金刚石（C）、晶体硅(Si)、晶体硼（B） 、晶体锗(Ge)等 • 某些非金属化合物： –碳化硅（SiC）晶体、氮化硼（BN）晶体 • 某些氧化物： –二氧化硅（ SiO２）晶体、Al2O3
典型例题
例1. 氮化硅（Si3N4）是一种新型的耐高温耐 磨材料，在工业上有广泛用途，它属于 A.原子晶体 B. 分子晶体 C. 金属晶体 D. 离子晶体
答案：A
例2 碳化硅（SiC）的一种晶体具有类似金刚石 的结构，其中C原子和Si原子的位置是交替的。在 下列三种晶体①金刚石 ②晶体硅 ③碳化硅中，它 们的熔点从高到低的顺序是 （ ） A.①③② B.②③① C.③①② D.②①③ 分析：C与Si同为IVA族元素，它们的相似性表现 在金刚石是原子晶体，晶体硅，碳化硅也是原子晶 体。从碳到硅原子半径逐渐增大，形成共价键的键 能逐渐减弱。可推断碳化硅应在Si与C之间。三种 原子晶体，空间结构相似，熔点决定于它们的键长 与键能，故熔点从高到低分别是金刚石、碳化硅、 晶体硅。 答案：A
【总结】非金属单质是原子晶体还是分子晶体的 判断方法 （1）依据组成晶体的粒子和粒子间的作用判断： 原子晶体的粒子是原子，质点间的作用是共价键； 分子晶体的粒子是分子，质点间的作用是范德华力。 （2）记忆常见的、典型的原子晶体。 （3）依据晶体的熔点判断：原子晶体熔、沸点高， 常在1000℃以上；分子晶体熔、沸点低，常在数百 度以下至很低的温度。 （4）依据导电性判断：分子晶体为非导体，但部 分分子晶体溶于水后能导电；原子晶体多数为非导 体，但晶体硅、晶体锗是半导体。 （5）依据硬度和机械性能判断：原子晶体硬度大， 分子晶体硬度小且较脆。
思考3 原子晶体的化学式是否可以代表其分子式？
不能。因为原子晶体是一个三维的网状结构，无小 分子存在。
思考4 以金刚石为例，说明原子晶体的微观结构与分 子晶体有哪些不同？ （1）组成微粒不同，原子晶体中只存在原子，没有
分子。 （2）相互作用不同，原子晶体中存在的是共价键。
知识拓展－石墨
石 墨 晶 体 结 构
思考与交流
• CO2和SiO2的一些物理性质如下表所示，通过比 较试判断SiO2晶体是否属于分子晶体。
• 碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族， 为什么CO2晶体的熔、沸点很低，而SiO2晶体的 熔沸点很高？
二．原子晶体（共价晶体）
1、概念：
相邻原子间以共价键相结合而形成空间立 体网状结构的晶体。
思考:1 为何CO2熔沸点低？而破坏CO2分子却比SiO2更 难？ 因为CO2是分子晶体，SiO2是原子晶体，所以 熔化时CO2是破坏范德华力而SiO2是破坏化学键。 所以SiO2熔沸点高。破坏CO2分子与SiO2时，都是 破坏共价键，而C—O键能>Si-O键能，所以CO2分 子更稳定。 思考2 怎样从原子结构角度理解金刚石、碳化硅和锗的 熔点和硬度依次下降？ 因为结构相似的原子晶体，原子半径越小，键长 越短，键能越大，晶体熔点越高，所以熔点和硬度 有如下关系：金刚石＞碳化硅＞锗。
（2）石墨的熔沸点为什么很高？ 石墨的熔点为什么高于金刚石？
熔点 它们都有很强的C-C共价键。在石墨 （℃） 中各层均为平面网状结构，碳原子 之间存在很强的共价键（大π键）， 3652 C-C键长比金刚石的短，键的强度大， 石墨 故其熔点金刚石高。 金刚石 3550
（3）石墨属于哪类晶体？
石墨为混合键型晶体。
109º 28´
共价键
思考：在金刚石晶体中，每个碳与周围多少个 碳原子成键？形成怎样的空间结构？最小碳环由 多少个碳原子组成？它们是否在同一平面内？
在金刚石晶体中，碳原子个数与C-C键数 之比为多少？每个碳原子被几个六元环共有？ 12g金刚石C-C键数为多少NA？
①金刚石中每个C原子以sp3杂化，分别与4个 相邻的C 原子形成4个σ 键，故键角为 109°28′，每个C原子的配位数为4； ②每个C原子均可与相邻的4个C构成实心的正 四面体，向空间无限延伸得到立体网状的金刚 石晶体，在一个小正四面体中平均含有 1+4×1/4 =2个碳原子； ③在金刚石中最小的环是六元环，1个环中平 均含有6×1/12=1/2个C原子，含C-C键数为 6×1/6=1； ④金刚石的晶胞中含有C原子为8个,内含4个 小正四面体，含有C-C键数为16。
分析：晶体硼的熔、沸点和硬度都介于晶体Si和 金刚石之间，而金刚石和晶体Si均为原子晶体，B 与C相邻与Si处于对角线处，则晶体硼也为原子晶 体。晶体硼每个三角形的顶点被5个三角形所共有， 所以，此顶点完全属于一个三角形的只占到1/5， 每个三角形中有3个这样的点，且晶体B中有20个 这样的三角形，因此，晶体B中这样的顶点（B原 子）有3/5×20=12个。又因晶体硼中的三角形面 为正三角形，所以键角为60°。 答案：原子，晶体硼具有很高的熔沸点和很大的 硬度；12，60°
– （1）构成原子晶体的粒子是原子； – （2）原子晶体的粒子间以较强的共价键相 结合； – （3）原子晶体熔化破坏的是共价键。
观察·思考
• 对比分子晶体和原子晶体的数据，原子晶体有何物理 特性？
2、原子晶体的物理特性
• 在原子晶体中，由于原子间 以较强的共价键相结合，而 且形成空间立体网状结构， 所以原子晶体的