2019_2020学年高中化学第三章第二节分子晶体与原子晶体第2课时原子晶体教案新人教版选修3

第2课时原子晶体

[核心素养发展目标] 1.宏观辨识与微观探析：能辨识常见的原子晶体，并能从微观角度分析原子晶体中各构成微粒之间的作用对原子晶体物理性质的影响。2.证据推理与模型认知：能利用原子晶体的通性推断常见的原子晶体，理解原子晶体中微粒的堆积模型，并能利用均摊法对晶胞进行分析。

一、原子晶体及其结构特点

1．概念

相邻原子间以共价键相结合形成三维的共价键网状结构的晶体叫原子晶体。又叫共价晶体。2．构成微粒及微粒间作用

3．常见原子晶体及物质类别

(1)某些单质：如硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)、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)、氮化硅(Si3N4)等。

(3)极少数金属氧化物，如刚玉(α-Al2O3)等。

4．两种典型原子晶体的组成与结构

(1)金刚石

金刚石晶体中，每个碳原子均以4个共价键对称地与相邻的4个碳原子相结合，形成C—C—C 夹角为109°28′的正四面体结构(即金刚石中的碳采取sp3杂化轨道形成共价键)，整块金刚石晶体就是以共价键相连的空间网状结构。其中最小的环是六元环。

(2)二氧化硅

二氧化硅晶体中，每个硅原子均以4个共价键对称地与相邻的4个氧原子相结合，每个氧原子与2个硅原子相结合，向空间扩展，形成空间网状结构。晶体结构中最小的环上有6个硅原子和6个氧原子，硅、氧原子个数比为1∶2。

(1)原子晶体中不存在单个的分子，其化学式不是分子式，仅表示该物质中原子个数比。

(2)由原子构成的晶体不一定是原子晶体，如稀有气体分子构成的晶体属于分子晶体。

(3)原子晶体中一定存在共价键，而物质中存在共价键的晶体不一定是原子晶体，如干冰中碳原子与氧原子之间存在共价键，但干冰是分子晶体。

例1(2019·长沙高二检测)下列物质的晶体直接由原子构成的一组是( )

①CO2②SiO2③晶体Si ④白磷⑤氨基乙酸⑥固态He

A．①②③④⑤⑥B．②③④⑥

C．②③⑥D．①②⑤⑥

【考点】原子晶体的判断

【题点】由物质类别判断

答案 C

解析CO2、白磷、氨基乙酸、固态He是分子晶体，其晶体由分子构成，稀有气体He由单原子分子构成；SiO2、晶体Si属于原子晶体，其晶体直接由原子构成。

例2最近科学家成功研制成了一种新型的碳氧化物，该化合物晶体与SiO2的晶体的结构相似，晶体中每个碳原子均以4个共价单键与氧原子结合，形成一种无限伸展的空间网状结构。下列对该晶体的叙述错误的是( )

A．该晶体是原子晶体

B．该晶体中碳原子和氧原子的个数比为1∶2

C．该晶体中碳原子数与C—O键数之比为1∶2

D．该晶体中最小的环由12个原子构成

【考点】原子晶体的组成与结构

【题点】原子晶体组成与结构的分析

答案 C

解析该化合物晶体中每个碳原子均以4个共价单键与氧原子结合，形成一种无限伸展的空间网状结构，则该化合物晶体中不存在分子，属于原子晶体，A项正确；晶体中每个碳原子均以4个共价单键与氧原子结合，每个氧原子和2个碳原子以共价单键相结合，所以碳、氧原子个数比为1∶2，B项正确；该晶体中每个碳原子形成4个C—O共价键，所以C原子与C—O 键数目之比为1∶4，C项错误；该晶体中最小的环由6个碳原子和6个氧原子构成，D项正确。

二、原子晶体的物理性质

1．物理性质

(1)熔点很高。

(2)硬度很大。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)不溶于一般溶剂。

2．原子晶体熔点和硬度的比较规律

结构相似的原子晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高，硬度越大。

原子晶体与分子晶体的比较

例3下表是某些原子晶体的熔点和硬度，分析表中的数据，判断下列叙述正确的是( )

①构成原子晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高

②构成原子晶体的原子间的共价键的键能越大，晶体的熔点越高

③构成原子晶体的原子半径越大，晶体的硬度越大

④构成原子晶体的原子半径越小，晶体的硬度越大

A．①②B．③④C．①③D．②④

【考点】原子晶体的性质及应用

【题点】影响原子晶体物理性质的因素

答案 D

解析原子晶体的熔、沸点和硬度等物理性质取决于晶体内的共价键，构成原子晶体的原子半径越小，键长越短，键能越大，对应原子晶体的熔、沸点越高，硬度越大。

例4(2019·邢台高二月考)下列晶体性质的比较中不正确的是( )

A．熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅

B．沸点：NH3>PH3

C．硬度：白磷>冰>二氧化硅

D．熔点：SiI4>SiBr4>SiCl4

【考点】原子晶体的性质及应用

【题点】原子晶体熔点高低的比较

答案 C

解析A项中三种物质都是原子晶体，因原子半径r(C)C—Si>Si—Si。键能越大，原子晶体的熔点越高，A项正确；因为NH3分子间存在氢键，所以NH3的沸点大于PH3的沸点，B项正确；二氧化硅是原子晶体，硬度很大，白磷和冰都是分子晶体，硬度较小，C项错误；四卤化硅为分子晶体，它们的组成和结构相似，分子间不存在氢键，故相对分子质量越大，熔点越高，D项正确。

比较原子晶体和分子晶体熔点高低的基本思路

1．正误判断

(1)凡是由原子构成的晶体都是原子晶体( )

(2)原子晶体中只存在极性共价键，不可能存在其他的化学键( )

(3)CO2和SiO2中化学键类型相同，晶体类型也相同( )

(4)1molSiO2晶体中含4molSi—O键( )

(5)互为同素异形体的单质的晶体类型一定相同( )

(6)由于共价键的键能远大于分子间作用力，故原子晶体的熔点比分子晶体高( )

答案(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×(6)√

2．下列物质中，属于原子晶体的化合物是( )

A．无色水晶B．晶体硅

C．金刚石D．干冰

【考点】原子晶体的判断

【题点】由物质类别判断

答案 A

解析A项，无色水晶是原子晶体，属于化合物；B项，晶体硅是单质；C项，金刚石是单质；D项，干冰属于化合物，但它是分子晶体。

3．下列有关原子晶体的叙述错误的是( )

A．原子晶体中，只存在共价键

B．原子晶体具有空间网状结构

C．原子晶体中不存在独立的分子

D．原子晶体熔化时不破坏共价键

【考点】原子晶体的组成与结构

【题点】原子晶体的结构分析

答案 D

解析A项，原子晶体中原子之间通过共价键相连；B项，原子晶体是相邻原子之间通过共价键结合而成的空间网状结构；C项，原子晶体是由原子以共价键相结合形成的，不存在独立的分子；D项，原子晶体中原子是通过共价键连接的，熔化时需要破坏共价键。4．(2019·聊城高二检测)下列排序不正确的是( )

A．硬度：金刚石>碳化硅>晶体硅

B．熔点：SiC>SiO2>Si>Ge

C．沸点：HF>HBr>HCl

D．硬度：白磷>冰>二氧化硅

【考点】原子晶体的性质及应用

【题点】原子晶体的物理通性

答案 D

5．金刚石具有硬度大、熔点高等特点，大量用于制造钻头、金属切割刀具等。其结构如图所示，下列判断正确的是( )

A ．金刚石中C —C 键的键角均为109°28′，所以金刚石和CH 4的晶体类型相同

B ．金刚石的熔点高与

C —C 键的键能无关

C ．金刚石中碳原子个数与C —C 键键数之比为1∶2

D ．金刚石的熔点高，所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却 【考点】 原子晶体的综合考查 【题点】 原子晶体结构与性质的综合 答案 C

解析 选项A ，金刚石是原子晶体，CH 4是分子晶体，二者的晶体类型不同；选项B ，金刚石熔化过程中C —C 键断裂，因C —C 键的键能大，断裂时需要的能量多，故金刚石的熔点很高；选项C ，金刚石中每个C 都参与了4个C —C 键的形成，而每个C 对每条键的贡献只有一半，故碳原子个数与C —C 键键数之比为(4×1

2)∶4＝1∶2；选项D ，金刚石的熔点高，但在打孔

过程中会产生很高的温度，如不浇水冷却钻头，会导致钻头熔化。 6．现有两组物质的熔点数据如表所示：

根据表中数据回答下列问题：

(1)A 组属于________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是____________。 (2)B 组中HF 熔点反常是由于__________。

(3)B 组晶体不可能具有的性质是__________(填序号)。 ①硬度小 ②水溶液能导电 ③固体能导电 ④液体状态能导电 【考点】 原子晶体的综合考查 【题点】 分子晶体与原子晶体的综合 答案 (1)原子 共价键 (2)HF 分子间能形成氢键 (3)③④

解析A组熔点很高，应是原子晶体，原子晶体熔化时破坏的是共价键；B组是分子晶体，且结构相似，一般是相对分子质量越大，熔点越高；HF的相对分子质量最小但熔点比HCl高，出现反常的原因是HF分子间存在氢键，HF熔化时除了破坏范德华力，还要破坏氢键，所需能量更多，因而熔点更高。分子晶体在固态和熔化状态都不导电。

题组一原子晶体的判断及其结构特点

1．下列事实能说明刚玉(Al2O3)是一种原子晶体的是( )

①Al2O3是两性氧化物②硬度很大③它的熔点为2045℃④几乎不溶于水⑤自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石

A．①②③B．②③④C．④⑤D．②⑤

【考点】原子晶体的判断

【题点】由物质性质判断

答案 B

解析①指的是Al2O3的分类，⑤指的是刚玉的种类，这两项都无法说明Al2O3是一种原子晶体。

2．(2019·重庆高二调研)下列晶体中，最小的平面或立体环不是由6个原子构成的是( ) A．金刚石B．石墨

C．水晶D．晶体硅

【考点】原子晶体的组成与结构

【题点】原子晶体的结构分析

答案 C

解析金刚石、石墨中的最小碳环及晶体硅中最小硅环都是由6个原子构成的，水晶(主要成分为SiO2)中的最小环上有6个硅原子、6个氧原子，共12个原子。

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，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1∶2

D．最小的环上，有6个Si原子和6个O原子

【考点】原子晶体的组成与结构

【题点】原子晶体的结构分析

答案 D

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。

题组二原子晶体的性质及应用

4．(2018·重庆月考)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．是天然存在的硬度最大的物质

D．化学性质稳定，在高温下也不与氧气发生反应

【考点】原子晶体的综合

【题点】原子晶体结构与性质的综合考查

答案 D

解析金刚石是碳原子间以共价键结合形成的空间网状结构的原子晶体，不存在单个的分子。在天然存在的物质中，金刚石的硬度最大。在高温下金刚石可以与氧气反应生成二氧化碳。5．根据下表中给出的有关数据，判断下列说法中错误的是( )

A.SiCl4是分子晶体

B．晶体硼是原子晶体

C．AlCl3是分子晶体，加热能升华

D．金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键弱

【考点】原子晶体的性质及应用

【题点】原子晶体的通性

答案 D

解析SiCl4、AlCl3的熔、沸点低，都是分子晶体，AlCl3的沸点低于其熔点，即在未熔化的温度下它就能气化，故AlCl3加热能升华，A、C项正确；晶体硼的熔、沸点高，所以晶体硼是原子晶体，B项正确；碳原子的半径比硅原子的半径小，金刚石中的C—C键长比晶体硅中的Si—Si键长短，金刚石中的C—C键能比晶体硅中的Si—Si键能大，金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键强，D项错误。

6．(2019·怀化高二检测)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( ) A ．C 60和金刚石 B ．晶体硅和水晶 C ．冰和干冰

D ．碘和金刚砂

【考点】 原子晶体的组成与结构 【题点】 晶体中微粒间作用力的判断 答案 B

解析 氮化硼是由两种非金属元素组成的化合物，根据该化合物的物理性质可知其为原子晶体，微粒间作用力为共价键。C 60和金刚石熔化时分别克服的是分子间作用力和共价键，A 项错误；冰和干冰熔化时均克服的是分子间作用力，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。

7．(2018·南昌高二检测)氮化碳部分结构如图所示，其中β-氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为超硬新材料。下列有关氮化碳的说法不正确的是( )

A ．氮化碳属于原子晶体

B ．氮化碳中

C 为－4价，N 为＋3价 C ．氮化碳的化学式为C 3N 4

D ．每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连 【考点】 原子晶体的综合考查 【题点】 原子晶体结构与性质的综合 答案 B

解析 由题给信息，氮化碳是超硬新材料，符合原子晶体的典型物理性质，故A 正确；氮元素的电负性大于碳元素的，所以在氮化碳中氮元素显－3价，碳元素显＋4价，故B 错误；晶体结构模型中虚线部分是晶体的最小结构单元，正方形顶点的原子有1

4被占有，边上的原子有

1

2

被占有，可得晶体的化学式为C 3N 4，故C 正确；根据题图可知，每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连，故D 正确。 题组三 原子晶体与分子晶体的综合考查 8．下列有关晶体的叙述中，错误的是( ) A ．分子晶体熔化时化学键不被破坏

B ．白磷晶体中，结构粒子之间通过共价键结合

C ．石英晶体是直接由硅原子和氧原子通过共价键所形成的空间网状结构的晶体

D ．构成分子晶体的结构粒子中可能存在共价键

【考点】原子晶体的综合考查

【题点】晶体中微粒间作用力的判断

答案 B

解析分子晶体是通过分子间作用力将分子结合在一起的，所以熔化时，分子内部的化学键未发生变化，破坏的只是分子间作用力，A正确；白磷晶体是分子晶体，在P4内部存在共价键，而结构粒子(P4)之间是通过分子间作用力结合的，B错误；石英晶体是原子晶体，C正确；稀有气体在固态时也属于分子晶体，而稀有气体是单原子分子，在分子内部不存在共价键，在干冰晶体中，CO2分子内存在共价键，D正确。

9．下列说法正确的是( )

A．冰融化时，分子中H—O键发生断裂

B．原子晶体中，共价键的键长越短，通常熔点就越高

C．分子晶体中，共价键的键能越大，该晶体的熔、沸点就越高

D．分子晶体中，分子间作用力越大，则分子越稳定

【考点】原子晶体的综合考查

【题点】晶体中微粒间作用力的判断

答案 B

解析冰的融化需要克服分子间作用力，该过程属于物理变化，H—O键没有断裂，A项错误；影响原子晶体熔、沸点的因素是键能，共价键的键长越短，键能越大，熔、沸点就越高，B 项正确；影响分子晶体熔、沸点的因素一般是分子间作用力的大小，与共价键的键能无关，C 项错误；分子的稳定性与分子间作用力无关，与共价键的键能有关，D项错误。10．(2019·宣城高二检测)X是核外电子数最少的元素，Y是地壳中含量最丰富的元素，Z在地壳中的含量仅次于Y，W可以形成自然界中最硬的原子晶体。下列叙述错误的是( ) A．WX4是天然气的主要成分

B．固体X2Y是分子晶体

C．ZW是原子晶体

D．ZY2的水溶液俗称“水玻璃”

【考点】原子晶体的综合考查

【题点】分子晶体与原子晶体的综合

答案 D

解析经分析X为H，Y为O，Z为Si，W为C，则WX4为CH4，是天然气的主要成分，A项正确；X2Y为H2O，固态时为分子晶体，B项正确；ZW为SiC，为原子晶体，C项正确；ZY2为SiO2，Na2SiO3的水溶液俗称“水玻璃”，D项错误。

11．(2018·武昌实验中学高二期中)磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料。如图为其晶体结构中最小的重复单元，其中每个原子最外层均满足8电子稳定结构。下列有关说法正确的是( )

A ．磷化硼的化学式为BP ，其晶体属于分子晶体

B ．磷化硼晶体的熔点高，且熔融状态下能导电

C ．磷化硼晶体中每个原子均参与形成4个共价键

D ．磷化硼晶体在熔化时需克服范德华力 【考点】 原子晶体的综合考查 【题点】 原子晶体结构与性质的综合 答案 C

解析 由磷化硼的晶胞结构可知，P 位于顶点和面心，数目为18×8＋6×1

2＝4，B 位于晶胞内，

数目为4，故磷化硼的化学式为BP ，磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料，所以磷化硼晶体属于原子晶体，A 项错误；磷化硼属于共价化合物，熔融状态下不能导电，B 项错误；由磷化硼晶胞结构可知，磷化硼晶体中每个原子均参与形成4个共价键，C 项正确；磷化硼晶体为原子晶体，熔化时需克服共价键，D 项错误。

12．(2018·厦门一中高二期中)正硼酸(H 3BO 3)是一种片层状结构的白色晶体，层内的H 3BO 3分子通过氢键相连(如图)。下列有关说法正确的是( )

A ．正硼酸晶体属于原子晶体

B ．分子中硼原子最外层为8电子稳定结构

C ．H 3BO 3分子的稳定性与氢键有关

D ．1molH 3BO 3晶体中平均含3mol 氢键 【考点】 原子晶体的综合考查 【题点】 分子晶体与原子晶体的综合 答案 D

解析 根据题意，正硼酸(H 3BO 3)中存在H 3BO 3分子，属于分子晶体，故A 项错误；硼原子最外层只有3个电子，与氧原子之间形成3对共用电子对，因此分子中B 原子最外层有6个电子，不是8电子稳定结构，故B 项错误；分子的稳定性与分子内的共价键键能大小有关，与氢键无关，故C 项错误；一个H 3BO 3分子参与形成了6个氢键，一个氢键为2个H 3BO 3分子所共用，因此1 mol H 3BO 3晶体中平均含3 mol 氢键，故D 项正确。

13．C和Si元素在化学中占有极其重要的地位。

(1)SiC的晶体结构与晶体硅相似，其中C原子的杂化方式为________，微粒间存在的作用力是______________。SiC和晶体Si的熔、沸点高低顺序是____________________________。

(2)C、Si为同一主族的元素，CO2和SiO2的化学式相似，但结构和性质有很大的不同。CO2中C与O原子间形成σ键和π键，SiO2中Si与O原子间不形成π键，试从原子半径大小的角度分析，其原因是_______________________________________________________。

SiO2属于________晶体，干冰属于________晶体，所以熔点：干冰________(填“＜”“＞”或“＝”)SiO2。

(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅、干冰四种晶体的构成微粒分别是______________________(填“原子”“分子”或“离子”)，熔化时克服的微粒间的作用力分别是________________。【考点】原子晶体的综合

【题点】分子晶体与原子晶体的综合

答案(1)sp3共价键SiC＞Si (2)Si的原子半径较大，Si、O原子间距离较大，p-p轨道肩并肩重叠程度较小，不能形成π键原子分子＜(3)原子、原子、原子、分子共价键、共价键、共价键、分子间作用力

解析(1)晶体硅中1个硅原子与4个硅原子相连，呈正四面体结构，所以其杂化方式是sp3，SiC的晶体结构与晶体硅相似，故C原子的杂化方式也是sp3；因为Si—C键的键长小于Si—Si 键，所以熔、沸点：碳化硅＞晶体硅。(2)SiO2为原子晶体，干冰为分子晶体，所以熔点：SiO2＞干冰。(3)金刚石、晶体硅、二氧化硅均为原子晶体，构成微粒均为原子，熔化时破坏共价键；干冰为分子晶体，由分子构成，CO2分子以分子间作用力相结合。

14．(1)单质硅存在与金刚石结构类似的晶体，其中原子与原子之间以________相结合，其晶胞中共有8个原子，其中在面心位置贡献________个原子。

(2)金刚砂(SiC)与金刚石具有相似的晶体结构(如图所示)，在金刚砂的空间网状结构中，碳原子、硅原子交替以共价单键相结合。试回答：

①金刚砂属于________晶体，金刚砂的熔点比金刚石的熔点________。

②在金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合了________个碳原子，其键角是________。

③金刚砂的结构中含有共价键形成的原子环，其中最小的环上有________个硅原子。

【考点】原子晶体的组成与结构

【题点】原子晶体的结构分析与计算

答案(1)共价键 3 (2)①原子低②4109°28′③3

解析 (1)硅晶体和金刚石晶体相似，即硅原子间以共价键相结合。晶胞每个面心上的硅原子为2个晶胞共有，则面心位置贡献的原子为6×1

2＝3个。(2)①由于金刚砂是空间网状结构，

碳原子和硅原子交替以共价单键结合，所以金刚砂是原子晶体；硅原子的半径比碳原子的半径大，所以金刚砂的熔点比金刚石的低。②硅和碳是同主族元素，所以硅原子周围同样有4个碳原子，键角为109°28′。③构成的六元环中，有3个碳原子、3个硅原子。

15．(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5，其晶胞结构如图甲所示，则金刚砂晶体类型为________；在SiC 中，每个C 原子周围最近的C 原子数目为________；若晶胞的边长为a pm ，则金刚砂的密度表达式为__________。

(2)硅的某种单质的晶胞如图乙所示。GaN 晶体与该硅晶体相似。则GaN 晶体中，每个Ga 原子与________个N 原子相连，与同一个Ga 原子相连的N 原子构成的空间结构为_____。若该硅晶体的密度为ρg·cm －3

，阿伏加德罗常数的值为N A ，则晶体中最近的两个硅原子之间的距离为________cm(用代数式表示即可)。 【考点】 原子晶体的组成与结构 【题点】 原子晶体的结构分析与计算 答案 (1)原子晶体 12 4×40g·mol －1

(a ×10－10cm )3×6.02×1023mol －1 (2)4 正四面体 34×3224

ρ·N A

解析 (1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5，硬度大，属于原子晶体；每个碳原子周围最近的碳原子数目为3×4＝12；

该晶胞中C 原子个数为8×18＋6×12＝4，Si 原子个数为4，晶胞边长为a ×10－10

cm ，体积V

＝(a ×10

－10

cm)3

，

ρ＝m V ＝4×40 g·mol －1

(a ×10－10 cm )3×6.02×1023 mol －1

。

(2)根据物质的晶体结构可知，在GaN 晶体中，每个Ga 原子与4个N 原子相连，与同一个Ga 原子相连的N 原子构成的立体结构为正四面体。在晶体Si 的晶胞中含有Si 原子的数目是8×

1

8

＋6×12＋4＝8，则根据晶胞的密度ρ＝m V 可知V ＝m ρ＝28×8

N A ρ＝224ρ·N A

cm 3

，晶胞的边长a ＝3

V

＝

3

224ρ·N A cm ，在晶胞中两个最近的Si 原子之间的距离为晶胞体对角线长的14，即3

4×3

224

ρ·N A

cm 。