第二節分子晶體與共價晶體第三章晶體結構與性質1.了解分子晶體的結構特點。2.能借助分子晶體模型說明分子晶體中的粒子及粒子間的相互作用，以及范德華力與氫鍵對分子晶體結構與性質的影響。學習目標：3.了解共價晶體的結構特點。4.能借助共價晶體模型說明共價晶體中的粒子及粒子間的相互作用，以及對共價晶體結構與性質的影響。素養目標：通過分子晶體、共價晶體的分析研究，發展“宏觀辨識與微觀探析”、“證據推理與模型認知”的學科核心素養。學習任務1：一、分子晶體1.什么是分子晶體只含分子的晶體稱為分子晶體。2.分子晶體中，相鄰分子間靠什么力相互吸引如碘晶體只含I2分子，屬于分子晶體(圖3-11)。碘晶體在分子晶體中，相鄰分子靠分子間作用力(范德華力)相互吸引。3.分子晶體有什么性質分子晶體熔點低、硬度小。原因：只需破壞分間作用力，而分子間作用力比化學鍵弱得多。分子晶體氧氣氮氣白磷水熔點/℃-218.3-210.144.20分子晶體硫化氫甲烷乙酸尿素熔點/℃-85.6-18216.6132.7表3-2某些分子晶體的熔點3.哪些晶體屬于分子晶體①所有非金屬氫化物，如水、硫化氫、氨、氯化氫、甲烷等；典型的分子晶體：②部分非金屬單質，如鹵素(X2)、硫(S8)、氧氣(O2)、氮氣(N2)、白磷

(P4)、碳60

(C60

)、稀有氣體等；③部分非金屬氧化物，如CO2、SO2、P4O6、

P4O10等；④幾乎所有的酸，如H2SO4、HNO3、H3PO4⑤絕大多數有機物，如乙醇，冰醋酸，蔗糖等。注意：SiO2不是分子晶體4.分子晶體結構有什么特點(多數)對于分子間只有范德華力的晶體，若以一個分子為中心，其周圍最多有12個分子，稱為分子密堆積(面心立方體)。①二氧化碳晶體干冰中CO2之間只存在范德華力，一個分周圍有12個緊鄰分子(如圖3-19)。干冰外觀很像冰，密度比冰高，硬度與冰相似，但熔點比冰低得多，常壓下易升華。(面心立方體)圖3-19干冰及其晶胞微觀探析宏觀辨識微觀探析——冰晶體結構探析冰晶體結構可視化冰中一個水分子周圍有4個水分子冰的結構冰融化，分子間的空隙減小圖3-8冰和液態水的結構對表(虛線表示氫鍵)②冰水分子間的主要作用力是氫鍵(也存在范德華力)，從圖可知，由于氫鍵有方向性和飽和性，每個水分子周圍只有4個緊鄰的水分子，氫鍵的存在迫使在四面體中心的每個水分子與四面體頂角方向的4個相鄰水分子相互吸引。這一排列使冰晶體中的水分子的空間利用率不高，留有相當大的空隙，其密度比液態水小。當冰剛剛融化為液態水時，熱運動使冰的結構部分解體，水分子間的空隙減小，密度反而增大，超過4℃時，由于熱運動加劇，分子間的距離加大，密度逐漸減小。

硫化氫和水分子結構相似，但硫化氫晶體中，一個硫化氫分子周圍有12個緊鄰分子，而冰中一個水分子周圍只有4個緊鄰分子，這是為什么？思考與交流

H2S晶體分子之間只存在范德華力，形成以一個分子為中心，其周圍最多有12個分子分子密堆積的面心立方體結構。而冰晶體中水分子間主要是氫鍵，而氫鍵具有方向性和飽和性，所以冰中一個水分子周圍只有4個緊鄰分子。冰的一種常見的晶胞（六方晶胞）取兩塊大小相同的干冰，在一塊干冰中央挖一個小穴，撒入一些鎂粉，用紅熱的鐵棒把鎂點燃，將另一塊干冰蓋上，你會看到鎂粉在干冰內_________，像冰燈中裝進一個______一樣，發出___________。(切勿用手接觸干冰，以免凍傷！)這個實驗不但證明了金屬鎂可以跟二氧化碳____，而且也說明了干冰易_____的特性。

（2Mg+CO2

2MgO+C)資料卡片繼續燃燒電燈泡耀眼的白光反應升華

許多氣體可以與水形成水合物晶體。最早發現這類水合物晶體的是19世紀初的英國化學家戴維，他發現氯可形成化學式為Cl2·8H20的水合物晶體。20世紀末，科學家發現海底存在大量天然氣水合物晶體。這種晶體的主要氣體成分是甲烷，因而又稱甲烷水合物。它的外形像冰，而且在常溫常壓下會迅速分解釋放出可燃的甲烷，因而又稱“可燃冰”。天然氣水合物—一種潛在的能源科學?技術?社會在天然氣水合物晶體中，有甲烷、乙烷、氮氣、氧氣、二氧化碳、硫化氫、稀有氣體等，它們在水合物晶體里是裝在以氫鍵相連的幾個水分子構成的籠內，因而又稱籠狀化合物（如圖3-20上）。天然氣水合物晶體中的水分子籠是多種多樣的（如圖3-20下）。假設天然氣水合物的水籠穴里裝的都是甲烷，甲烷水合物的化學式可表示為8CH4.46H2O，相當于

CH4

和

H2O的物質的量比為1:5.75。把甲烷水合物從海底提升到海平面，1

m3

固體可釋放164m3(標準狀況)甲烷氣體。海底天然氣水合物的密度與冰的十分接近，為0.92~0.93

g/cm3

，用這個數據進行理論推算可知，甲烷分子并沒有完全占據可被占據的籠穴，只占據了70%~90％的籠穴。估計全球的海底和冰川底部藏在天然氣水合物中的天然氣，總量超過煤、石油和天態氣等化石燃料的總和的兩倍，是巨大的潛在能源。

據報道，在2017年5月18日，我國南海神狐海域天然氣水合物試采實現連續超過7天的穩定產氣。觀察下表，為什么同為二元氧化物的CO2和SiO2熔沸點差別這么大？觀察與思考物質熔點/℃沸點/℃晶體類型CO2-56.2（在527kPa下測得）-78.5SiO217232230分子晶體？二氧化碳晶體(干冰)屬于分子間通過范德華力形成的分子晶體，溶、沸點低。二氧化硅晶體熔、沸點高得很多，它的晶體一定不是分子晶體，那么它屬于什么晶體呢？干冰SiO2學習任務2：二、共價晶體1.什么是共價晶體所有原子都以共價鍵相互結合形成立體網狀結構的晶體共價晶體構成粒子：原子共價晶體構粒子間作用力：共價鍵(破壞困難)2.共價晶體有什么性質①高熔點②高硬度③一般不導電，但晶體硅、鍺是半導體④難溶于一般的溶劑共價晶體中，原子間以較強的共價鍵相結合，要使物質熔化就要克服共價鍵，需要很高的能量。以共價鍵結合的立體網狀結構很難被破壞。3.兩種典型共價晶體例析(1)金剛石天然金剛石呈現多面體外形微觀探析宏觀辨識

金剛石的結構

金剛石的晶胞在金剛石中，每個碳原子以四個共價單鍵對稱地與相鄰4個碳原子結合，鍵角為109。28′，即金剛石中的碳采用sp3雜化軌道形成共價鍵三維骨架結構。在金剛石中，C－C共價鍵鍵長154pm很短，鍵能347.7KJ/mol很大，這一結構使金剛石在所有已知晶體中硬度最大，且熔點(>3500℃)也很高。碳原子數：8×+6×+4=81812碳原子含共價鍵數：4×=212(2)

SiO2晶體

SiO2是自然界含量最高的二元氧化物，熔點1713

℃，有多種結構，最常見的是低溫石英。遍布河岸的黃沙、帶狀的石英礦脈、花崗石里的白色晶體以及透明的水晶都低溫石英。黃沙花崗巖石英礦水晶①SiO2在自然界分布是怎樣的②低溫石英的結構是怎樣的在低溫石英的結構中，一個硅原子與四個氧原子通過共價鍵形成硅氧四面體，頂角相連的硅氧四面體形成螺旋上升的長鏈。這一結構決定了它具有手性，被廣泛用作壓電材料，如制作石英手表。③

SiO2有什么用途是制造水泥、玻璃、單晶硅、硅光電池、芯片和光導纖維的原料。圖3-24以這原料制造的高科技產品4.哪些晶體屬于共價晶體如硼（B）、硅（Si）、鍺（Ge）和錫（Sn）等如碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)及氮化硅(Si3N4)等①某些單質②某些非金屬氧化物近年來Si3N4以為基礎，用Al取代部分Si，用O取代部分N而獲得結構多樣化的陶瓷，用于制作LED發材料。

(1)怎樣從原子結構的角度理解金剛石，硅和鍺的熔點和硬度依次下降？

(2)“具有共價鍵的晶體叫做共價晶體”，這種說法對嗎？為什么？思考與討論不對，分子晶體中通常也含有共價鍵。如CO2晶體

干冰,只有分子內部才通過共價鍵結合，而分子間通過范德華力結合成分子晶體；此外，某些離子晶體中也含共價鍵，如NaOH、NH4Cl結構相似的共價晶體，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，晶體熔點越高。原子半徑C

<Si<Ge，鍵長C-C

<Si-Si

<Ge-Ge，鍵能C-C

＞Si-Si

＞Ge-Ge，所以它們的熔點和硬度依次下降。

表3-3某些共價晶體的熔點和硬度

硬度是衡量固體軟硬程度的指標。硬度有不同的標度，最普通的硬度標度是畫痕硬度，即摩氏硬度，以固體互相刻畫時出現刻痕的固體的硬度較低。金剛石不能被任何天然礦物畫出刻痕，因而是最硬的。以金剛石的硬度為10，以另9種天然礦物為代表，可將摩氏硬度分為十度，即：代表物金剛石剛玉黃玉石英正長石磷灰石瑩石方解石石膏滑石硬度10987654321應當指出，硬度大的物質不一定經得錘擊，如金剛石硬度大，卻很容易經鍾擊而破碎。物質經受錘擊的性質屬于延展性。由于共價晶體中的共價鍵具有方向性，當受到大的外力作用時會發生原了錯位而斷裂。你要是有粒鉆石，切不可用錘子砸喲！

資料卡片共價晶體金剛石氮化硼碳化硅石英硅鍺熔點/℃＞350030002700171014101211摩氏硬度109.59.576.56.0金剛石

人類把天然金剛石當作寶石珍藏已有三千余年的歷史。經過琢磨的金剛石稱為鉆石，透光度高。純凈的金剛石無色透明，含雜質則呈藍、黃、棕、綠、黑等色。用同位素斷代實驗證實，所有的天然金剛石至少已有9.9億歲了，其中許多甚至已達32億歲！天然金剛石是在離地表100~200km深的地幔中形成的。在那里，溫度為900~1300℃，壓力為4.5×109~6.0×109Pa。天然金剛石是火山爆發帶到地表來的。火山爆發時形成的巖漿是傳輸金剛石的介質，它冷卻形成的巖石即富含金剛石的金伯利巖。在地球表面，石墨比金剛石更穩定，但迅速上升到地表的火山巖漿急速冷卻，使金剛石不能轉化為石墨。圖3-25是幾幅軟件模擬金伯利巖漿攜帶金剛石上升到地表的動畫截圖。圖3-25中金剛石的大小被大大夸張了，其實，金伯利巖中金剛石的量是極其稀少的。據統計，平均1000kg金伯利巖中只有5g金剛石，而且其中80％只能用于工業（如制作鉆頭等），不能用于磨制鉆石，而品質上乘的鉆石就更少了。科學?技術?社會圖3-25火山巖漿把金剛石從地幔深處輸送到地表并冷卻成金伯利巖

人工合成金剛石

(1)高壓合成人工合成金剛石的探索始于19世紀末，直到20世紀50年代，在理論上論證了合成金剛石需要的高壓高溫條件，才逐漸從實驗探索發展成大規模的工業生產。高壓合成金剛石的原料是廉價的石墨。用高壓釜施加高溫高壓并加入金屬鎳等金屬催化劑，石墨可轉化為金剛石（如圖3-26)。此外，也可借爆炸產生的高溫高壓合成，但后者得到的金剛石顆粒細小，只能用作磨料。然而，廉價而大量地合成寶石級的金剛石仍是一個人類尚未攻克的難題。(2)低壓合成20世紀80年代，人們發現，甲烷等簡單的碳氫化合物跟大量氫氣混合，在微波爐里形成低溫低壓的等離子體在硅等基質上沉積，能得到顆粒微小的金剛石的薄膜。近年，已用這種方法獲得了寶石級大鉆石。此法的出現震驚世人，對人類科學思維取向有深刻的啟示。小結：晶體類型共價晶體分子晶體構成微粒

作用力熔沸點硬度溶解性導電性典型舉例原子分子共價鍵分子間作用力(或氫鍵)很大較小很大較小不溶于任何溶劑部分溶于水不導電，個別為半導體固體和熔化狀態都不導電，部分溶于水導電金剛石、低溫SiO2晶體冰、干冰