2024-2025学年高中化学专题3第一单元金属键金属晶体学案含解析苏教版选修3

PAGEPAGE14金属键金属晶体[课标要求]1．知道金属键的涵义，能用金属键理论说明金属的一些物理性质。2．能列举金属晶体的基本积累模型。1.1.金属离子与自由电子之间剧烈的相互作用，叫做金属键。2．金属晶体有简洁立方、体心立方、六方和面心立方四种积累模型。3．立方晶胞中微粒个数的计算。(1)处于顶点的粒子，每个粒子有eq\f(1,8)属于该晶胞。(2)处于棱上的粒子，每个粒子有eq\f(1,4)属于该晶胞。(3)处于面上的粒子，每个粒子有eq\f(1,2)属于该晶胞。(4)处于晶胞内部的粒子，则完全属于该晶胞。eq\a\vs4\al(金属键与金属特性)1．金属键概念金属离子与自由电子之间剧烈的相互作用形成金属原子失去部分或全部外围电子形成的金属离子，与“脱落”下的自由电子相互作用影响因素(1)原子半径(2)单位体积内自由电子的数目2.金属特性特性缘由导电性通常状况，金属内部自由电子的运动无固定的方向性，在外加电场作用下，自由电子发生定向运动形成电流导热性金属受热时，自由电子与金属离子碰撞频率增加，自由电子把能量传给金属离子，从而把能量从温度高的区域传到温度低的区域延展性金属键没有方向性，在外力作用下，金属原子间发生相对滑动时，各层金属原子间保持金属键的作用，不会断裂1．金属导电和电解质溶液导电有什么本质区分？提示：金属导电是自由电子的定向移动，是物理改变；电解质溶液导电实际是电解过程，为化学改变。2．金属键的成键特点是什么？提示：整块金属中的金属离子与其中的全部自由电子存在相互作用，即自由电子不属于一个或几个金属离子。3．金属键对金属的物理性质有什么影响？提示：金属键越强，金属的熔、沸点越高，硬度越大。金属键对金属性质的影响金属的硬度和熔、沸点等物理性质与金属键的强弱有关，即与金属离子和自由电子之间的作用大小有关。(1)同一周期，从左到右，金属元素的原子半径渐渐减小，价电子数渐渐增多，单位体积内自由电子数渐渐增多，金属键渐渐增加，金属的熔、沸点渐渐上升，硬度渐渐增大。(2)同一主族，从上到下，金属元素原子的价电子数不变，原子半径渐渐增大，单位体积内自由电子数渐渐削减，金属键渐渐减弱，金属的熔、沸点渐渐降低，硬度渐渐减小。(3)1mol金属固体完全气化成相互远离的气态原子时汲取的能量，叫做金属的原子化热。金属的原子化热数值越大，金属键越强。1．与金属的导电性和导热性有关的是()A．原子半径大小 B．最外层电子数C．金属的活泼性 D．自由电子解析：选D金属的导电性是由于自由电子在外加电场中的定向移动造成的。金属的导热性是因为自由电子热运动的加剧会不断和金属离子碰撞而交换能量，使热能在金属中快速传递。2．物质结构理论指出：金属晶体中金属离子与“自由电子”之间存在的强的相互作用，叫金属键。金属键越强，金属的硬度越大，熔、沸点越高，一般说来金属离子半径越小，价电子数越多，则金属键越强。由此推断下列说法错误的是()A．镁的硬度大于铝 B．镁的熔点高于钙C．镁的硬度大于钾 D．钙的熔点高于钾解析：选A依据题目所给条件：镁和铝的电子层数相同，价电子数Al>Mg，离子半径Al3＋<Mg2＋，Al的硬度大于镁；镁、钙最外层电子数相同，但离子半径Ca2＋>Mg2＋，金属键Mg强于Ca；用以上比较方法可推出：价电子数Mg>K，离子半径Mg2＋<Ca2＋<K＋，金属键Mg>K，硬度Mg>K；钙和钾位于同一周期，价电子数Ca>K，离子半径K＋>Ca2＋，金属键Ca>K，熔点Ca>K。eq\a\vs4\al(金属晶体)1．晶体与晶胞(1)晶体：具有规则的几何外形的固体，晶体外形规则是其内部结构规则的外部表现，构成晶体的微粒的排列是规则的。(2)晶胞：能够反映晶体结构特征的基本重复单位，它在空间是连续重复延长的。2．金属晶体中原子的积累方式(1)金属晶体中原子平面积累模型金属晶体中原子是以紧密积累的形式存在的。(2)三维空间积累模型金属原子在三维空间按肯定的规律积累，有4种基本积累方式。积累方式图式实例简洁立方积累如钋体心立方积累钠、钾、铬、钼、钨等面心立方积累金、银、铜、铅等六方积累镁、锌、钛等3.合金(1)概念：由金属与金属或金属与非金属混合形成具有金属性质的物质称为合金。如钠钾合金、铜锌合金等。(2)合金的性质①合金的熔、沸点一般比组成它的各成分金属的熔、沸点低。②形成合金后硬度、强度增大(一般状况下)。[特殊提示](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，尽量紧密积累成晶体，密积累能充分利用空间，使晶体能量降低，所以金属晶体绝大多数采纳密积累方式。(2)配位数是指晶体中一种微粒四周和它紧邻的其他微粒的数目。1．常见的晶胞有几种类型？提示：长方体(正方体)晶胞和非长方体(非正方体)晶胞。2．计算晶胞中微粒数目为什么采纳均摊法？提示：晶体中的晶胞无隙并置，位于晶胞顶点上、棱上、面上的微粒，不完全归该晶胞全部，只占其中的1/n，故采纳均摊法。1．晶胞中微粒的计算方法——均摊法均摊是指每个晶胞中平均拥有的微粒数目。若每个微粒为n个图形(晶胞)所共有，则该微粒就有eq\f(1,n)个微粒属于该图形(晶胞)。(1)长方体(正方体)晶胞中微粒数的计算。(2)非长方体(非正方体)晶胞中微粒对晶胞的贡献视详细状况而定。如石墨晶胞每一层内碳原子排成六边形，其顶点(1个碳原子)对六边形的贡献为eq\f(1,3)。2．晶胞密度的有关计算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＝eq\f(N,NA)M则有：ρ·a3＝eq\f(N,NA)M，ρ＝eq\f(N,NAa3)M1．金属晶体的形成是因为晶体中存在()A．金属离子间的相互作用B．金属原子间的相互作用C．金属离子与自由电子间的相互作用D．自由电子间的相互作用解析：选C金属晶体中存在金属离子和自由电子，其相互作用即为金属键。2．已知下列金属晶体：Na、Po、K、Fe、Cu、Mg、Zn、Au。其积累方式为：(1)简洁立方积累的是________；(2)体心立方积累的是________；(3)六方最密积累的是________；(4)面心立方最密积累的是________。解析：(1)采纳简洁立方积累的金属为Po；(2)采纳体心立方积累的金属为K、Na、Fe；(3)采纳六方最密积累的金属有Mg、Zn；(4)采纳面心立方最密积累的有Cu、Au等。答案：(1)Po(2)Na、K、Fe(3)Mg、Zn(4)Cu、Au3．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________(填序号)。A．六方晶胞 B．体心立方晶胞C．面心立方晶胞 D．简洁立方晶胞(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，则阿伏加德罗常数为________(用a、ρ表示)。解析：(1)依据“均摊法”可计算晶胞中的原子个数：8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4。(2)该晶胞为面心立方晶胞。(3)依据公式ρ·a3＝eq\f(N,NA)M可得：NA＝eq\f(N,ρ·a3)M，将N＝4和M＝64代入该式，可得NA＝eq\f(256,ρ·a3)。答案：(1)4(2)C(3)eq\f(256,ρ·a3)[方法技巧](1)立方晶胞的面对角线与边长a的关系：面对角线等于eq\r(2)a；晶胞的体对角线与边长的关系：体对角线等于eq\r(3)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。[三级训练·节节过关]1．在金属晶体中，自由电子与金属离子的碰撞中有能量传递，可以由此来说明的金属的物理性质是()A．延展性 B．导电性C．导热性 D．硬度解析：选C自由电子与金属离子碰撞中有能量的传递，这表现了金属的导热性。2.下列金属中，金属离子与自由电子间的作用最强的是()A．Na B．MgC．Al D．K解析：选C金属原子的半径小、单位体积内自由电子数目多，则其作用力越强。Na、Mg、Al均位于第3周期，原子半径渐渐减小，价电子数目渐渐增多，所以金属键渐渐增加，其中铝的金属键最强，钠的金属键最弱，而K和Na位于同一主族，且K的半径比Na大，所以钾的金属键比钠弱。3．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剧烈作用，在肯定外力作用下，不因形变而消逝C．钙的熔、沸点低于钾D．温度越高，金属的导电性越好解析：选BA项，Hg在常温下为液态；D项，金属的导电性随温度上升而降低；C项，r(Ca)<r(K)且价电子数Ca>K，所以金属键Ca>K，故熔、沸点Ca>K。4.某离子化合物的晶胞如图所示。阳离子位于晶胞的中心，阴离子位于晶胞的8个顶点上，则该离子化合物中阴、阳离子的个数比为()A．1∶8 B．1∶4C．1∶2 D．1∶1解析：选D阴离子位于晶胞的8个顶点，个数为8×eq\f(1,8)＝1，阳离子位于晶胞的中心，个数为1。5．连线题。答案：A—(4)—①B—(1)—②C—(2)—③D—(3)—③1．金属晶体的积累密度大，原子配位数高，能充分利用空间的缘由是()A．金属原子的价电子数少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解析：选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四周，并以密积累的方式排列以降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。2．下列物质的熔、沸点依次上升的是()A．Na、Mg、Al B．Na、Rb、CsC．Mg、Na、K D．硅铝合金、单晶硅、铝解析：选A同一周期自左至右金属键增加，同一主族从上而下金属键减弱，因此，熔沸点，Na<Mg<Al，Na>Rb>Cs，Mg>Na>K；合金的熔点会低于各组分的熔点。3．下列有关金属的叙述正确的是()A．金属受外力作用时经常发生变形而不易折断，是由于金属离子之间有较强的作用B．通常状况下，金属里的自由电子会发生定向移动，而形成电流C．金属是借助金属离子的运动，把能量从温度高的部分传到温度低的部分D．金属的导电性随温度的上升而降低解析：选D金属受外力作用时变形而不易折断是因为金属晶体中各原子层会发生相对滑动，但保持金属离子与自由电子之间相互作用，故A项不正确；自由电子要在外加电场作用下才能发生定向移动产生电流，B项不正确；金属的导热性是由于自由电子碰撞金属离子将能量进行传递，故C项不正确。4.对图中某晶体结构的模型进行分析，有关说法正确的是()A．该种积累方式为六方最密积累B．该种积累方式称为体心立方积累C．该种积累方式称为面心立方积累D．金属Mg就属于此种最密积累方式解析：选C由图示知该积累方式为面心立方积累，A、B错误，C正确；Mg是六方积累，D错误。5.关于金属钾晶体(如图)结构的叙述中正确的是()A．是密置层的一种积累方式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个原子解析：选C钾晶体是非密置层的一种积累方式，为立方体形晶胞，其中有8个顶点，一个体心，晶胞所含原子数为8×eq\f(1,8)＋1＝2。6．要使金属晶体熔化必需破坏其中的金属键。金属晶体熔、沸点凹凸和硬度大小一般取决于金属键的强弱，而金属键与金属阳离子所带电荷的多少及半径大小有关。由此推断下列说法正确的是()A．金属镁的熔点高于金属铝B．碱金属单质的熔、沸点从Li到Cs是渐渐上升的C．金属铝的硬度大于金属钠D．金属镁的硬度小于金属钙解析：选C镁离子比铝离子的半径大而所带的电荷少，所以金属镁比金属铝的金属键弱，熔、沸点低，硬度小，A错误；同理，铝与钠比较，铝的硬度大于钠，C正确；从Li到Cs，金属键渐渐减弱，熔、沸点渐渐降低，硬度渐渐减小，B错误；因镁离子比钙离子的半径小而所带电荷相同，使金属镁比金属钙的金属键强，所以金属镁比金属钙的熔、沸点高，硬度大，D错误。7．某离子晶体的晶胞结构如下图所示：则该离子晶体的化学式为()A．abc B．abc3C．ab2c3 D．ab3c解析：选D依据题给离子晶体的晶胞结构可以看出，晶胞的体心上有一个a离子；晶胞的每条棱上都有一个b离子，因此，一个晶胞中有12×eq\f(1,4)＝3个b离子；晶胞的每个顶点上都有一个c离子，因此，一个晶胞中有8×eq\f(1,8)＝1个c离子。因此，该离子晶体的化学式为ab3c。8．依据晶体中晶胞的结构，推断下列晶体的化学式中不正确的是()解析：选AA项，N(A)＝1，N(B)＝8×eq\f(1,8)＝1，化学式AB，错误；B项，N(C)＝1，N(D)＝4×eq\f(1,8)＝eq\f(1,2)，N(C)∶N(D)＝1∶eq\f(1,2)＝2∶1，化学式C2D，正确；C项，N(E)＝4×eq\f(1,8)＝eq\f(1,2)，N(F)＝4×eq\f(1,8)＝eq\f(1,2)，N(E)∶N(F)＝1∶1，化学式EF，正确；D项，N(X)＝1，N(Y)＝6×eq\f(1,2)＝3，N(Z)＝8×eq\f(1,8)＝1，N(X)∶N(Y)∶N(Z)＝1∶3∶1，化学式XY3Z，正确。9.某晶体晶胞结构如图所示，X位于立方体的顶点，Y位于立方体的中心。晶体中每个Y同时吸引着________个X，每个X同时吸引着________个Y，该晶体的化学式为________。解析：X位于顶点，则属于该晶胞的X个数为4×eq\f(1,8)＝eq\f(1,2)，Y位于体心，完全属于该晶胞，个数为1，因此该晶体的化学式为XY2(或Y2X)。答案：48XY2(或Y2X)10．钛在很多领域都有重要用途，因为可以制造人类关节和接骨，被称为“生物金属”。请回答下列问题：(1)钛在元素周期表中位于________周期，________族，其基态原子核外电子排布式为____________________。(2)某种钛氧化物晶体的晶胞如图，该晶体每个晶胞中的钛、氧原子个数比为________。解析：(1)钛是22号元素，位于元素周期表第4周期第ⅣB族，基态原子核外电子排布为1s22s22p63s23p63d24s2。(2)晶胞中的钛原子个数为8×eq\f(1,8)＋1＝2，氧原子个数为eq\f(1,2)×4＋2＝4，因此钛、氧原子个数比为2∶4＝1∶2。答案：(1)第4第ⅣB1s22s22p63s23p63d24s2(2)1∶21．金属能导电的缘由是()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：选B在金属晶体中，存在着自由电子，通常状况下，金属内部自由电子的运动是没有肯定方向的，但在外加电场的作用下，自由电子就会发生定向移动，因而形成电流，所以金属简洁导电。2．在金属晶体中，金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属键越强，金属的熔、沸点越高。由此推断下列各组金属熔、沸点凹凸依次，其中正确的是()A．Mg>Al>Ca B．Al>Na>LiC．Al>Mg>Ca D．Mg>Ba>Al解析：选C电荷数：Al3＋>Mg2＋＝Ca2＋>Li＋＝Na＋；而金属原子半径：r(Ba)>r(Ca)>r(Na)>r(Mg)>r(Al)>r(Li)，则C正确。A中Al>Mg，B中Li>Na，D中Al>Mg>Ba，都不符合题意。3．金属原子在二维空间里的放置有下图所示的两种方式，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)在三维空间里积累可得六方最密积累和面心立方最密积累D．图(b)在三维空间里积累仅得简洁立方解析：选C密置层原子的配位数为6，非密置层原子的配位数为4，由此可知，图(a)为密置层，图(b)为非密置层。密置层在三维空间积累可得到六方最密积累和面心立方最密积累，非密置层在三维空间积累可得简洁立方和体心立方两种积累。4．如图所示是晶体结构中具有代表性的最小重复单元(晶胞)的排列方式，其对应的化学式正确的是(图中：－X、●－Y、⊗－Z)()解析：选CA项，N(X)＝1，N(Y)＝8×eq\f(1,8)＝1，化学式XY，错误；B项，N(X)＝1＋4×eq\f(1,8)＝eq\f(3,2)，N(Y)＝4×eq\f(1,8)＝eq\f(1,2)，N(X)∶N(Y)＝3∶1，化学式X3Y，错误；C项，N(X)＝8×eq\f(1,8)＝1，N(Y)＝6×eq\f(1,2)＝3，N(Z)＝1，化学式XY3Z，正确；D项，N(X)＝8×eq\f(1,8)＝1，N(Y)＝12×eq\f(1,4)＝3，N(Z)＝1，化学式XY3Z，错误。5．某晶体的一部分如图所示，这种晶体中A、B、C三种微粒数之比是()A．3∶9∶4 B．1∶4∶2C．2∶9∶4 D．3∶8∶4解析：选B该晶体中含A原子个数为6×eq\f(1,12)＝eq\f(1,2)，B原子个数为6×eq\f(1,4)＋3×eq\f(1,6)＝2，C原子个数为1；则A、B、C的个数比为eq\f(1,2)∶2∶1＝1∶4∶2。6．金属晶体中金属原子有三种常见的积累方式：六方积累、面心立方积累和体心立方积累。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∶9解析：选Aa晶胞中原子个数：12×eq\f(1,6)＋2×eq\f(1,2)＋3＝6(个)，b晶胞中原子个数：8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4(个)，c晶胞中原子个数：8×eq\f(1,8)＋1＝2(个)，所以a、b、c晶胞中原子个数比为6∶4∶2＝3∶2∶1。7．如下图，铁有δ、γ、α三种同素异形体，三种晶体在不同温度下能发生转化。下列说法正确的是()A．γ­Fe晶体晶胞中含有铁原子个数为14B．α­Fe晶体晶胞中含有铁原子个数为1C．将铁加热到1500℃分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型相同D．三种同素异形体的性质相同解析：选Bγ­Fe晶体晶胞中含有铁原子个数为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，A错误；α­Fe晶体晶胞中含有铁原子个数为8×eq\f(1,8)＝1，B正确；将铁冷却到不同的温度，得到的晶体类型不同，C错误；同素异形体的性质不同，D错误。8.金属钠晶体为体心立方积累(晶胞如图)，试验测得钠的密度为ρ(g·cm－3)。已知钠的相对原子质量为a，阿伏加德罗常数为NA(mol－1)，假定金属钠原子为等径的刚性球且处于体对角线上的三个球相切。则钠原子的半径r(cm)为()A.eq\r(3,\f(2a,NAρ))B.eq\r(3)·eq\r(3,\f(2a,NAρ))C.eq\f(\r(3),4)·eq\r(3,\f(2a,NAρ))D.eq\f(1,2)·eq\r(3,\f(2a,NAρ))解析：选C依据“均摊法”可计算晶胞中原子个数：8×eq\f(1,8)＋1＝2，设晶胞的棱长为d，则d＝eq\f(4r,\r(3))，晶胞体积为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4r,\r(3))))3，依据公式ρd3＝eq\f(NM,NA)可得，r＝eq\f(\r(3),4)·eq\r(3,\f(2a,NAρ))，选C。9．(2024·全国卷Ⅰ)晶胞有两个基本要素：①原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置。下图为Ge单晶的晶胞，其中原子坐标参数A为(0,0,0)；B为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，0，\f(1,2)))；C为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f