分子晶体与共价晶体
第2课时
◆教学目标
1. 知道共价晶体的结构特点，认识金刚石晶体中碳原子的三维骨架结构，能借助共价晶体模型说明共价晶体中粒子间的相互作用。
2. 能结合具体事例，说出共价晶体的粒子间相互作用与物质宏观性质（熔点、硬度等）的关系。
◆教学重难点
共价晶体的结构特点与性质之间的关系。
◆教学过程
一、新课导入
纯净的金刚石是无透明，正八面体形状的固体。地壳中含有极少量的金刚石，它是天然存在的最硬的物质。经过打磨后，可以成为璀璨夺目的钻石。
世界遗产中国第一>石家庄景点排行榜钻石切割流程：现在钻坯上沿钻石的天然纹理方向划线，再沿线劈割或锯切。“天然纹理”是金刚石微观原子有序排列的宏观表现。
金刚石与众不同的性质让人们一直好奇它是由什么组成的，它的结构是怎样的，下面几个实验是人类对它结构、组成的探索。
实验1：在密闭的并含有足量氧气的容器中分别加热金刚石和石墨，实验检测结果：所得唯一产物都是CO2；
实验2：当年有科学家用放大镜在阳光下观察金刚石的精细结构，结果金刚石化作一缕轻烟消失的无影无踪。
实验3：1799年法国化学家将金刚石隔绝空气后加热，金刚石变成了石墨；
实验4：1955年美国科学家从天然金刚石的成因中得到启示，设计了一种静压装置，在1000K、7106 kPa的条件下，经催化剂的作用，终于将石墨转化为金刚石。
石墨怎样转化为金刚石？
二、讲授新课
二、共价晶体
【模型搭建】
深情的话在金刚石的晶体中，每个碳原子都采取sp3杂化与相邻4个碳原子形成4个σ键，并不断延伸形成三维立体网状结构。
请同学们搭建金刚石的结构模型，搭建过程中注意观察碳原子之间的几何关系。
【提问】（1）在金刚石晶体中，相邻C-C间的夹角为多少？每个碳原子紧邻的碳原子数是多少？最小环由多少个碳原子构成？这些原子是否在同一平面内？
【讲解】相邻C-C间的夹角为109°28′；
每个碳原子紧邻的碳原子数是4；
最小环由6个碳原子构成，它们不在同一平面内。
1. 共价晶体的概念与特征
乔家的儿女原著结局定义：像金刚石一样，晶体的微观空间里没有分子，相邻原子间以共价键相结合而形成三维骨架结构的晶体，叫做共价晶体。
共价晶体概念中的要点：
构成粒子：原子
粒子间作用力：共价键
空间结构：三维骨架结构
金刚石的晶胞是怎样的呢？
在金刚石的三维结构中通过合适的选取碳原子，可以得到一个立方体晶胞。
【提问】（2）在金刚石晶胞中，碳原子分布在立方体的什么位置？一个金刚石晶胞平均占
有几个碳原子？
【讲解】晶胞立方体的每个顶点上各有一个碳原子，共8个；在每一个面的中心有一个碳原子，共6个；在体内共4个原子。
一个晶胞平均占有碳原子数 = 8 ×1/8 + 6 × 1/2 +4 = 8 个。
2. 共价晶体的性质
金刚石里的C-C共价键的键长是154 pm，很短；键能347.7 kJ/mol，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 > 3500℃，很高。
高熔点、高硬度是许多有共价键三维骨架架构的共价晶体的特性。
【提问】（3）为什么共价晶体普遍具有熔点高、硬度大的特点？
【讲解】共价晶体中，所有原子均以共价键结合，形成的是三维骨架结构。
无论是熔化还是发生形变，都必须破坏晶体中的共价键，而共价键的键能相对较大（尤其是与范德华力、氢键相比），破坏它们需要很大的能量，因此需要很高的温度或者很强的外力。
碳、硅、锗是同一主族的元素，硅和锗形成的晶体与金刚石是的结构极其相似，只是将碳原子换成了硅原子或锗原子。
【提问】（4）怎样从原子结构的角度理解金刚石、硅、锗的熔点和硬度依次下降？乒乓球第一次混双
【讲解】金刚石、硅、锗三者同属共价晶体，熔点和硬度都较高。
而三者的核心差别在碳、硅、锗原子半径依次递增，C-C、Si-Si、Ge-Ge的键长依次递增，键长越大，键能越小，所以熔点和硬度依次下降。
【提问】（5）从共价晶体的概念及元素周期表、周期律的角度思考：同种原子之间可以形
成共价晶体，不同种原子之间可以形成共价晶体么？如果以金刚石为母体，将其中的部分碳原子换为其他原子，可以换成什么原子呢？
【讲解】不同种的原子之间可以形成共价晶体，只要让不同种的原子能通过共价键与相邻原子无限连接下去即可。
由于硅和锗都是共价晶体，且二者与碳元素是同主族元素，因此将金刚石中的部分碳原子替换为硅或锗，可能得到新的共价晶体。
碳化硅俗称金刚砂，是人工合成的无机非金属材料。对这种材料的晶体结构的测定表明，碳化硅晶体的结构类似于金刚石晶体的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。英语四级写作技巧
【提问】（6）碳化硅的晶胞如下图所示，碳原子和硅原子的个数比为多少？
【讲解】晶胞中共有4个碳原子，4个硅原子，故碳原子和硅原子的个数比为1：1。
碳化硅硬度大，具有耐热性、耐氧化性和耐腐蚀性，可用作磨料、耐火材料、电热元件等，还可用来制造机械工程中的结构件和化学工程中的密封件等。
【提问】（7）根据原子结构，对比金刚石、晶体硅，推测碳化硅的键长、键能以及熔点、硬度大约在什么范围？结合书82页的数据验证你的推测。
【讲解】因硅原子半径大于碳原子，所以
键长：晶体硅 > 碳化硅 > 金刚石；
键能：晶体硅 < 碳化硅 < 金刚石；
熔点和硬度：晶体硅 < 碳化硅 < 金刚石。
水晶是一种古老的宝石，晶体完好时呈六棱柱钻头形，它的主要成分是二氧化硅。二氧化硅是由地壳中含量最高的两种元素组合形成的化合物。
SiO2的熔点为1710 ℃，莫氏硬度为7，你认为SiO2属于什么晶体？
二氧化硅熔点高、硬度大，推测二氧化硅可能是共价晶体。
【提问】（8）二氧化硅是一种典型的共价晶体。根据硅和氧的原子结构，并结合二氧化硅中硅和氧元素的化合价，猜测一下硅原子和氧原子是怎样成键的？在二氧化硅晶体中原子又是怎样排列的呢？
【讲解】在二氧化硅晶体里，硅原子和氧原子交替排列，不会出现Si-Si键和O-O键，而只有Si-O键，即一个硅原子与四个氧原子形成四个共价键，每个氧原子与两个硅原子形成两个共价键。
硅氧四面体结构，通过共用顶角的氧原子形成螺旋上升的长链。
二氧化硅是自然界中含量最高的固态二元氧化物。自然界中最常见的二氧化硅晶体是低温石英。
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