人教版选修3 第3章第2节 分子晶体与原子晶体(第2课时) 学案

第2节 分子晶体与原子晶体第二课时 原子晶体学习目标：1. 了解原子晶体的概念。

通过分析原子晶体的结构特点，明确分子晶体与原子晶体的区别。

2.能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构特征及结构与性质的关系。

[知识回顾]1．只含分子的晶体称为分子晶体。

2．构成微粒及微粒间的作用力分子晶体⎩⎪⎨⎪⎧ 构成微粒分子微粒间的作用力分子间作用力分子内原子间以共价键结合3．微粒堆积方式(1)若分子间作用力只有范德华力，则分子晶体有分子密堆积特征，即每个分子周围有12个紧邻的分子。

(2)分子间含有其他作用力，如氢键，则每个分子周围紧邻的分子要少于12个。

如冰中每个水分子周围只有4个紧邻的水分子。

[要点梳理]1．原子晶体的概念及其性质(1)原子晶体①概念：相邻原子间以共价键相结合形成的具有空间立体网状结构的晶体，称为原子晶体。

②构成微粒：原子晶体中的微粒是原子，原子与原子之间的作用力是共价键。

③常见的原子晶体：①某些非金属单质，如金刚石(C)、硼(B)、晶体硅(Si)、锗(Ge)等。

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

(2)原子晶体的物理性质①一般具有很高的熔点和沸点：原子晶体中原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体熔、沸点越高。

②难溶于水。

③硬度大：共价键作用强。

2．金刚石的结构金刚石的结构模型如图所示：在晶体中每个碳原子都被相邻的4个碳原子包围，处于4个碳原子的中心，以共价键与相邻的4个碳原子相结合，形成正四面体结构，其中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。

其中的C－C键长很短，键能很大，故金刚石的硬度最大，熔点很高。

知识点一原子晶体的性质1．原子晶体的概念和组成(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。

在原子晶体里，所有原子都以共价键相互结合，整块晶体是一个三维的共价键网状结构，是一个“巨分子”，又称共价晶体。

(2)构成粒子：原子。

(3)粒子间的相互作用力：共价键。

(4)熔化时破坏的作用力：共价键。

2．原子晶体的性质特点(1)熔点和沸点很高。

原子晶体中，原子间以较强的共价键相结合，要使物质熔化和汽化就要克服共价键作用，需要很多的能量。

因此，原子晶体一般都具有很高的熔点和沸点。

例如，金刚石的熔点大于3550 ℃。

(2)硬度很大。

例如，金刚石是天然存在的最硬的物质。

(3)一般不导电，但晶体硅是半导体。

(4)难溶于一些常见的溶剂。

[问题探究]1. “具有共价键的晶体叫做原子晶体”这种说法对吗？为什么？[答案]不对。

如HCl、H2O、CO2、CH3CH2OH分子中都有共价键，而它们都是分子晶体；如金刚石、晶体Si、SiC、SiO2中都有共价键，它们都是原子晶体；只有相邻原子间以共价键相结合形成空间网状结构的晶体才是原子晶体。

2．原子晶体为什么不像金属晶体那样具有良好的导电性、延展性？为什么原子晶体又具有较高的熔沸点？[答案]原子晶体的结构特征决定了这类晶体性质的特殊性。

原子晶体内键的饱和性和方向性，决定了这类晶体不具有像金属那样的延性、展性和良好的导电性、导热性；又由于共价键的结合力比离子键的结合力强，一般说来原子晶体硬度较大，熔沸点较高，不导电，难溶于一般溶剂。

例如，金刚石的熔点高达3550 ℃，硬度极大；水晶是一种坚硬难熔的固体。

常见的原子晶体(1)某些非金属单质，如硼(B)、硅(Si)、金刚石等。

(2)某些非金属化合物，如金刚砂(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)等。

(3)极少数金属氮化物，如氮化铝(AlN)等。

(1)原子晶体是一个三维的共价键网状结构，是一个“巨分子”，没有小分子存在，原子晶体的化学式不表示实际组成，只表示组成原子的个数比。

(2)由原子组成的晶体不一定是原子晶体。

如稀有气体组成的晶体属于分子晶体。

(3)原子晶体中一定存在共价键，但晶体中有共价键却不一定都是原子晶体，还可以是分子晶体或离子晶体。

1．下列关于原子晶体的说法不正确的是( )A．原子晶体中的成键微粒是原子B．原子晶体中原子之间全部以共价键结合C．原子晶体均是化合物D．原子晶体的熔、沸点都比较高[解析]原子晶体可能是单质，如金刚石、晶体硅，也可能是化合物，如二氧化硅、碳化硅等。

[答案] C2．晶体硅(Si)和金刚砂(SiC)都是与金刚石相似的原子晶体，请根据下表中的数据，分析其熔点、硬度的大小与其结构之间的关系。

晶体键能/(kJ·mol－1) 键长/pm 熔点/℃摩氏硬度金刚石(C－C)348 154 3550 10碳化硅(C－Si)301 184 2600 9晶体硅(Si－Si)226 234 1415 8体是一个三维的网状结构。

所以，影响原子晶体的熔点、硬度的主要因素就是共价键的键能大小，键能越大，原子晶体的熔点、硬度越高。

而共价键的键能又与键长相关，一般来说，键长越短，键能越大；键长越长，键能越小。

[答案]键长越短，键能越大，熔点越高，硬度越大；反之，键长越长，键能越小，熔点越低，硬度越小。

原子晶体的熔沸点变化规律原子晶体的熔沸点高低与其内部结构密切相关。

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，晶体的熔沸点越高。

知识点二金刚石与二氧化硅的晶体结构1．金刚石晶体的结构金刚石晶体中每个碳原子与它直接相邻的4个碳原子形成正四面体结构，所以金刚石晶体中C－C－C的夹角为109°28′。

每个碳原子与周围4个碳原子形成4个C－C键，平均每个碳原子形成2个C－C键，所以金刚石晶体中碳原子数与C－C键数之比为12，即含1 mol碳原子的金刚石晶体含有2_mol_C－C键。

金刚石晶体中最小碳环是由6个碳原子组成的六元环(6个碳原子不在同一平面内)。

每个金刚石晶胞中含碳原子数为8×18＋6×12＋4＝8。

2．二氧化硅晶体的结构在SiO 2晶体中，每个Si 原子与4个O 原子结合，Si 在正四面体的中心，O 在正四面体的顶点。

同时，每个O 原子为两个正四面体共有，正四面体内O －Si －O 夹角为109°28′，而正四面体之间Si －O －Si 夹角为104°30′。

每个正四面体占有一个完整的Si 原子，四个“半氧原子”，晶体中Si 原子与O 原子个数比为1∶⎝⎛⎭⎪⎫4×12＝1∶2。

故SiO 2晶体中并不存在单个的SiO 2分子，而是由Si 原子和O 原子按1∶2的比例所组成的空间立体网状结构的晶体。

在SiO 2晶体中，最小的环是由6个Si 原子和6个O 原子组成的十二元环。

每n mol SiO 2晶体中，Si －O 键最接近4n mol 。

[问题探究]在原子晶体中为什么不存在分子？[答案] 构成原子晶体的微粒是原子，这些原子以共价键相结合向空间延伸，形成空间网状结构，因此在晶体中不存在单个分子，也不存在离子。

所以原子晶体的化学式如SiO 2代表二氧化硅中硅、氧原子个数比为12，并不代表SiO 2分子。

1．金刚石晶体中碳原子呈sp 3杂化。

2．二氧化硅晶体可以看做是在晶体硅中2个硅原子之间插入了1个氧原子。

3．晶体硅的结构与金刚石类似。

由于金刚石、硅和锗的晶体都是原子晶体，形成晶体的粒子均为原子，粒子间的相互作用是共价键，所以熔点和硬度的大小由共价键的强弱决定。

由于碳、硅、锗三种原子的半径依次增大，各个原子间共价键的键长依次增大，键的强度依次减弱，所以金刚石、硅和锗的熔点和硬度依次下降。

1．(双选)下列说法正确的是( )A．12 g金刚石中含有C－C键的个数为4N AB．60 g SiO2中含有Si－O键的个数为4N AC．12 g 石墨中含有C－C键的个数为2N AD．31 g白磷中含有P－P键的个数为1.5N A[解析]解法一：均摊法：金刚石中，1个C原子连接4个C－C 键，而每个C－C键又连接着两个碳原子，则12 g金刚石中含C－C键为4 mol×12＝2 mol，即为2N A，A项错误；60 g SiO2即1 mol SiO2,1mol Si 单质含2 mol Si－Si 键，而SiO2晶体是每个Si－Si 键中插入1个O，即1个Si－Si 键变为2个Si－O键，所以1 mol SiO2中含4N A个Si－O键，B项正确；石墨中，一个C原子形成3个C－C 键，而每两个C原子形成1个C－C键，故12 g石墨中含有1.5 mol C－C键，C项错误；白磷为分子，不能使用均摊法，31 g白磷中含有1 mol 磷原子，而1 mol 磷原子有1.5 mol P－P键，故D项为1.5 N A正确。

解法二：结合共价键的实质，每有2个电子共用就形成1个共价键，所以求共价键数目可以转化为求共用电子对数目的问题。

P 原子最外层有5个电子，需共用3个电子，1 mol 磷原子中共价键为：32＝1.5 mol; 12 g 石墨中含有C －C 键32mol ；12 g 金刚石中含有C －C 键42＝2 mol ；SiO 2中共价键由Si 、O 两种原子组成，60 g SiO 2中含有Si －O 键4＋2×22＝4 mol 。

[答案] BD2．干冰和二氧化硅晶体同属第ⅣA 族元素的最高价氧化物，它们的熔、沸点差别很大的原因是( )A ．二氧化硅的相对分子质量大于二氧化碳的相对分子质量B ．C －O 键键能比Si －O 键键能小C ．干冰为分子晶体，二氧化硅为原子晶体D ．干冰易升华，二氧化硅不能升华[解析] 干冰和SiO 2所属晶体类型不同，干冰为分子晶体，升华时破坏分子间作用力，SiO 2为原子晶体，熔化时破坏共价键，所以SiO 2熔、沸点较高。

[答案] C原子晶体与由原子构成的晶体稀有气体原子具有稳定结构的电子排布，它们之间并不形成化学键，低温时形成晶体是通过微弱的没有方向性的分子间作用力直接凝聚成晶体。

原子晶体的构成微粒虽然也是原子，但是原子通过共用电子对以强共价键结合，其性质与由单个原子构成的分子晶体有明显的不同，如硬度、熔沸点相差很大，可依据其物理性质进行判断。

如果只注意到构成晶体的微粒，而没有加以分析构成晶体的微粒间的作用力会导致错误。

知识点三分子晶体和原子晶体的比较分子晶体与原子晶体的比较晶体类型分子晶体原子晶体定义分子间通过分子间作用力结合形成的晶体相邻原子间以共价键结合而形成空间立体网状结构的晶体晶体类型分子晶体原子晶体组成微粒分子原子物质类别多数的非金属单质和共价化合物金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等少数非金属单质及共价化合物微粒间的作用力分子间作用力(氢键、范德华力)共价键(极性键、非极性键)熔化时需克服的作用力较弱的分子间作用力很强的共价键硬度较小很大溶解性部分溶于水不溶于大部分溶剂导电性不导电，部分溶于水后导电不导电，个别为半导体实例干冰金刚石、晶体硅分析下表数据，判断金刚石是否属于分子晶体？若不属于分子晶体，它属于哪类晶体？项目物质干冰金刚石熔点很低3550 ℃沸点很低4827 ℃[判断晶体类型(原子晶体和分子晶体)的方法非金属单质和共价化合物所形成的晶体是属于原子晶体还是分子晶体，可以从以下角度进行分析判断：(1)依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力判断组成原子晶体的粒子是原子，粒子间的作用力是共价键；组成分子晶体的粒子是分子，粒子间的作用力是分子间作用力。