| 原子晶体 |
主编：黄冈中学化学集体备课组
思考：
C、Si同属ⅣA元素，且上下相邻，应具相似的性质。今已知CO2的晶体为分子晶体，熔、沸点很低。那么SiO2晶体是否具有与其相似的结构和性质呢？
CO2和SiO2一些性质的比较
分析：
两者相比，性质差异很大。由SiO2有很高的熔、沸点，可推知它不属于分子晶体。其质点粒子不是分子。那它是什么晶体呢？
从其元素组成和化合物类别看，SiO2不是离子化合物。它属于另一类晶体即原子晶体。
思考：
（1）金刚石为原子晶体，构成金刚石晶体的粒子是什么？
构成金刚石晶体的粒子碳原子。
（2）金刚石晶体中粒子通过何种方式结合？怎样构成晶体？
金刚石中的每个碳原子都取sp3杂化轨道以四个共价单键对称地与相邻的4个碳原子结合，C—C键长相等（154pm），C—C—C夹角均为109°28′，呈正四面体结构，这些正四面体结构向空间发展，构成彼此连接的立体网状晶体。
1、概念：相邻原子间以共价键相结合而形成的空间网状结构的晶体。
要从以下几个方面理解分子晶体：
（1）构成粒子：原子。
（2）粒子间相互作用：共价键。
注意：在原子晶体中，所有原子都以共价键相互结合，整快晶体是一个三维的共价键网状结构，是一个“巨分子”，又称共价晶体。
思考：
根据金刚石晶体结构特点，请推测金刚石的硬度大小，熔沸点高低？
金刚石里C—C共价键的键长（154pm）很短，键能（347.7kJ/mol）很大，这一结构使金刚石在所有已知晶体中硬度最大，且熔点也很高。高硬度、高熔点是原子晶体的特征。
（3）物理性质：熔、沸点高，硬度大，一般不导电(Si为半导体)，难溶于常见溶剂。
思考：
为什么原子晶体的熔、沸点很高，硬度很大呢？
究其本质是因为原子晶体中原子通过很强的共价键连接，由于共价键比较牢固，要拆开它需要消耗较大的能量，所以原子晶体一般具有较高的熔、沸点和较大的硬度。
思考：
为什么原子晶体一般不导电？
原子晶体由中性原子通过牢固的共价键结合而成，晶体中不含离子和自由电子，所以一般不导电。
（4）常见的原子晶体有：
①某些非金属单质，如金刚石、B、Si、Ge等；
②某些非金属化合物，如SiO2、SiC、BN等。
2、几种重要的原子晶体
（1）金刚石：
①晶体结构：正四面体结构彼此连接的立体网状结构。
②晶胞结构：顶点和面心各有1个C原子；晶胞体内有4个C原子，位于互不相邻的4个顶点C原子及其相邻的3个面心C原子构成的正四面体中心。
注意：在金刚石晶胞中，有8个四面体空隙和4个八面体空隙，8个四面体空隙中有4个被碳原子占有。
思考：
①在金刚石晶体中，每个C原子与多少个原子C成键？形成怎样的空间结构？最小碳环由多少个C原子组成？含有多少个C—C键？组成最小碳环的所有C原子是否在同一平面内？
在金刚石晶体中，每个C原子与4个C原子成键，形成正四面体型空间网状结构。最小碳环由6个C原子组成，含有6个C—C键，组成最小碳环的所有C原子不在在同一平面内。
②在金刚石晶体中，C原子个数与C—C键数之比为多少？
1∶4×
＝1∶2。
③12g金刚石中含C—C键数为多少NA？
C原子个数与C—C键数之比为1∶2，12g金刚石为1mol，含C—C键2mol，故C—C键数为2NA。
（2）SiO2
构成SiO2晶体的粒子是中性原子，原子与原子间以共价键相结合。在SiO2晶体中，1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个Si原子周围结合4个O原子；同时，每个O原子跟2个Si原子相结合。许许多多的[SiO4]正四面体通过氧原子互相联结形成一种空间网状结构的原子晶体。
①晶体结构：[SiO4]正四面体通过氧原子互相联结形成的空间网状结构。
思考：
a. 观察SiO2晶体结构，那么晶体中存在SiO2的小分子吗？“SiO2”表示什么？
SiO2晶体中，Si、O原子通过共价键相结合，形成一个由“无限”数目原子构成的空间网状结构。由于在各个方向上这种共价键是相同的，因此在晶体中，不存在独立的小分子，而只能把整个晶体看成一个大分子。晶体有多大，分子也就有多大，没有确定的分子量。这跟CO2晶体中的小分子是不同的。那么，“SiO2”自然不叫分子式了。它只表示晶体中Si原子和O原子的个数比，为晶体的化学式。
b.SiO2晶体中Si—O键的键角是多少？每个正四面体占有的Si、O原子数是多少？
Si、O原子通过共价键连成正四面体结构，Si原子位于正四面体中心，Si—O键角为109°28′。每个正四面体占有一个完整的Si、四个“半O原子”，故晶体中Si原子与O原子个数比为1∶（4×
）=1∶2，晶体化学式为“SiO2”。
c.在SiO2晶体中，最小环由多少个Si和O原子组成？含有多少个Si—O键？
最小环由6个Si和6个O原子组成，含有12个Si—O键。
d.在SiO2晶体中，Si原子个数与Si—O键数之比为多少？
1∶4
②纯净的SiO2晶体：水晶。
纯净的SiO2晶体叫做水晶，它是六方柱状的透明晶体，是较贵重的宝石。江苏省东海县素有“水晶之乡”之称。1958年在该县发现我国最大的“水晶王”，质量达3.5 t。1983年1月又在该县南溜村2 m深的地下挖出一块质量为3 t高为1.4 m的水晶，同时出土的还有一块质量为400 kg的水晶体。
③用途：水晶除可用于漂亮的装饰品外，还常用于制造精密仪器轴承，耐磨器皿和耐高温化学仪器。SiO2可用来制造用于光纤通迅等的光导纤维，制造压电晶体，用于钟表工业和超声技术上。此外，SiO2还是制造水泥、玻璃、单晶硅、硅光电池、芯片的原料。
思考：
同为结构相同的原子晶体，为什么金刚石比晶体Si的熔、沸点高？
原子晶体熔、沸点高是因共价键键能大，而键能的大小又主要取决于原子半径的大小即键长的长短。在此，由于原子半径C＜Si，所以C—C键长＜Si—Si键长，C—C键能＞Si—Si键能，熔、沸点金刚石＞晶体Si。
3、原子晶体熔沸点高低、硬度比较
对于原子晶体，一般来说，原子间键长越短，键能越大，共价键越稳定，晶体的熔沸点越高，硬度越大。
思考：
（1）已知金刚砂即碳化硅（SiC）质地坚硬，常用作优质磨料。其结构和金刚石相似，只是碳的骨架结构中有一半位置被Si原子所取代，形成C—Si交替的空间网状结构。金刚砂属于什么晶体？其熔、沸点与金刚石、晶体Si相比高低顺序如何？
据金刚砂的结构和性质不难推断为原子晶体。而其熔、沸点与金刚石、晶体Si相比高低如何，只需比较C—C、C—Si、Si—Si键的键能即可。通过比较C、Si原子半径，不难得出键能：C—C＞C—Si＞Si—Si，所以熔、沸点为金刚石＞碳化硅＞晶体Si。
（2）怎样从原子结构的角度理解金刚石、硅和锗的熔点和硬度依次下降？
由于金刚石、硅和锗的晶体都是原子晶体，形成晶体的粒子均为原子，粒子间的相互作用是共价键，所以熔、沸点和硬度的大小由共价键的强弱决定。由于碳、硅、锗三种原子的半径依次增大，各个原子间的共价键的键长依次增大，键的强度依次减弱，所以金刚石、硅和锗的熔点和硬度依次下降。
（3）“具有共价键的晶体叫原子晶体”。这种说法对吗？为什么？
此说法不对。“具有共价键”并不是原子晶体判定的唯一条件，分子晶体的分子内部也有共价键，如冰和干冰都是分子晶体，但H2O和CO2中存在共价键。对原子晶体的认识除了要求“具有共价键”外，还要求形成晶体的粒子是原子。
典型例题：
1．下列晶体中不属于原子晶体的是（ ）
A.干冰 B.金刚砂
C.金刚石 D.水晶
答案：A。
2．下列各物质中，按熔点由低到高排列正确的是（ ）
A.O2、I2、Hg B.CO2、K、SiO2
C.Na、K、Rb C. SiC、NaCl、SO2
答案：B。
3．下列各晶体中任意一个原子都被相邻的4个原子所包围；以共价键结合成正四面体结构，并向空间伸展成网状结构的是（ ）
A.甲烷 B.石墨
C.晶体硅 D.水晶
答案：CD。
4．在x mol石英晶体中，含有Si-O键数是（ ）
A.x mol B.2x mol
C.3 x mol D.4x mol
答案：D。
5．固体熔化时，必须破坏非极性共价键的是( )
A.冰 B.晶体硅
C.溴 D.二氧化硅
答案：B。
6．石墨晶体是层状结构，在每一层内；每一个碳原于都跟其他3个碳原子相结合，如图是其晶体结构的俯视图，则图中7个六元环完全占有的碳原子数是 ( )
A.10个 B.18个
C.24个 D.14个
答案：D。
7．石英玻璃是将纯石英在1600℃高温下熔化，冷却后形成的玻璃体。关于石英玻璃的结构和性质的叙述中正确的是（ ）
A.石英玻璃属于原子晶体
B.石英玻璃耐高温且能抵抗一切酸的腐蚀
C.石英玻璃的结构类似于液体
D.石英玻璃能经受高温剧变且能抗碱的腐蚀
答案：BC。
8．已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于C3N4晶体的说法错误的是（ ）
A.该晶体属于原子晶体，其化学键比金刚石中的碳碳键更牢固
B.该晶体中每个碳原子连接4个氮原子、每个氮原子连接3个碳原子
C.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。
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