新人教化学 选修3 第3章 第3节 金属晶体.docx
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新人教化学选修3第3章第3节金属晶体
第三节 金属晶体
一、关于金属键
1．几种化学键的比较
类型
比较
离子键
共价键
金属键
非极性键
极性键
配位键
本质
阴、阳离子间通过静电作用形成
相邻原子间通过共用电子对（电子云重叠）与原子核间的静电作用形成
金属阳离子与自由电子间的作用
成键条件（元素种类）
成键原子的得、失电子能力差别很大（金属与非金属之间）
成键原子得、失电子能力相同（同种非金属）
成键原子得失电子能力差别较小（不同非金属）
成键原子一方有孤对电子（配体），另一方有空轨道（中心离子）
同种金属或不同种金属（合金）
特征
无方向性、饱和性
有方向性、饱和性
无方向性
表示方式
（电子式）
Na＋[
]－
H
H
－
存在
离子化合物（离子晶体）
单质H2、共价化合物H2O2、离子化合物Na2O2
共价化合物HCl、离子化合物NaOH
离子化合物NH4Cl
金属单质（金属晶体、合金）
2.金属具有导电性、导热性和延展性的原因
（1）延展性：
当金属受到外力作用时，晶体中各原子层就会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，而且弥漫在金属原子间的“电子气”可以起到类似轴承中滚球之间润滑剂的作用，即金属的离子和自由电子之间的较强作用仍然存在，因而金属都有良好的延展性。
（2）导电性：
金属内部的原子之间的“电子气”的流动是无方向性的，在外加电场的作用下，电子气在电场中定向移动形成电流。
（3）金属的热导率随温度的升高而降低，是由于电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞的缘故。
3．金属导电与电解质溶液导电的比较。
运动的微粒
过程中发生的变化
温度的影响
金属导电
自由电子
物理变化
升温，导电性减弱
电解质溶
液导电
阴、阳离子
化学变化
升温、导电性增强
4.影响金属熔点、硬度的因素
一般地，熔点、硬度等取决于金属晶体内部作用力的强弱。
一般来说，金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属晶体内部作用力越强，因而晶体熔点越高，硬度越大。
二、关于金属晶体
1．金属晶体结构
2．物理性质
3．位置与分类
4．金属之最
（1）在生活生产中使用最广泛的金属是铁（一般是铁与碳的合金）；
（2）地壳中含量最多的金属元素是铝（Al）；
（3）自然界中最活泼的金属元素是铯（Cs）；
（4）最稳定的金属单质是金（Au）；
（5）最硬的金属单质是铬（Cr）；
（6）熔点最高的金属单质是钨（3413℃）（W）；
（7）熔点最低的金属单质是汞（－39℃）（Hg）；
（8）延展性最好的是金（Au）；
（9）导电性能最好的是银（Ag）；
（10）密度最大的是锇（22.57g·cm－3）（Os）。
5.三维空间模型常见的三种结构
三种典型结构类型
体心立方晶格
面心立方晶体
密排六方晶格
配位数
8
12
12
常见金属晶体结构（有些金属晶体可能有两种或三种晶格）
Li、Na、K、Rb、Cs、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe
Ca、Sr、Cu、Au、Al、Pb、Ni、Pd、Pt
Be、Mg、Ca、Sr、Co、Ni、Zn、Cd、Ti
结构示意图
空间利用率
68%
74%
74%
堆积形式
体心立方最密堆积
面心立方最密堆积
六方最密堆积
要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。
金属晶体熔、沸点高低和硬度大小一般取决于金属键强弱，而金属键与金属阳离子所带电荷的多少及半径大小有关。
由此判断下列说法正确的是（ ）
A．金属镁的熔点大于金属铝
B．碱金属单质的熔、沸点从Li到Cs是逐渐增大的
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 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、沸点和硬度都小；从Li到Cs，离子的半径是逐渐增大的，所带电荷相同，金属键逐渐减弱，熔、沸点和硬度都逐渐减小；因离子的半径小而所带电荷多，使金属铝比金属钠的金属键强，所以金属铝比金属钠的熔、沸点和硬度都大；因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、沸点和硬度都大。
答案 C
影响晶体熔、沸点的是组成晶体的粒子间的相互作用，包括化学键和分子间作用力。
而影响金属晶体熔、沸点的是金属离子和自由电子之间的作用力，金属键的大小要从离子半径和离子所带的电荷两个方面结合起来分析。
金晶体的最小重复单元（也称晶胞）是面心立方体，即在立方体的8个顶点各有一个金原子，各个面的中心有一个金原子，每个金原子被相邻的晶胞所共有。
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。
（1）金晶体每个晶胞中含有 个金原子。
（2）欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定 。
（3）一个晶胞的体积是 。
（4）金晶体的密度是 。
解析
（1）由分摊法，在每个面心立方体中，每个顶点上的金原子为8个晶胞所共有，因此每个原子有
属于晶胞；根据类似的道理，每个面的中心的金原子，每个原子有
属于晶胞。
所以每个晶胞中的金原子数＝8×
＋6×
＝4；
（2）应假定：
在立方体各个面的对角线上3个金原子彼此两两相切（紧密排列）；
（3）每个晶胞的体积为（d×2×
）3＝2
d3；
（4）每个晶胞的质量为
，故金的密度为：
ρ＝
＝
＝
。
答案
（1）4
（2）在立方体各个面的对角线上3个金原子彼此两两相切（紧密排列）
（3）2
d3（4）
在所有有关晶体的计算中一定要注意以下两点：
（1）正确应用分摊法确定一个晶胞中包含的各粒子的数目；
（2）一个基本关系式：
＝V
，其中，M表示物质的摩尔质量，ρ表示晶体的密度，V是晶胞的体积，NA是阿伏加德罗常数，x表示一个晶胞中所含的粒子数与该物质化学式的比值（如一个氯化钠的晶胞中包含4个钠离子、4个氯离子，是其化学式中离子个数的4倍，所以x＝4）。
将直径相等的圆球放置在平面上，使球面紧密接触，除上面两种方式外，还有没有第三种方式？
提示 事实证明，圆球在平面上放置的方式除了上述两种外，再没有第三种方式；而第二种方式，平面的利用率比第一种方式要高。
1．D 2.C 3.B
4．电子气理论为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。
延展性：
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，但不会改变原来的排列方式，而且弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用。
导电性：
金属晶体中弥漫在金属原子之间的电子气，在外加电场的作用下，发生定向移动形成电流。
导热性：
金属晶体中，弥漫在金属原子之间的电子气运动时，把能量从温度高的部分传到温度低的部分。
5．
（1）根据分子晶体分子之间存在的是分子间作用力，熔点很低，由此判断该固态物质是氖（Ne）。
（2）根据金属晶体的性质有良好的导电性，熔点较高，可判断该固态物质是铜（Cu）。
（3）根据原子晶体是一个三维的共价键网状结构。
是一个“巨分子”，有着高硬度、高熔点的特性，可判断出该固态物质是硅（Si）。
6．三种金属晶体的堆积模型分别如下。
（1）钾型
（2）镁型
（3）铜型
由上比较三种典型金属晶体的配位数、原子的空间利用率、堆积方式和晶胞的区别。
金属晶体
配位数
原子的空间利用率
堆积方式
晶胞
钾型
8
68%
见图Ⅰ
见图Ⅱ
镁型
12
74%
见图Ⅱ′
见图Ⅲ′
铜型
12
74%
见图Ⅱ″
见图Ⅲ″
1．只有阳离子而没有阴离子的晶体是（ ）
A．金属晶体B．原子晶体C．离子晶体D．分子晶体
答案 A
解析 分子晶体和原子晶体中不存在离子，所以不能选择B、D两项；离子晶体的构成粒子是阴离子和阳离子，C项也不符合题意；金属晶体的构成粒子是金属阳离子和自由电子，没有阴离子，因此应该选择A项。
2．下列有关金属晶体的说法中正确的是（ ）
A．常温下都是晶体
B．最外层电子数少于3个的都是金属
C．任何状态下都有延展性
D．都能导电、传热
答案 D
解析 Hg常温下是液态，不是晶体，A项错误；H、He最外层电子数都少于3个，但它们不是金属，B项错误；金属的延展性指的是能抽成细丝、轧成薄片的性质，在液态时，由于金属具有流动性，不具备延展性，所以C项也是错误的；金属晶体中存在自由电子，能够导电、传热，因此D项是正确的。
3．下列有关金属晶体的说法中不正确的是（ ）
A．金属晶体是一种“巨分子”
B．“电子气”为所有原子所共有
C．简单立方堆积的空间利用率最低
D．钾型堆积的空间利用率最高
答案 D
解析 根据金属晶体的“电子气理论”，A、B选项都是正确的；金属晶体的堆积方式中空间利用率分别是：
简单立方堆积52%，钾型68%，镁型和铜型均为74%，因此简单立方堆积的空间利用率最低，镁型和铜型的空间利用率最高，因此应选择D项。
4．下列性质不能用金属键理论解释的是（ ）
A．导电性B．导热性C．延展性D．锈蚀性
答案 D
解析 金属键是金属晶体中粒子的结合力，它决定了金属晶体的一些性质，可以解释金属晶体的导电性、导热性、延展性等金属晶体的物理性质，但不能决定金属的化学性质，不能解释化学性质锈蚀性。
5．金属的下列性质中，与电子气无关的是（ ）
A．密度大小B．容易导电C．延展性好D．容易导热
答案 A
解析 金属的导电性、导热性和延展性都可以用电子气理论解释，而金属的密度与此无关。
6．下列有关化学键、氢键和范德华力的叙述中，不正确的是（ ）
A．金属键是金属离子与“电子气”之间的较强作用，金属键无方向性和饱和性
B．共价键是原子之间通过共用电子对形成的化学键，共价键有方向性和饱和性
C．范德华力是分子间存在的一种作用力，分子的极性越大，范德华力越大
D．氢键不是化学键，而是分子间的一种作用力，所以氢键只存在于分子与分子之间
答案 D
解析 氢键是一种分子间作用力，比范德华力强，但是比化学键要弱。
氢键既可以存在于分子间（如水、乙醇、甲醇、液氨等），又可以存在于分子内（如
），所以应选择D项。
7．金属晶体堆积密度大，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
答案 D
解析 金属晶体有多种堆积方式主要是由于金属键无饱和性和方向性。
8．石墨晶体中不存在的化学作用力是（ ）
A．共价键B．氢键C．金属键D．范德华力
答案 B
解析 石墨是一种混合型晶体。
石墨晶体中，同一层里面的碳原子之间以共价键相互结合，层与层之间是范德华力，石墨中的碳原子采取的是平面三角形
，每一个碳原子上都有一个2p轨道与平面垂直，p电子可以在同一层中自由移动，石墨像金属一样，有金属键，只有氢键不存在，所以应该选择B项。
9．下列对各组物质性质的比较中，正确的是（ ）
A．熔点：
LiAg>Cu>Al>Fe
C．密度：
Na>Mg>AlD．空间利用率：
钾型<镁型<铜型
答案 B
解析 同主族的金属单质，原子序数越大，熔点越低，这是因为它们的价电子数相同，随着原子半径的增大，金属键逐渐减弱，所以A选项不对；Na、Mg、Al是同周期的金属单质，密度逐渐增大，故C项错误；不同堆积方式的金属晶体空间利用率分别是：
简单立方52%，钾型68%，镁型和铜型均为74%，因此D项错误；常用的金属导体中，导电性最好的是银，其次是铜，再次是铝、铁，所以B选项正确。
10．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6
B．图（b）为密置层，配位数为4
C．图（a）在三维空间里堆积可得镁型和铜型
D．图（b）在三维空间里堆积仅得简单立方
答案 C
解析 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，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，非密置层的配位数较密置层小，为4。
由此可知，图（a）为密置层，图（b）为非密置层。
密置层在三维空间堆积可得到镁型和铜型两种堆积模型，非密置层在三维空间堆积可得简单立方和钾型两种堆积模型。
所以，只有C选项正确。
11．请你运用所学的化学知识判断，下列有关化学观念的叙述错误的是（ ）
A．几千万年前地球上一条恐龙体内的某个原子可能在你的身体里
B．用斧头将木块一劈为二，在这个过程中个别原子恰好分成更小微粒
C．一定条件下，金属钠可以成为绝缘体
D．一定条件下，水在20℃时能凝固成固体
答案 B
解析 本题是化学知识判断题。
因为原子是化学变化的最小微粒，原子不会变化，A项正确，B项错误；金属导电是自由电子在外电场的作用下，定向移动，一定条件下金属钠自由电子可不移动；物质的熔点与物质的结构和外部条件有关，水在20℃、一定压强下可成为固体。
12．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
答案 B
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。
13．在核电荷数为1～18的元素中，其单质属于金属晶体的有______________________，金属中，密度最小的是______，地壳中含量最多的金属元素是________，熔点最低的是________，既能与酸反应又能与碱反应的是________，单质的还原性最强的是________。
答案 Li、Be、Na、Mg、Al Li Al Na Al、Be Na
解析 金属元素在元素周期表中的位置，一般可根据周期序数和主族序数来推断。
凡是周期序数（原子的电子层数）大于主族序数（原子的最外层电子数）的元素，均为金属元素；若两序数相等的元素一般为既能与酸反应又能与碱反应的金属元素（H例外），但其单质仍为金属晶体，如Be、Al；周期序数小于主族序数的元素一般为非金属元素。
14．晶胞即晶体中最小的重复单元。
已知铜为面心立方晶体，其结构如图Ⅰ所示，面心立方的结构特征如图Ⅱ所示。
若铜原子的半径为1.27×10－10m，试求铜金属晶体中的晶胞边长，即图Ⅲ中AB的长度为______m。
答案 3.59×10-10
解析 本题为信息题，面心立方晶体可通过观察图Ⅰ和图Ⅱ得出其结构特征是：
在一个立方体的八个顶点上各有一个原子，且在六个面的面心上各有一个原子。
图Ⅲ是一平面图，则有AB2+BC2=AC2即，2AB2=（4×1.27×10-10）2，AB=3.59×10-10m。
1．下列有关金属的叙述正确的是（ ）
A．金属元素的原子具有还原性，其离子只有氧化性
B．金属元素的化合价一般表现为正价
C．熔化状态能导电的物质一定是金属的化合物
D．金属元素的单质在常温下均为金属晶体
答案 B
解析 某些金属离子如Fe3＋具有氧化性，而Fe2＋则具有还原性，故A错误；熔化状态能导电的物质除金属晶体外，还可能是离子晶体；在金属晶体中常温时汞为液态，是非晶体形式，故选B。
2．金属的下列性质中，与自由电子无关的是（ ）
A．密度大小B．易导电C．延展性好D．易导热
答案 A
解析 密度的大小与晶体内微粒的排列顺序和相对原子质量有关，而与自由电子无关。
3．关于晶体的下列说法正确的是（ ）
A．在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子
B．在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子
C．原子晶体的熔点一定比金属晶体的高
D．分子晶体的熔点一定比金属晶体的低
答案 A
解析 构成离子晶体的微粒是阴、阳离子，而构成金属晶体的微粒是金属阳离子和自由电子，故A正确，B错误；晶体熔点一般是：
原子晶体>金属晶体>分子晶体，但不排除某些特殊情况，故C、D错误。
4．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，下图（a）、（b）、（c）分别代表这三种晶胞的结构，其晶胞内金属原子个数比为（ ）
A．3∶2∶1 B．11∶8∶4C．9∶8∶4D．21∶14∶9
答案 A
解析 晶胞（a）中所含原子＝12×
＋2×
＋3＝6，晶胞（b）中所含原子＝8×
＋6×
＝4，晶胞（c）中所含原子＝8×
＋1＝2。
5．金属晶体中，最常见的三种堆积方式有：
（1）配位数为8的________堆积，
（2）配位数为________的镁型堆积，
（3）配位数为______的__________堆积。
其中______和________空间原子利用率相等，________以ABAB方式堆积，________以ABCABC方式堆积，就金属原子的堆积来看，两者的区别是第______层。
答案
（1）钾型
（2）12 （3）12 铜型 镁型 铜型 镁型
铜型 三
6．某晶体具有金属光泽，熔点较高，能否由此判断该晶体属于金属晶体______（填“能”或“否”），判断该晶体是否属于金属晶体的最简单的实验方法是__________________。
答案 否 测试该晶体在固态时能否导电
解析 具有金属光泽、熔点较高的晶体不一定是金属晶体，有些非金属晶体也具有此性质，但金属晶体固态时能导电，而非金属晶体固态时不导电（石墨除外）。
1．金属晶体的形成是因为晶体中存在（ ）
①金属原子 ②金属离子 ③自由电子 ④阴离子
A．只有① B．只有③ C．②③ D．②④
答案 C
解析 金属晶体是金属离子和自由电子通过金属键形成的。
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的强烈相互作用，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
答案 AB
解析 根据题目所给信息：
镁和铝处于同一周期，离子半径镁大于铝，价电子数铝大于镁，所以铝的金属键强于镁，即镁的硬度小于铝，A项错；镁和钙属于同一主族元素，离子半径钙大于镁，而价电子数两者相同，所以金属键应是钙的弱于镁的，故镁的熔、沸点要高，因此B项错；根据同样的思路可知，C、D选项是正确的。
3．下列叙述正确的是（ ）
A．同周期金属的原子半径越大，熔点越高
B．同周期金属的原子半径越小，熔点越高
C．同主族金属的原子半径越大，熔点越高
D．同主族金属的原子半径越小，熔点越高
答案 BD
解析 金属晶体的熔、沸点与金属阳离子的半径和原子最外层电子数有关，阳离子半径越大，原子最外层电子数越少，熔、沸点越低。
4．金属晶体具有延展性的原因是（ ）
A．金属键很微弱
B．金属键没有饱和性
C．密堆积层的阳离子容易发生滑动，但不会破坏密堆积的排列方式，也不会破坏金属键
D．金属阳离子之间存在斥力
答案 C
解析 金属晶体具有延展性的原因是密堆积层的阳离子在外力作用下很容易滑动，但它们的密堆积排列方式仍然存在，不会被破坏，金属键仍存在。
5．金属的下列性质中，和金属晶体无关的是（ ）
A．良好的导电性B．反应中易失电子
C．良好的延展性D．良好的导热性
答案 B
解析 备选答案A、C、D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；备选答案B，金属易失电子是由原子的结构决定的，所以和金属晶体无关。
6．下列物质的熔点依次升高的是（ ）
A．Na、Mg、AlB．Na、Rb、Cs
C．Mg、Na、KD．铝、硅铝合金、单晶硅
答案 A
解析 金属键的强弱与离子半径及离子所带电荷有关。
离子半径越小，所带电荷越多，金属键越强，A、B、C中只有A组熔点依次升高；合金的熔点应比各组分的熔点都低，D错。
7．下面有关金属的叙述正确的是（ ）
A．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
B．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
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升高而降低
答案 D
解析 本题考查用金属的电子气理论解释金属通性及影响因素。
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，但不会改变原来的排列方式，故A项不正确；自由电子要在外电场作用下才能发生定向移动，形成电流，B项不正确；金属的导热性是由于自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞将能量进行传递，故C项不正确。
8．某固态物质在固态和熔融状态时均能导电，熔点较高，该固态物质可能是（ ）
A．离子晶体B．原子晶体C．分子晶体D．金属晶体
答案 D
解析 本题考查晶体导电性问题。
A项：
离子晶体固态时不导电，只有在熔融状态和水溶液中才能导电；B项：
原子晶体不导电；C项：
分子晶体不导电且熔点低；D项：
固态金属和熔融状态都能导电，且金属晶体熔点较高。
9．两种金属A和B，已知A、B常温下为固态，且A、B属于质软的轻金属，由A、B熔合而成的合金不可能具有的性质有（ ）
A．导电、导热、延展性较纯A或纯B金属强
B．常温下为液态
C．硬度较大，可制造飞机
D．有固定的熔点和沸点
答案 D
解析 合金为混合物，通常无固定组成，因此熔、沸点通常不固定；金属形成合金的熔点比组成合金的金属单质低，如Na、K常温下为固体，而Na—K合金常温下为液态，轻金属Mg—Al合金的硬度比Mg、Al高。
10．下列叙述中正确的是（ ）
A．金属在通常情况下都是固体
B．晶体中有阳离子不一定有阴离子
C．镁晶体中1个Mg2＋跟2个价电子有较强的作用
D．金属晶体发生形变时，其内部金属离子与自由电子相互作用仍然存在
答案 BD
解析 A项不正确，因为金属Hg在常温下为液体；B项正确，因金属晶体中只有金属阳离子和自由电子，没有阴离子；C项镁晶体中所有Mg提供的电子被Mg2＋共用；D项，金属晶体变形时，金属键仍然存在，且其排列方式不变。
11.关于钾型晶体结构（如图）的叙述中正确的是（ ）
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
答案 C
解析 钾型晶体的晶胞为体心立方体，是非密置层的一种堆积方式，其中8个顶点和体心处各有一个原子，晶胞内含有8×
＋1＝2个原子。
第四节离子晶体
一、离子晶体
1．离子晶体中阴、阳离子交替出现，层与层之间如果滑动，同性离子相邻而使斥力增大导致不稳定，所以离子晶体无延展性。
2．离子晶体不导电，但在熔融状态或水溶液中能导电。
3．离子晶体难溶于非极性溶剂而易溶于极性溶剂。
4．离子晶体的熔、沸点取决于构成晶体的阴、阳离子间离子键的强弱，而离子键的强弱，又可用离子半径衡量，通常情况下，同种类型的离子晶体，离子半径越小，离子键越强，熔、沸点越高。
5．离子晶体中不一定含
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