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3.2.2 共价晶体（导学案）
1. 知道共价晶体的结构特点，能辨识常见的共价晶体。
2. 认识金刚石晶体中碳原子的三维骨架结构，能借助共价晶体的晶体结构模型说明共价晶
体中粒子间的相互作用，促进“证据推理与模型认知”化学核心素养的发展。
重点：共价晶体的结构与物理性质。
难点：共价晶体的结构与物理性质。
1．共价晶体
(1)相邻原子间以共价键结合形成共价键三维骨架结构的晶体，不存在单个的小分子。
(2)
(3)物理性质
共价晶体由于原子间以较强的共价键相结合，熔化时必需破坏共价键，而破坏它们需要很
高的温度，所以一般熔点很高，硬度很大。
2．金刚石的晶体结构
(1)金刚石是典型的共价晶体，天然的金刚石经常呈现规则多面体的外形。C—C—C夹
角为109°28′，即金刚石中的碳以 sp 3 杂化轨道形成共价键。
(2)金刚石里的C—C共价键的键长很短，键能很大，这一结构使金刚石在所有已知晶
体中硬度最大，而且熔点也很高。
3．SiO2的结构及应用
(1)SiO 是另一种典型的共价晶体，熔点为1713 ℃，有多种结构，最常见的是低温石
2
英，其结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，这一结构决定了它具有手
性，被广泛用作压电材料。
(2)SiO2具有许多重要用途，是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维
的原料。4．其他常见的共价晶体
(1)某些单质，如硼、硅、锗和灰锡等。
(2)某些非金属化合物，如 碳化硅 (SiC )(俗称金刚砂)、氮化硼(BN)等。
1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。
(1)共价晶体中共价键越强，熔点越高。( )
(2)共价晶体可能含有离子键。( )
(3)共价晶体的原子间只存在共价键，而分子晶体内只存在范德华力。( )
(4)SiO 的晶体结构中，每个Si原子与2个O原子直接相连。( )
2
(5)通常状况下，60 g SiO 晶体中含有的分子数为N (N 表示阿伏加德罗常数的值)。(
2 A A
)
(6)由原子直接构成的晶体一定是共价晶体。( )
【答案】 (1)√ (2)× (3)× (4)× (5)× (6)×
【解析】 (2)共价晶体中原子与原子间通过共价键结合，不可能含有
离子键。
(3)共价晶体的原子间只存在共价键，分子晶体内可能存在范德华力、
氢键和共价键。
(4)二氧化硅的晶体结构为，每个Si原子形成4个共价键，所以每个Si原子与4个O原子直
接相连。
(5)二氧化硅是由Si原子和O原子构成的共价晶体，所以二氧化硅晶体中不含分子。
2．根据下表中给出的有关数据，判断下列说法中错误的是( )
AlCl SiCl 晶体硼 金刚石 晶体硅
3 4
熔点/℃ 190 －60 2300 3550 1410
沸点/℃ 183 57 2550 4827 2355
A.SiCl 是分子晶体
4
B．晶体硼是共价晶体
C．AlCl 是分子晶体，加热能升华
3
D．金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键弱
【答案】 D
【解析】 碳原子的半径比硅原子的半径小，金刚石中的 C—C键键长比晶体硅中的Si—
Si键键长短，金刚石中的C—C键键能比晶体硅中的Si—Si键键能大，金刚石中的C—C
键比晶体硅中的Si—Si键强，D错误。3．有下列几种晶体：A.无色水晶，B.冰醋酸，C.白磷，D.金刚石，E.晶体氩，F.干
冰。
(1)属于分子晶体的是________(填字母，下同)。
(2)属于共价晶体的化合物是________。
(3)受热熔化时化学键不发生变化的晶体是________，受热熔化时需克服共价键的晶体
是________。
(4)晶体中存在氢键的是________。
(5)晶体中不存在化学键的是________。
【答案】 (1)BCEF (2)A (3)BCF AD (4)B (5)E
考点1分子晶体的结构特点和物理性质
1. 典型共价晶体的结构模型
物质 晶体结构 结构特点
a.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
b．晶体中C—C—C夹角为
金刚
石 109°28′，碳原子采取sp3杂化
c．最小环上有6个碳原子且六个碳原子不在同一平面内
d．晶体中C原子个数与C—C键个数之比为1∶＝1∶2
a.每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构
二氧
b．每个正四面体占有1个Si，4个“O”，n(Si)∶n(O)＝1∶2
化硅
c．最小环上有12个原子，即6个O，6个Si
注意：(1)二氧化硅晶体中，没有独立存在的SiO 分子，所以SiO 仅是代表二氧化硅晶
2 2
体的元素组成的化学式，而不是二氧化硅晶体的分子式。
(2)金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等共价晶体中的成键数目：①金刚石(或晶体
硅)中，1 mol C(或Si)形成2 mol C—C(或Si—Si)键；②碳化硅晶体中，1 mol碳或1 mol硅
均形成4 mol C—Si键；③SiO 晶体中，1 mol SiO 晶体中有4 mol Si—O键。
2 2
2. 共价晶体的物理特性及熔点比较
(1)共价晶体的物理性质①一般熔点都很高、硬度都很大。
②一般不导电，但晶体硅是半导体。
③难溶于常见的溶剂。
(2)共价晶体熔点比较
对结构相似的共价晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。如
金刚石、碳化硅、晶体硅的物理性质见下表：
晶体 键能/(kJ·mol－1) 熔点/℃ 硬度
金刚石 (C—C)347 3350 10
碳化硅 (C—Si)301 2600 9
晶体硅 (Si—Si)226 1415 7
由于金刚石、碳化硅、晶体硅的结构相似，C原子半径小于Si原子半径，键能：C—C
键>C—Si键>Si—Si键，所以三者的熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。
氮化碳部分结构如下图所示，其中β-氮化碳的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错误的是( )
A．β氮化碳属于共价晶体，其化学键比金刚石的更稳定
B．该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子稳定结构
C．β氮化碳的化学式为C N，其中氮显－3价，碳显＋4价
3 4
D．该晶体与金刚石结构相似，都是原子间以非极性键形成的空间网状结构
【答案】 D
【解析】 A项，N原子半径小于C原子半径，键长：C—N键碳化硅>晶体硅
B．沸点：NH >PH
3 3
C．硬度：白磷>冰>二氧化硅
D．熔点：SiI >SiBr >SiCl
4 4 4
【答案】 C
【解析】 A项，三种物质都是共价晶体，因为C的原子半径小于Si的，所以键长：C—C
键C—Si键>Si—Si键，键能越大，共价晶体的熔点
越高，正确；B项，NH 和PH 都是分子晶体，但NH 分子间存在氢键，故NH 的沸点较
3 3 3 3
高，正确；C项，二氧化硅是共价晶体，硬度较大，白磷和冰都是分子晶体，硬度较小，
错误；D项，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，分子间作用力越大，熔点越高，正确。
7．下列说法正确的是(N 代表阿伏加德罗常数的值)( )
A
A．在含2 mol Si—O键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为4N
A
B．30 g二氧化硅晶体中含有0.5N 个二氧化硅分子
A
C．金刚石的熔点高与C—C键的键能有关D．晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的共价晶体
【答案】 C
【解析】 1 mol SiO 中含有4 mol Si—O键，所以在含2 mol Si—O键的二氧化硅晶体中，
2
氧原子的数目为N ，A错误；二氧化硅晶体属于共价晶体，所以二氧化硅晶体中没有分
A
子，B错误；晶体硅属于共价晶体，晶体氖是分子晶体，D错误。
8．将SiCl 与过量的液氨反应可生成化合物 Si(NH ) 。将该化合物在无氧条件下高温灼
4 2 4
烧，可得到氮化硅(Si N)固体，氮化硅是一种新型耐高温、耐磨材料，在工业上有广泛的
3 4
应用。下列推断可能正确的是( )
A．SiCl 、Si N 的晶体类型相同
4 3 4
B．Si N 晶体是立体网状结构
3 4
C．C N 的熔点比Si N 的低
3 4 3 4
D．SiCl 晶体在熔化过程中化学键断裂
4
【答案】 B
【解析】 SiCl 是分子晶体，在熔化过程中克服的是分子间作用力，化学键不断裂。Si N
4 3 4
是共价晶体，其晶体为立体网状结构。根据C、Si的原子半径推知C—N键的键能比Si—N
键的键能大，故C N 的熔点比Si N 的高。
3 4 3 4
9．已知C N 晶体很可能具有比金刚石更大的硬度，且原子间均以单键结合，下列关于晶
3 4
体说法正确的是
A．C N 晶体中每个C原子连接4个N原子，而每个N原子连接3个C原子
3 4
B．C N 晶体中，C—N键的键长比金刚石中C—C键的键长要长
3 4
C．C N 晶体是分子晶体
3 4
D．C N 晶体中微粒间通过离子键结合
3 4
【答案】A
【解析】A．该晶体中原子间均以单键结合，且每个原子都达到8电子稳定结构，所以每个
C原子能形成4个共价键连接4个N原子，每个N原子能形成3个共价键连接3个C原子，
故A正确；
B．原子半径越大，原子间的键长越长，原子半径C＞N，所以C N 晶体中C-N键长比金刚
3 4
石中C-C要短，故B错误；
C．C N 晶体具有比原子晶体的金刚石更大的硬度，且原子间均以单键结合，说明该物质是
3 4
原子晶体；分子晶体熔沸点较低、硬度较小，原子晶体硬度较大，故C错误；
D．离子晶体微粒之间通过离子键结合，原子晶体微粒间通过共价键结合，该晶体是原子晶体，所以微粒间通过共价键结合，故D错误；
故选A。
10．中外科学家团队共同合成了T碳。T碳是将金刚石中的每个碳原子用一个由4个碳原子
形成的正四面体结构单元取代形成的碳的一种新型三维立方晶体，结构如图 1所示。下列
说法错误的是( )
A．每个T碳晶胞中含32个碳原子
B．T碳结构中的最小夹角为109°28′
C．T碳属于共价晶体
D．如图2是T碳晶胞的俯视图
【答案】 B
【解析】 一个金刚石晶胞中，含有C原子的数目为8×＋6×＋4＝8，将每个C原子换成形
成正四面体结构的4个C原子，则T碳晶胞中含有碳原子的数目为8×4＝32，A正确；4个
碳原子形成的正四面体结构单元中，两个碳碳键之间的夹角为60°，B错误；C原子间以共
价键结合形成空间网状结构，故T碳属于共价晶体，C正确；由T碳晶胞结构可知，其俯视
图正确，D正确。
11.已知SiC晶体具有较大的硬度，且原子间均以单键结合，下列关于SiC晶体的说法正确
的是（ ）
A.SiC晶体是分子晶体
B.SiC晶体中C—Si键的键长比金刚石中C—C键的键长要短
C.SiC晶体中粒子间通过离子键结合
D.SiC晶体中每个C原子连接4个Si原子，而每个Si原子连接4个C原子
【答案】 D
【解析】SiC晶体具有较大的硬度，且原子间均以单键结合，则SiC晶体属于共价晶体，A
项错误；原子半径Si>C，则键长C—Si>C—C，B项错误；SiC晶体是共价晶体，Si和C原
子之间通过共价键相结合，不存在离子键，C项错误；C、Si原子最外层均有4个价电子，
均能形成4个单键，SiC晶体中每个C原子连接4个Si原子，而每个Si原子连接4个C原
子，D项正确。
12．单质硼有无定型和晶体两种，参考下表数据，回答下列问题：物质 金刚石 晶体硅 晶体硼
熔点/K 大于3 828 1 683 2 573
沸点/K 5 100 2 628 2 823
硬度/Mob 10 7.0 9.5
(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，每个顶点上各有一个硼原子。通过观察及推算，此基本结构
单元由________个硼原子构成，其中 B—B 键的键角为________，B—B 键的键数为
________。
【答案】 (1)共价 晶体硼的熔、沸点和硬度都介于晶体硅和金刚石之间，晶体硅和金刚
石均为共价晶体，晶体硼也为共价晶体
(2)12 60° 30
【解析】 (1)晶体硼的熔、沸点和硬度都介于晶体硅和金刚石之间，而晶体硅和金刚石均
为共价晶体，故晶体硼也为共价晶体。(2)三角形的顶点为5个三角形所共有，此顶点完全
属于一个三角形的只有，每个三角形有3个这样的顶点，且晶体的基本单元中有20个这样
的三角形，故有3××20＝12，又因为三角形为正三角形，所以键角为60°，每个边为2个三
角形共用，所以边数为20×3×＝30。
13．请回答下列问题：
(1) Ga基态原子的核外电子排布式是________________。某种半导体材料由Ga和As
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两种元素组成，该半导体材料的化学式是________，其晶体结构类型可能为________。
(2)如图是氮化镓的晶胞结构：
氮化镓中镓原子的杂化方式为________，每个氮原子共与________个镓原子相结合。(3)立方氮化硼结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为 a cm，立方氮化硼
晶胞中含有________个氮原子、________个硼原子。
【答案】 (1)1s22s22p63s23p63d104s24p1或[Ar]3d104s24p1 GaAs 共价晶体
(2)sp3 4 (3)4 4
【解析】 (2)每个Ga与4个N形成共价键，这四个N构成正四面体结构；每个N与4个
Ga通过共价键结合，这四个Ga构成正四面体结构，所以氮化镓中镓原子的杂化方式为sp3
杂化。
(3)金刚石晶胞是立方体，其中8个顶角有8个碳原子，6个面心有6个碳原子，立方体内
部还有4个碳原子，所以金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数＝8×＋6×＋4＝8，因此立方
氮化硼晶胞中应该含有4个N原子和4个B原子。
14．(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ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数的值为N ，则晶体中最
A
近的两个硅原子之间的距离为________cm(用代数式表示即可)。
【答案】 (1)共价晶体 12
(2)4 正四面体 ×
【解析】 (1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5，硬度大，属于共价晶体；每个碳原子周围最近的
碳原子数目为3×8×＝12；该晶胞中C原子个数为8×＋6×＝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＝＝。
