2023-2024学年苏教版新教材选择性必修二 专题3第一单元 金属键 金属晶体 学案

第一单元金属键金属晶体课程标准要求学业质量水平1．借助金属晶体模型认识金属晶体的结构特点。2．能利用金属键理论解释金属的一些物理性质。1．能采用模型、符号等多种方式对物质的结构进行综合表征。(水平3)2．能说明物质间的组成和微粒间作用力的差异对物质性质的影响。(水平3)一、金属键与金属特性1．金属键：金属离子与自由电子之间强烈的相互作用。2．金属性质与解释性质原因导电性在外电场作用下，自由电子在金属内部会发生定向运动而形成电流导热性金属某一部分受热时，该区域自由电子运动速率增大，自由电子与金属离子的碰撞频率增加，通过自由电子的运动把能量从温度高的区域传到温度低的区域延展性金属键没有方向性，当金属受到外力作用时，金属原子之间发生相对滑动，各层金属原子之间仍然保持金属键的作用，因此金属在外力作用下可以发生形变3．金属键强弱的判断及其对金属性质的影响一般而言，金属元素的原子半径越小，单位体积内自由电子的数目越多，金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔点、沸点越高。二、金属晶体1．形成通常条件下，大多数金属单质及其合金都是金属晶体。在金属晶体中，金属原子如同半径相等的小球一样，彼此相切、紧密堆积成晶体。2．组成单元——晶胞能够反映晶体结构特征的基本重复单位叫做晶胞。金属晶体是金属晶胞在空间连续重复延伸而形成的。3．金属原子在二维平面中放置的两种方式金属晶体中的原子可看成直径相等的球体，把它们放置在平面上(即二维空间里)，可有两种排列方式：非密置层和密置层(如下图所示)。(1)晶体中一个原子周围距离相等且最近的原子的数目叫做配位数。分析上图，非密置层的配位数是4，密置层的配位数是6。(2)密置层放置平面的利用率比非密置层的要大。4．合金的组成和性质(1)合金：一种金属与另一种或几种金属(或非金属)的融合体。(2)合金的性能：通常，多数合金的熔点比它的成分金属的熔点要低，而强度和硬度比它的成分金属要大。1．巧判断(对的画“√”，错的画“×”)(1)常温下，金属单质都以晶体形式存在。(×)(2)金属键可以看作为许多原子共用许多电子的相互作用，故也有方向性和饱和性。(×)(3)金属晶体的熔点一定比共价晶体的低。(×)(4)金属晶体中有阳离子，必含有阴离子。(×)(5)同主族的金属元素自上而下，金属单质的熔点逐渐降低，表现为金属键逐渐减弱。(√)2．金属键的实质是()A．自由电子与金属阳离子之间的相互作用B．金属原子与金属原子间的相互作用C．金属阳离子与阴离子的吸引力D．自由电子与金属原子之间的相互作用A[金属键就是金属中的金属阳离子与自由电子间的相互作用，其本质上是一种电性作用。]3．铝的熔点、沸点比镁高的原因是()A．镁比铝活泼B．铝的化合价比镁高C．铝的外围电子比镁多、原子半径比镁小D．铝能与酸碱反应C[金属铝和镁均为金属晶体，金属晶体的熔点、沸点与金属键的强弱有关。与镁原子比较，铝原子的半径较小，外围电子数较多，故铝的金属键也比镁的金属键强，铝的熔点、沸点比镁高。][对应学生用书P44]学习任务一探究金属键与金属物理性质的关系金属晶体中的金属键示意图1．含有阳离子的晶体中一定含有阴离子吗？提示不一定。如金属晶体中只有阳离子和自由电子，没有阴离子。2．纯铝硬度小，但形成硬铝合金后，硬度很大。金属形成合金后为什么有些物理性质会发生很大变化？提示金属晶体中掺入不同的金属或非金属原子时，其组成和晶体结构变化，性质随之变化。3．金属键强弱的影响因素有哪些？提示由于金属键是自由电子(带负电)和金属阳离子(带正电)之间的电性作用，所以金属阳离子电荷越多，半径越小，则金属键越强。由于金属原子的堆积方式影响着空间利用率，因此它也是金属键强弱的影响因素之一。1．金属键(1)金属键的特征金属键无方向性和饱和性。晶体中的电子不专属于某一个或某几个特定的金属阳离子，而几乎是均匀地分布在整块晶体中，晶体中存在金属阳离子与自由电子之间“弥漫”的电性作用，这种电性作用就是金属键，因此金属键没有方向性和饱和性。(2)金属键的强弱一般来说，金属键的强弱主要取决于金属元素原子的半径和价电子数。原子半径越大，价电子数越少，金属键越弱；原子半径越小，价电子数越多，金属键越强。(3)金属键对物质性质的影响①金属键越强，晶体的熔点、沸点越高。②金属键越强，晶体的硬度越大。2．金属晶体的性质(1)金属晶体具有良好的导电性、导热性和延展性。(2)金属晶体的熔点、沸点的变化①同周期金属元素从左到右，其单质(如Na、Mg、Al)的熔点、沸点升高。②同主族金属元素从上到下，其单质(如碱金属)的熔点、沸点降低。③合金的熔点、沸点一般比其组成成分金属的熔点、沸点低。④金属晶体的熔点差别很大，如汞在常温下为液体，熔点很低；而铁在常温下为固体，熔点很高。3．金属晶体物理特性分析(1)金属键没有方向性，当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层发生相对滑动而不会破坏金属键，金属发生形变但不会断裂，故金属晶体具有良好的延展性。(2)金属材料有良好的导电性是由于金属晶体中的自由电子可以在外加电场作用下发生定向移动。(3)金属的导热性是自由电子在运动时与金属阳离子碰撞而引起能量的交换，能量从温度高的部分传到温度低的部分，致使整块金属达到相同的温度。1．下图是金属晶体内部存在的金属键示意图。金属键理论可以用来解释金属的性质，其中正确的是()A．金属能导电是因为金属阳离子在外加电场作用下定向移动B．金属能导热是因为自由电子在热的作用下相互碰撞，从而发生热的传导C．金属具有延展性是因为在外力的作用下，金属阳离子各层间会出现相对滑动，但自由电子可以起到“润滑”的作用，使金属不会断裂D．与纯金属相比，合金中增加了不同的金属或非金属，致使合金中的电子增多，所以合金的延展性比纯金属强，硬度比纯金属小C[金属能导电是因为自由电子在外加电场作用下定向移动；金属能导热是因为能量高的自由电子与金属阳离子碰撞，从而发生能量(热)的传导；与纯金属相比，合金中增加了不同的金属或非金属，相当于填补了金属阳离子之间的空隙，所以一般情况下合金的延展性比纯金属弱，硬度比纯金属大。]2．要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体的熔点、沸点高低和硬度大小一般取决于金属键的强弱，而金属键与金属阳离子所带电荷的多少及半径大小有关。由此判断，下列说法正确的是()A．金属镁的硬度大于金属铝B．碱金属单质的熔点、沸点从Li到Cs是逐渐升高的C．金属镁的熔点大于金属钠D．金属镁的硬度小于金属钙C[镁离子比铝离子的半径大且所带的电荷少，所以金属镁比金属铝的金属键弱，熔点、沸点较低，硬度较小；从Li到Cs，金属离子的半径是逐渐增大的，所带电荷相同，金属键逐渐减弱，熔点、沸点逐渐降低，硬度逐渐减小；与钠离子相比，镁离子的半径小且所带电荷多，金属镁比金属钠的金属键强，所以金属镁比金属钠的熔点、沸点高，硬度较大；镁离子的半径比钙离子小，又二者所带电荷相同，金属镁比金属钙的金属键强，所以金属镁比金属钙的熔点、沸点高，硬度较大。]学习任务二晶胞的有关计算下图是铜晶胞中所填入的原子及其切割示意图。结合示意图分析问题。现有下图所示的甲、乙、丙三种晶体的晶胞(甲中X处于晶胞的中心，乙中A处于晶胞的中心)。1．分析铜晶胞的切割示意图，你能获取哪些有关晶胞原子组成的信息？提示晶胞顶点的原子是8个晶胞共用的，晶胞面上的原子是2个晶胞共用的。2．甲晶体中X与Y的个数比是多少？乙晶体中A与B的个数比是多少？提示甲晶体中，体心X的个数为1个，顶点Y的个数为6×(个)，所以N(X)∶N(Y)＝1∶＝4∶3。乙晶体中，体心A的个数为1个，顶点B的个数为8×＝1(个)，所以N(A)∶N(B)＝1∶1。3．丙晶体中，每个晶胞包含的C离子、D离子各有多少个？提示丙晶体中，C离子的个数为12×＋1＝4(个)，D离子的个数为8×＋6×＝4(个)。4．若晶胞是六棱柱，那么顶点上的1个微粒被几个六棱柱共用？提示被6个六棱柱共用。1．晶胞的特点(1)晶胞一般是平行六面体，其3条边的长度不一定相等，也不一定互相垂直。晶胞的形状和大小由具体晶体的结构所决定。(2)整个晶体就是晶胞按一定规律在三维空间重复排列而成的。每个晶胞上下左右前后无隙并置地排列着与其一样的无数晶胞，决定了晶胞的8个顶点、平行的面以及平行的棱完全相同。2．晶胞中微粒数目的计算——均摊法如某个微粒为n个晶胞所共有，则该微粒有属于这个晶胞。(1)立方晶胞中微粒数的计算方法如下：下图所示的NaCl晶胞中，Na＋占据立方体的体心和12条棱的棱心，Cl－占据立方体的8个顶点和6个面心。Na＋在晶胞中的数目为12×(棱心)＋1×1(体心)＝4(个)，Cl－在晶胞中的数目为8×(顶点)＋6×(面心)＝4(个)。因此，在NaCl晶胞中，Na＋个数与Cl－个数比为1∶1，即NaCl晶体的化学式为NaCl。(2)非长方体(正方体)晶胞中微粒个数视具体情况而定。如石墨晶胞中，每一层内碳原子排成六边形，其顶点(1个碳原子)被3个六边形共有，每个六边形占个碳原子。1．某物质的晶体中含X、Y、Z三种元素，三种元素原子的排列方式如下图所示(其中前后两面面心上的Y原子没有画出)，晶体中X、Y、Z的原子个数比为()A．1∶2∶1 B．1∶3∶1C．2∶2∶1 D．1∶3∶3B[根据均摊法可得，X位于顶点，被8个晶胞共用，每个晶胞占个X原子，X的个数为8×＝1(个)；Y位于面上，被2个晶胞共用，每个晶胞占个Y原子，Y的个数为6×＝3(个)；Z位于体心，全部属于1个晶胞，即Z原子的个数为1(个)，三种原子的个数比为1∶3∶1。]2．右图为高温超导领域里的一种化合物——钙钛矿的晶体结构，该结构是晶体中具有代表性的最小重复单位。(阿伏加德罗常数为6.02×1023mol－1)(1)在该化合物的晶体结构中，每个钛离子周围与它最近且距离相等的氧离子、钙离子、钛离子各有______个、______个、________个。(2)该晶体结构中，氧、钛、钙的离子个数比是________________，该物质的化学式可表示为________。(3)若钙、钛、氧三种元素的相对原子质量分别为a、b、c，晶体结构图中正方体边长(钛原子之间的距离)为dnm(1nm＝10－9m)，则该晶体的密度为____________g·cm－3解析(1)以钛离子为顶点，应有8个立方晶胞紧靠在一起，这样钛原子成为空间直角坐标系的中心原子，它的三维方向上前后左右上下最近且相邻各有1个氧离子(钛离子)，共6个，它周围的8个立方晶胞内各含1个钙离子。(2)该晶胞中含氧离子的个数为12×＝3(个)，钙离子的个数为1个，钛离子的个数为8×＝1(个)，故氧、钛、钙离子的个数比为3∶1∶1，它的化学式可表示为CaTiO3。(3)1mol晶体的质量等于(a＋b＋3c)g，1mol晶体的体积为d3×10－21×6.02×1023cm3，其密度为ρ＝＝＝g·cm－3。答案(1)686(2)3∶1∶1CaTiO3(3)[归纳总结]立方晶胞中各物理量的关系a3×ρ×NA＝n×Ma表示晶胞的棱长；ρ表示晶体的密度；NA表示阿伏加德罗常数；n表示1mol晶胞中晶体的物质的量；M表示晶体的摩尔质量；a3×ρ×NA表示1mol晶胞的质量。钇钡铜氧是一种新型节能高温超导体，其晶胞结构如下图所示。研究发现，此高温超导体中的Cu元素有两种价态，分别为＋2和＋3；Y元素的化合价为＋3，Ba元素的化合价为＋2。(1)根据晶胞结构推断该物质的化学式。提示由晶胞结构图可知，该晶胞中N(Cu)＝8×＋8×＝3(个)，N(Ba)＝2(个)，N(Y)＝1(个)，N(O)＝12×＋8×＝7(个)，即该物质的化学式为YBa2Cu3O7。(2)计算该物质中Cu2＋与Cu3＋的个数比。提示根据题中各元素的化合价，再结合化合物中各元素的正负化合价的代数和为零可知，＋2价铜与＋3价铜的化合价之和为7，N(Cu2＋)∶N(Cu3＋)＝2∶1。(1)在金属晶体里有阳离子，但没有阴离子，可见晶体中有阳离子时不一定有阴离子，若有阴离子，则一定有阳离子。(2)有金属光泽的晶体不一定是金属晶体，如晶体硅有金属光泽，但它属于共价晶体；晶体碘有金属光泽，但它属于分子晶体。[对应学生用书P48]1．下列性质体现了金属通性的是()A．铁能够被磁铁磁化B．铝在常温下不溶于浓硝酸C．铜有良好的延展性、导热性和导电性D．钠与水剧烈反应放出氢气C[金属通性指的是金属的某些共有的性质，如不透明，有金属光泽，有延展性、导热性、导电性等。]2．下列关于晶体的说法正确的是()A．晶体中只要有阳离子，就一定有阴离子B．晶体中只要有阴离子，就一定有阳离子C．有金属光泽的晶体一定是金属晶体D．根据晶体能否导电可判断晶体是否属于金属晶体B[金属晶体较特殊，有金属阳离子而没有阴离子；晶体中只要有阴离子，根据电荷守恒，就一定有阳离子；有金属光泽的晶体不一定是金属晶体，如晶体碘、晶体硅；能导电的晶体不一定是金属晶体，如石墨。]3．金属能导电的原因是()A．金属晶体中的金属阳离子与自由电子