人教版选修3 第三章 第三节 金属晶体 学案.doc

第三节金属晶体课程目标核心素养建构1.初步了解金属键的含义，能用“电子气理论”解释金属的一些物理性质。2.初步了解金属晶体的4种基本堆积模型。3.了解混合晶体石墨的结构与性质。知 识 梳 理一、金属键与金属晶体1.金属键(1)定义：在金属单质晶体中原子之间金属阳离子与自由电子之间强烈的相互作用。(2)成键微粒：金属阳离子和自由电子。(3)成键条件：金属单质或合金。(4)成键本质电子气理论：金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有金属原子维系在一起，形成像原子晶体一样的“巨分子”。2.金属晶体(1)通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体，叫做金属晶体。(2)用电子气理论解释金属的物理性质二、金属晶体的原子堆积模型1.二维空间放置方式图示堆积方式非密置层密置层配位数462.三维空间堆积模型三、混合晶体石墨晶体1.晶体模型2.结构特点层状结构(1)同层内碳原子采取sp2杂化，以共价键(键)结合，形成平面六元并环结构。由于所有的p轨道平行且相互重叠，使p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动。(2)层与层之间靠范德华力维系。3.晶体类型石墨晶体中，既有共价键，又有金属键和范德华力，属于混合晶体。4.性质熔点很高、质软、易导电等。自 我 检 测1.判断正误，正确的打“”；错误的打“”。(1)常温下，金属单质都以晶体形式存在。()(2)金属键可以看作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原子晶体低。()(4)晶体中有阳离子，必然含有阴离子。()(5)同主族金属元素自上而下，金属单质的熔点逐渐降低，体现金属键逐渐减弱。()(6)金属晶体的堆积模型仅与金属原子半径有关。()(7)金属晶体中体心立方堆积，配位数最多，空间利用率最大。()(8)石墨为混合晶体，因层间存在分子间作用力，故熔点低于金刚石。()答案(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)2.根据物质的性质，判断下列晶体类型：(1)sii4：熔点120.5 ，沸点271.5 ，易水解_。(2)硼：熔点2 300 ，沸点2 550 ，硬度大_。(3)硒：熔点217 ，沸点685 ，溶于氯仿_。(4)锑：熔点630.74 ，沸点1 750 ，导电_。答案(1)分子晶体(2)原子晶体(3)分子晶体(4)金属晶体3.已知下列金属晶体：na、po、k、fe、cu、mg、zn、au。(1)属于简单立方堆积的是_；(2)属于体心立方堆积的是_；(3)属于六方最密堆积的是_；(4)属于面心立方最密堆积的是_。答案(1)po(2)na、k、fe(3)mg、zn(4)cu、au提升一金属键对金属的物理性质的影响【例1】下列关于金属键的叙述中，不正确的是()a.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阳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.构成金属键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。故选b。答案b【名师点拨】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。(2)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金属键越强，晶体的熔、沸点越高。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。同周期金属单质，从左到右(如na、mg、al)熔、沸点升高。同主族金属单质，从上到下(如碱金属)熔、沸点降低。合金的熔、沸点一般比其各成分金属的熔、沸点低。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。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原子碰撞而引起能量的交换，从而使能量从温度高的部分传到温度低的部分，使整块金属达到相同的温度。【深度思考】金属晶体的熔沸点一定高于分子晶体低于原子晶体吗？提示(1)金属晶体的熔、沸点也有可能高于原子晶体。如金属钨的熔点高于硅。(2)金属晶体的熔、沸点不一定比分子晶体的高。如汞常温下为液体而蔗糖常温下为固体。【变式训练1】1.物质结构理论推出：金属键越强，其金属的硬度越大，熔、沸点越高。且研究表明，一般来说，金属阳离子半径越小，所带电荷越多，则金属键越强，由此判断下列说法错误的是()a.硬度：mgal b.熔点：mgcac.硬度：mgk d.熔点：cak解析根据题目所给信息，镁、铝原子的电子层数相同，价电子数：almg，离子半径：al3mg2。铝的原子半径比镁小，价电子数比镁多1个，因此铝的金属键较强、硬度较大。答案a2.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解析金属晶体由金属阳离子与自由电子构成，金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用即为金属键。答案a3.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，是因为金属晶体中共享了金属原子的价电子，形成了“电子气”，在外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，是因为自由电子通过与金属离子发生碰撞，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金属中的自由电子吸收了可见光，又把各种波长的光大部分再反射出来，因而金属一般显银白色光泽；金属具有导电性是因为在外加电场作用下，自由电子定向移动形成电流；金属具有导热性是因为自由电子受热后，与金属离子发生碰撞，传递能量；良好的延展性是因为原子层滑动，但金属键未被破坏。答案a提升二金属晶体中金属原子的堆积方式【例2】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.为简单立方堆积，为六方最密堆积，为体心立方堆积，为面心立方最密堆积b.每个晶胞含有的原子数分别为1，2，2，4c.晶胞中原子的配位数分别为6，8，8，12d.空间利用率的大小关系为解析为体心立方堆积，为六方最密堆积，与判断有误，a项错误；每个晶胞含有的原子数分别为81，812，182，864，b项正确；晶胞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%，所以d项错误，应为。答案b【名师点拨】1.堆积原理组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时，在空间的排列大都服从紧密堆积原理。这是因为在金属晶体中，金属键没有方向性和饱和性，因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围，并以密堆积方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。2.堆积模型3.四种晶胞的空间利用率的计算(1)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%。(2)在体心立方堆积中，在立方体的体对角线上球是相互接触的。如下图所示，设立方体的边长为a，原子半径为r，则a4r，而1个晶胞中含有2个金属原子，所以空间利用率为100%100%100%68%。(3)在六方最密堆积中，如下图，设原子半径为r，则底面边长为2r，底面高hr，所以底面积s2rr2r2。晶胞的高h2r，所以晶胞体积v晶胞sh2r2r8r3，2个原子的体积v球2r3。空间利用率为100%100%74%。(4)在面心立方最密堆积中，如图，设原子半径为r，晶胞边长为a，则a2r，v球4r3，v晶胞a3(2r)316r3。空间利用率为100%100%74%。【深度思考】配位数相同的金属晶体，空间利用率相同吗？提示相同。【变式训练】4.金属钠晶体的晶胞为体心立方细胞()，晶胞的边长为a。假定金属钠原子为等径的刚性球，且晶胞中处于体对角线上的三个球相切。则钠原子的半径r为()a. b. c. d.2a解析如果沿着某一面的对角线对晶胞作横切面，可得如图所示的结构，其中ab为晶胞的边长，bc为晶胞的面对角线，ac为晶胞的体对角线。根据立方体的特点可知：bca，结合ab2bc2ac2得：r。答案b5.金属晶体堆积密度大，原子配位数高，能充分利用空间的原因是()a.金属原子的价电子数较少b.金属晶体中存在自由移动的电子c.金属原子的原子半径较大d.金属键不具有方向性和饱和性解析金属晶体中微粒之间的作用力是金属键，金属键不具有方向性和饱和性，所以金属原子能以最紧密的方式堆积，故金属晶体堆积密度大，原子的配位数高，这样能充分利用空间。答案d6.对如图所示中某晶体的原子堆积模型进行分析，下列有关说法正确的是()a.该种堆积方式为六方最密堆积b.该种堆积方式为体心立方堆积c.该种堆积方式为面心立方最密堆积d.金属mg就属于此种最密堆积方式解析由图示知该堆积方式为面心立方最密堆积，a、b项错误，c项正确。mg是六方最密堆积，d项错误。答案c7.金属晶体的原子堆积方式常有以下四种，请认真观察模型，回答下列问题：(1)四种堆积模型的堆积名称依次是_、_、_、_。(2)如下图所示甲中的堆积方式，空间利用率为_，只有金属_采用这种堆积方式。(3)如下图所示乙与丙中两种堆积方式中金属原子的配位数_(填“相同”或“不相同”)；乙中的空间利用率为_，丙中按_的方式进行堆积。(4)采取丁中堆积方式的金属通常有_(任写三种金属元素的符号)，每个晶胞中所含有的原子数为_。解析(1)甲中的堆积方式是将非密置层的金属原子上下对齐，形成的晶胞是1个立方体，在立方体的每个顶角有1个金属原子，称为简单立方堆积。乙和丙中都是密置层原子的堆积方式，乙中上面a层和下面a层的3个原子组成的三角形方向相同，称为六方最密堆积。丙中a层和c层的3个原子组成的三角形方向相反，称为面心立方最密堆积。丁中的堆积方式是将非密置层的上层金属原子填入下层金属原子形成的凹穴中，每层均照此堆积，形成的晶胞是1个立方体，在立方体的每个顶角有1个原子，立方体的中心含有1个金属原子，称为体心立方堆积。(2)简单立方堆积的空间利用率最低，为52%，采取这种堆积方式的只有po(钋)。(3)乙和丙中两种堆积方式，金属原子的配位数均为12，且其空间利用率均为74%。(4)丁中是体心立方堆积，采取这种堆积方式的金属有k、na、fe等。用“均摊法”可求得每个晶胞中含有金属原子的个数为182。答案(1)简单立方堆积六方最密堆积面心立方最密堆积体心立方堆积(2)52%po(钋)(3)相同74%abcabcabc(4)k、na、fe(合理即可)2课时作业基础题组1.下列叙述中，不正确的是()a.金属元素在化合物中一般显正价b.金属元素的单质在常温下均为金属晶体c.金属键是金属阳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.构成金属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因金属原子的最外层电子数很少，且原子核对外层电子的引力小，金属原子一般只能失电子，不能得电子，所以在化合物中一般显正价，a项正确；hg在常温下为液态，b项错误；金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有的金属原子维系在一起，故金属键无方向性和饱和性，c项正确；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，属于整块固态金属，d项正确。答案b2.铝硅合金(含硅13.5%)在凝固时收缩率很小，因而这种合金适合于铸造。现有下列三种晶体：铝硅铝硅合金，它们的熔点从低到高的顺序是()a. b.c. d.解析一般地，合金的熔点低于合金中各组分的熔点，而铝与硅比较，硅属于原子晶体，具有较高的熔点，故选d。答案d3.在金属晶体中，如果金属原子的价电子数越多，金属阳离子的半径越小，自由电子与金属阳离子间的作用力越大，金属的熔点越高。由此判断下列各组金属熔点的高低顺序，其中正确的是()a.mgalca b.alnalic.almgca d.mgbaal解析金属原子的价电子数：almgcabalina，金属阳离子的半径：r(ba2)r(ca2)r(na)r(mg2)r(al3)r(li)，则c正确。答案c4.石墨晶体是层状结构(如图)。以下有关石墨晶体的说法正确的一组是()石墨中存在两种作用力；石墨是混合晶体；石墨中的c为sp2杂化；石墨熔点、沸点都比金刚石低；石墨中碳原子数和cc键数之比为12；石墨和金刚石的硬度相同；石墨层内导电性和层间导电性不同；每个六元环完全占有的碳原子数是2a.全对 b.除外c.除外 d.除外解析不正确，石墨中存在三种作用力，一种是范德华力，一种是共价键，还有一种是金属键；正确；正确，石墨中的c为sp2杂化；不正确，石墨熔点比金刚石高；不正确，石墨中碳原子数和cc键数之比为23；不正确，石墨质软，金刚石的硬度大；正确；正确，每个六元环完全占有的碳原子数是61/32。答案c5.下列有关金属晶体的堆积模型的说法正确的是()a.金属晶体中的原子在二维平面有三种放置方式b.金属晶体中非密置层在三维空间可形成两种堆积方式，其配位数都是6c.镁型堆积和铜型堆积是密置层在三维空间形成的两种堆积方式d.金属晶体中的原子在三维空间的堆积有多种方式，其空间的利用率相同解析金属晶体中的原子在二维平面只有密置层和非密置层两种放置方式，a错；非密置层在三维空间可形成简单立方堆积和体心立方堆积两种堆积方式，其配位数分别是6和8，b错；金属晶体中的原子在三维空间有四种堆积方式，其中镁型堆积和铜型堆积的空间利用率较高，c正确，d错。答案c6.如图所示，铁有、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.fe晶体中与每个铁原子等距离且最近的铁原子有8个b.fe晶体中与每个铁原子等距离且最近的铁原子有6个c.若fe晶胞边长为a cm，fe晶胞边长为b cm，则两种晶体密度比为2b3a3d.将铁加热到1 500 后，分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型相同解析由题图知，fe晶体中与每个铁原子等距离且最近的铁原子有8个，a项正确；fe晶体中与每个铁原子等距离且最近的铁原子有6个，b项正确；1个fe晶胞占有2个铁原子，1个fe晶胞占有1个铁原子，故二者密度之比为2b3a3，c项正确；将铁加热到1 500 后，分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型是不同的，d项错误。答案d7.石墨能与熔融金属钾作用，形成石墨间隙化合物，钾原子填充在石墨各层原子中。比较常见的石墨间隙化合物是青铜色的化合物，其化学式可写为cxk，其平面图形如图所示。x的值为()a.8 b.12 c.24 d.60解析可选取题图中6个钾原子围成的正六边形为结构单元，每个钾原子被3个正六边形共用，则该结构单元中实际含有的钾原子数为613，该六边形内实际含有的碳原子数为24，故钾原子数与碳原子数之比为18。答案a8.教材中给出的几种晶体的晶胞如图所示。则这些晶胞分别表示的物质可能是()a.碘、锌、钠、金刚石 b.金刚石、锌、碘、钠c.钠、锌、碘、金刚石 d.锌、钠、碘、金刚石解析第一种晶胞为体心立方堆积，钾、钠、铁等金属采用这种堆积方式；第二种晶胞为六方最密堆积，镁、锌、钛等金属采用这种堆积方式；构成第三种晶胞的粒子为双原子分子，可能是碘；第四种粒子的晶胞结构为正四面体，可能为金刚石。答案c9.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361 pm。又知铜的密度为9.00 gcm3，该铜晶胞的体积是_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解析铜晶胞的体积v(3611010cm)34.701023cm3，所以晶胞的质量为mv4.701023cm39.00 gcm34.231022g；又知铜晶体为面心立方结构，一个晶胞中含4个cu原子，所以阿伏加德罗常数为na6.011023 mol1。答案4.7010234.231022na6.011023 mol110.下表是元素周期表的一部分。表中所列的字母分别代表一种化学元素。试回答下列问题：(1)写出元素o的基态原子电子排布式_。(2)d的氢化物的分子构型为_，中心原子的杂化方式为_；k在空气中燃烧，产物的分子构型为_，中心原子的杂化方式为_，该分子是_(填“极性”或“非极性”)分子。(3)第三周期8种元素按单质熔点()高低的顺序排列如图所示，其中序号“8”代表_(填元素符号)；其中电负性最大的是_(填图中的序号)。(4)由j原子跟c原子以11相互交替结合而形成的晶体，晶型与晶体j相同。两者相比熔点更高的是_(填化学式)，试从结构角度加以解释：_。(5)i单质晶体中原子的堆积方式如图甲所示，其晶胞特征如图乙所示，原子之间的位置关系平面图如图丙所示。若已知i的原子半径为d cm，设na为阿伏加德罗常数的值，i的相对原子质量为m。晶胞中i原子的配位数为_，一个晶胞中i原子的数目为_。该晶体的密度为_ gcm3(用字母表示)。解析根据题目给出的元素周期表结构可以推出a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o分别为氢、锂、碳、氮、氧、氟、钠、镁、铝、硅、硫、氯、氩、钾和铁，进而可以分别回答相关问题。答案(1)1s22s22p63s23p63d64s2或ar3d64s2(2)三角锥形sp3v形sp2极性(3)si2(4)sic因sic晶体与晶体si都是原子晶体，由于c的原子半径小，sic中csi键键长比晶体si中sisi键的键长短，键能大，因而熔点更高(5)124能力题组11.金晶体的最小重复单元(也称晶胞)是面心立方体，如图所示，即在立方体的8个顶点各有1个金原子，各个面的中心有1个金原子，每个金原子被相邻的晶胞所共有。金原子的直径为d，用na表示阿伏加德罗常数的值，m表示金的摩尔质量。(1)金晶体的每个晶胞中含有_个金原子。(2)欲计算1个金晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定_。(3)1个晶胞的体积是_。(4)金晶体的密度是_。解析(1)由题中对金晶体晶胞的叙述，可求出每个晶胞中所拥有的金原子个数，即864。(2)金原子的排列是紧密堆积形式的，每个面心的原子和4个顶点的原子要相互接触。(3)右图是金晶体中原子之间相互位置关系的平面图，ac为金原子直径的2倍ab为立方体的边长，由图可得，立方体的边长为d，所以一个晶胞的体积为(d)32d3。(4)1个晶胞的质量等于4个金原子的质量，所以。答案(1)4(2)每个面心的原子和4个顶点的原子相互接触(3)2d3(4)12.不锈钢是由铁、铬、镍、碳及多种不同元素组成的合金，铁是主要成分元素，铬是第一主要的合金元素。其中铬的含量不能低于11%，不然就不能生成致密氧化膜cro3。(1)写出基态fe2的电子排布式_；基态碳(c)原子的电子排布图为_。(2)cr(h2o)4cl2cl2h2o中cr的配位数为_；已知cro5中cr为6价，则cro5的结构式为_。(3)fe的一种晶体如图甲、乙所示。若按甲中虚线(面对角线)方向切乙，得到的切面图正确的是_(填字母)。解析(1)根据构造原理即可写出基态fe2的电子排布式。(2)cr(h2o)4cl2cl2h2o中4个h2o和2个cl为配体，故cr的配位数为6；cro5中cr为6价，可见cr和o形成6对共用电子对，则氧原子的多余电子通过oo键结合起来。(3)题图乙由8个甲组成，甲中fe位于顶点和体心，故乙中每个小立方体的体心都有一个铁原子，按面对角线方向切乙，形成的切面边长不相等，因此切面图为a。答案(1)1s22s22p63s23p63d6或ar3d61s2s13.氮化硼(bn)晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相，