高中化学新教材同步讲义基础课时14　金属晶体

第三节金属晶体与离子晶体基础课时14金属晶体课标要求1.知道金属键的特点与金属某些性质的关系。2.认识金属晶体中的微粒种类及微粒间的相互作用。金属键与金属晶体1.金属键(1)概念：金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的相互作用称金属键。(2)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”，被所有原子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起。这一理论称为“电子气理论”。(3)成键粒子：金属阳离子和自由电子。(4)金属键的强弱和对金属性质的影响金属键越强，金属的熔、沸点越高，硬度越大。金属键强度差别较大，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。2.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。1.如图是金属晶体内部电子气理论图。电子气理论可以用来解释金属的某些性质。下列说法正确的是()A.金属能导电是因为金属阳离子在外加电场作用下定向移动B.金属能导热是因为自由电子在热的作用下相互碰撞，从而发生热的传导C.金属具有良好的延展性是因为在外力的作用下，金属晶体各原子层会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，而且自由电子可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用D.合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，使电子数目增多，所以合金的延展性比纯金属强、硬度比纯金属小答案C解析金属能导电是因为金属中自由移动的电子在外加电场作用下作定向移动，A错误；金属能导热是因为自由电子和金属阳离子在热的作用下运动加快，相互碰撞增加，从而发生热的传导，B错误；金属具有延展性是因为在外力的作用下，金属阳离子各层间会出现相对滑动，但不改变原有的排列方式，自由电子可以起到润滑的作用，使金属键不会断裂，C正确；合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，改变了金属原子有规则的层状排列，一般情况下，使其层与层之间相对滑动变得困难，所以合金的延展性比纯金属差，硬度比纯金属大，D错误。2.铁的晶体有多种结构，其中两种晶体的晶胞结构如下图甲、乙所示(acm、bcm分别为晶胞边长)，下列说法正确的是()A.两种铁晶体中均存在金属阳离子和阴离子B.乙晶体晶胞中所含有的铁原子数为14C.甲、乙两种晶胞中铁原子的配位数之比为1∶2D.甲、乙两种铁晶体的密度比为b3∶2a3答案D解析金属晶体由金属阳离子与自由电子构成，不含阴离子，A错误；乙晶体晶胞为面心立方最密堆积，顶点原子贡献率为eq\f(1,8)，面心原子贡献率为eq\f(1,2)，故乙晶体晶胞中所含有的铁原子数为：8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，B错误；甲晶体晶胞为体心立方堆积、配位数为8，乙晶体晶胞为面心立方最密堆积、配位数为12，甲、乙两种晶胞中铁原子的配位数之比为8∶12＝2∶3，C错误；甲晶胞单独占有Fe原子数目＝1＋8×eq\f(1,8)＝2，乙晶胞单独占有Fe原子数目8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，晶胞质量之比＝1∶2，则晶体密度之比＝eq\f(1,a3)∶eq\f(2,b3)＝b3∶2a3，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.熔点：Mg＞CaC.硬度：Mg＞K D.熔点：Ca＞K答案A解析Mg2＋半径比Al3＋大，带电荷数比Al3＋少，则金属键能Mg＜Al，硬度：Mg＜Al，A错误；Mg2＋半径比Ca2＋小，带电荷数相同，则金属键能Mg＞Ca，熔点：Mg＞Ca，B正确；Mg2＋半径比K＋小，带电荷数比K＋多，则金属键能Mg＞K，硬度：Mg＞K，C正确；Ca2＋半径比K＋小，带电荷数比K＋多，则金属键能Ca＞K，熔点：Ca＞K，D正确。4.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，金属的导电性越强答案C解析常温下，Hg为液态，故A错误；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错误。【题后归纳】1.金属键的理解(1)金属键无方向性和饱和性。(2)金属键的强弱比较：一般来说，金属键的强弱主要取决于金属元素原子的半径和价电子数。原子半径越大，价电子数越少，金属键越弱；原子半径越小，价电子数越多，金属键越强。2.金属晶体的典型性质(1)金属晶体具有良好的导电性、导热性和延展性。(2)熔、沸点：金属键越强，熔、沸点越高。规律如下：①同周期金属单质，从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点升高。②同主族金属单质，从上到下(如碱金属)熔、沸点降低。③合金的熔、沸点一般比其各成分金属的熔、沸点低。④金属晶体熔点差别很大，如汞常温下为液体，熔点很低；而铁常温下为固体，熔点很高。(3)硬度：金属键越强，晶体的硬度越大。1.下列有关金属键的叙述错误的是()A.金属键没有饱和性和方向性B.金属键中的自由电子属于整块金属C.金属的性质和金属固体的形成都与金属键有关D.金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的静电吸引作用答案D解析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，A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，属于整块金属，B正确；金属的性质和金属固体的形成都与金属键有关，C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，既包括金属阳离子与自由电子之间的静电吸引作用，也包括金属阳离子之间及自由电子之间的静电排斥作用，D错误。2.要使金属熔化必须破坏其中的金属键，而原子化热是衡量金属键强弱的依据之一。金属的原子化热是指1mol金属固体完全气化成相互远离的气态原子时吸收的能量。下列说法正确的是()A.金属镁的硬度大于金属铝B.金属镁的熔点低于金属钙C.金属镁的原子化热大于金属钠的原子化热D.碱金属单质的熔点从Li到Cs是逐渐升高的答案C解析镁离子比铝离子的半径大而所带的电荷数少，所以金属镁比金属铝的金属键弱，硬度小，A错误；因镁离子的半径小而所带电荷数与钙离子相同，使金属镁比金属钙的金属键强，所以金属镁比金属钙的熔点高，B错误；因镁离子的半径小而所带电荷数多，使金属镁比金属钠的金属键强，原子化热比钠大，C正确；碱金属单质从Li到Cs，其离子的半径是逐渐增大的，所带电荷数相同，金属键逐渐减弱，熔点逐渐降低，D错误。3.我国的超级钢研究居于世界领先地位。某种超级钢中除Fe外，还含Mn10%、C0.47%、Al2%、V0.7%。下列说法中错误的是()A.上述五种元素中，有两种位于周期表的p区B.超级钢的晶体一定是金属晶体C.X射线衍射实验可以确定超级钢的晶体结构D.超级钢中存在金属键和分子间作用力答案D解析上述五种元素中，Fe价层电子排布式为3d64s2，Mn价层电子排布式为3d54s2，V价层电子排布式为3d34s2，这三种元素位于d区；C价层电子排布式为2s22p2，Al价层电子排布式为3s23p1，这两种元素位于p区，A正确；超级钢的晶体符合金属晶体结构特点，因此为金属晶体，B正确；X射线衍射实验可以确定超级钢的晶体结构，C正确；超级钢是金属晶体，因此存在金属键，不存在分子，所以不存在分子间作用力，D错误。4.金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式：简单立方堆积、面心立方堆积和体心立方堆积，图a、b、c分别代表这三种晶胞的结构。请回答下列问题：(1)a、b、c三种晶胞内金属原子数目之比为_________________。(2)三种堆积方式的实质是金属阳离子的堆积方式，那么自由电子有无确切的堆积方式？_____________________(填“有”或“无”)。(3)影响金属晶体熔点的主要因素是___________________________。答案(1)1∶4∶2(2)无(3)金属键的强弱解析(1)a中原子位于顶点，数目为8×eq\f(1,8)＝1；b中原子位于顶点和面心，数目为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4；c中原子位于顶点和体心，数目为2；a、b、c三种晶胞内金属原子数目之比为1∶4∶2；(2)由于金属晶体中的自由电子不属于每个固定的原子，而是在整个晶体中自由移动，故自由电子无确切的堆积方式；(3)金属晶体是金属原子通过金属键形成的，金属键的强弱直接影响金属晶体的熔点。金属键越强，晶体的熔点越高。A级合格过关练1.构成金属键的微粒是()A.原子B.正、负离子C.分子D.金属正离子与自由电子答案D解析金属晶体由金属正离子和自由电子组成，构成金属键的微粒是金属正离子和自由电子。2.关于晶体的下列说法正确的是()A.晶体只要硬度较低，就一定不是金属晶体B.熔点高达几千摄氏度的晶体不一定是金属晶体C.有金属光泽的晶体一定是金属晶体D.根据晶体能否导电判断晶体是否属于金属晶体答案B解析金属晶体中钠晶体硬度不高，但属于金属晶体，A项错；晶体的熔点高达几千摄氏度，则晶体可能为共价晶体、金属晶体或离子晶体，B项正确；有金属光泽的晶体不一定是金属晶体，如晶体碘、晶体硅，C项错；能导电的晶体不一定是金属晶体，如石墨，D项错。3.下列关于金属晶体的叙述正确的是()A.用铂金做首饰不能用金属键理论解释B.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C.Li、Na、K的熔点逐渐升高D.温度越高，金属的导电性越好答案B解析A项，用铂金做首饰利用了金属晶体的延展性，能用金属键理论解释；B项，金属晶体在固态和熔融时能导电，其熔点差异很大，故题设条件下的晶体可能是金属晶体；C项，一般来说，金属中单位体积内自由电子的数目越多，金属元素的原子半径越小，金属键越强，故金属键的强弱顺序为Li>Na>K，其熔点的高低顺序为Li>Na>K；D项，金属的导电性随温度的升高而降低，温度越高，其导电性越差。4.下列不能用电子气理论解释的是()A.导电性 B.导热性C.延展性 D.锈蚀性答案D解析电子气理论可以解释金属晶体的导电性、导热性、延展性等物理性质，但不能解释其化学性质，例如锈蚀性，故答案选D。5.金属材料具有良好的延展性的原因是()A.金属原子半径都较大，价电子数较少B.金属受外力作用变形时，金属中各原子层会发生相对滑动，但仍保持金属键作用C.金属中大量自由电子受外力作用时，运动速率加快D.自由电子受外力作用时能迅速传递能量答案B解析金属原子价电子数较少，容易失去电子，不能说明金属有延展性，A错误；金属受外力作用时，金属原子层之间会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，故金属有良好的延展性，B正确；金属的延展性与原子层的相对滑动有关，与电子的运动无关，C错误；自由电子传递能量与金属延展性无关，可以影响金属的导热性，D错误。6.下列叙述正确的是()①同周期金属元素的原子半径越大晶体熔点越高②同周期金属元素的原子半径越小晶体熔点越高③同主族金属元素的原子半径越大晶体熔点越高④同主族金属元素的原子半径越小晶体熔点越高A.①③ B.②④C.①④ D.③④答案B解析同周期从左向右，金属元素原子(或离子)半径逐渐减小，而价电子数逐渐增多，金属键逐渐增强，晶体的熔点逐渐升高；同主族自上而下，金属元素原子(或离子)半径逐渐增大，而价电子数相同，金属键逐渐减弱，晶体的熔点逐渐降低。7.关于金属性质和原因的描述不正确的是()A.金属具有金属光泽是因为金属中的自由电子吸收了可见光，又把部分能量以光的形式释放出来B.金属具有良好的导电性，是因为金属晶体中共享了金属原子的价电子，形成了“电子气”，在外电场的作用下自由电子定向移动形成电流C.金属具有良好的导热性能，是因为自由电子在受热后，加快了运动速率，自由电子通过与金属原子发生碰撞，传递能量D.金属晶体具有良好的延展性，是因为金属晶体中的原子层可以通过破坏金属键以达到相对滑动答案D解析金属一般具有银白色光泽是由于金属键中的自由电子在吸收可见光以后，发生跃迁，成为高能态，然后又会回到低能态，把多余的能量以可见光的形式释放出来，故A正确；金属内部有自由电子，可在外加电场作用下发生定向移动，故B正确；自由电子受热后运动速率增大，与金属原子碰撞频率增大，传递了能量，故金属有良好的导热性，故C正确；当金属晶体受到外力作用时，晶体中的各原子层发生相对滑动而不断裂金属键，所以表现出良好的延展性，D错误。8.有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示，下列叙述错误的是()A.晶体中原子的配位数分别为：①6，②8，③12，④12B.③为六方堆积C.晶胞中含有的原子数分别为：③2，④4D.金属晶体是一种“巨分子”，可能存在分子间作用力答案D解析由金属晶体的晶胞结构图可知，①为简单立方堆积，②为体心立方堆积，③为六方堆积，④为面心立方堆积。根据晶胞结构可知，晶体中原子的配位数分别为：①6，②8，③12，④12，A正确；依据上述分析可知，③为六方堆积，B正确；晶胞中含有的原子数分别为：③为2，④为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，C正确；金属晶体是一种“巨分子”，存在金属阳离子和自由电子之间的相互作用，不存在分子间作用力，D错误。9.(1)金属键的强度差别________，物质的________和________是由金属键的强弱决定的。例如，金属钠的熔点较低，硬度较小，而________是熔点最高、硬度很大的金属，这是由于________。(2)在核电荷数1～18的元素中，其单质属于金属晶体的有________(填元素符号，下同)，这些金属晶体中，密度最小的是________，地壳中含量最多的是________，熔点最低的是________，单质的还原性最强的是________。答案(1)很大熔点硬度钨形成的金属键强弱不同(2)Li、Be、Na、Mg、AlLiAlNaNa解析(1)金属键的强度差别很大；金属键的强弱决定物质的熔点和硬度，例如，金属钠的熔点较低，硬度较小，而钨是熔点最高、硬度很大的金属，这是由于形成的金属键强弱不同。(2)在核电荷数1～18的元素中，其单质属于金属晶体的有Li、Be、Na、Mg、Al，这些金属晶体中，密度最小的是Li，地壳中含量最多的是Al，熔点最低的是Na，单质的还原性最强的是Na。B级素养培优练10.下列说法中，不正确的是()①金属在常温下都是固体②晶体中有阳离子，不一定有阴离子③镁晶体中1个Mg2＋只与2个价电子存在强烈的相互作用④金属晶体发生形变时，其内部金属离子与“自由电子”之间的相互作用仍然存在A.①② B.②③C.③④ D.①③答案D解析金属在常温下一般都是固体，但汞在常温下为液态金属，①错误；金属晶体的组成粒子是金属离子和自由电子，所以金属晶体中有阳离子，但没有阴离子，②正确；金属晶体中的金属阳离子在其电场力能“涉及”到的条件下，与自由电子都有电性作用，③错误；金属虽然发生形变，“各层之间发生了相对滑动”，但不致断裂，就是因为“金属离子与自由电子之间的较强作用”仍然存在，④正确。11.因生产金属铁的工艺和温度等因素不同，产生的铁单质的晶体结构也不同。两种铁晶胞(均为立方体，边长分别为以anm和1.22anm)的结构示意图如下。下列说法不正确的是()A.用X射线衍射可测定铁晶体的结构B.图2代表的铁单质中，一个铁原子周围最多有4个紧邻的铁原子C.图1与图2代表的铁单质中，原子之间以金属键相互结合D.图1与图2代表的铁单质的密度不同答案B解析区分晶体与非晶体的最可靠的科学方法是X射线衍射法；X射线衍射可测定铁晶体的结构，A正确；图2代表的铁单质中，以底面中心的原子为例，上层、同层、下层各有4个紧邻的原子，故一个铁原子周围最多有12个紧邻的铁原子，B错误；铁为金属晶体，铁单质中，原子之间以金属键相互结合，C正确；图1中，据“均摊法”，晶胞中含8×eq\f(1,8)＋1＝2个Fe，则晶体密度为eq\f(m,V)＝eq\f(\f(2×56,NA),a3)×1021g·cm－3＝eq\f(2×56,a3NA)×1021g·cm－3；同理图2中，晶体密度为eq\f(4×56,（1.22a）3NA)×1021g·cm－3；故铁单质的密度不同，D正确。12.金晶体的晶胞结构如图所示，为面心立方最密堆积。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.晶体中金原子的配位数是12C.一个晶胞的体积是16eq\r(2)d3D.金晶体的密度是eq\f(\r(2)M,d3NA)答案C解析