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（第2课时） 学案

第2课时金属晶体[素养发展目标]1．借助金属晶体等模型认识晶体的结构特点。2．了解晶体中微粒的空间排布存在周期性，认识简单的晶胞。3．认识合金及其广泛应用。一、金属晶体1．概念(1)晶体：内部粒子(原子、离子或分子)在空间呈现有规则的重复排列，外观具有规则几何外形的固体物质，通常条件下，金属单质及其合金属于晶体。(2)晶胞：能够反映晶体结构特征的基本重复单位。金属晶体是金属晶胞在空间连续重复延伸而形成的。(3)金属晶体：通过金属阳离子与自由电子之间的强烈的作用而形成的晶体。2．金属材料——合金(1)概念：将两种或两种以上的金属(或金属与非金属)共熔，制备出的特殊金属材料。(2)性能①合金的硬度一般都比组成它的纯金属大。②多数合金的熔点低于组成它的任何一种组分金属。学生用书第42页③合金的导电性和导热性一般低于任一组分金属。3．金属晶体的常见堆积方式(1)金属原子在二维空间中放置的两种方式金属晶体中的原子可看成半径相等的球体。把它们放置在平面上(即二维空间里)，可有两种方式——a：非密置层，b：密置层(如图所示)。(2)金属晶体的原子在三维空间里的3种堆积方式金属原子在三维空间按一定的规律堆积，有3种基本堆积方式(图中不同颜色的小球都代表同一种金属原子)。堆积方式图式实例简单立方堆积钋体心立方堆积钠、钾、铬、钼、钨等面心立方堆积金、银、铜、铅等【即学即练】1．(1)钠钾合金在通常状况下呈液态，可作为原子反应堆的导热剂。以下是对钠钾合金具有导热性的主要原因的分析，其中正确的是()①钠钾合金的熔点很低②钠钾合金中有自由电子③钠钾合金中有金属离子答案：②(2)已知某金属单质晶体中(如碱金属)原子堆积方式如图所示，则该堆积方式是________答案：体心立方堆积二、均摊法分析晶胞的组成1．均摊法含义：在一个晶胞中按比例均摊出该晶胞中的每个粒子，如某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有属于该晶胞。如图所示的晶胞中不同位置的粒子数的计算：2．晶胞的计算(1)立方体(或正方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算学生用书第43页(2)正三棱柱晶胞中不同位置的粒子数的计算【即学即练】2．硼和镁可形成超导化合物。如图所示是该化合物的晶体结构单元：镁原子间形成正六棱柱，且棱柱的上、下面还各有一个镁原子；6个硼原子位于棱柱的侧棱上，则该化合物的化学式可表示为________。答案：Mg3B2一、金属晶体的堆积方式和晶胞所含原子数的计算如图为甲、乙、丙三种晶体部分结构：1．写出甲晶体的化学式(X为阳离子)，写出推导过程提示：X2Y；甲中X位于立方体体心，算作1，Y位于立方体顶点，实际占有×4＝，X∶Y＝1∶＝2∶1，所以甲的化学式为X2Y。2．乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比是多少？写出推导过程提示：1∶3∶1；乙中A占有×8＝1，B占有×6＝3，C占有1，由此推出A∶B∶C＝1∶3∶1。3．丙晶体中每个D周围结合E的个数是几个？写出推导过程提示：8；丙中每个D周围的E的个数与每个E周围D的个数相同，每个E周围有8个D，所以每个D周围有8个E。1．由于金属键没有饱和性和方向性，金属原子能从各个方向相互靠近，彼此相切，尽量紧密堆积成晶体，紧密堆积能充分利用空间，使晶体能量降低，所以金属晶体绝大多数采用紧密堆积方式。2．配位数是指晶体中一种微粒周围和它紧邻的其他微粒的数目。学生用书第44页3．金属晶体的常见堆积方式模型堆积模型采纳这种堆积的典型代表晶胞均摊法分析每个晶胞所含原子数配位数非密置层简单立方堆积Po(钋)1628412密置层面心立方堆积Cu、Ag、Au612六方堆积Mg、Zn、Ti1．下列关于体心立方堆积晶胞结构(如图)的叙述正确的是()A．是密置层的一种堆积方式B．晶胞是六棱柱C．每个晶胞内含2个原子D．每个晶胞内含6个原子C[体心立方堆积晶体的晶胞为立方体，是非密置层的一种堆积方式，其晶胞内含有2个原子。]2．一种AlFe合金的晶胞如图所示，则此合金的化学式为()Fe·AlaO(小正方体对角线的1/4处)A．Fe2Al B．FeAlC．FeAl2 D．Fe3Al2A[观察图示，该晶胞中Al是4个；Fe的个数为N(Fe)＝8×＋12×＋6×＋1＝8，所以化学式为Fe2Al。]二、晶胞中各物理量的关系及晶胞密度的计算氮化铁磁粉是近几年发展起来的一种新型磁记录材料，具有记录密度高、信噪比大、稳定性及耐腐蚀性好等特点。利用氨气在400℃以上分解，将分解的氮原子渗透到铁粉中制备氮化铁。某种磁性氮化铁的结构如图所示，N随机排列在Fe1．写出该磁性氮化铁晶体的堆积方式。提示：六方堆积。2．写出该化合物的化学式。提示：Fe的个数为12×＋2×＋3＝6，N的个数为2，故化学式为Fe3N。3．六棱柱底边长为acm，高为bcm，阿伏加德罗常数的值为NA，列式计算该磁性氮化铁的晶体密度。提示：晶胞的质量为g，晶胞体积为acm×acm×6×bcm＝a2bcm3，故晶体密度为g÷a2bcm3＝g·cm－3。学生用书第45页假设某晶体的晶胞如下：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(1)立方晶胞的面对角线与边长a的关系：面对角线等于a；晶胞的体对角线与边长的关系：体对角线等于a。(2)晶体的密度是晶体的质量与晶体体积的比值，可把晶胞扩大阿伏加德罗常数(NA)倍，再进行计算。1．金晶体的晶胞结构如图所示。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C．一个晶胞的体积是16d3D．金晶体的密度是C[A项，Au原子处于立方体的顶点与面心上，故晶胞中含有的Au原子数目为8×＋6×＝4，正确；B项，金属晶体中，金属键无方向性，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×2d＝d，故晶胞的体积为(d)3＝2d3，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NA＝，正确。]2．如图为一个金属铜的晶胞，请完成以下各题。(1)该晶胞“实际”拥有的铜原子数是________个。(2)该晶胞称为________(填字母)。A．六方晶胞 B．体心立方晶胞C．面心立方晶胞 D．简单立方晶胞(3)此晶胞立方体的边长为acm，Cu的摩尔质量为64g·mol－1，金属铜的密度为ρg·cm－3，则阿伏加德罗常数的值为____________(用a、ρ表示)。解析：(1)根据“均摊法”可计算晶胞中的原子个数：8×＋6×＝4。(2)该晶胞为面心立方晶胞。(3)根据公式ρ·a3＝M可得：NA＝M，将N＝4和M＝64代入该式，可得NA＝mol－1。答案：(1)4(2)C(3)mol－11．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B[A项，Hg在常温下为液态；D项，金属的导电性随温度升高而降低；C项，r(Ca)<r(K)且外围电子数：Ca>K，所以金属键：Ca>K，故熔、沸点：Ca>K。]2．有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示，有关说法错误的是()学生用书第46页A．①为简单立方堆积，晶胞中含有粒子数为1个B．②为体心立方堆积，晶胞中含有粒子数为2个C．③为体心立方堆积，晶胞中含有粒子数为2个D．④为面心立方堆积，晶胞中含有粒子数为4个C[③为六方堆积，晶胞中含有粒子数为6个。]3．金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式：六方堆积、面心立方堆积和体心立方堆积。a、b、c分别代表这三种晶胞的结构，其晶胞a、b、c内金属原子个数比为()A．3∶2∶1 B．11∶8∶4C．9∶8∶4 D．21∶14∶9A[a晶胞中原子个数：12×＋2×＋3＝6，b晶胞中原子个数：8×＋6×＝4，c晶胞中原子个数：8×＋1＝2，所以a、b、c晶胞中原子个数比为6∶4∶2＝3∶2∶1。]4．铜是生活中比较常见的一种金属，而纳米铜能在空气中自燃，这是因为纳米铜的表面粒子数占总粒子数的比例较大。假设某纳米颗粒的大小和形状如图所示，则这种纳米颗粒的表面粒子数与总粒子数之比是()A．7∶11B．1∶2C．7∶8D．26A[由该纳米颗粒的大小和形状结构图可知，表面粒子数为8个(顶点)＋6个(面心)＝14，而粒子总数为14＋8＝22，所以表面粒子数与总粒子数之比为14∶22＝7∶11。]5．(1)金属导电靠________，电解质溶液导电靠________；金属导电能力随温度升高而________，溶液导电能力随温度升高而________。(2)已知下列金属晶体：Na、Po、K、Cr、Cu、Mg、Zn、Au，其堆积方式为：①简单立方堆积的是________；②体心立方堆积的是________；③六方堆积的是________；④面心立方堆积的是________。(3)有一种金属结构单元是一个“面心立方体”(注：八个顶点和六个面分别有一个金属原子)。该单元平均是由________个金属原子构成的。解析：(1)金属作导体导电靠的是自由电子的定向移动，电解质溶液导电靠的是自由移动离子的定向移动。金属温度升高，金属阳离子振动加快，阻碍自由电子运动，导电能力减弱，而电解质溶液温度升高，自由移动离子的运动速率加快，导电能力增强。(3)由均摊法计算该单元平均由8×＋6×＝4个金属原子构成。答案：(1)自由电子自由移动离子减弱增强(2)①Po②Na、K、Cr③Mg、Zn④Cu、Au(3)4课时精练(九)金属晶体(本栏目内容在学生用书中以活页形式分册装订！)[基础达标练]1．下列有关晶胞的叙述正确的是()A．晶胞的结构是晶体的结构B．不同的晶体中，晶胞的大小和形状都相同C．晶胞中的任何一个粒子都属于该晶胞D．已知晶胞的组成就可推知晶体的组成答案：D2．金属晶体的堆积密度大，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D[因金属键没有饱和性和方向性，故在金属晶体中，原子可以尽可能多地吸引其他原子分布于周围，并以紧密堆积的方式排列以降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。]3．对图中某金属晶体结构的模型进行分析，有关说法正确的是()A．该种堆积方式称为六方堆积B．该种堆积方式称为体心立方堆积C．该种堆积方式称为面心立方堆积D．金属Mg就属于此种堆积方式C[由图示知该堆积方式为面心立方堆积，A、B错误，C正确，Mg是六方堆积，D错误。]4．金属钠是体心立方堆积，下列关于钠晶体的判断合理的是()A．其熔点比金属铝的熔点高B．一个钠的晶胞中，平均含有4个钠原子C．该晶体中的自由电子在外加电场作用下可发生定向移动D．该晶体中的钠离子在外加电场的作用下可发生定向移动C[金属的原子半径越小，金属离子所带电荷数越多，金属键越强，金属熔化时破坏金属键，所以Al的金属键强度大于Na的金属键强度，所以Na的熔点比金属Al的熔点低，故A错误；晶胞中Na原子位于立方体的顶点和体心，则一个钠的晶胞中，平均含有的钠原子数为×8＋1＝2个，故B错误；自由电子在电场的作用下可以定向移动，金属晶体中存在自由移动的电子，所以该晶体中的自由电子在外加电场作用下可发生定向移动，故C正确；晶体中的钠离子不能自由移动，所以晶体中的钠离子在外加电场的作用下不能定向移动，故D错误。]5．金属原子在二维空间里放置有如图所示的两种排列方式，下列说法正确的是()A．(a)为非密置层，配位数为6B．(b)为密置层，配位数为4C．(a)在三维空间里堆积可得六方堆积和面心立方堆积D．(b)在三维空间里堆积仅得简单立方堆积C[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，另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，非密置层排列的空间利用率低，配位数为4。由此可知，(a)为密置层，(b)为非密置层。密置层在三维空间堆积可得到六方堆积和面心立方堆积两种堆积方式，非密置层在三维空间堆积可得到简单立方堆积和体心立方堆积两种堆积方式。]6．“神九”载人飞船上使用了锂镁合金和锂铝合金等合金材料，下列有关叙述不正确的是()A．飞船使用的合金材料，一般具有质量轻、强度高的特点B．锂铝合金中铝、锂的金属性不如钠强C．锂镁合金和锂铝合金性质相当稳定，不会与酸发生化学反应D．锂镁合金是一种具有金属特性的物质，易导热、导电C[A项，航天材料要符合质地轻、硬度大等基本要求；B项，根据碱金属元素性质递变规律可知Na的金属性比Li强，根据金属活动性顺序可知Na的金属性比铝强；C项，锂、镁按一定比例熔合而得到锂镁合金，具有活泼金属的性质，能与酸反应；D项，合金改变了金属内部结构，但仍具有金属的导热、导电性等性质。]7．(2022·江苏泗阳质检)现有四种晶体，其构成粒子(均为单原子核粒子)排列方式如图所示，其化学式正确的是()C[A．B处于顶点位置，晶胞中B原子数目＝8×＝1，A处于体心，晶胞中A原子数目＝1，故化学式为AB，故A错误；B．E、F均处于顶点位置，晶胞中E、F原子数目＝4×＝，故化学式为EF，故B错误；C．Z处于顶点，Z原子数目＝8×＝1，Y处于面心，Y原子数目＝6×＝3，X处于体心，晶胞中X原子数目＝1，故化学式为XY3Z，故C正确；D．A处于顶点、面心，晶胞中A原子数目＝8×＋6×＝4，B处于体心、棱中心，晶胞中B原子数目＝1＋12×＝4，故化学式为AB，故D错误。]8．已知某化合物的晶体是由如图所示的最小结构单元密置堆积而成，下列关于该化合物的叙述错误的是()A．1mol该化合物中含有1molYB．1mol该化合物中含有3molCuC．1mol该化合物中含有2molBaD．该化合物的化学式是YBa2Cu3O6D[由图可知，白球代表的Y原子位于长方体的八个顶点上，大黑球代表的Ba原子位于长方体的四条棱上，灰球代表的Cu原子位于长方体的内部，小黑球代表的O原子有的位于长方体的内部、有的位于长方体的面上，运用均摊法可计算出Y原子个数为8×＝1，Cu原子个数为3，Ba原子个数为8×＝2，O原子个数为10×＋2＝7，故该化合物的化学式为YBa2Cu3O7。]9．(1)将等径圆球在二维空间里进行排列，可形成密置层和非密置层，在图1所示的半径相等的圆球的排列中，A属于__________层，配位数是______；B属于______层，配位数是________。(2)将非密置层一层一层地在三维空间里堆积，得到如图2所示的一种金属晶体的晶胞，它被称为简单立方堆积，在这种晶体中，金属原子的配位数是________，平均每个晶胞所含有的原子数目是________。(3)有资料表明，只有钋的晶体中的原子具有如图2所示的堆积方式，钋位于元素周期表的第________周期________族，元素符号是______，外围电子排布式是________。答案：(1)非密置4密置6(2)61(3)6ⅥAPo6s26p4[能力提升练]10．(2022·江苏省南菁高级中学高二质检)铁有δ、γ、α三种晶体结构，以下依次是δ、γ、α三种晶体在不同温度下转化的图示。已知：，下列有关说法中正确的是()A．δ、γ、α三种晶体互为同分异构体B．γFe晶体为体心立方堆积C．αFe晶体中，与每个Fe原子距离相等且最近的Fe原子有6个D．δFe晶体中，与每个Fe原子距离相等且最近的Fe原子有6个C[A．同分异构体是分子式相同而结构式不同的化合物的互称，而铁的三种不同晶体结构中都只含有一种铁元素，均为单质，故A错误；B．结合γFe晶体的晶胞结构可知其为面心立方堆积，故B错误；C．αFe晶体的堆积为简单立方堆积，与每个Fe原子距离相等且最近的Fe原子有6个，故C正确；D．δFe晶体中，以体心的Fe原子为标准，则位于顶点的8个Fe原子到体心的Fe原子的距离相等且最近，故D错误。]11．有一种钛原子和碳原子构成的气态团簇分子，如图所示，顶点和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，它的化学式为()A．Ti14C13 B．TiCC．Ti4C4 D．Ti4C3A[由题意知该物质是气态团簇分子，故题目中图示应是该物质的一个完整的分子，由14个钛原子和13个碳原子构成。]12．请仔细观察下列几种物质的结构示意图，判断下列说法正确的是()A．硼镁超导物质的晶体结构单元如图所示(B原子位于棱柱内)，则这种超导材料的化学式为Mg3B2B．锂的某种氧化物的晶胞如图所示，则该氧化物的化学式为Li2OC．某晶体的晶胞如图所示，则这种晶体中A、B、C三种粒子数目之比是3∶9∶4D．Mn和Bi形成的某种晶体的晶胞结构如图所示(白球均在六棱柱内)，则该晶体物质的化学式为Mn2BiB[该晶胞中Mg原子个数为12×＋2×＝3，B原子个数为6，Mg、B原子个数之比为3∶6＝1∶2，所以其化学式为MgB2，故A错误；该晶胞中Li原子个数为8，O原子个数为8×＋6×＝4，则Li、O原子个数之比为8∶4＝2