2020高中化学 第3章 物质的聚集状态与物质性质 第3节 原子晶体与分子晶体学案 鲁科版选修3

第3节原子晶体与分子晶体

1．了解原子晶体、分子晶体的结构与性质。

2．能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体和石墨晶体的结构与性质。(重点)

原子晶体

[基础·初探]

教材整理1 原子晶体

1．概念

相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体称为原子晶体。

2．特点

原子晶体的熔点很高，硬度很大。对结构相似的原子晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。

原子晶体中的原子服从紧密堆积排列吗？说明理由。

【提示】不服从。由于共价键具有方向性和饱和性，原子晶体中每个原子周围排列的原子的数目是有限的，故原子的排列不服从紧密堆积方式。

教材整理2 几种原子晶体的结构

1．金刚石的结构

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109.5°。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．SiO2晶体的结构

二氧化硅的晶体结构

水晶是由Si和O构成的空间立体网状的二氧化硅晶体，一个硅原子与4个氧原子形成4个共价键，每个氧原子与2个硅原子形成2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，可以把整个晶体看成巨型分子。

3．SiC晶体的结构

SiC晶体的结构类似于金刚石晶体结构，其中C原子和Si原子的位置是交替的，所以在整个晶体中Si原子与C原子个数比为1∶1。

(1)金刚石的晶胞构型为正四面体。(×)

(2)二氧化硅的分子式是SiO2。(×)

(3)SiC熔化时断裂非极性共价键。(×)

(4)原子晶体一定不是电解质。(√)

[合作·探究]

原子晶体的物理性质

[探究背景]

金刚石、碳化硅、晶体硅这三种晶体的晶胞结构和键参数的差异决定了其性质不同。

[探究问题]

1．三种晶体都属于原子晶体。

金刚石晶体的每个晶胞含有8个碳原子。

2.

键能(kJ·mol－

①347②301③226

1)

熔点(℃)④2 600⑤1 415⑥3 350

硬度7 10 9

则：(1)键能：C—C①Si②Si③(

(2)熔点：金刚石⑥，碳化硅④，晶体硅⑤(填序号)。

(3)硬度：金刚石＞碳化硅＞晶体硅(填“＞”或“＜”)

3．规律：原子晶体具有很高的熔点，很大的硬度；对结构相似的原子晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。

[核心·突破]

1．金刚石和二氧化硅结构特点

金刚石(1)每个碳与相邻4个碳以共价键结合，形成正四面体结构

(2)键角均为109.5°

(3)最小碳环由6个C组成且六个原子不在同一平面内

(4)每个C参与4条C—C键的形成，C原子数与C—C键个数之比为1∶2

(5)每个晶胞含8个C

SiO2(1)每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构

(2)每个正四面体占有1个Si，4个“

1

2O”，n(Si)∶n(O)＝1∶2

(3)最小环上有12个原子，即6个O，6个Si

(1)原子晶体的构成微粒是原子，只存在共价键，不存在其他作用力。

(2)原子晶体的化学式表示其比例组成，晶体中不存在分子。

(3)原子晶体为空间立体网状结构，可把整个原子晶体看成一个巨型分子。

(4)原子晶体一般具有熔点高、硬度大、不溶于溶剂，一般不导电等特点。

[题组·冲关]

1．关于金刚石的下列说法中，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．是硬度最大的物质之一

D．化学性质稳定，即使在高温下也不会与氧气发生反应

【解析】金刚石在高温下与O2反应生成CO2。

【答案】 D

2．下面关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是( )

A．存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶点

B．最小的环上，有3个Si原子和3个O原子

C．最小的环上，Si和O原子数之比为1∶2

D．最小的环上，有6个Si原子和6个O原子

【解析】SiO2晶体中的正四面体单元中，Si处于中心，O处于4个顶点；在SiO2晶体中的最小环上有12个原子，其中有6个硅原子和6个氧原子。

【答案】 D

3．在x mol石英晶体中，含有Si—O键的数目是( )

A．x mol B．2x mol C．3x mol D．4x mol

【解析】SiO2的结构类似于金刚石的空间网状结构，但每个Si键合4个O，每个O键合2个Si。x mol 石英(SiO2)晶体有x mol Si，由于每个Si键合4个O，就形成4个Si—O键，所以形成的Si—O键的物质的量为4x mol。

【答案】 D

4．通常人们把拆开1 mol 某化学键所吸收的能量看成该化学键的键能。键能的大小可以衡量化学键的强弱，也可用于估算化学反应的反应热(ΔH )，化学反应的ΔH 等于反应中断裂旧化学键的键能之和与反应中形成新化学键的键能之和的差。

【导学号：66240029】

化学键 Si －O Si －Cl H －H H －Cl Si －Si Si －C 键能/ kJ ·mol －1

460

360

436

431

226

301

(1)比较下列两组物质的熔点高低(填“＞”或“＜”)。 SiC________Si ；SiCl 4________SiO 2。

(2)如图立方体中心的“●”表示硅晶体中的一个原子，请在立方体的顶点用“●”表示出与之紧邻的硅原子。

(3)工业上高纯硅可通过下列反应制取： SiCl 4(g)＋2H 2(g)=====高温

Si(s)＋4HCl(g) 该反应的反应热ΔH ＝________ kJ·mol －1。

【解析】 (1)SiC 和晶体Si 皆为原子晶体，由于碳化硅晶体中的Si －C 键的键能大于硅晶体中Si －Si 键的键能，故SiC 的熔点比Si 高；SiCl 4为分子晶体，SiO 2为原子晶体，故SiCl 4的熔点比SiO 2低。(2)晶体硅的结构与金刚石相似，每个硅原子都被相邻的4个硅原子包围，这4个硅原子位于四面体的四个顶点上，被包围的硅原子处于正四面体的中心。(3)根据题目所给反应，需要断裂的旧化学键键能之和为：4×360 kJ·mol －1

＋2×436 kJ·mol －1

＝2 312 kJ·mol －1

，形成的新化学键键能之和为：4×431 kJ·mol －1

＋2×226 kJ·mol －1

＝2 176 kJ·mol

－1

，所以ΔH ＝＋136 kJ·mol －1。

【答案】 (1)＞ ＜ (2)如图1或图2 (3)＋136

图1 图2

【规律方法】 原子晶体熔、沸点高低的判断方法

原子晶体熔、沸点高低主要看原子半径。因为原子晶体中原子间以较强的共价键相结合，原子半径越大，键长越长，共价键越不稳定，对应物质的熔、沸点越低。