最新高中化学导学案鲁科版选修3教师用书 3.3.1原子晶体名师精编资料汇编

第3节原子晶体与分子晶体

第1课时原子晶体

1.了解原子晶体的含义、特征。

2.能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的关系。

一、原子晶体的含义

1.定义:相邻①原子间以②共价键相结合而形成③空间立体网状结构的晶体叫作原子晶体。

2.构成微粒:④原子。

3.微粒间的相互作用:⑤共价键。

4.常见的原子晶体有⑥金刚石、晶体硅、金刚砂、水晶。

二、原子晶体的特征

1.金刚石晶体结构中,每个碳原子周围连接⑦4个碳原子;二氧化硅晶体结构中每个硅原子周围连接⑧4个氧原子,每个氧原子周围连接⑨2个硅原子,硅氧原子个数比为⑩1∶2,碳化硅晶体中,每个碳原子周围有4个硅原子,每个硅原子周围有4个碳原子,碳硅原子个数比为1∶1,原子晶体中不存在单个分子。

2.原子晶体在熔化时需要破坏共价键,所以原子晶体的熔、沸点很高。

三、原子晶体熔、沸点高低的比较

对结构相似的原子晶体而言,原子半径越小,键长越短,键能越大,晶体的熔、沸点越高。

比较金刚石(C—C)、碳化硅(C—Si)、晶体硅(Si—Si)熔、沸点的高低,并说明理由。

【答案】金刚石>碳化硅>晶体硅;它们都属于原子晶体,熔、沸点高低与键长有关,键长越长,熔、沸点越低。因为键长:C—C碳化硅>晶体硅。

1.下列晶体中属于原子晶体且为单质的是( )。

A.金属铜

B.金刚砂

C.金刚石

D.水晶

【答案】C

2.根据下列性质判断,属于原子晶体的物质是( )。

A.熔点2700 ℃,导电性好,延展性强

B.无色晶体,熔点3550 ℃,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-56.6 ℃,微溶于水,硬度小,固态或液态时不导电

【解析】原子晶体的特点是熔点高,硬度大,不导电,难溶于一般溶剂。

【答案】B

3.二氧化硅晶体是立体的网状结构,其晶体模型如图所示:

认真观察晶体模型并回答下列问题:

(1)二氧化硅晶体中最小的环为元环。

(2)硅原子的配位数为。

(3)二氧化硅晶体的熔点很高,原因是。

【解析】(1)选取最小环,环中含6个硅原子和6个氧原子。(2)每个硅与4个氧原子连接,硅原子的配位数为4。(3)二氧化硅晶体是立体的网状结构,熔化时需要破坏共价键,因此二氧化硅晶体的熔点很高。

【答案】(1)12

(2)4

(3)二氧化硅晶体是原子晶体,熔化时需要破坏共价键

探究:原子晶体的结构

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个顶角

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】二氧化硅是原子晶体,结构为空间网状,存在硅氧四面体结构,硅处于中心,氧处于4个顶角,所以A项错误;在SiO2晶体中,每6个Si和6个O形成一个环(最小环),所以D项正确,B、C两项错误。

【答案】D

金刚石晶体中,碳原子与碳碳键个数之比是多少?晶体中最小的环是几元环?

【答案】1∶2;6

典型原子晶体结构分析

1.金刚石

图甲为金刚石的立体结构图,从其空间网状结构中截取出一个立方体就是金刚石的晶胞(图乙),该晶胞为面心立方结构,碳原子位于立方体的八个顶点、六个面心,晶胞内部还有四个碳原子,由均摊法可求出该晶胞中实际含有的碳原子数为8×+6×+4=8。由图还可看出,在金刚石晶体中每个碳原子与4个碳原子紧邻成键,由5个碳原子形成正四面体结构单元,C—C键的夹角为109°28'。晶体中的最小环为六元环,为空间六边形,每个碳原于被12个六元环共有。晶体中每个碳原子参与了4个C—C键的形成,而每个C—C键为两个碳原子共有,故碳原子数与C—C键数之比为1∶2。

2.二氧化硅晶体

SiO2晶体可看成是晶体硅(结构类似于金刚石)中的每个Si—Si键中插入一个氧原子而形成的,每个硅原子与4个氧原子紧邻成键,每个氧原子与2个硅原子紧邻成键,晶体中硅原子数与氧原子数之比为1∶2,硅原子与Si—O键数目之比为1∶4。晶体中的最小环为十二元环,其中有6个硅原子和6个氧原子。

1.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键间的夹角是( )。

A.6、120°

B.5、108°

C.4、109°28'

D.6、109°28'

【解析】根据金刚石的棱型结构特点可知最小环上碳原子数为6,任意两个C—C键间夹角为109°28'。

【答案】D

2.在x mol石英晶体中,含有Si—O键个数是( )。

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键合四个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

3.SiO2属AB2型共价键晶体。若将金刚石晶胞(如图所示)中的所有C原子换成Si原子,同时在每两个相邻的Si原子(距离最近的两个Si原子)中心连线的中点处增添一个O原子,则构成SiO2晶胞,故SiO2晶胞中有

个Si原子, 个O原子,离O原子最近的Si原子有个,离Si原子最近的O原子有个。

【答案】8;16;2;4

4.新型无机非金属材料是新材料开发的重要领域,氮化硼(BN)就是其中一种。请回答下列问题:

(1)氮化硼与碳元素的单质相似,有两种重要晶型A型和B型。A型氮化硼硬度很高,是特殊的耐磨和切削材料;B 型氮化硼化学稳定性较好,是一种优良的耐高温润滑剂。A型氮化硼结构如图(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)所示。

(2)结合下列相关数据预测A型氮化硼的熔点范围: 。

(3)B型氮化硼晶体中六元环与B原子的个数比为。

(4)工业上氮化硼以三氯化硼、氢气、氮气为原料,在高温条件下反应制得。写出该反应的化学方程式:

。

【解析】(1)由图可知Ⅰ为无限延伸的空间网状结构,是原子晶体。Ⅱ为层状结构,类似于石墨。结合题给信息,A为Ⅰ型,B为Ⅱ型。

(2)原子晶体的熔点高低和键长有关,键长越短,键能越大,熔点越高。B—N的键长约为0.82×10-10

nm+0.75×10-10 nm=1.57×10-10 nm,Si—Si键长为2.34×10-10 nm,N—Al键长为2.18×10-10 nm,C—Si键长为

1.94×10-10 nm,C—C键长为1.54×10-10 nm。可知B—N键长介于C—Si键和C—C键之间,因此A型氮化硼的熔点介于碳化硅和金刚石之间。

(3)每个六元环中含有3个B原子,每个B原子被3个六元环所共有,每个六元环只占有每个B原子的,每个六元环所占有B原子数为1。

【答案】(1)Ⅰ

(2)2700~3550 ℃

(3)1∶1

(4)2BCl3+N2+3H22BN+6HCl