1、第3节 原子晶体与分子晶体第1课时 原子晶体学习要求 能借助原子晶体的模型说明晶体中的微粒及其微粒间的相互作用。素养目标 通过对原子晶体的模型理解，发展学生“证据推理与模型认知”的核心素养。知 识 梳 理 一、原子晶体的结构和性质 1概念及物理性质 概念 相邻原子间以结合而形成的具有结构的晶体 构成微粒 微粒间的作用力 共价键空间立体网状原子 共价键 物理性质(1)原子晶体由于原子间以相结合，所以原子晶体具有的熔点和的硬度。(2)结构相似的原子晶体，原子半径越，键长越，键能越，晶体的熔点越，硬度越 较强的共价键很高很大小大高大短2.原子晶体与物质的类别 物质种类 实例 某些 晶体硼、晶体硅、晶
2、体锗、金刚石等 某些 碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等 某些 二氧化硅(SiO2)等 非金属单质非金属化合物氧化物二、典型原子晶体的结构分析 1金刚石(1)碳原子采取杂化，CC键键角为。(2)每个碳原子与周围紧邻的个碳原子以共价键结合成结构，向空间伸展形成空间网状结构。(3)最小碳环由个碳原子组成，且最小环上碳原子不在同一平面内。sp3109.5正四面体462晶体硅 把金刚石中的C原子换成Si原子，分别得到晶体硅的结构模型和晶胞模型，不同的是SiSi键长CC键长。3二氧化硅晶体(1)Si原子采取杂化，正四面体内OSiO键角为。(2)每个Si原子与个O原子形成个共价键，原
3、子位于正四面体的中心，原子位于正四面体的顶点，同时每个O原子被个硅氧正四面体共用；每个O原子和个Si原子形成个共价键，晶体中Si原子与O原子个数比为。(3)最小环上有个原子，包括个O原子和个Si原子。sp3109.544SiO222121266自 我 检 测 1判断正误，正确的打“”；错误的打“”。(1)原子晶体内的共价键的键能越大，熔、沸点越高。()(2)CO2和SiO2中中心原子的杂化方式相同。()(3)原子晶体中只存在极性共价键，不可能存在其他类型的化学键。()(4)几乎所有的酸都属于分子晶体。()(5)互为同素异形体的单质的晶体类型一定相同。()答案(1)(2)(3)(4)(5)2金刚
4、石是典型的原子晶体，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 解析 在金刚石中，碳原子之间以共价键结合形成空间立体网状结构，不存在具有有限固定组成的分子。由于碳的原子半径比较小，碳与碳之间的共价键键能高，所以金刚石的硬度很高，因此A、B、C选项是正确的；但是由于金刚石是碳的单质，在高温下可以在空气或氧气中燃烧生成CO2，故D选项的说法是错误的。答案 D 3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原子处于中心，Si原子处于4个顶角 B最小的环上
5、，有3个Si原子和3个O原子 C最小的环上，Si原子和O原子个数之比为12 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，为空间网状结构，存在四面体结构，硅原子处于中心，氧原子处于4个顶角，A不正确；晶体硅的结构与金刚石相似(金刚石中最小碳环为6个碳原子)，而SiO2晶体只是在两个Si原子间插入1个O原子，即最小环含6个Si原子和6个O原子，故B、C不正确，D正确。答案 D 学习任务、原子晶体的结构与性质【观图助学】1观察金刚石和二氧化硅的结构模型讨论：1 mol C组成的金刚石中含有多少摩尔CC键？1 mol SiO2晶体中含有多少摩尔SiO键？金刚石晶体中C原子数目与
6、CC键数目之比为多少？提示 2 4 12 在金刚石晶体中，1 个 C 原子与 4 个 C 原子形成 4 个 CC 键，而每 2 个 C 原子之间才形成一个键，所以 1 mol C 形成的 CC 键个数为 412 mol2 mol，金刚石晶体中 C 原子个数与 CC 键数之比为 12。SiO2 晶体结构相当于将金刚石中的 C 原子全都改换为 Si 原子，同时在 SiSi 键中间增添一个 O 原子，所以 1 mol SiO2 晶体中含有 4 mol SiO 键。2为什么原子晶体结构比金属晶体和离子晶体结构松散，但却比金属晶体和离子晶体有更强的稳定性？提示 共价键具有方向性和饱和性，使原子晶体中某个
7、原子周围结合的其他原子是有限的，因此比较松散。由于整个晶体中各原子都以强作用力共价键相互结合，且构成了空间网状结构，所以原子晶体更稳定。【名师点拨】1原子晶体的结构特征(1)在原子晶体中，各原子均以共价键结合，因为共价键有方向性和饱和性，所以中心原子周围的原子数目是有限的，原子不采取密堆积方式。(2)原子晶体的组成微粒是原子，不存在单个分子，其化学式仅代表原子的个数比。(3)空间构型：空间网状结构。2原子晶体熔点和硬度的比较 原子晶体具有不同的结构类型，对于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，晶体的稳定性越高，熔、沸点越高，硬度越大。(1)原子晶体的熔、沸点不一定高于金属
8、晶体和离子晶体。如MgO(2 800)SiO2(1 713)、钨(3 410)SiO2(1 713)。(2)平面网状结构的晶体不属于原子晶体。(3)原子晶体中只存在共价键，不存在离子键和范德华力。(4)稀有气体原子组成的晶体不是原子晶体。【关键提醒】3判断晶体是否是原子晶体的思路(1)根据原子晶体的构成微粒和微粒间作用力判断。(2)根据原子晶体的物理性质判断。(3)记住常见的原子晶体。3判断晶体是否是原子晶体的思路 金刚石(晶体硅)碳化硅 二氧化硅 晶胞 中心原子 杂化类型 sp3 sp3 sp3 键角 109.5 109.5 109.5 晶胞中微粒数目 8个C C：4个 Si：4个 Si：8
9、个 O：16个 1 mol物质中化学 键数目 2 mol CC 2 mol CSi 4 mol SiO SiO2晶体结构相当于晶体硅结构中每两个Si原子中间插入一个O原子。【关键提醒】【典例1】氮化硼是一种新合成的结构材料，它是超硬、耐磨、耐高温的物质，下列各组物质熔化时所克服的粒子间的作用力与氮化硼熔化时所克服的粒子间作用力相同的是()ANaCl和金刚石B.晶体硅和水晶 C冰和干冰D.碘和金刚砂 解析 氮化硼是由两种非金属元素形成的化合物，根据该化合物的性质可知其为原子晶体，微粒间作用力为共价键。氯化钠和金刚石熔化时分别克服的是离子键和共价键，A项错误；冰和干冰熔化时均克服的是分子间作用力，
10、C项错误；碘和金刚砂熔化时分别克服的是分子间作用力和共价键，D项错误。答案 B【典例2】碳化硅和立方氮化硼的结构与金刚石类似，碳化硅硬度仅次于金刚石，立方氮化硼硬度与金刚石相当，其晶胞结构如图所示。请回答下列问题：(1)碳化硅晶体中，硅原子杂化类型为_，每个碳原子周围与其距离最近的硅原子有_个；设晶胞边长为a cm，密度为b gcm3，则阿伏加德罗常数可表示为_(用含a、b的式子表示)。(2)立方氮化硼晶胞中有_个硼原子，_个氮原子，硼原子的杂化类型为_，若晶胞的边长为a cm，则立方氮化硼的密度表达式为_gcm3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。解析(1)SiC 晶体中，每个 Si 原子与 4
11、 个 C 原子形成 4 个 键，故 Si 采取 sp3 杂化，每个 Si 原子距最近的 C 原子有 4 个。SiC 晶胞中，硅原子数为 6128184 个，碳原子位于晶胞内，SiC 晶胞中碳原子数为 4 个，1 个晶胞的质量为160NA g，体积为 a3 cm3，因此晶体密度 b gcm3160 gNAa3 cm3，故 NA160a3b mol1。(2)立方氮化硼晶胞中，含有 N 原子数为 6128184 个，B 原子位于晶胞内，立方氮化硼晶胞中含硼原子 4 个。每个硼原子与 4 个氮原子形成 4 个 键，故硼原子采取 sp3 杂化，每个立方氮化硼晶胞的质量为100NA g，体积为 a3 cm
12、3，故密度为100NAa3 gcm3。答案(1)sp3 4 160a3b mol1(2)4 4 sp3 100NAa3原子晶体氮化硼晶胞与金刚石、晶体硅、碳化硅晶体相似。如晶胞中原子数目、原子杂化类型、键角都相同，但BN晶体中存在配位键BN。【解题反思】【变式训练1】已知氮化碳晶体是新发现的高硬度材料，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于该晶体的说法错误的是()A氮化碳属于原子晶体，比金刚石的硬度更大 B该晶体中每个碳原子与4个氮原子相连，每个氮原子与3个碳原子相连，氮化碳的化学式为C3N4 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
13、空间网状结构 解析 氮化碳为高硬度材料且是由非金属元素组成，因此该晶体应为原子晶体。又因为CC键键长大于CN键键长，故CN键的键能大于CC键，硬度更大的是氮化碳，A项正确；每个C原子与4个N原子形成共价单键，每个N原子与3个C原子形成共价单键，C原子和N原子的最外层都达到8电子稳定结构，所以氮化碳的化学式为C3N4，N的非金属性大于C的非金属性，氮化碳中C显4价，N显3价，B和C均正确；氮化碳晶体原子间以NC极性键形成空间网状结构，D不正确。答案 D【变式训练2】氮氧化铝(AlON)属原子晶体，是一种超强透明材料，下列描述错误的是()AAlON和石英的化学键类型相同 BAlON和石英晶体类型相
14、同 CAlON和Al2O3的化学键类型不同 DAlON和Al2O3晶体类型相同 解析 AlON与石英(SiO2)均为原子晶体，所含化学键均为共价键，故A、B项正确；Al2O3是离子晶体，晶体中含离子键，不含共价键，故C项正确、D项错误。答案 D【变式训练3】关于SiO2晶体的叙述正确的是()A60 g SiO2晶体中含有NA个分子(NA表示阿伏加德罗常数的数值)B60 g SiO2晶体中，含有2NA个SiO键 CSiO2晶体中与同一Si原子相连的4个O原子处于同一四面体的4个顶点 DSiO2晶体中，1个Si原子和2个O原子形成2个共价键hpg 解析 SiO2晶体为原子晶体，晶体中不存在单个分子
15、，A不正确；1 mol SiO2晶体中含有SiO键4 mol，B不正确；SiO2晶体中，与每个Si原子相连的4个O原子构成四面体结构，O原子位于顶点，Si原子位于四面体的中心，C正确；SiO2晶体中，1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，D不正确。答案 C 硅晶体SiSi键插入OSiO2 晶体类推【解题反思】1 mol Si晶体含2 mol SiSi键 1 mol SiO2含4 mol SiO键硅晶胞含8个Si原子SiO2晶胞含8个Si原子16个O原子【变式训练4】二氧化硅晶体是空间立体网状结构，如图所示：关于二氧化硅晶体的下列说法中，正确的是()A1 mol SiO2晶体中SiO键为2 m
16、ol B二氧化硅晶体的分子式是SiO2 C晶体中Si、O原子最外电子层都满足8电子结构 D晶体中最小环上的原子数为8 解析 A选项错误，SiO2晶体中，1个硅原子与周围4个氧原子形成SiO键，所以1mol SiO2晶体中SiO键为4 mol；B选项错误，晶体中1个硅原子与周围4个氧原子形成共价键，1个氧原子与周围2个硅原子形成共价键，SiO2表示晶体中Si、O原子个数比为12，并不是分子式；C选项正确，1个硅原子分别与4个氧原子形成4对共用电子对，1个氧原子分别与2个硅原子形成2对共用电子对，所以Si、O原子最外电子层都满足8电子结构；D选项错误，晶体中最小环上硅与氧交替连接，SiO2晶体中最小环上的原子数为12，其中6个为硅原子，6个为氧原子。答案 C