2026版高中化学人教版选择性必修2《物质结构与性质》第三章第1课时　金属晶体　离子晶体

第三节金属晶体与离子晶体第1课时金属晶体离子晶体课时目标1.能辨识常见的金属晶体,能从微观角度分析金属晶体中构成微粒及微粒间作用,并解释金属的物理性质。2.能辨识常见的离子晶体,能从微观角度理解离子键对离子晶体性质的影响,能从宏观角度解释离子晶体性质的差异。3.通过对离子晶体模型的认识,理解离子晶体的结构特点,预测其性质。一、金属键金属晶体1.金属键概念金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用成键粒子金属阳离子和自由电子本质金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”,被所有原子共用,从而把所有的金属原子维系在一起特征“电子气”被所有的金属原子所共用,所以金属键没有方向性及饱和性影响因素金属元素的原子半径一般而言,金属元素的原子半径越小,金属键越强金属原子价电子数一般而言,金属元素的价电子数越多,金属键越强对物质性质的影响由于形成的金属键强弱不同,所以金属的性质差异很大。如金属钠的熔点较低、硬度较小,而钨是熔点最高的金属、铬是硬度最大的金属小题对点过(1)试用金属键解释Na、Mg、Al的熔点逐渐升高的原因。

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(2)下列说法中正确的是。

①金属受外力作用时常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②通常情况下,金属里的自由电子会发生定向移动,而形成电流③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④金属的导电性随温度的升高而降低答案(1)Na、Mg、Al的原子半径逐渐减小,价电子数逐渐增多,金属键逐渐增强,熔点逐渐升高(2)④2.金属晶体(1)概念:金属阳离子与自由电子(“电子气”)之间通过金属键形成的晶体叫做金属晶体。(2)通性:金属晶体有优良的导电性、导热性和延展性。(3)用“电子气理论”解释金属的性质(4)存在:金属晶体中,除了纯金属,还有大量的合金。小题对点过(1)合金的延展性比纯金属差,硬度比纯金属大,原因是什么?

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(2)金属在常温下一定是晶体吗?金属晶体的性质与哪些因素有关?

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(3)根据规律判断下列金属的熔点高低?为什么?①Li、Na、K、Rb、Cs;②Na、Mg、Al

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答案(1)合金与纯金属相比,由于增加了不同的金属或非金属,相当于滚珠之间掺入了细小坚硬的砂子或碎石,所以一般情况下合金的延展性比纯金属弱,硬度比纯金属大(2)不一定,如汞。金属键和金属原子的堆积方式决定金属的性质(3)Li>Na>K>Rb>Cs,Na<Mg<Al。同类型金属晶体,金属晶体的熔点由金属原子半径、离子所带的电荷决定,原子半径越小,所带电荷越多,金属键越强,熔点就越高3.金属晶体熔点的变化规律金属键越强,熔点越高。(1)同周期金属单质,从左到右(如Na、Mg、Al)熔点升高。(2)同主族金属单质,从上到下(如碱金属)熔点降低。(3)合金的熔点一般比其各成分金属的熔点低。(4)金属晶体熔点差别很大,如钠的熔点为97.8℃,而铁的熔点则高达1535℃。1.正误判断。(1)金属晶体的形成是因为晶体中存在金属离子与自由电子间的相互作用。()(2)固态和熔融时易导电、熔点在1000℃左右的晶体可能是金属晶体。()(3)金属原子半径越小,价电子数越多,其金属单质熔、沸点越高,硬度越大。()(4)共价晶体的熔点一定比金属晶体的高,分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。()答案(1)√(2)√(3)√(4)×2.下列关于金属晶体的叙述不正确的是()A.常温下,金属单质不全部以金属晶体形式存在B.金属键在一定外力作用下,会因形变而消失C.钙的熔、沸点高于钾D.温度越高,金属的导电性越弱答案B解析常温下,Hg为液态,故A正确;金属键无方向性,故金属键在一定范围内不会因形变而消失,故B错误;钙的金属键强于钾,故熔、沸点高于钾,故C正确;温度升高,自由电子的能量增大,无规则运动加快,影响了自由电子的定向移动,金属的导电性减弱,故D正确。3.(2025·宝山区高二检测)金属的下列性质中,不能用金属键解释的是()A.易传热 B.加工易变形但不碎C.易锈蚀 D.有特殊的金属光泽答案C解析金属晶体易传热是由于晶体内部,自由电子与金属原子的碰撞,即能用金属键解释,故A正确;金属有延展性,加工易变形,发生形变时,自由电子仍然可以在金属阳离子之间流动,使金属不会断裂破碎,即能用金属键解释,故B正确;金属易锈蚀与金属晶体结构无关,与化学性质有关,金属的化学性质比较活泼,容易被空气中的氧气氧化,故金属易锈蚀不能用金属键解释,故C错误;自由电子很容易被激发,所以它们可以吸收许多光并发射各种可见光,所以大部分金属为银白色,即能用金属键解释,故D正确。金属晶体的常见堆积方式(1)金属原子在二维空间中排列的两种方式金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。把它们放置在平面上(即二维空间),可有两种排列方式:a.非密置层,b.密置层(如图所示)。特别提醒密置层排列时,平面的利用率比非密置层的高。(2)金属晶体的原子在三维空间里的3种常见堆积方式(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、铅等二、离子晶体1.离子晶体(1)定义:离子晶体是由阳离子和阴离子相互作用形成的晶体。(2)成键粒子:大量离子晶体的阴离子或阳离子不是单原子离子,有的还存在电中性分子(如H2O、NH3等)。(3)相互作用:阳离子、阴离子之间以离子键结合,有些离子晶体中可能存在共价键、氢键等,如CaCO3、K2SO4、(NH4)2SO4、CuSO4·5H2O、Cu(NH3)4SO4·H2O等。(4)物理性质:硬度较大,难压缩;熔点和沸点较高;固体不导电,但在熔融状态或水溶液中能导电。小题对点过下列有关离子晶体的说法错误的是。

①离子晶体一定是离子化合物②离子晶体中只含离子键③由金属与非金属形成的晶体一定属于离子晶体④离子晶体的熔点一定低于共价晶体的熔点⑤离子晶体受热熔化,破坏化学键,吸收能量,属于化学变化⑥含有阴离子的晶体一定含有金属阳离子⑦含有阳离子的晶体一定含有阴离子答案②③④⑤⑥⑦2.典型离子晶体(1)NaCl晶体NaCl晶胞如图所示,每个Na+周围距离最近的Cl-有6个(上、下、左、右、前、后各1个),构成正八面体,每个Cl-周围距离最近的Na+有6个,构成正八面体,由此可推知晶体的化学式为NaCl。①每个Na+(Cl-)周围距离相等且最近的Na+(Cl-)是12个。②每个晶胞中实际拥有的Na+数是4个,Cl-数是4个。③若晶胞参数为apm,阿伏加德罗常数的值为NA,则氯化钠晶体的密度为234NA×(2)CsCl晶体CsCl晶胞如图所示,每个Cs+周围距离最近的Cl-有8个,每个Cl-周围距离最近的Cs+有8个,它们均构成正六面体,由此可推知晶体的化学式为CsCl。①每个晶胞中实际拥有1个Cs+,1个Cl-。②每个Cs+(Cl-)周围距离最近的Cs+(Cl-)有6个,构成正八面体。③若晶胞参数为apm,阿伏加德罗常数的值为NA,则氯化铯晶体的密度为168.5NA×小题对点过(1)根据CsCl的晶胞结构分析,CsCl晶体中两距离最近的Cs+间距离为a,则每个Cs+周围与其距离为a的Cs+数目为;每个Cs+周围距离相等且次近的Cs+数目为,距离为;每个Cs+周围距离相等且第三近的Cs+数目为,距离为;每个Cs+周围紧邻且等距的Cl-数目为。

(2)CsCl表示的是分子式吗?

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答案(1)6122a83a8(2)不是,CsCl是离子晶体,只表示晶体中阴、阳离子个数比,为化学式解析(1)以题图的一个Cs+为基准,与其最近的Cs+分别位于其上、下、前、后、左、右六个方位,有6个;与其次近的Cs+的距离为2a,在1个晶胞中有3个,而1个Cs+为8个晶胞共有,故有8×3×12=12个;与其第三近的Cs+的距离为3a,每个晶胞中有1个,故有8个;与其紧邻且等距的Cl-有81.有关离子晶体的下列说法中不正确的是()A.离子晶体在熔融状态时都能导电B.离子晶体具有较高的熔、沸点,较大的硬度C.离子晶体中阴、阳离子个数比为1∶1D.氯化钠溶于水时离子键被破坏答案C解析在熔融状态下,离子晶体中存在自由移动的离子,故能导电,A项正确;离子晶体具有较高的熔、沸点和较大的硬度,B项正确;离子晶体中阴、阳离子个数比不一定相同,C项不正确;氯化钠溶于水时,电离成自由移动的阴、阳离子,离子键被破坏,D项正确。2.下列性质适合于离子晶体的是()①熔点1070℃,易溶于水,水溶液能导电②熔点10.31℃,液态不导电,水溶液能导电③能溶于CS2,熔点112.8℃,沸点444.6℃④熔点97.81℃,质软,导电,密度0.97g·cm-3⑤熔点-218℃,难溶于水⑥熔点3900℃,硬度很大,不导电⑦难溶于水,固体时导电,升温时导电能力减弱⑧难溶于水,熔点高,固体不导电,熔化时导电A.①⑧ B.②③⑥C.①④⑦ D.②⑤答案A解析离子晶体液态时能导电,难溶于非极性溶剂,熔点较高、质硬而脆,固体不导电,故②③④⑤⑦均不符合离子晶体的特点;⑥中熔点达3900℃,硬度很大,应是共价晶体。故只有①⑧符合题意。3.在离子晶体中,阴、阳离子按一定的规律进行排列,如图甲是NaCl的晶胞结构。在离子晶体中,阴、阳离子具有或近似具有球形对称结构,它们可以看作是不等径的刚性圆球,并彼此相切,如图乙。已知a为常数。(1)在NaCl晶体中,每个Na+周围同时吸引

个Cl-,每个Cl-周围也同时吸引着个Na+,在NaCl晶胞中含有个Na+、个Cl-,晶体中每个Na+周围与它距离最近且相等的Na+共有个。

(2)Na+半径与Cl-半径之比为

(已知2=1.414)。(3)若a=5.6×10-8cm,NaCl晶体的密度为(已知5.63=175.6,NaCl的摩尔质量为58.5g·mol-1)。

答案(1)664412(2)0.414∶1(3)2.2g·cm-3解析(1)在氯化钠晶体中,一个Na+位于晶胞的中心,12个Na+分别位于晶胞的12条棱上,则属于该晶胞的Na+相当于3个(14×12=3),因此一个晶胞中共含有4个Na+。8个Cl-分别位于晶胞的8个顶角上,则属于该晶胞的Cl-相当于1个(18×8=1),6个Cl-分别位于晶胞的6个面心上,则属于该晶胞的Cl-相当于3个(12×6=3),所以一个晶胞中共含有4个Cl-。可见NaCl晶体中Na+、Cl-的个数比为1∶1。图中位于晶胞中心的Na+实际上共有3个平面通过它,通过中心Na+的每个平面都有4个Na+位于平面的四角,这4个Na+与中心Na+距离最近且距离相等。所以在NaCl晶体中,每个Na+周围与它距离最近且距离相等的Na+共有12个,按相似的方法可推出每个Cl-周围与它最近且距离相等的Cl-也共有12个。(2)由图乙可知,因为r(Cl-)>r(Na+),则r(Cl-)=2a4,2r(Na+)=a-2r(Cl-)=a-2×2a4,r(Na+)=2a-2a4,r(Na+)r(Cl-)=2a-2a4∶2a4=(2-1)∶1=0.414∶1。(3)A级合格过关练选择题只有1个选项符合题意题组一金属键及金属晶体1.下列叙述正确的是()A.任何晶体中,若含有阳离子,就一定含有阴离子B.金属晶体的形成是因为晶体中存在金属阳离子间的相互作用C.价电子数越多,金属元素的金属性越强D.含有金属元素的离子不一定是阳离子答案D解析金属晶体中虽存在阳离子,但没有阴离子,A错误;金属晶体的形成是因为晶体中存在金属阳离子与自由电子之间的相互作用,B错误;价电子数多的金属元素的金属性不一定强,如Fe的价电子数比Na多,但Fe的金属性却没有Na的强,C错误;含有金属元素的离子不一定是阳离子,如[Al(OH)4]-是阴离子,D正确。2.下列关于金属键的叙述中不正确的是()A.金属键是金属阳离子和自由电子这两种带异性电荷的微粒间强烈的相互作用,其实质与离子键类似,也是一种电性作用B.金属键可以看作是许多原子共用许多电子所形成的强烈的相互作用,所以与共价键类似,也有方向性和饱和性C.金属键是金属阳离子和自由电子间的相互作用,金属键无饱和性和方向性D.构成金属键的自由电子在整个金属内部的三维空间中做自由运动答案B解析从基本构成微粒的性质看,金属键是金属阳离子和自由电子这两种带异性电荷的微粒间的强烈相互作用,所以金属键与离子键的实质类似,都属于电性作用,A正确;金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈相互作用,自由电子为整个金属的所有阳离子所共有,所以金属键没有方向性和饱和性;而共价键有方向性和饱和性,B错误,C正确;自由电子在金属中自由运动,为整个金属的所有阳离子所共有,所以构成金属键的自由电子在整个金属内部的三维空间中做自由运动,D正确。3.物质结构理论推出:金属键越强,其金属的硬度越大,熔、沸点越高。且研究表明,一般来说,金属阳离子半径越小,所带电荷越多,则金属键越强,由此判断下列说法错误的是()A.硬度:Mg>Al B.熔、沸点:Mg>CaC.硬度:Mg>K D.熔、沸点:Ca>K答案A解析Mg、Al的电子层数相同,核电荷数大的离子半径小,价电子数Al>Mg,离子半径Al3+<Mg2+,所以金属键Al>Mg,故Al的硬度大于Mg,A错误;Mg、Ca价电子数相同,Ca的电子层数多,离子半径Ca2+>Mg2+,所以金属键Mg>Ca,故熔点Mg>Ca,B正确;离子半径Mg2+<Na+<K+,所以金属键Mg>K,故硬度Mg>K,C正确;Ca、K位于同一周期,价电子数Ca>K,离子半径K+>Ca2+,金属键Ca>K,故熔点Ca>K,D正确。题组二离子晶体及其性质4.下列给出了几种氯化物的熔点和沸点:氯化物NaClMgCl2AlCl3SiCl4熔点/℃801714190(5×101kPa)-70沸点/℃1413141218057.57下列叙述与表中相吻合的是()A.NaCl的沸点比SiCl4高得多是因为二者晶体类型不同B.SiCl4晶体属于共价晶体C.AlCl3晶体是典型的离子晶体D.MgCl2中含有离子键和非极性共价键答案A解析由题表可知,SiCl4的熔点和沸点都比较低,属于分子晶体,B项错误;AlCl3的熔点和沸点都不高,不属于典型的离子晶体,C项错误;MgCl2中只含离子键,不含非极性共价键,D项错误。5.(2025·青海高二月考)如图为NaCl和CsCl的晶体结构,下列说法错误的是()A.NaCl和CsCl都属于AB型的离子晶体B.NaCl和CsCl晶体中阴、阳离子个数比相同C.NaCl和CsCl晶体中阳离子的配位数分别为6和8D.NaCl和CsCl都属于AB型的离子晶体,所以阳离子与阴离子的半径比相同答案D解析NaCl和CsCl都是由阴、阳离子通过离子键构成的晶体,阴、阳离子个数之比都为1∶1,则都属于AB型的离子晶体,故A、B正确;结合题图可知,NaCl中钠离子的配位数为6,CsCl中铯离子的配位数为8,故C正确;钠离子半径小于铯离子半径,则NaCl的阳离子与阴离子的半径比小于CsCl的,故D错误。题组三金属晶体、离子晶体晶胞的分析6.金属钠晶体为体心立方晶胞(如图),实验测得钠的密度为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.32aC.343答案C解析1个钠晶胞中实际含有2个钠原子,晶胞边长为4r3,则ρ=2aNA47.金晶体的晶胞如图所示。设金原子的直径为d,用NA表示阿伏加德罗常数,在立方体的各个面的对角线上,3个金原子彼此两两相切,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密堆积C.一个晶胞的体积是162d3D.金晶体的密度是2答案C解析金原子处于顶角与面心上,晶胞中含有的金原子数目为8×18+6×12=4,故A正确;金属晶体中,金属键无方向性,金属原子采取密堆积,故B正确;在立方体的各个面的对角线上3个金原子彼此两两相切,金原子的直径为d,故面对角线长度为2d,棱长为22×2d=2d,故晶胞的体积为(2d)3=22d3,故C错误;晶胞中含有4个原子,故晶胞质量为4MNA,晶胞的体积为22d3,故晶胞密度为48.钡在氧气中燃烧时得到一种晶体,其晶胞的结构如图所示,下列有关说法正确的是()A.该晶体属于离子晶体B.晶体的化学式为Ba2O2C.该晶体的晶胞结构与CsCl相似D.与每个Ba2+距离相等且最近的Ba2+共有8个答案A解析晶体中含有Ba2+和O22-,则该晶体属于离子晶体,A正确;该晶体的晶胞结构与NaCl的晶胞结构相似,所以与每个Ba2+距离相等且最近的Ba2+共有12个,C、D不正确;该物质的1个晶胞中含有4个Ba2+和4个O22-,则晶体的化学式为9.氢气的安全贮存和运输是氢能应用的关键。铁镁合金是目前已发现的储氢密度较高的储氢材料之一,其晶胞结构如图所示。(1)铁镁合金的化学式为。

(2)距离Mg原子最近的Fe原子个数是。

(3)若该晶体储氢时,H2分子在晶胞的体心和棱心位置,则含Mg96g的该储氢合金可储存标准状况下H2的体积约为L。

(4)若该晶胞的晶胞参数为dnm,则该合金的密度为g·cm-3(列表达式,用NA表示阿伏加德罗常数的值)。

答案(1)Mg2Fe(2)4(3)44.8(4)416解析(1)该晶胞中Fe的个数为8×18+6×12=4,Mg的个数为8,故铁镁合金的化学式为Mg2Fe。(3)Mg的物质的量为96g24g·mol-1=4mol,故储存H2为4mol×48=2mol,标准状况下H2的体积约为2mol×22.4L·mol-1=44.8L。(4)该合金的密度为24×8+56×4B级素养培优练10.3种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示,其配位数(即一个原子周围最邻近且等距离的原子数)分别为()A.6、6、8 B.6、8、8C.6、6、12 D.6、8、12答案D解析①该晶胞是简单立方堆积,离顶角原子距离最近且等距离的原子处在该原子的上下、左右、前后共6个,故配位数为6;②该晶胞是体心立方堆积,离体心原子距离最近且等距离的原子处在晶胞的8个顶角,故配位数为8;③该晶胞是面心立方最密堆积,离顶角原子距离最近且等距离的原子处在相邻的面心上,一个晶胞中有3个等距离的原子,顶角原子周边可以堆积8个相同的晶胞,周边等距离的原子共3×8个,由于面心原子被两个晶胞均分,计算两次,故离顶角原子等距的原子有3×8×12=12个,故配位数为1211.(2025·湖北高二校联考)磁性形状记忆材料Cu-Mn-Al合金的晶胞如图所示,Mn、Al位于Cu形成的立方体体心。下列说法正确的是()A.Mn和Cu均位于元素周期表d区B.该合金的化学式为AlMnCu2C.与Cu距离最近且相等的Cu有8个D.温度升高该合金电导率升高答案B解析Cu位于ds区,A项错误;该晶胞内Cu:8×18+12×14+6×12+1=8个,Mn有4个,Al有4个,该合金的化学式为AlMnCu2,B项正确;由晶胞知,与Cu距离最近且相等的Cu有6个,C项错误;D.温度升高,12.几种离子晶体的晶胞如图所示,下列说法正确的是()A.熔、沸点:NaCl<CsClB.NaCl晶胞中,Cl-位于顶角和面心,Na+填充在Cl-构成的正四面体空隙C.若ZnS的晶胞边长为apm,则Zn2+与S2-之间的最短距离为24aD.上述三种晶胞中,阳离子的配位数:ZnS<NaCl<CsCl答案D解析NaCl和CsCl晶体中,阴、阳离子所带电荷数相同,Cs+半径大于Na+,则熔、沸点:NaCl>CsCl,A错误;NaCl晶胞中,Cl-位于顶角和面心,Na+位于棱心和体心位置,B错误;Zn2+与S2-之间的最短距离为体对角线长度的14,晶胞边长为apm,体对角线长为3ap