2020高中化学 专题三 微粒间作用力与物质性质 第一单元 金属键 金属晶体讲义+测试（含解析）苏教版选修3.doc

第一单元金属键金属晶体学习目标1.了解金属键的含义，知道金属键的本质。认识金属键与金属物理性质的关系，了解金属晶体的共性。2.能列举金属晶体的堆积模型，并能运用堆积模型来描述和解释金属晶体的结构特点。3.通过金属键理论的研讨，培养终身学习的意识和严谨求实的科学态度。 自主学习区对应学生用书P024一、金属键与金属晶体1.金属键2.金属晶体的物理通性物理通性解释导电性在外电场作用下，自由电子在金属内部发生定向移动，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，在外力作用下，金属原子之间发生相对滑动时，各层金属原子之间仍保持金属键的作用3.影响金属键强弱的因素影响金属键强弱的主要因素有金属元素的原子半径、单位体积内自由电子的数目等。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、沸点越高。4.金属的原子化热(1)金属的原子化热是指1_mol金属固体完全气化成相互远离的气态原子时吸收的能量。(2)意义：衡量金属键的强弱。金属的原子化热数值越大，金属键越强。5.合金一种金属与另一种或几种金属(或非金属)的融合体。二、金属晶体的原子堆积模型1.二维空间模型堆积方式非密置层密置层图示配位数462.三维空间模型堆积模型典例简单立方堆积钋(Po)体心立方堆积钠、钾、铬、钼、钨六方堆积镁、锌、钛面心立方堆积金、银、铜、铅三、晶胞1.概念：描述晶体结构特征的基本单元。2.结构：晶胞一般都是平行六面体，晶体是晶胞在空间连续重复延伸而形成。3.平行六面体晶胞中微粒数目的计算(1)晶胞的顶点原子是8个晶胞共用。(2)晶胞棱上的原子是4个晶胞共用。(3)晶胞面上的原子是2个晶胞共用。(4)处于体心的原子完全属于该晶胞。下图是金属晶体的体心立方晶胞示意图。该晶胞中的金属原子个数为812。1.金属晶体都是纯净物吗？提示：金属晶体包括金属单质及其合金，合金是混合物。2.晶胞是否全是平行六面体？提示：不是。如有的晶胞呈六棱柱形。3.由晶胞构成的晶体，其化学式是否表示一个分子中原子的数目？提示：不是。只表示每个晶胞中各类原子的最简整数比。教师点拨区对应学生用书P025一、金属键和金属晶体1.金属键(1)含义：金属 阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用。(2)成键微粒：金属阳离子和自由电子。(3)实质：从本质来看金属键是一种静电作用，不过它不是存在于特定的固定不变的正负电荷之间，而是广泛存在于晶体中的金属阳离子和自由电子之间。(4)特征：金属键没有方向性和饱和性。2.金属晶体的性质(1)导电性金属晶体中存在许多自由电子，这些自由电子的运动是没有方向性的，但在外加电场的作用下，自由电子就会发生定向移动形成电流，所以金属容易导电。(2)导热性自由电子在运动时与金属离子(或原子)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。(3)延展性大多数金属具有较好的延展性，与金属离子和自由电子之间的较强作用有关。当金属受到外力时，晶体中的各层金属原子就会发生相对滑动，由于金属离子与自由电子之间的相互作用没有方向性，受到外力后，相互作用没有被破坏，金属虽然发生了形变但不会导致断裂。(4)颜色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。而金属在粉末状态时，金属的晶面取向杂乱，晶格排列不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以金属粉末常呈暗灰色或黑色。3.金属晶体熔、沸点高低的比较金属晶体中的金属键越强，金属的熔、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)一般来说，合金的熔沸点比其各成分金属的熔沸点低。(4)金属晶体熔点差别很大，如汞常温为液体，熔点很低(38.9 )，而铁等金属熔点很高(1535 )。特别提醒金属晶体中只有金属阳离子，无阴离子。练习与实践1.金属键越强，金属的硬度越大，熔、沸点越高，且据研究表明，一般来说，金属原子半径越小，价电子数目越多，则金属键越强，由此判断下列说法错误的是()A.镁的硬度小于铝 B.镁的熔、沸点低于钙C.镁的硬度大于钾 D.钙的熔、沸点高于钾答案B解析2.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，所以金属易导电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答案A解析 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。方法规律影响金属单质熔点、硬度的因素金属键的强弱与金属物理性质有关，一般情况下(同类型的金属晶体)，金属晶体的熔点、硬度等由金属阳离子的半径、所带的电荷数共同决定。二、金属晶体模型的四种结构堆积模型采纳这种堆积的典型代表空间利用率配位数晶胞简单立方堆积Po(钋)52%6体心立方堆积Na、K、Fe68%8六方堆积Mg、Zn、Ti74%12面心立方堆积Cu、Ag、Au74%12特别提醒利用均摊法计算金属晶体的密度的方法(1)首先利用均摊法确定一个晶胞中平均含有的原子数目。(2)其次确定金属原子的半径和晶胞边长之间的关系。具体方法是：根据晶胞中金属原子的位置，灵活运用数学上立体几何的对角线(体对角线或面对角线)和边长的关系，将金属原子的半径和晶胞的边长放在同一个直角三角形中，通过解直角三角形即可。(3)计算金属晶体的密度。首先求一个晶胞的质量：m，N表示一个晶胞中平均含有的金属原子数，M表示金属的摩尔质量，NA表示阿伏加德罗常数。然后求金属晶体的密度：密度，V表示一个晶胞的体积。练习与实践3.有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示，有关说法正确的是()A.a为简单立方堆积，b为六方最密堆积，c为体心立方堆积，d为面心立方最密堆积B.每个晶胞含有的原子数分别为a：1个，b：2个，c：2个，d：4个C.晶胞中原子的配位数分别为a：6，b：8，c：8，d：12D.空间利用率的大小关系为abcba。4.晶胞即晶体中最小的重复单元。已知铜为面心立方晶体，其结构如图()所示，面心立方的结构特征如图()所示。若铜原子的半径为1.271010m，试求铜金属晶体中的晶胞长度，即图()中AB的长度。答案3.591010 m解析AC之间的距离相当于4倍的Cu原子半径：AC41.271010m。ABAC3.591010 m。方法规律堆积原理和堆积模型(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)堆积模型二维空间模型非密置层简单立方堆积(Po)三维空间模型体心立方堆积(钾型)密置层六方最密堆积(镁型)面心立方最密堆积(铜型)三、晶胞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如某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有属于这个晶胞。特别提醒晶胞中粒子个数的计算，其重要问题是正确分析晶胞中任意位置上的一个粒子被几个晶胞所共用。练习与实践5.如图所示的甲、乙、丙三种晶体：试写出：(1)甲晶体的化学式(X为阳离子)为_。(2)乙晶体中A、B、C三种粒子的个数比是_。(3)丙晶体中每个D周围结合E的个数是_个。答案(1)X2Y(2)131(3)8解析晶胞任意位置上的一个粒子如果被n个晶胞所共有，那么每个晶胞对这个粒子分得的份额就是。顶点粒子在立方体中实占，立方体面上粒子实占，立方体棱边上粒子实占，立方体内部粒子完全归晶胞所有。甲中X位于立方体体心，为1，Y位于立方体顶点，实际占有4个；XY121，所以甲的化学式为X2Y。乙中A占有81，B占有63，C占有1个，由此推出N(A)N(B)N(C)131。丙中D周围的E的个数与E周围D的个数相同，E周围有8个D，所以D周围有8个E。6.元素X的某价态离子Xn中所有电子正好充满K、L、M三个电子层，它与N3形成的晶体结构如图所示。(1)该晶体的阳离子与阴离子个数比为_。(2)该晶体中Xn离子中n_。(3)X元素的原子序数是_。(4)晶体中每个N3被_个等距离的Xn包围。答案(1)31(2)1(3)29(4)6解析 (1)Xn位于晶胞的棱上，其数目为123个，N3位于晶胞的顶角，其数目为81个，故其个数比为31。(2)由晶体的化学式X3N知X的所带电荷为1。(3)因为K、L、M三个电子层充满，故为2、8、18，所以X的原子序数是29。(4)N3位于晶胞顶角，故其被6个X在上、下、左、右、前、后包围。本课小结1.金属键是指金属阳离子与自由电子之间强烈的相互作用。2.金属晶体中，原子之间以金属键相结合，金属键的强弱决定金属晶体的熔点和硬度。3.金属原子在二维空间里有两种放置方式：密置层和非密置层。4.金属原子在三维空间里有四种堆积方式：简单立方堆积、体心立方堆积、六方最密堆积、面心立方最密堆积。 学习效果检测对应学生用书P0271.下列叙述错误的是()A.构成金属的微粒是原子B.金属晶体内部都有自由电子C.金属晶体内自由电子分布均匀，不专属于某个特定的金属阳离子D.同一类晶体间，熔点差距最大的是金属晶体答案A解析金属晶体是由金属阳离子和自由电子构成的，自由电子几乎均匀分布在金属晶体内，不专属于某一个或几个特定的金属阳离子。2.下列金属晶体中，自由电子与金属阳离子间的作用力最弱的是()A.Na B.K C.Mg D.Al答案B解析离子半径最大的K与自由电子间形成的金属键最弱。3.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.金属原子的外围电子数少B.金属晶体中有“自由电子”C.金属原子的原子半径大D.金属键没有饱和性和方向性答案D解析由于金属键没有方向性和饱和性才能吸引尽可能多的其他原子，并以密堆积的方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。4.已知某晶体晶胞如图所示，则该晶体的化学式为()A.XYZB.X2Y4ZC.XY4ZD.X4Y2Z答案C解析该晶体的晶胞是正方体形晶胞。该晶胞拥有的X原子数为81；Y原子位于该晶胞内，共有4个，因此该晶胞中拥有的Y原子数为4；Z只有1个，位于晶胞的体心上，故该晶体的化学式为XY4Z。5.某晶体的一部分如图所示，这种晶体中A、B、C三种粒子数之比是()A.394 B.142 C.294 D.384答案B解析该晶体中含A原子个数为6，B原子个数为632，C原子个数为1；则A、B、C的个数比为21142。6.结合金属晶体的结构和性质，回答以下问题：(1)已知下列金属晶体：Na、Po、K、Fe、Cu、Mg、Zn、Au，其堆积方式为：简单立方堆积的是_；体心立方堆积的是_；六方最密堆积的是_；面心立方最密堆积的是_。(2)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.金属阳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、沸点高于钾D.温度越高，金属的导电性越好答案(1)PoNa、K、FeMg、ZnCu、Au(2)BC解析(1)简单立方堆积的空间利用率太低，只有金属Po采取这种方式。体心立方堆积是上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中，这种堆积方式的空间利用率比简单立方堆积的高，多数金属是这种堆积方式。六方最密堆积按ABAB方式堆积，面心立方最密堆积按ABCABC方式堆积，六方最密堆积常见金属为Mg、Zn、Ti，面心立方最密堆积常见金属为Cu、Ag、Au。(2)常温下，Hg为液态，A错误；因为金属键无方向性，故金属键在一定范围内不因形变而消失，B正确；钙的金属键强于钾，故熔、沸点高于钾，C正确；温度升高，金属的导电性减弱，D错误。课时作业对应学生用书P0811.金属晶体的形成是因为晶体中存在()A.脱落外围电子后的金属离子间的相互作用B.金属原子间的相互作用C.脱落了外围电子的金属离子与脱落的外围电子间的相互作用D.金属原子与外围电子间的相互作用答案C解析金属晶体中是金属离子与自由电子之间的强烈相互作用。2.如图所示为金属原子的最密堆积形式之一，则下列说法中不正确的是()A.按“ABABAB”方式堆积B.此种堆积方式配位数为12C.Mg属于此种堆积方式D.按“ABCABCABC”方式堆积答案D解析此为“ABABAB”方式堆积，属镁型，配位数为12。3.下列关于金属键或金属的性质说法正确的是()金属的导电性是由金属阳离子和自由电子的定向运动实现的金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的静电吸引作用第三周期金属元素Na、Mg、Al的沸点依次升高金属键没有方向性和饱和性，其中的电子在整个三维空间运动，属于整个金属A. B. C. D.答案C解析金属的导电是因为在外加电场的作用下，自由电子发生定向运动实现的，而金属阳离子并没有运动，因此错误；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，并非仅存在静电吸引作用，因此错；一般情况下，金属阳离子所带电荷越多，半径越小，金属键越强，金属单质的熔、沸点越高，硬度越大，Na、Mg2、Al3三种离子的离子半径依次减小、离子所带电荷依次增多，金属键越来越强，因此正确；金属键的特征：一是没有方向性和饱和性，二是所有电子在三维空间运动，属于整个金属，因此正确。4.根据下表提供的数据，判断可以形成合金的是()金属或非金属钠铝铁硅硫熔点/97.8660.415351415112.8沸点/883246727502355444.6A.铝与硅 B.铝与硫 C.钠与硫 D.钠与硅答案A解析合金的形成必须满足的条件是：熔融时不反应，且低熔点物质的沸点一定高于高熔点物质的熔点。5.金属原子在二维空间里的放置如图所示的两种方式，下列说法中正确的是()A.图a为非密置层，配位数为6B.图b为密置层，配位数为4C.图a在三维空间里堆积可得六方最密堆积和面心立方最密堆积D.图b在三维空间里堆积仅得简单立方答案C解析金属原子在二维空间里有两种排列方式，一种是密置层排列，一种是非密置层排列。密置层排列的空间利用率高，原子的配位数为6，非密置层的配位数较密置层小，原子的配位数为4。由此可知，图a为密置层，图b为非密置层。密置层在三维空间堆积可得到六方最密堆积和面心立方最密堆积两种堆积模型，非密置层在三维空间堆积可得简单立方堆积和体心立方堆积两种堆积模型。6.关于金属晶体的铜型最密堆积的结构的叙述中，正确的是()A.属于体心立方最密堆积B.属于六方最密堆积C.配位数为6D.每个晶胞含有4个原子答案D解析因为铜型最密堆积的结构模型为面心立方最密堆积，故A、B项错误，铜型的配位数为12，故C项错误；晶胞中实际拥有的原子数为864，故D项正确。7.下列叙述中正确的是()A.有阳离子的晶体一定有阴离子B.有阳离子的晶体一定是化合物C.由单质组成的晶体如果固态时能导电也不一定是金属晶体D.金属晶体都具有较高的熔点和银白色的金属光泽答案C解析金属晶体就是典型的只有金属阳离子而无阴离子的一类晶体，像铁、铜、金等金属晶体内部存在金属阳离子，却是一类单质晶体A、B都错误；石墨固态时也能导电，却不是金属晶体，C正确；金属晶体的熔点有的很高，如钨，高达3500 以上，而有的较低，如碱金属钠的熔点低于100 ，绝大多数金属都有银白色的金属光泽，而少数金属具有颜色，如Au呈金黄色，Cu呈紫红色，Cs略带金色，D错误。8.判断下列各组金属熔点高低顺序，其中正确的是()A.MgAlCa B.AlNaLiC.AlMgCa D.MgBaAl答案C解析外围电子数：AlMgCaBaLiNa，金属阳离子半径：r(Ba2)r(Ca2)r(Na)r(Mg2)r(Al3)r(Li)，金属键由强到弱：AlMgCa，故C正确，A、D错误；B项，LiNa。9.氢是重要而洁净的能源。要利用氢气作为能源，必须解决好安全有效地储存氢气的问题。化学家研究出利用合金储存氢气的方法，其中镧(La)镍(Ni)合金是一种储氢材料，这种合金的晶体结构已经测定，其基本结构单元如图所示，则该合金的化学式可表示为()A.LaNi5 B.LaNi C.La14Ni24 D.La7Ni12答案A解析根据物质的结构知La原子的数目为1223，而Ni原子的数目为126615，所以La与Ni的原子个数比为31515。10.金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式，六方最密堆积、面心立方最密堆积和体心立方堆积，下图(a)、(b)、(c)分别代表这三种晶胞的结构，其晶胞内金属原子个数比为()A.321 B.1184C.984 D.21149答案A解析晶胞(a)中所含原子12236，晶胞(b)中所含原子864，晶胞(c)中所含原子812。11.金属钠晶体为体心立方晶胞()，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.a C.a D.2a答案B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ra。12.金晶体采取面心立方最密堆积。设金原子的直径为d，用NA表示阿伏加德罗常数，M表示金的摩尔质量。则下列说法错误的是()A.金晶体每个晶胞中含有4个金原子B.金属键无方向性，金属原子尽可能采取紧密堆积C.一个晶胞的体积是16d3D.金晶体的密度是答案C解析A项，Au原子处于顶点与面心上，故晶胞中含有的Au原子数目为864，正确；B项，金属晶体中，金属键无方向性，金属原子采取紧密堆积，正确；C项，在立方体的各个面的对角线上有3个金原子，金原子的直径为d，故面对角线长度为2d，晶胞棱长为2dd，故晶胞的体积为(d)32d3，错误；D项，晶胞中含有4个原子，故晶胞的质量为，晶胞的体积为2d3，故晶胞的密度为，正确。13.(1)将等径圆球在二维空间