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(一)金属键与金属特性金属键①概念：金属离子与自由电子之间强烈的相互作用[微辨析]金属导电和电解质溶液导电的本质区别金属导电是自由电子的定向运动，是物理变化；电解质溶液导电实质是电解过程，为化学变化。②金属键成键微粒：金属离子和自由电子③影响金属键强弱的因素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④金属键的强弱对金属单质物理性质的影响金属的硬度和熔、沸点等物理性质与金属键的强弱有关。金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高金属特性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，形成电流导热性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，从而使整块金属达到同样的温度延展性由于金属键无方向性，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(二)金属晶体1．金属晶体的排列晶体与晶胞晶体具有规则的几何外形的固体[微点拨]金属原子在二维空间的排列，其配位数分别为4和6。晶胞能够反映晶体结构特征的基本重复单位，它在空间是连续重复延伸而形成的金属晶体的原子堆积方式金属原子在二维空间的排列方式金属晶体的堆积方式①简单立方堆积，如：Po(钋)，②体心立方堆积，如Na、K、Cr、Mo、W，③面心立方堆积，如Cu、Ag、Au、Pb，④六方堆积，如Mg、Zn、Ti，2．金属晶体的相关计算及其应用晶胞中微粒数目的计算①处于立方体顶点的原子为8个晶胞共享[微提醒]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。②处于立方体面上的原子为2个晶胞共享③处于立方体体心的原子完全属于该晶胞合金的组成和性质合金一种金属与另一种或几种金属(或非金属)的融合体合金的性能合金的某些性能更优越[新知探究(一)]金属键与金属晶体的性质[理解与辨析能力][发展认知]1．金属键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，因此晶体中存在所有金属阳离子与所有自由电子之间“弥漫”的电性作用，这就是金属键，因此金属键没有方向性和饱和性金属键的强弱比较一般来说，金属键的强弱主要取决于金属元素的原子半径和价电子数。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，金属键越强金属键对物质性质的影响①金属键越强，晶体的熔、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)熔、沸点：金属键越强，熔、沸点越高。①同周期金属单质，从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点升高。②同主族金属单质，从上到下(如碱金属)熔、沸点降低。③合金的熔、沸点一般比其各成分金属的熔、沸点低。④金属晶体熔点差别很大，如汞常温下为液体，熔点很低；而铁常温下为固体，熔点很高。[跟踪训练]1．关于金属性质和原因的描述不正确的是()A．金属一般具有银白色光泽，是物理性质，与金属键没有关系B．金属具有良好的导电性，是因为在金属晶体中共享了金属原子的自由电子，形成了“电子气”，在外加电场的作用下自由电子定向移动便形成了电流C．金属具有良好的导热性能，是因为自由电子在受热后，加快了运动速率，自由电子通过与金属离子(或原子)发生碰撞，传递了能量D．金属晶体具有良好的延展性，是因为金属晶体中的原子层可以滑动而不破坏金属键解析：选A金属一般具有银白色的金属光泽，与金属键密切相关。由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光辐射到它的表面上时，自由电子可以吸收所有频率的光，然后很快释放出各种频率的光，这就使得绝大多数金属呈现银灰色以至银白色光泽，故A项错误。2．下列关于金属的叙述中，不正确的是()A．金属键是金属离子和自由电子这两种带异性电荷的微粒间的强烈相互作用，其实质与离子键类似，也是一种电性作用B．金属键可以看作是许多原子共用许多电子所形成的强烈的相互作用，所以与共价键类似，也有方向性和饱和性C．金属键是带异性电荷的金属离子和自由电子间的相互作用，故金属键无饱和性和方向性D．金属中的自由电子在整个金属内部的三维空间中做自由运动解析：选B从基本构成微粒的性质看，金属键与离子键的实质类似，都属于电性作用，特征都是无方向性和饱和性，自由电子是由金属原子提供的，并且在整个金属内部的三维空间内运动，为整个金属的所有阳离子所共有，从这个角度看，金属键与共价键有类似之处，但两者又有明显的不同，如金属键无方向性和饱和性。3．下列关于金属晶体的叙述正确的是()A．常温下，金属单质都以金属晶体形式存在B．金属离子与自由电子之间的强烈作用，在一定外力作用下，不因形变而消失C．钙的熔、沸点低于钾D．温度越高，金属的导电性越好解析：选BA：Hg在常温下为液态。C：r(Ca)<r(K)且价电子数Ca>K，所以金属键Ca>K，故熔、沸点Ca>K。D：金属的导电性随温度升高而降低。[新知探究(二)]晶胞的计算[归纳与论证能力][典例导引][典例]20世纪60年代，材料王国里出现了能储存氢的金属和合金，统称为储氢合金，这些金属或合金具有很强的捕捉氢的能力，在一定的温度和压力条件下，氢分子在合金(或金属)中先分解成单个的原子，而这些氢原子便“见缝插针”般地进入合金原子之间的缝隙中，并与合金进行化学反应生成金属氢化物，外在表现为大量“吸收”氢气，同时放出大量热。如图是一种镍基合金储氢后的晶胞结构图。(1)该合金的化学式为__________。(2)该合金储氢后，含1molLa的合金可吸附H2的数目为______________。[解析](1)该晶胞中La位于顶点，个数为8×＝1，Ni位于面心和体心，个数为8×＋1＝5。(2)该晶胞中La位于顶点，个数为8×＝1，H2有8个位于棱上，2个位于面心，个数为8×＋2×＝3，故含1molLa的合金可吸附H2的数目为3NA。[答案](1)LaNi5(2)3NA[生成认知]1．晶胞的特点(1)晶胞一般是平行六面体，其三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其周期性在三维空间重复排列而成。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个顶角、平行的面以及平行的棱完全相同。2．晶胞中粒子数目的计算——均摊法3．晶胞密度的计算以M表示该晶体的摩尔质量，NA表示阿伏加德罗常数，N表示一个晶胞中所含的微粒数，a表示晶胞的棱长，ρ表示晶体的密度，计算如下：该晶胞的质量用密度表示：m＝ρ·a3用摩尔质量表示：m＝M则有：ρ·a3＝M，ρ＝M[跟踪训练]1．某物质的晶体中，含A、B、C3种元素，其排列方式如图所示(其中前后两面心上的B原子未画出)，晶体中A、B、C的原子个数比为()A．1∶3∶1B．2∶3∶1C．2∶2∶1D．1∶3解析：选AA原子位于晶胞的顶点，故晶胞中A原子个数为8×＝1，B原子位于晶胞的面心，故晶胞中B原子个数为6×＝3，C原子位于晶胞的体心，故晶胞中C原子个数为1，所以晶胞中A、B、C的原子个数比为1∶3∶1，A项正确。2．磷锡青铜合金广泛用于仪器仪表中的耐磨零件和抗磁元件等。其晶胞结构如图所示，已知晶胞参数为apm。下列说法不正确的是()A．磷锡青铜的化学式为Cu3SnPB．该晶胞中与Sn原子等距离且最近的Cu原子有12个C．三种元素Cu、Sn、P在元素周期表中分别处于ds区、p区、p区D．Sn和P原子间的最短距离为apm解析：选D由均摊法可知，晶胞中Cu原子数目＝6×＝3、Sn原子数目＝8×＝1、P原子数目为1，故化学式为Cu3SnP，选项A正确；晶胞中与Sn原子等距离且最近的Cu原子有12个，选项B正确；三种元素Cu、Sn、P在元素周期表中分别处于ds区、p区、p区，选项C正确；P原子位于体心而Sn位于顶点，Sn和P原子间的最短距离为体对角线长的一半，故距离为apm，选项D错误。3．铜在我国有色金属材料的消费中仅次于铝，广泛地应用于电气、机械制造、国防等领域。回答下列问题：(1)铜原子基态电子排布式为____________________________________________。(2)用晶体的X射线衍射法可以测得阿伏加德罗常数。对金属铜的测定得到以下结果：晶胞为面心立方最密堆积，边长为361pm。又知铜的密度为9.00g·cm－3，则铜晶胞的体积是________cm3，晶胞的质量是________g，阿伏加德罗常数为____________________[列式计算，已知Ar(Cu)＝63.6]。解析：(2)体积是a3；质量＝体积×密度；一个体心晶胞含4个原子，则摩尔质量＝×晶胞质量×NA，可求NA。答案：(1)1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)(2)4.70×10－234.23×10－22NA＝＝6.01×1023mol－1[新知探究(三)]金属晶体的堆积方式[理解与辨析能力][发展认知]1．四种堆积方式的比较堆积方式晶胞类型空间利用率配位数实例简单立方堆积52%6Po体心立方堆积68%8Na、K、Cr面心立方堆积74%12Cu、Ag、Au六方堆积74%12Mg、Zn、Ti2．空间利用率的计算方法空间利用率＝()×100%。将原子(离子)设想为一个球，依据1个晶胞内所含原子(离子)的数目计算原子(离子)的体积，再确定晶胞的体积，即可计算晶体(胞)的空间利用率。如：在简单立方堆积中，各个原子是相互靠拢的，对于1个晶胞来说，含有1个金属原子，设立方体的边长为a，则其体积为a3，金属原子的半径为，则空间利用率为×100%＝×100%≈52%。[跟踪训练]1．有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示，下列有关说法正确的是()A．①为简单立方堆积，②为六方堆积，③为体心立方堆积，④为面心立方堆积B．每个晶胞含有的原子数分别为①1，②2，③2，④4C．晶胞中原子的配位数分别为①6，②8，③8，④12D．空间利用率的大小关系为④＞③＞②＞①解析：选B②为体心立方堆积，③为六方堆积，A项错误；每个晶胞含有的原子数分别为①8×＝1，②8×＋1＝2，③8×＋1＝2，④8×＋6×＝4，B项正确；晶胞③中原子的配位数应为12，其他判断正确，C项错误；四种晶体的空间利用率分别为52%、68%、74%、74%，应为④＝③＞②＞①，D项错误。2．如图，铁有δ、γ、α三种同素异形体，三种晶体在不同温度下能发生转化。下列说法不正确的是()A．γ-Fe晶体晶胞中含有铁原子个数为14B．α-Fe晶体晶胞中含有铁原子个数为1C．δ-Fe晶体晶胞中，铁原子在平面内紧密排列构成非密置层D．三种同素异形体的性质不同解析：选Aγ-Fe晶体晶胞中含有铁原子个数为8×＋6×＝4，A错；α-Fe晶体晶胞中含有铁原子个数为8×＝1，B正确；δ-Fe晶体晶胞中，铁原子在平面内紧密排列构成非密置层，C正确；由于三种同素异形体的结构不同，所以它们性质不同，D正确。3．晶胞即晶体中最小的重复单元。已知铝为面心立方晶体，其结构如图Ⅰ所示，面心立方的结构特征如图Ⅱ所示。若铝原子的半径为1.43×10－10m，则铝金属晶体中的晶胞长度(即图Ⅲ中AB的长度)为________m。晶胞中Al原子的配位数为________，一个晶胞中Al原子的数目为________。晶体的空间利用率为____________。解析：本题为信息题，面心立方晶体可通过观察图Ⅰ和图Ⅱ得出其结构特征是在一个立方体的八个顶点上各有一个原子，在六个面的面心上各有一个原子。图Ⅲ是一平面图，则有AB2＋BC2＝AC2，即2AB2＝(4×1.43×10－10m)2，AB＝4.04×10－10m。设原子半径为r，晶胞边长为a，则a＝2r，V球＝4×πr3，V晶胞＝a3＝(2r)3＝16r3。空间利用率＝×100%＝×100%≈74%。答案：4.04×10－1012474%晶胞模型的建立学习晶体的性质，首先要认识晶体的结构，建立晶体结构模型，是学好晶体的关键，如简单立方堆积和面心立方堆积，是各类晶体结构的基础，构建了晶胞的模型，对认识晶体的结构特点至关重要。[应用体验]1.关于金属晶体铜的堆积的结构(如图)的叙述中，正确的是()A．属于体心立方堆积B．属于六方堆积C．配位数为6D．每个晶胞含有4个原子解析：选D由图可知，铜晶体的结构模型为面心立方堆积，故A、B项错误，Cu的配位数为12，故C项错误；晶胞中实际拥有的原子数为8×＋6×＝4，故D项正确。2．1183K以下纯铁晶体的基本结构单元如图甲所示，1183K以上纯铁晶体的基本结构如图乙所示，在两种晶体中最邻近的铁原子间距离相同。(1)纯铁晶体中铁原子以________键相互结合。(2)在1183K以下的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子有________个；在1183K以上的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子有________个。解析：(1)纯铁晶体中铁原子以金属键相互结合。(2)在1183K以下的纯铁晶体中，与中心铁原子等距离且最近的铁原子为立方体顶点的铁原子，共8个；在1183K以上的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子为互相垂直的3个面上的铁原子，每个面上各4个，共12个。答案：(1)金属(2)812练好题——渗透核心价值1．与金属的导电性和导热性有关的是()A．原子半径大小 B．最外层电子数C．金属的活泼性 D．自由电子解析：选D金属的导电性是由于自由电子在外加电场中的定向运动造成的。金属的导热性是因为自由电子热运动的加剧会不断和金属离子碰撞而交换能量，使热能在金属中迅速传递。2．(选自鲁科版新教材P67)下列有关金属键和金属性质的说法中，错误的是()A．金属键没有饱和性和方向性B．金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的相互作用C．自由电子吸收可见光后又迅速释放，使金属具有不透明性和金属光泽D．金属的导热性和导电性都是通过自由电子的定向运动实现的解析：选D金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈相互作用，自由电子为整个金属的所有阳离子所共有，所以金属键没有方向性和饱和性，故A正确；金属键是金属阳离子和自由电子这两种带异性电荷的微粒间的强烈的相互作用，故B正确；金属一般具有银白色光泽是由于金属键中的自由电子在吸收可见光以后，发生跃迁，成为高能态，然后又会跃迁回到低能态把多余的能量以可见光的形式释放出来的缘故，故C正确；金属自由电子受热后运动速率增大，与金属离子碰撞频率增大，传递了能量，故金属有良好的导热性，金属导电性是通过自由电子的定向运动实现的，故D错误。3.云南镍白铜(铜镍合金)闻名中外，曾主要用于造币，也可用于制造仿银饰品。镍白铜合金的立方晶胞结构如图所示。下列说法错误的是()A．晶胞中铜原子与镍原子的个数比为3∶1B．铜镍合金是含有金属键的化合物C．Ni原子核外有2个未成对电子D．镍白铜晶体具有较大的硬度解析：选BCu处于面心，晶胞中Ni处于顶点，Cu原子数目＝6×＝3，则晶