2018-2019学年高中化学 第3章 物质的聚集状态与物质性质 第3节 第1课时 原子晶体学案 鲁科版选修3.docx

第1课时原子晶体 学习目标定位知道原子晶体的概念，熟知常见的原子晶体的结构与性质，能从原子结构的特点，分析理解其物理特性。一常见的原子晶体的结构1金刚石的晶体结构模型如右图所示。回答下列问题：(1)在晶体中每个碳原子以4个共价单键对称地与相邻的4个碳原子相结合，形成正四面体结构，这些正四面体向空间发展，构成彼此联结的立体网状结构。(2)晶体中相邻碳碳键的夹角为109.5，碳原子采取了sp3杂化。(3)最小环上有6个碳原子。(4)晶体中C原子个数与CC键数之比为12。(5)晶体中CC键长很短，键能很大，故金刚石的硬度很大，熔点很高。2二氧化硅是由硅原子和氧原子组成的空间立体网状的原子晶体。其结构示意图如下：观察分析二氧化硅晶体结构示意图，回答下列问题：(1)在二氧化硅晶体中，每个Si原子周围结合4个O原子，同时每个O原子与2个Si原子结合。(2)在二氧化硅晶体中，位于四面体中心的原子是硅原子，位于四面体四个顶点上的原子是氧原子。(3)二氧化硅晶体中最小环上的原子数是12。(4)1mol二氧化硅晶体中含有4molSiO键。归纳总结1构成原子晶体的基本微粒是原子。晶体中不存在单个分子，原子晶体的化学式仅仅表示物质中的原子个数关系，不是分子式。2形成原子晶体的作用力是共价键。在原子晶体中只存在共价键(极性键或非极性键)，没有分子间作用力和其他相互作用。3常见的原子晶体：常见的非金属单质，如金刚石(C)、硼(B)、晶体硅(Si)等。某些非金属化合物，如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、二氧化硅(SiO2)等。活学活用1下列有关原子晶体的叙述中，正确的是()A原子晶体中只存在非极性共价键B在SiO2晶体中，1个硅原子和2个氧原子形成2个共价键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原子晶体的熔点一定比金属晶体的高答案C解析原子晶体单质中含有非极性键，原子晶体化合物中存在极性共价键；在二氧化硅晶体中，1个硅原子与4个氧原子形成4个SiO键；金属晶体的熔点差别很大，有些金属晶体(如W)熔点可能高于某些原子晶体的熔点。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。(2)在金刚砂的结构中，一个硅原子周围结合_个碳原子。(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。答案(1)原子(2)4(3)3解析由于金刚砂的晶体构型是空间立体网状结构，碳原子、硅原子交替以共价键相结合，故金刚砂是原子晶体；硅和碳电子层结构相似，成键方式相同，硅原子周围有4个碳原子；组成的六元环中，有3个碳原子、3个硅原子。二原子晶体的性质与共价键的关系1硅是一种重要的非金属单质，硅及其化合物的用途非常广泛。根据所学知识回答硅及其化合物的相关问题。(1)基态硅原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p2。(2)晶体硅的微观结构与金刚石相似，晶体硅中SiSi键之间的夹角大小约为109.5。(3)二氧化硅晶体的熔点比干冰高很多的原因是要使二氧化硅晶体熔化需要克服较强的共价键，而干冰熔化克服的是微弱的分子间作用力。2晶体硅(Si)和金刚砂(SiC)都是与金刚石相似的原子晶体。其结构与性质比较如下表所示：晶体键能/kJmol1键长/pm熔点/摩氏硬度金刚石(CC)347154335010金刚砂(CSi)30118426009晶体硅(SiSi)22623414157请根据上表中的数据，分析其熔点、硬度的大小与其结构之间的关系。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。 归纳总结1由于原子晶体中原子间以较强的共价键相结合，故原子晶体：(1)熔、沸点很高，(2)硬度大，(3)一般不导电，(4)难溶于溶剂。2原子晶体中共价键键能越大，熔、沸点越高，硬度越大。而键能又与键长有关，键长可由成键原子半径的相对大小得出。一般来说，成键原子的半径之和越大，键长越长，键能越小。 活学活用3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答案B解析本题考查的是各类晶体的物理性质特征。A项中延展性好，不是原子晶体的特征，因为原子晶体中原子与原子之间以共价键结合，而共价键有一定的方向性，使原子晶体质硬而脆，A项不正确；B项符合原子晶体的特征；C项符合离子晶体的特征；D项不符合原子晶体的特征。所以应该选择B项。4氮化碳晶体是新发现的高硬度材料，该晶体类型应该是_晶体。试根据物质结构推测氮化碳晶体与金刚石相比较，硬度更大的应该是_晶体，熔点较低的是_晶体。答案原子氮化碳金刚石解析根据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，熔点较低的是金刚石。理解感悟此题涉及晶体类型与晶体性质的关系，同时还涉及化学键键能与键长及键长与原子半径的关系，只要将这些知识融会贯通，此类问题就可迎刃而解。当堂检测1有关原子晶体的叙述，错误的是()A原子晶体中，原子不遵循紧密堆积原理B原子晶体中不存在独立的分子C原子晶体的熔点和硬度较高D原子晶体熔化时不破坏化学键答案D2固体熔化时，必须破坏非极性共价键的是()A冰B晶体硅C氯化钠D二氧化硅答案B解析冰在融化时克服的是分子间作用力，晶体硅克服的是非极性共价键，氯化钠克服的是离子键，二氧化硅克服的是极性共价键。选项B符合题意。3下列物质中属于原子晶体的化合物是()A水晶B晶体硅C金刚石D干冰答案A解析金刚石、晶体硅为原子晶体的单质，干冰不是原子晶体。4氮化硼很难熔化，加热至3000方可汽化。下列对氮化硼的叙述，不正确的是()A氮化硼中含有共价键B氮化硼是原子晶体C氮化硼是离子晶体D化学式为BN答案C解析根据氮化硼的元素组成，可判断它不可能为离子晶体；根据氮化硼的性质，可判断其是原子晶体，含有共价键。5下列物质的熔、沸点顺序判断不正确的是()ALiNaKRbBF2Cl2Br2碳化硅晶体硅DNaClKClCsCl答案D解析晶体熔、沸点高低取决于结构微粒间作用力的大小，即金属键、共价键、离子键、分子间作用力的大小。离子晶体的熔、沸点与离子半径和离子所带电荷有关，电荷数相同时，离子半径越小，晶体的熔、沸点越高。40分钟课时作业基础过关一、原子晶体及其判断1下列关于原子晶体的叙述中不正确的是()A石英晶体是由硅原子和氧原子通过共价键形成的空间网状结构的晶体B由氩原子形成的晶体氩是原子晶体C原子晶体中不存在独立的“分子”D原子晶体中共价键越强，熔点越高答案B解析石英是原子晶体，具有空间网状的晶体结构。晶体氩的结构微粒是氩原子，但氩原子之间不能形成共价键，而是分子间作用力，其晶体不是原子晶体。2氮化碳结构如图，其中氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。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氮化碳中碳显4价，氮显3价C氮化碳的化学式为C3N4D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答案B解析根据氮化碳硬度超过金刚石晶体判断，氮化碳属于原子晶体，A项正确；氮的非金属性大于碳的非金属性，氮化碳中碳显4价，氮显3价，B项错误；氮化碳的化学式为C3N4，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，C项和D项正确。二、原子晶体的结构特点3下列关于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12D最小的环上，有6个Si原子和6个O原子答案D解析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。4据报道：用激光可将置于铁室中的石墨靶上的碳原子“炸松”，再用一个射频电火花喷射出氮气，可使碳、氮原子结合成碳氮化合物(C3N4)的薄膜，该碳氮化合物比金刚石还坚硬，则下列说法正确的是()A该碳氮化合物呈片层状结构B该碳氮化合物呈立体网状结构C该碳氮化合物中CN键键长大于金刚石中CC键键长D相邻主族非金属元素形成的化合物的硬度比单质小答案B解析由题意知，该碳氮化合物的硬度比金刚石还大，说明该碳氮化合物为原子晶体，因此是立体网状结构；因为碳原子半径大于氮原子半径，所以CN键的键长小于CC键的键长。5某原子晶体A，其空间结构中的一部分如图所示。A与某物质B反应生成C，其实质是在每个AA键中插入一个B原子，则C的化学式为()AABBA5B4CAB2DA2B5答案C解析由于处于中心的A原子实际结合的B原子为42，故C的化学式为AB2(如图)。6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CC键间的夹角是()A6个120B5个108C4个109.5D6个109.5答案D解析根据金刚石的晶体结构特点可知最小环上碳原子数为6个，任意两个CC键夹角为109.5。三、原子晶体的性质与共价键键能关系7下表是某些原子晶体的熔点和硬度()原子晶体金刚石氮化硼碳化硅石英硅锗熔点/390030002700171014101211硬度109.59.576.56.0分析表中的数据，判断下列叙述正确的是()构成原子晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高构成原子晶体的原子间的共价键键能越大，晶体的熔点越高构成原子晶体的原子的半径越大，晶体的硬度越大构成原子晶体的原子的半径越小，晶体的硬度越大ABCD答案D解析原子晶体的熔点和硬度与构成原子晶体的原子间的共价键键能有关，而原子间的共价键键能与原子半径的大小有关。8碳化硅(SiC)晶体有类似金刚石的结构。其中碳原子和硅原子的位置是交替的。它与晶体硅和金刚石相比较，不正确的是()A熔点从高到低的顺序是金刚石碳化硅晶体硅B三种晶体中的原子都能形成4个共价键C三种晶体中的基本单元都是正四面体结构D三种晶体都是原子晶体且均为电的绝缘体答案D解析依题意，金刚石、碳化硅和晶体硅都是原子晶体，且都应有类似金刚石的正四面体结构单元。因键长由长到短的顺序是SiSiSiCCC(这可由原子半径来推断)，而键能则为CCSiCSiSi，所以破坏这些键时所需能量依次降低，从而熔点依次降低。上述三种原子晶体中只有晶体硅特殊，是半导体，具有一定的导电性。9有关键能数据如表：化学键SiOO=OSiSi键能/(kJmol1)x498226晶体硅在氧气中燃烧的热化学方程式：Si(s)O2(g)=SiO2(s)H890kJmol1，则表中x的值为()A460B920C1165D423答案A解析根据题目所给反应，需要断裂的旧化学键键能之和：498kJmol12226kJmol1950kJmol1，形成的新化学键键能之和：4xkJmol1，由4xkJmol1950kJmol1890kJmol1，求得x460kJmol1。能力提升10.磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料。如右图为其晶体结构中最小的重复结构单元，其中的每个原子均满足8电子稳定结构。下列有关说法正确的是()A磷化硼晶体的化学式为BP，属于离子晶体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形成4个共价键D磷化硼晶体结构微粒的空间堆积方式与氯化钠相同答案C解析根据题意，磷化硼为超硬耐磨材料，说明其晶体类型为原子晶体，熔融状态不导电，A项和B项错误；磷化硼原子间均为共价键，由图可以发现，每个原子均形成4个共价键，C正确；由磷化硼的晶体结构可以看出，它的配位数为4，而NaCl晶体的配位数为6，二者结构微粒的堆积方式明显不同，故D不正确。11三种常见元素的性质或结构信息如下表，试根据信息回答有关问题。元素ABC性质结构信息原子核外有两个电子层，最外层有3个未成对的电子原子的M层有1对成对的p电子有两种常见氧化物，其中一种是冶金工业常用的还原剂(1)写出B原子的核外电子排布式_。(2)写出A的气态氢化物的电子式，并指出它的共价键属于极性键还是非极性键_。(3)C的一种单质在自然界中硬度最大，则这种单质的晶体类型是_。答案(1)1s22s22p63s23p4(2)HN,H，极性键(3)原子晶体解析由所给信息，可知A的核外电子排布式为1s22s22p3，A为氮；B的核外电子排布式为1s22s22p63s23p4，B为硫；常见冶金还原剂为H2和CO，由C的一种单质在自然界中硬度最大可确定C为碳。12单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据并回答下列问题：金刚石晶体硅晶体硼熔点/K382316832573沸点/K510026282823硬度107.09.5(1)晶体硼的晶体类型属于_晶体，理由是_。(2)已知晶体硼的基本结构单元是由硼原子组成的正二十面体(如图)，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点上各有1个B原子。通过观察图形及推算，此晶体结构单元由_个B原子组成，键角_。答案(1)原子晶体硼的熔、沸点和硬度都介于晶体Si和金刚石之间，而金刚石和晶体Si均为原子晶体，B与C相邻且与Si处于对角线位置，也应为原子晶体(2)1260解析晶体硼的熔、沸点和硬度都介于晶体Si和金刚石之间，而金刚石和晶体Si均为原子晶体，B与C相邻且与Si处于对角线位置，也应为原子晶体。每个三角形的顶点被5个三角形所共有，所以，此顶点完全属于一个三角形的只占到1/5，每个三角形中有3个这样的点，且晶体B中有20个这样的三角形，因此，晶体B中这样的顶点(B原子)有3/52012个。又因晶体B中的三角形面为正三角形，所以键角为60。13观察分析二氧化硅晶体的结构示意图，并回答下列问题。(1)在二氧化硅晶体中有若干环状结构，最小的环状结构由_个原子构成。(2)在二氧化硅晶体中，硅原子的价电子层原子轨道发生了杂化，杂化的方式是_，SiOSi键与SiOSi键的夹角是_。(3)二氧化硅属于重要的无机非金属材料之一，请列举两项二氧化硅的主要用途。_；_。(4)下列说法中正确的是_(填序号)。凡是原子晶体都含有共价键凡是原子晶体都有正四面体结构凡是原子晶体都具有空间立体网状结构凡是原子晶体都具有很高的熔点答案(1)12(2)sp3109.5(3)制造石英玻璃制造石英表中的压电材料(也可以答制造光导纤维等)(4)解析可通过对比碳原子与硅原子结构的相似性、金刚石晶体与二氧化硅晶体结构的相似性，判断二氧化硅晶体中硅原子的原子轨道杂化的方式。有了原子轨道杂化方式，即可确定键角。不同的原子晶体可能结构不同，并不是所有的原子晶体都具有正四面体结构。拓展探究14我国独立研制的具有自主知识产权的“龙芯2D”的面世，意味着中国在半导体产业上已取得了长足进步，同时将有着良好的发展前景。试回答下列问题：(1)“龙芯”(芯片)的主要成分是单晶硅，硅位于元素周期表中第_周期第_族。(2)硅在一定条件下可以与氯气反应生成SiCl4，与氧气反应生成SiO2。四氯化硅结构中，所有原子最外层_(填“是”或“否”)都满足8电子稳定结构。(3)试判断SiCl4的沸点比CCl4的_(填“高”或“低”)，理由_。若已知CCl4比SiCl4稳定，则CCl键的键能比SiCl键的键能_(填“大”或“小”)。(4)现在新开发出一种具有和“龙芯”主要成分一样的六角形笼状结构单质分子Si12，它可能在未来的量子计算机中是一种理想的贮存信息的材料，根据图示推断这种六角形笼状结构：它与单晶硅(参照下图)互称为_，硅原子之间是通过_键结合的。答案(1)3A(2)是(3)高SiCl4的相对分子质量比CCl4的大，范德华力大，因此沸点高大(4)同素异形体共价解析(2)根据硅和氯原子的结构特点，在形成的SiCl4分子中，硅氯原子间共用了4对电子，都形成8电子的稳定结构。(3)根据结构相似的分子，相对分子质量越大，分子间作用力越大，所以SiCl4的沸点比CCl4的高。