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分子晶体与共价晶体
第2课时
教学目标
知道共价晶体的构造特点,生疏金刚石晶体中碳原子的三维骨架构造,能借助共价晶体模型说明共价晶体中粒子间的相互作用。
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
共价晶体的构造特点与性质之间的关系。
教学过程
一、课导入
纯洁的金刚石是无色透亮,正八面体外形的固体。地壳中含有极少量的金刚石,它是自然存在的最硬的物质。经过打磨后,可以成为绚烂夺目的钻石。
钻石切割流程:现在钻坯上沿钻石的自然纹理方向划线,再沿线劈割或锯切。“自然纹理”是金刚石微观原子有序排列的宏观表现。
2金刚石与众不同的性质让人们始终奇异它是由什么组成的,它的构造是怎样的,下面几个试验是人类对它构造、组成的探究。试验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,试验检测结果:所得唯一产物都是CO;
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试验2:当年有科学家用放大镜在阳光下观看金刚石的精细构造,结果金刚石化作一缕轻烟消逝的无影无踪。
试验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;
试验4:1955年美国科学家从自然金刚石的成因中得到启发,设计了一种静压装置,在1000K、
7106kPa的条件下,经催化剂的作用,最终将石墨转化为金刚石。石墨怎样转化为金刚石?
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二、讲授课二、共价晶体
【模型搭建】
在金刚石的晶体中,每个碳原子都实行sp3杂化与相邻4个碳原子形成4个σ键,并不断延长形成三维立体网状构造。
请同学们搭建金刚石的构造模型,搭建过程中留意观看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。
共价晶体的概念与特征
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构造的晶体,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:共价键空间构造:三维骨架构造
金刚石的晶胞是怎样的呢?
在金刚石的三维构造中通过适宜的选取碳原子,可以得到一个立方体晶胞。
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【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。
共价晶体的性质
金刚石里的C-C共价键的键长是154pm,很短;键能347.7kJ/mol,很大;这一构造使金刚石在全部晶体中硬度最大,而且熔点3500℃,很高。高熔点、高硬度是很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,全部原子均以共价键结合,形成的是三维骨架构造。
无论是熔化还是发生形变,都必需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构造极其相像,只是将碳原子换成了硅原子或锗原子。
【提问】〔4〕怎样从原子构造的角度理解金刚石、硅、锗的熔点和硬度依次下降?
【讲解】金刚石、硅、锗三者同属共价晶体,熔点和硬度都较高。
而三者的核心差异在碳、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?假设以金刚石为母体,将其中的局部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,因此将金刚石中的局部碳原子替换为硅或锗,可能得到的共价晶体。
碳化硅俗称金刚砂,是人工合成的无机非金属材料。对这种材料的晶体构造的测定说明,碳化硅晶体的构造类似于金刚石晶体的构造,其中碳原子和硅原子的位置是交替的。
【提问】〔6〕碳化硅的晶胞如以以下图所示,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,
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