1、1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 键键长很短，键能很大，故金刚石的硬度很大，熔点很高。(6)1 mol C 原
2、子组成的金刚石中含有 2 mol CC 键。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2氧原子。(3)在二氧化硅晶体中，硅原子采取 sp3杂化，Si OSi 键与 SiOSi 键的夹角是109.5。(4)二氧化硅晶体中最小环上的原子数是 12，包括 6 个 O 原子和 6 个 Si 原子。(5)1 mol 二氧化硅晶体中含
3、有 4 mol SiO 键。(1)原子晶体：相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体。构成原子晶体的基本微粒是原子。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。(2)原子晶体的结构特征由于共价键的方向性和饱和性，每个中心原子周围排列的原子数目是有限的，故原子不遵循紧密堆积原则。原子晶体呈空间立体网状结构，原子晶体中不存在单个分子，原子晶体的化学式仅仅表示晶体中的原子个数关系。(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
4、化硅(SiO 2)等。例 1 下列物质的晶体直接由原子构成的一组是( )CO 2 SiO 2 晶体 Si 白磷 氨基乙酸 固态 HeA BC D答案 C例 2 下列有关原子晶体的叙述不正确的是( )A金刚石和二氧化硅晶体的最小结构单元都是正四面体B含 1 mol C 的金刚石中 CC 键数目是 2NA,1 mol SiO2晶体中 SiO 键数目是 4NAC水晶和干冰在熔化时，晶体中的共价键都会断裂DSiO 2晶体是原子晶体，所以晶体中不存在分子，SiO 2不是它的分子式答案 C解析 金刚石是 1 个中心碳原子连接 4 个碳原子，二氧化硅是 1 个中心硅原子连接 4 个氧原3子，均为正四面体，A
5、 项正确；金刚石中，1 个 C 原子与另外 4 个 C 原子形成 4 个 CC 键，这个 C 原子对每个单键的贡献只有 ，所以 1 mol C 原子形成的 CC 键为 4 mol 2 12 12mol，而二氧化硅晶体中 1 个 Si 原子分别与 4 个 O 原子形成 4 个 SiO 键，则 1 mol SiO2晶体中 SiO 键为 4 mol，B 项正确；干冰熔化时只破坏分子间作用力，共价键不会断裂，C 项错误；原子晶体的构成微粒是原子不是分子，D 项正确。规律总结 (1)晶体硅的结构与金刚石相似，即将金刚石中的碳原子换成硅原子。不同的是，硅晶体中的 SiSi 键的键长比金刚石中的 CC 键的
6、键长长。(2)SiO2晶体结构相当于晶体硅结构中每个 SiSi 键中间插入一个 O 原子。(3)碳化硅晶体与金刚石结构相似，其空间结构中碳原子和硅原子交替排列。碳原子和硅原子个数之比为 11。二、原子晶体的性质与共价键的关系晶体硅(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)347 154 3 350 10金刚砂 (CSi)301 186 2 600 9晶体硅 (SiSi)226 234 1 415 7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
7、越高，硬度越大；反之，键长越长，键能越小，熔点越低，硬度越小。(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：熔、沸点很高；硬度大；一般不导电；难溶于溶剂。(2)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。提醒 原子晶体的熔、沸点不一定高于金属晶体和离子晶体。如 MgO(2 800 )SiO 2(1 713 )、钨(3 410 )SiO 2(1 713 )。4例 3 根据下列物质的性质，判断其属于原子晶体的是( )A熔点 2 700 ，导电性强，延展性强B无色晶体，熔点 3 550 ，不导电，质
8、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 原子晶体一般不导电，没有延展性，A 项错误；原子晶体难溶于水，C 项错误；原子晶体一般熔点很高，硬度很大，D 项错误。例 4 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/ 3 900 3 000 2 700 1 710 1 410 1 211硬度 10 9.5 9.5 7.0 6.5 6.0分析表中的数据，判断下列叙述正确的是( )A构成原子晶体的原子种类越多，晶体的熔点越高B构成原子晶体的原子间的共价键
9、键能越大，晶体的熔点越高C构成原子晶体的原子的半径越大，晶体的硬度越大D构成原子晶体的原子的相对分子质量越大，晶体的硬度越大答案 B1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5C金刚石 D干冰答案 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，干冰是分子晶体。2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原子晶体的熔点一定比金属晶体的高C在 SiO2晶体中，1 个硅原子和 2 个氧原子形成 2 个共价键D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答案 D解析 原子晶体单质
10、中含有非极性共价键，原子晶体化合物中存在极性共价键；在 SiO2晶体中，1 个硅原子与周围 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。3二氧化硅晶体是空间立体网状结构，如图所示，下列关于二氧化硅晶体的说法中正确的是 ( )A1 mol SiO 2晶体中 SiO 键为 2 molB二氧化硅晶体的分子式是 SiO2C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答案 C解析 A 选项错误，SiO 2晶体中，1 个硅原子与周围 4 个氧原子形成 SiO 键，所以 1 mol SiO2晶体中
11、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，SiO 2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；6D 选项错误，晶体中最小环上硅与氧交替连接，SiO 2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。4科学家用激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时再用射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结
12、合成碳氮化合物薄膜。据称，这种化合物可能比金刚石更坚硬。其原因可能是 ( )A碳、氮原子构成平面结构的晶体B碳氮键键长比金刚石中的碳碳键键长更短C氮原子电子数比碳原子电子数多D碳、氮单质的化学性质均不活泼答案 B解析 由“这种化合物可能比金刚石更坚硬”可知，该晶体应该是一种原子晶体，原子晶体的结构是一种空间网状结构而不是平面结构，A 选项错误；氮原子的半径比碳原子的半径小，二者所形成的共价键的键长要比碳碳键的键长短，所以该晶体的硬度应该比金刚石更高，B选项正确；原子的电子数和单质的活泼性一般不会影响所形成的晶体的硬度等，所以 C、D选项错误。5回答下列问题：(1)氮化碳和氮化硅晶体结构相似，是
13、新型的非金属高温陶瓷材料，它们的硬度大、熔点高，化学性质稳定。氮化硅的硬度_(填“大于”或“小于”)氮化碳的硬度，原因是_。已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且氮原子与氮原子不直接相连、硅原子与硅原子不直接相连，同时每个原子都满足 8 电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式_。(2)第A、A 族元素组成的化合物 GaN、GaP、GaAs 等是人工合成的新型半导体材料，其晶体结构与单晶硅相似。在 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 原子构成的空间构型为_，GaN 属于_晶体。三种新型半导体材料的熔点由高到低的顺序为_。7答案 (1)小于 氮
14、化硅和氮化碳均为原子晶体，氮化硅中 NSi 键的键长比氮化碳中CN 键的键长长，键能小 Si 3N4(2)4 正四面体 原子 GaNGaPGaAs解析 (1)氮化硅和氮化碳均为原子晶体。氮化硅中 NSi 键的键长比氮化碳中 CN 键的键长长，键能小，所以氮化硅硬度比氮化碳小。由题意知，氮化硅晶体中每个 Si 原子连接 4 个 N 原子，每个 N 原子连接 3 个 Si 原子，Si和 N 原子均达到 8 电子稳定结构，其化学式为 Si3N4。(2)GaN 与单晶硅结构相似，所以每个 Ga 原子与 4 个 N 原子形成共价键，每个 N 原子与 4个 Ga 原子形成共价键。与同一个 Ga 原子相连的
15、 N 原子构成的空间构型为正四面体结构，GaN 与晶体硅都是原子晶体。原子半径越小，共价键越强，晶体的熔点越高。对点训练题组 1 原子晶体的结构1下列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则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答案 D解析 A 项，原子晶体中原子之间通过共价键相连，而共价键具有方向性和饱和性，所以原子晶体中，原子不遵循紧密堆积原则；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，原子晶体是原子通过共价键连接的，熔化时需要
16、破坏共价键。2在单质的晶体中一定不存在的微粒是( )A原子 B分子C阴离子 D阳离子答案 C解析 A 项，例如金刚石由碳原子组成；B 项，例如 I2由碘分子组成；D 项，例如金属 Cu由 Cu2 和自由电子组成；C 项中阴离子只能存在于离子化合物中。83下列关于 SiO2晶体网状结构的叙述中正确的是( )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 12D最小的环上，有 6 个 Si 原子和 6 个 O 原子答案 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
17、，硅原子处于中心，氧原子处于 4 个顶角，所以 A 项错误；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下列说法正确的是( )A在含 4 mol SiO 键的二氧化硅晶体中，氧原子的数目为 4NAB金刚石晶体中，碳原子数与 CC 键数之比为 12C30 g 二氧化硅晶体中含有 0.5NA个二氧化硅分子D晶体硅、晶体氖均是由相应原子直接构成的原子晶体答案 B解析 在二氧化硅晶体中，每个硅原子形成 4 个 SiO 键，故含有 4 mol SiO 键的二氧化硅晶体的物
18、质的量为 1 mol，即含有 2NA个氧原子，A 项错误；金刚石中每个碳原子均与另外 4 个碳原子形成共价键，且每两个碳原子形成一个 CC 键，故 1 mol 碳原子构成的金刚石中共有 2 mol CC 键，因此碳原子数与 CC 键数之比为 12，B 项正确；二氧化硅晶体中不存在分子，C 项错误；氖晶体是由单原子分子靠分子间作用力结合在一起形成的，属于分子晶体，D 项错误。题组 2 原子晶体的性质及判断5氮化铝(AlN)常用做砂轮及高温炉衬材料，熔化状态下不导电，可知它属于( )A离子晶体 B原子晶体C分子晶体 D无法判断答案 B解析 熔化状态下不导电的化合物必定是共价化合物，排除是离子化合物
19、的可能，又因为具有耐高温的性能，所以必定是原子晶体。96下列事实能说明刚玉(Al 2O3)是一种原子晶体的是( )Al 2O3是两性氧化物 硬度很大 它的熔点为 2 045 几乎不溶于水 自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石A BC D答案 B解析 指的是 Al2O3的分类，指的是刚玉的种类，这两项都无法说明 Al2O3是一种原子晶体。7AB 型共价化合物晶体，若其原子最外层电子数之和为 8，常是具有半导体性质的原子晶体。已知金刚石不导电而导热；锆石(ZrO 2)不导电、不导热，却硬似钻石；近期用制耐热器的碳化硅制成了假钻石，则识别它们的可行方法是( )A能在玻璃上刻划出痕迹的为金刚石B很硬不导电而
20、导热的是金刚石和碳化硅C既可导电又可导热的是碳化硅D不导电的为锆石答案 B解析 金刚石、SiC、锆石均为原子晶体，但物理性质有差异。8下列物质的熔点顺序判断不正确的是( )ALiNaKRbB原子晶体离子晶体金属晶体C金刚石碳化硅晶体硅DNaClKClCsCl答案 B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。金属晶体的熔点差别很大，可能比离子晶体的熔、沸点高，离子晶体的熔、沸点与离子半径和离子所带电荷数有关，电荷数相同时，离子半径越小，晶体的熔、沸点越高，原子晶体中原子的半径越小，熔点越高。题组 3 原子晶体结构与性质的综合考查9.磷化硼是
21、一种超硬耐磨涂层材料。右图为其晶体结构中最小的重复结构单元，其中的每个10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，
22、故 D 错误。10在 40 GPa 高压下，用激光器加热到 1 800 K 时，科学家成功地制得了原子晶体 CO2，下列有关这种 CO2晶体推断正确的是( )A原子晶体 CO2易升华，可用做制冷剂B原子晶体 CO2的硬度和耐磨性都不如水晶C原子晶体 CO2有很高的熔、沸点，很大的硬度，可用做耐磨材料D每摩尔原子晶体 CO2含 2 mol CO 键，每摩尔 C 原子与 4 mol O 原子形成共价键答案 C解析 原子晶体 CO2中 C 和 O 原子之间以共价键结合成空间立体网状结构，共价键作用强，所以其具有很高的熔、沸点，很大的硬度，A 不正确，C 正确；CO 2与 SiO2组成相似，将SiO2
23、晶体中的 Si 原子换成 C 原子就是原子晶体 CO2的结构，由于 CO 键的键长小于 SiO键的键长，CO 键的键能大于 SiO 键的键能，所以原子晶体 CO2的硬度和耐磨性都强于水晶，B 不正确；在原子晶体 CO2中，每个 C 原子都处于 4 个氧原子构成的四面体的中心，所以每摩尔原子晶体 CO2中含有 4 mol CO 键，每摩尔 C 原子与 4 mol O 原子形成共价键，D不正确。11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，比金刚石中的硬度更大11B该晶体中每个碳原子与 4 个氮原子相连，每个氮原子
24、与 3 个碳原子相连，氮化碳的化学式为 C3N4C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空间网状结构答案 D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，B、C 项正确；氮化碳晶体原子间以 NC 极性键形成空间网状结构，D 项错误。
25、12氮化硼(BN)晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相，与石墨相似，具有层状结构，可作高温润滑剂；立方相氮化硼是超硬材料，有优异的耐磨性。它们的晶体结构如图所示，下列关于这两种晶体的说法正确的是( )A六方相氮化硼与石墨一样可以导电B立方相氮化硼含有 键和 键，所以硬度大C两种晶体均为分子晶体D六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间构型为平面三角形答案 D解析 A 项，六方相氮化硼晶体中没有可以自由移动的电子或离子，所以不导电，错误；B项，立方相氮化硼中只含有 键，错误；C 项，立方相氮化硼是原子晶体，错误；D 项，由六方相氮化硼的晶体结构可知，每个硼原子与相邻 3
26、个氮原子构成平面三角形，正确。综合强化13单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据：金刚石 晶体硅 晶体硼12熔点/K 3 823 1 683 2 573沸点/K 5 100 2 628 2 823硬度 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 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，键角为_。答案 (1)原子 晶体硼的熔、沸点和硬度都介于晶体硅和金刚石之间，而金刚石和晶体硅均为原子晶体，B 与 C 相邻且与 S
27、i 处于对角线位置，也应为原子晶体(2)12 60解析 (2)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 ，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15这样的顶点(B 原子)有 2012 个。又因晶体 B 中的三角形面为正三角形，所以键角为3560。14(1)Ge 单晶具有金刚石型结构，其中 Ge 原子的杂化方式为_，微粒之间存在的作用力是_。(2)晶胞有两个基本要素：原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置。如图为 Ge 单晶的晶胞，其中原子坐标参数 A 为(0,0,0)；B 为( ，0， )，C 为(
28、，0)。则 D 原子的坐12 12 1212标参数为_。晶胞参数，描述晶胞的大小和形状。已知 Ge 单晶的晶胞参数 a565.76 pm，其密度为13_ gcm3 (列出计算式即可)。已知：Ge 的相对原子质量为 73。答案 (1)sp 3 共价键(或非极性共价键)(2)( ， ) 1071414 14 8736.02565.763解析 (1)类比金刚石，晶体锗是原子晶体，每个锗原子与其周围的 4 个锗原子形成 4 个单键，故锗原子采用 sp3杂化，锗原子间以共价键(或非极性共价键)结合。(2)对照晶胞图示及 A、B、C 点坐标，选 A 点为参照点，可知 D 在体对角线的 处，运用比例关系可得
29、 D 的14坐标参数为( ， )；因为其晶胞类似金刚石晶胞，故其晶胞内含 8 个 Ge 原子， 1414 14 mV107 gcm3 。8736.02565.76315(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 gcm3 ，阿伏加德罗常数的值为 NA
30、，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)。答案 (1)原子晶体 12 440 gmol 1a10 10 cm36.021023 mol 1(2)4 正四面体 34 3 224 NA解析 (1)金刚砂(SiC)的硬度为 9.5，硬度大，属于原子晶体；每个碳原子连接 4 个硅原子，每个硅原子又连接其他 3 个碳原子，所以每个碳原子周围最近的碳原子数目为 3412；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 a1010 cm，体积18 12V( a1010 cm)3， 。mV 440 gmol 1a10 10 cm36.021023 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14Ga 原子相连的 N 原子构成的空间结构为正四面体。在晶体 Si 的晶胞中含有 Si 原子的数目是 8 6 48，则根据晶胞的密度 可知 V cm3 cm3，晶18 12 mV m 288NA 224 NA胞的边长 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3V3 224 NA的 ，即 cm。14 34 3 224 NA
