2020高中化学 3.1金属键金属晶体学案 苏教版选修3

3.1 金属键 金属晶体 学案（苏教版选修3）知识回顾 通过必修课的学习，我们已经学习了金属元素，以及它们的物理性质和化学性质，下面回顾一下金属元素在元素周期表中的位置及原子结构特征：目前元素周期表中排列的112种元素中，金属元素有90种，约占4/5，非金属元素有22种。金属元素在周期表中位于左下方，大多数金属元素原子最外层只有13个电子，某些金属（Sn、Pb、Bi）等最外层虽然有45个电子，但它们的电子数较多，原子半径较大，原子核对核外电子的吸引力较小，容易失去电子，在化学反应中，金属元素原子只能失去电子，不能得到电子，即金属元素在化合物中只显正价，不显负价；金属单质只有还原性，没有氧化性等。金属制品在生产、生活中随处可见，在各个领域发挥着各式各样的作用，如钢铁、铝合金等。 铝合金主要用于建筑业和包装业；金和它的合金几乎能达到各种电子元件对稳定性、导电性、韧性、延展性等的要求；银在有机合成、能源开发、材料制造等方面的应用越来越被重视；铜具有良好的导电性、导热性，在电气和电子工业中主要用于制造电线、通迅电缆等；另外一些新的金属材料相继被开发出来并应用于工、农业生产和高科技领域。疏导引导知识点1：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（一般指最外层或次外层）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。3.强弱的衡量标准：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。4.影响因素：金属元素的原子半径及单位体积内自由电子的数目；一般金属元素的原子半径越小，单位体积内自由电子的数目越大，金属键越强。5.对物理性质的影响：通常，金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔沸点越高。知识点2：金属的物理性质1.金属都具有金属光泽、导电性、延展性等，造成它们共性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生成新物质，属化学变化，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（由大到小顺序）AgCuAuAlZnPtSnFePbHg。4.延展性：金属有延展性，可以抽成细丝，例如最细的白金丝直径不过mm。金属又有展性，可以压成薄片，例如最薄的金箔只有mm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、锰等性质较脆，没有延展性，延展性最好的金属是金。知识点3：金属晶体的结构1.晶胞：能够反映晶体结构特征的基本重复单位。晶体是晶胞按其周期性在空间重复排列而成的，晶胞一定是一个平行六面体，但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。2.金属原子的紧密堆积：紧密堆积的意思就是质点之间的作用力，使质点间尽可能地相互接近，使它们占有最小的空间。如果把金属原子视为球体，则金属晶体的紧密堆积有三种方式并分别对应着三种不同类型的晶胞。（1）六方堆积类型：常见金属如镁、锌、钛，配位数为12。（2）面心立方堆积类型：常见金属如金、银、铜、铝，配位数为12。（3）体心立方堆积：常见金属如钠、钾、铬、钼。3.晶胞中原子的个数（1）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：=6。（2）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：=4。（3）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：=2。知识点4：合金的组成和性质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。在日常生产和生活中，我们所见到的金属制品大多数并不是由纯的某种金属制成的，例如，不锈钢是铁、铬、镍的合金；钢是铁和碳的合金等。2.形成合金金属与合金性质的关系（1）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。（2）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、较高的硬度和耐磨性，但塑性和韧性较低。（3）原子半径较小的氢、硼、碳、氮等非金属元素渗入过渡金属结构的间隙中，称为金属间隙化合物或金属间隙固熔体。这类合金具有很高的熔点和很大的硬度，这主要是填隙原子和金属原子之间存在共价键之故。3.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。规律总结 （1）金属晶体结构与物理性质关系（2）金属熔、沸点比较 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作用力就越强，金属键也越强，晶体的熔沸点就越高，反之，亦然。例如，熔沸点：NaMgAl。活学巧用1.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.镁的熔沸点低于钙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，离子半径Al3+Mg2+，金属键强弱MgCa,所以A、B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：AB2.金属的下列性质中，不能用金属晶体结构加以解释的是（ ）A.易导电 B.易导热 C.延展性 D.易锈蚀解析：备选答案A、B、C都是金属共有的物理性质，这些性质都是由金属晶体所决定的；D项中易锈蚀是因金属易失电子，是由原子结构决定的。答案：D3.金属能导电的原因是（ ）A.金属晶体中金属阳离子与自由电子间的相互作用较弱B.金属晶体中的自由电子在外加电场作用下发生定向移动C.金属晶体中的金属阳离子在外加电场作用下可发生定向移动D.金属晶体在外加电场作用下可失去电子解析：金属原子失去电子后变为金属离子，失去的电子称为自由电子，自由电子可以在金属晶体中自由移动，在外加电场的作用下，自由电子就会定向移动而形成电流。答案：B4.某物质熔融状态可导电，固态可导电，将其投入水中水溶液也可导电，则可推测该物质可能是（ ）A.金属 B.非金属 C.可溶性碱 D.可溶性盐解析：非金属在熔融状态不导电，所以B错误；可溶性碱、可溶性盐属于离子化合物，在固态时不导电，所以C、D也错误；符合条件的只有A，如钾等。答案：A5.图1所示晶体结构是一种具有优良的压电功能的铁片晶体材料的最小结构单元（晶胞），晶体内与每个“Ti”紧邻的氧原子数和这种晶体材料的化学式分别是（ ） 图1 图2A.8 BaTi8O12 B.8 BaTi4O9 C.6 BaTiO3 D.3 BaTi2O3解析：解答此类题目需先了解分割法。晶体均可切割成若干个相同的基本单元，这些基本单元中的点、边（线）、面被若干个相同的基本单元共用，故每个基本单元只分割了几分之一个点、边、面。例如在图2的立方体中，位于顶点的A粒子被8个相同的立方体共用；位于棱心的B粒子被4个相同的立方体共用；位于面心的C粒子被2个相同的立方体共用；位于体心的D粒子被1个立方体独用。根据上述方法可知：TiBaO=8112=113，化学式为BaTiO3；每个Ti固有6个O。答案：C6.2000年5月，保利集团在香港拍卖会上花费3 000多万港币购回在火烧圆明园时流失的国宝：铜铸的牛首、猴首和虎首。普通铜器时间稍久容易出现铜绿，其主要成分是Cu2(OH)2CO3。这三种1760年铜铸的国宝在240年后看上去仍然熠熠生辉，下列对其原因的分析，最可能的是（ ）A.它们的表层都电镀上了一层耐腐蚀的黄金B.环境污染日趋严重，它们表面的铜绿被酸雨溶解洗去C.铜的金属活动性比氢小，因此不易氧化D.它们是含一定比例金、银、锡、锌的铜合金解析：合金的性质并不是各成分金属的和，其性能应优于各成分金属，我国在很早就掌握了制合金的方法，所以应选D项。答案：D7.钠钾合金（含钾50%80%）可用作原子反应堆的导热剂，以下所述该合金的事实跟此项应用无关的是（ ）A.熔点260.7 K B.具有很高的比热 C.可作冷却剂 D.能跟水剧烈反应解析：钠钾合金在常温下呈液态，所以A正确；能用作导热剂，说明其比热很高且易于传热，所以B、C正确，用作原子反应堆的导热剂，用的是钠钾合金的物理性质，而不是化学性质，所以D项错误。答案：D8.同类晶体物质熔、沸点的变化是有规律的，试分析下列两组物质熔点规律性变化的原因：A组物质 NaCl KCl CsCl熔点（K） 1 074 1 049 918B组物质 Na Mg Al熔点（K） 317 923 933晶体熔点、沸点的高低，决定于组成晶体微粒间的作用力的大小。A组是_晶体，晶体微粒之间通过相连。B组晶体属_晶体，价电子数由少到多的顺序是_，粒子半径由大到小的顺序是_。由库仑定律F=_可知，金属键强度由小到大的顺序为_。解析：A组为离子晶体，离子间通过离子键相连，强度可借助库仑定律比较：F=，由于NaCl、KCl、CsCl中的阴