第一单元金属键金属晶体.doc

专题3 第一单元 金属键 金属晶体一、金属键与金属属性1金属的物理性质（1）金属都是具有金属光泽，有良好的导电性、导热性和延展性，造成它们共同的原因是金属晶体中的金属键和金属原子的堆砌方式。（2）导电性：在外加电场作用下，金属内部自由电子的运动由杂乱无章变为定向运动，从而形成电流；金属导电的微粒是电子，离子晶体熔化或溶于水后导电的微粒是阳离子和阴离子；金属导电过程不会生成新物质，属物理变化，而电解质导电的同时要在阴阳两极上生成新物质，属于化学变化，二者导电本质是不同的。 （3）导热性：金属受热时，自由电子与金属离子的碰撞频率加快，运动过程中把能量从温度高的区域传到温度低的区域，使整块金属都达到同样的温度。导电性好的金属导热性也好，常见金属导电导热能力大小比较：AgCuAuAlZnPtSnFePbHg 。（4）延展性：金属有延性，可以抽成细丝，例如最细的金丝直径不超过1/5000mm。金属又有展性，可以压成薄片，例如最薄的金箔只有1/10000mm厚。当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就会发生相对滑动，由于金属离子与自由电子间的相互作用没有方向性，滑动以后，各层之间仍保持着这种相互作用，不会导致断裂，一般金属具较好的延展性。注意有少数金属，如锑、锇、锰等金属质地较脆，没有延展性，而延展性最好的金属为金。【联想发散】金属之最：熔点最低的金属是汞 熔点最高的金属是钨 地壳中含量最多的金属是铝 生活中使用最广泛的金属是铁 最活泼的金属是铯 最稳定的金属是金【例1】下列不属于金属晶体共性的是( )A.易导电 B.易导热C.有延展性 D.高熔点解析：金属晶体共性的是易导电、易导热、有延展性，金属晶体的熔点差别较大，有的比原子晶体还高，有的比分子晶体还低。答案：D误区警示：金属的通性一般指金属的导电性、导热性和延展性，这些性质都是金属晶体的物理性质，而非化学性质。2、金属键（1）定义：金属离子与自由电子之间的强烈的相互作用称为金属键。（2）形成过程：金属原子的部分或全部外层（一般是最外层或此外层）电子因受原子核的束缚较弱，从原子上“脱落”下来，形成自由移动的电子，金属原子失去电子后形成金属离子，这样金属离子与自由电子之间就存在强烈的相互作用。金属键存在于金属单质或合金中。【深化升华】金属的导电性、导热性和延展性都与金属键的存在有关。金属的导电性：金属晶体中的自由电子在没有外加电场存在时是自由运动的，在外加电场作用下自由电子定向运动而形成电流，呈现良好的导电性。金属受热后，晶体中金属离子振动加剧，阻碍着自由电子的运动，因此金属的导电性随温度的升高而减弱。金属的导热性：自由电子在运动时经常与金属离子碰撞，从而引起两者能量的交换。当金属某一部分受热时，在那个区域里的自由电子能量增加，运动速度加快，于是通过碰撞，自由电子把能量传给金属离子。金属容易导热就是由于自由电子运动时，把能量从温度高的部分传到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。金属的延展性：当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就会发生相对滑动，由于金属离子与自由电子之间的相互作用没有方向性，滑动以后，各层之间仍保持着这种相互作用，在外力作用下，金属虽然发生了变形，但不会导致断裂。注意有少数金属，如锑、锇、锰等性质较脆，没有延展性。【辨析比较】导电性导热性延展性金属离子和自由电子自由电子在外加电场的作用下发生定向移动自由电子与金属离子碰撞传递热量晶体中各原子层相对滑动仍保持相互作用（3）金属键大小的决定因素：金属键的强弱可以用金属的原子化热（升华热）来衡量。金属的原子化热（升华热）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，也就是拆散金属晶格所需的能量。显然，金属的原子化热越大，则金属键越强。金属键的强度（用原子化热衡量）主要决定于金属元素的原子半径和单位体积内自由电子的数目（价电子数）。随原子半径的增大，原子化热逐渐减少，金属键逐渐减弱。如从Li到Cs原子化热递减，金属键由强到弱递变。单位体积内自由电子的数目（价电子数）越多，则原子化热越大，金属键就越强。例如钠与钙原子大小相近，因为价电子不同，钠的原子化热为108 kJ/mol，钙的则增加到177 kJ/mol。许多过渡元素具有很高的原子化热，金属键很强，是因为它们有较多可供金属原子成键的d电子，例如铁的原子化热为416 kJ/mol，钨为837 kJ/mol。原子化热大的金属，其熔沸点也高，它们之间有一个大致的比例关系，所以熔沸点可以作为金属键强弱的一个粗略的量度。【学法一得】金属熔、沸点的比较金属原子的价电子越多，原子半径越小，金属离子与自由电子的作用力就越强，金属键也就越强，晶体的熔、沸点就越高；反之，亦然。例如，熔、沸点：NaMgAl。【例2】物质结构理论推出，金属晶体中金属离子与自由电子之间强烈的相互作用，叫金属键。金属键越强，其金属的硬度越大，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.镁的硬度大于铝B.镁的熔沸点高于钙C.镁的硬度大于钾D.钙的熔沸点高于钾解析：由题知，镁和铝的电子层数相同，价电子数AlMg=Ca，离子半径Al3+Mg2+Ca2+，金属键强弱AlMgCa,所以A合题意，B不符合题意；用以上比较方法可推出：电荷数Mg2+K+，离子半径Mg2+Na+K+，所以金属键MgK，硬度MgK，所以C不合题意；钙和钾元素位于同一周期，价荷数Ca2+K+，电子总数Ca2+K+，离子半径K+Ca2+，金属键CaK，熔点CaK，所以D不合题意。答案：A知识拓展：金属键的本质关于金属键的本质，最初是“古典自由电子论”，以后是由索莫菲尔德开创，建立在量子力学基础上的“自由电子论”，在其基础上又发展了晶体的能带理论等。综合关于金属键的各种理论，可以认为：金属键起源于金属院子的价电子公有化于整个金属大分子，在典型的金属中，根本没有定域的双原子键，在形成金属键时，电子由原子能级进入晶体能级（即教材中所说的能带）形成了离域的N中心键，高度的离域，使体系下降较大，从而形成了一种强烈的吸引作用，这就是金属键的本质。二、金属晶体1、金属晶体的概念金属原子的价电子比较少，价电子跟原子核的联系又比较松弛，金属原子容易失去电子。因此，金属的结构实际上是金属原子释出电子后所形成的金属离子按一定规律堆积的（以一定的紧密形式堆积）。释出的价电子在整个晶体里自由地运动着，这些电子就是自由电子。在金属里自由电子并不专属于某几个特定的金属离子，它们几乎均匀地分布在整个晶体里，被许多金属离子所共有。金属离子跟自由电子之间通过强烈的金属键相互结合形成的单质晶体，叫做金属晶体。2、晶胞能够反映晶体结构特征的基本重复单位。晶体是晶胞按其在空间周期性排列而成的，晶胞不一定是一个平行六面体，其三条边的长度不一定相等，也不一定相互垂直，晶胞的形状和大小由具体晶体的结构所决定。【学法一得】晶体和晶胞的关系如同墙和砖块的关系，晶体比做墙，晶胞就是墙中的砖。墙是由一块块相似的砖垒砌成的，晶体是由无数个重复的晶胞构成的。因此，我们研究晶体的性质时常通过研究晶胞的结构和性质，再拓展到整个晶体。【误区警示】不能把晶胞仅仅理解为晶体中的基本单元，只有在晶体中相邻晶胞间通过无间隙（共平面、共棱以及面和棱上的微粒等）平行排列构成整块晶体的基本结构单元才能成为晶胞。比如在金刚石中，我们可以找到的最小单元是以一个碳原子为中心连接四个碳原子的正四面体结构，但是这个最小单元不能通过无隙并置构成整块的金刚石，所以它不是金刚石的晶胞。可以说，只要晶体中的某个结构单元可以按上述要求充满整个微观空间，就可以将其作为晶胞。所以，晶胞不一定就是平行六面体。但应强调指出，若不特别指明，三维的晶胞都是平行六面体，二维平面上的晶胞则是平行四边形。【例3】金属晶体的形成是因为晶体中存在( )金属原子金属离子自由电子阴离子A.只有 B.只有 C. D.解析：金属晶体是金属离子和自由电子通过金属键形成的。答案：C深化升华：金属晶体内存在的作用力是金属键，它是金属阳离子与自由电子之间的强烈相互作用。金属键是一种化学键类型，能量较高。运用金属键理论可以较好地解释金属的导电性、导热性和延展性。【例4】在单质的晶体中一定不存在的微粒是( )A.原子 B.分子C.阴离子 D.阳离子解析：单质晶体可能有：硅、金刚石原子晶体，P、S、Cl2分子晶体，Na、Mg金属晶体，在这些晶体中，构成晶体的微粒分别是原子、分子、金属离子和自由电子。C中阴离子只有存在于离子晶体中，构成离子晶体的微粒是阴、阳离子，所以离子晶体不可能形成单质晶体。答案：C误区警示：本题容易出现的理解错误为误认为在单质中不存在离子，即既不存在阳离子，也不存在阴离子。在金属晶体中，存在金属阳离子和自由电子。3、金属晶体的原子堆积方式（1）几个概念紧密堆积：微粒间的作用力，使微粒间尽可能地相互接近，使它们占有最小的空间。空间利用率：空间被晶格质点占据的百分数。用来表示紧密堆积的程度。配位数：在晶体中，与离子直接相连的带异电荷的离子数称为配位数。非密置层和密置层：将金属晶体中的原子看承直径相等的球体，并把它们放置在平面内（即二维空间里），则有两种排列方式。按下图 (b)方式排列,圆球周围剩余空隙较大,称为非密置层；而按(a)方式排列,圆球周围剩余的空隙最小,称为密置层。（a）非密置层 （b） 密置层（2）金属晶体中的原子在空间中的堆积方式简单立方堆积（非密置层）这种堆积方式中的金属层属于非密置层，空间利用率很低，只有金属钋（Po）采取这种堆积方式。体心立方堆积（非密置层）相邻非密置层原子核不在同一直线上堆积，而是上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴里这种堆积方式也是金属层的非密置堆积，但空间利用率要比简单立方堆积高的多，许多金属是这种堆积方式，如碱金属，因此该种堆积方式还被称为钾型。有该堆积方式的金属还有Na、Fe等。六方堆积和面心立方堆积（都为密置层） 六方堆积（ABABAB） 面心立方堆积（ABCABCABC）【辨析比较】六方堆积有两种密置层，按ABABABAB的方式堆积；面心立方堆积有三种密置层，按ABCABCABC的方式堆积。这两种堆积方式都属于密置层堆积，而且是最密堆积，空间利用率最高。观察上图我们可以发现：在六方堆积中，A（上）层中的金属原子1、2、3的原子核与A（下）层中的金属原子10、11、12的原子核在一条直线上；在面心立方堆积中，C层中的金属原子1、2、3的原子核与A层中的金属原子10、11、12的原子核不在一条直线上，而是1、2、3的原子核与10、11、12形成的外空隙相对。由于金属镁（Mg）是六方堆积的典型代表金属，因此六方堆积又被称为镁型；而金属铜（Cu）是面心立方堆积的典型代表金属，因此面心立方堆积又被称为铜型。【例5】某晶胞结构如下图所示，X位于立方体的顶点，Y位于立方体的中心。试分析：XY（1）在一个晶胞中有_个X，_个Y，晶体的化学式为_。（2）晶体中距离最近的两个X与一个Y所形成的夹角XYX角度为_（填角的度数）。解析：（1）Y的个数为1，X的个数为41/8=1/2，所以XY=12，因此化学式为XY2。（2）X与Y之间的连接线构成一个正四面体，类似甲烷的分子结构，所以XYX角度等于甲烷中的键角，为1095。答案：（1）1 1/2 （2）1095方法归纳：晶胞中原子个数的计算（均摊法）六方晶胞：在六方体顶点的金属原子为6个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有，在体内的金属原子属于该晶胞。六方晶胞中金属原子数为： 1/612+1/22+3=6。面心立方晶胞：在立方体顶点的金属原子为8个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有。面心立方晶胞中金属原子数为： 1/88+1/26=4。体心立方晶胞：在立方体顶点的金属原子为8个晶胞共有，处于体心的金属原子全部属于该晶胞。体心立方晶胞中金属原子数为： 1/88+1=2。【例6】最近发现了一种由金属原子M和非金属原子N构成的气态团簇分子，如下图所示，顶角和面的原子是M原子，棱中心和体心的原子是N原子，它的分子式为 ( )A M4N4B MNC M14N13D条件不够，无法写出答案：C误区警示：如果是一个晶胞，则只有立方体内部的微粒才完全属于该晶胞，顶点、棱上以及面上的微粒属于该晶胞的分别是1/8、1/4、1/2；如果是一个分子，则所有的原子都属于该分子。审题时，一定要注意这一点。4、合金和金属材料（1）合金：把两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。不锈钢、铝合金就是我们常见的合金材料。（2）合金的性能：比它的成分金属具有许多良好的物理的、化学的、机械的性能。通常，多数合金的熔点比它的成分金属的熔点都低，而强度和硬度比它的成分金属要大。例如铁暴露在空气中容易锈蚀，而普通钢中加入约15%的铬和约0.5%的镍形成的不锈钢，能够耐酸碱的腐蚀；金属铝很软，而一定比例的铝、铜、镁熔合而成的硬铝具有较大的硬度。（3）合金的性能与结构的关系当两种金属元素的电负性、化学性质和原子半径相差不大时，形成的合金称为金属固熔体，如铜、镍、银、金合金。这类合金的强度和硬度一般都比组成它的各成分金属的强度和硬度大。当两种金属元素的电负性或原子大小相差较大时，形成的合金称为金属化合物，如Ag3Al、CuZn3合金。这类合金通常具有较高的熔点、较大的强度、较高的硬