高中化学选修3物质结构与性质步步高全套学案课件第三章 第三节.docx
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高中化学选修3物质结构与性质步步高全套学案课件第三章第三节
第三节 金属晶体
[学习目标定位] 1.知道金属键的含义和金属晶体的结构特点。
2.能用电子气理论解释金属的一些物理性质,熟知金属晶体的原子堆积模型的分类及结构特点。
一 金属键和金属晶体
1.钠原子、氯原子能够形成三种不同类别的物质：
（1）化合物是NaCl,其化学键类型是离子键。
（2）非金属单质是Cl2,其化学键类型是非极性共价键。
（3）金属单质是Na,根据金属单质能够导电,推测金属单质钠中存在的结构微粒是Na＋和自由电子。
2.由以上分析,引伸并讨论金属键的有关概念：
（1）金属键的概念
①金属键：
金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用。
②成键微粒：
金属阳离子和自由电子。
③成键条件：
金属单质或合金。
（2）金属键的本质
描述金属键本质的最简单理论是“电子气理论”。
它把金属键形象地描绘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,形成一种“巨分子”。
（3）金属键的特征
金属键无方向性和饱和性。
晶体里的电子不专属于某几个特定的金属离子,而是几乎均匀地分布在整个晶体里,把所有金属原子维系在一起,所以金属键没有方向性和饱和性。
（4）金属晶体
通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的晶体,叫做金属晶体。
3.金属晶体物理特性分析
（1）金属键没有方向性,当金属受到外力作用时,晶体中的各原子层发生相对滑动而不会破坏金属键,金属发生形变但不会断裂,故金属晶体具有良好的延展性。
（2）金属材料有良好的导电性是由于金属晶体中的自由电子可以在外加电场作用下发生定向移动。
（3）金属的导热性是自由电子在运动时与金属离子碰撞而引起能量的交换,从而使能量从温度高的部分传到温度低的部分,使整块金属达到相同的温度。
4.金属晶体的熔点比较
（1）金属的熔点高低与金属键的强弱直接相关。
金属键越强,金属的熔点（沸点）越高,硬度一般也越大。
（2）金属键的强弱主要取决于金属阳离子的半径和离子所带的电荷数。
金属阳离子半径越小,金属键越强；离子所带电荷数越多,金属键越强。
（3）同周期金属单质,从左到右（如Na、Mg、Al）熔、沸点升高。
同主族金属单质,从上到下（如碱金属）熔、沸点降低。
（4）金属晶体熔点差别很大,如汞常温为液体,熔点很低（－38.9℃）,而铁等金属熔点很高（1535℃）。
[归纳总结]
[活学活用]
1.下列关于金属及金属键的说法正确的是（ ）
A.金属键具有方向性与饱和性
B.金属键是金属阳离子与自由电子间的相互作用
C.金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子
D.金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光
答案 B
解析 金属键没有方向性和饱和性,A错；B对；金属内部本身就存在自由电子,金属导电是由于在外加电场的作用下电子发生了定向移动,C错；金属具有光泽是因为电子吸收并放出可见光,D错。
2.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.金属阳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
答案 B
解析 常温下,Hg为液态,A错；因为金属键无方向性,故金属键在一定范围内不因形变而消失,B正确；钙的金属键强于钾,故熔、沸点高于钾,C不正确；温度升高,金属的导电性减弱,D错。
二 金属晶体中金属原子的堆积方式
1.金属原子在二维平面中放置的两种方式
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（即二维空间里）,可有两种方式——非密置层和密置层（如下图所示）。
（1）晶体中一个原子周围距离相等且最近的原子的数目叫配位数。
分析上图非密置层的配位数是4,密置层的配位数是6。
（2）密置层放置,平面的利用率比非密置层的要高。
2.金属晶体的原子在三维空间里的4种堆积模型
（1）简单立方堆积
将非密置层球心对球心地垂直向上排列,这样一层一层地在三维空间里堆积,就得到简单立方堆积（如下图所示）。
金属晶体的堆积方式——简单立方堆积
这种堆积方式形成的晶胞是一个立方体,每个晶胞含一个原子,这种堆积方式的空间利用率为52%,配位数为6,这种堆积方式的空间利用率太低,只有金属钋（Po）采取这种堆积方式。
（2）体心立方堆积
非密置层的另一种堆积方式是将上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中,并使非密置层的原子稍稍分离,每层均照此堆积,如下图所示。
碱金属和铁原子都采取此类堆积方式,这种堆积方式又称钾型堆积。
金属晶体的堆积方式——体心立方堆积
这种堆积方式可以找出立方晶胞,空间利用率比简单立方堆积高得多,达到68%,每个球与上、下两层的各4个球相邻接,故配位数为8。
（3）六方最密堆积和面心立方最密堆积
密置层的原子按体心立方堆积的方式堆积,会得到两种基本堆积方式——六方最密堆积和面心立方最密堆积。
这两种堆积方式都是金属晶体的最密堆积,配位数为12,空间利用率均为74%,但所得晶胞的形式不同（如下图所示）。
六方最密堆积 面心立方最密堆积
金属晶体的两种最密堆积方式——六方最密堆积和面心立方最密堆积
六方最密堆积如下图所示,重复周期为两层,按ABABABAB……的方式堆积。
由于在这种排列方式中可划出密排六方晶胞,故称此排列为六方最密堆积。
由此堆积可知,同一层上每个球与同层中周围6个球相接触,同时又与上下两层中各3个球相接触,故每个球与周围12个球相接触,所以其配位数是12。
原子的空间利用率最大。
Mg、Zn、Ti都是采用这种堆积方式。
面心立方最密堆积如上图所示,按ABCABCABC……的方式堆积。
将第一密置层记作A,第二层记作B,B层的球对准A层中的三角形空隙位置,第三层记作C,C层的球对准B层的空隙,同时应对准A层中的三角形空隙（即C层球不对准A层球）。
以后各层分别重复A、B、C层排列,这种排列方式三层为一周期,记为ABCABCABC……由于在这种排列中可以划出面心立方晶胞,故称这种堆积方式为面心立方最密堆积。
Cu、Ag、Au等均采用此类堆积方式。
[归纳总结]
（1）堆积原理
组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时,在空间的排列大都服从紧密堆积原理。
这是因为在金属晶体中,金属键没有方向性和饱和性,因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围,并以密堆积方式降低体系的能量,使晶体变得比较稳定。
（2）常见的堆积模型
堆积模型
采纳这种堆积
的典型代表
晶胞
配位数
空间利用率
每个晶胞所含原子数
非密置层
简单立方堆积
Po（钋）
6
52%
1
体心立
方堆积
Na、K、Fe
8
68%
2
密置层
六方最
密堆积
Mg、Zn、Ti
12
74%
2
面心立
方最密
堆积
Cu、Ag、Au
12
74%
4
[活学活用]
3.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 这是因为分别借助于没有方向性的金属键形成的金属晶体的结构中,都趋向于使原子吸引尽可能多的其他原子分布于周围,并以密堆积的方式降低体系的能量,使晶体变得比较稳定。
4.关于钾型晶体（如右图所示）的结构的叙述中正确的是（ ）
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 钾型晶体的晶胞为立方体,是非密置层的一种堆积方式,其中有8个顶点原子和1个体心原子,晶胞内含有8×
＋1＝2个原子,选项C正确。
当堂检测
1.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 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。
金属易失电子是由金属原子的结构决定的,所以和金属晶体无关。
2.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.体心立方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,选项A、B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%,体心立方堆积68%,面心立方最密堆积和六方最密堆积均为74%。
因此简单立方堆积的空间利用率最低,六方最密堆积和面心立方最密堆积的空间利用率最高。
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.镁的硬度大于铝B.镁的熔、沸点高于钙
C.镁的硬度大于钾D.钙的熔、沸点高于钾
答案 A
解析 根据题目所给信息,镁和铝的电子层数相同,价电子数Al>Mg,离子半径Al3＋Ca2＋>Mg2＋,金属键Mg>Ca,镁的熔、沸点高于钙,所以B正确；用以上比较方法可推出：
价电子数Mg>K,离子半径Mg2＋K,镁的硬度大于钾,所以C正确；钙和钾元素位于同一周期,价电子数Ca>K,离子半径K＋>Ca2＋,金属键Ca>K,钙的熔、沸点高于钾,所以D正确。
4.金属晶体的堆积方式、空间利用率和配位数关系正确的是（ ）
①钋Po——简单立方堆积——52%——6
②钠Na——钾型——74%——12
③锌Zn——镁型——68%——8
④银Ag——铜型——74%——12
A.①②B.①③C.②③D.①④
答案 D
解析 ②钾型空间利用率为68%,配位数为8；③中Zn为镁型,空间利用率为74%,配位数为12；①④堆积方式、空间利用率和配位数均正确。
5.晶体中最小的重复单元为晶胞。
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,试求铜金属晶体的晶胞长度,即图（Ⅲ）中AB的长度。
AB的长度为______________m。
答案 3.59×10－10
解析 面心立方晶体可通过图（Ⅰ）和图（Ⅱ）得出其结构的特征是：
在一个立方体的8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）是一个平面图,取立方体的最上一层,五个原子在同一个平面上,由平面图可知：
AB2＋BC2＝AC2,又AB＝BC,AC＝4×铜原子半径,所以2AB2＝（4r）2,即2AB2＝（4×1.27×10－10m）2,AB≈3.59×10－10m。
40分钟课时作业
[基础过关]
一、金属键与金属晶体的概念
1.金属晶体的形成是因为晶体中存在（ ）
A.脱落价电子后的金属离子间的相互作用
B.金属原子间的相互作用
C.脱落了价电子的金属离子与脱落的价电子间的相互作用
D.金属原子与价电子间的相互作用
答案 C
2.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。
3.在单质的晶体中一定不存在的微粒是（ ）
A.原子B.分子
C.阴离子D.阳离子
答案 C
解析 单质晶体可能有硅、金刚石——原子晶体,P、S、Cl2——分子晶体,Na、Mg——金属晶体。
在这些晶体中,构成晶体的微粒分别是原子、分子、金属阳离子和自由电子。
二、金属晶体的物理特性
4.按下列四种有关性质的叙述,可能属于金属晶体的是（ ）
A.由分子间作用力结合而成,熔点低
B.固体或熔融后易导电,熔点在1000℃左右
C.由共价键结合成网状结构,熔点高
D.固体和熔融状态不导电,但溶于水后可能导电
答案 B
解析 A为分子晶体；B中固体能导电,熔点在1000℃左右,不是很高,应为金属晶体；C为原子晶体；D为分子晶体。
5.金属能导电的原因是（ ）
A.金属晶体中的金属阳离子与自由电子间的作用较弱
B.金属晶体中的自由电子在外加电场作用下可发生定向移动
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 根据电子气理论,电子是属于整个晶体的,在外加电场作用下,发生了定向移动从而导电,故B项正确；有的金属中金属键较强,但依然导电,故A项错误；金属导电是靠自由电子的定向移动,而不是金属阳离子发生定向移动,故C项错误；金属导电是物理变化,而不是失去电子的化学变化,故D项错误。
6.根据下列几种物质的熔点和沸点数据,判断下列有关说法中,错误的是（ ）
NaCl
MgCl2
AlCl3
SiCl4
单质B
熔点/℃
810
710
190
－68
2300
沸点/℃
1465
1418
182.7
57
2500
注：
AlCl3熔点在2.02×105Pa条件下测定。
A.SiCl4是分子晶体
B.单质B是原子晶体
C.AlCl3加热能升华
D.MgCl2所含离子键的强度比NaCl大
答案 D
解析 三类不同的晶体由于形成晶体的粒子和粒子间的作用力不同,因而表现出不同的性质。
原子晶体具有高的熔沸点、硬度大、不能导电。
而离子晶体也具有较高的熔沸点、较大的硬度,在溶液中或熔化状态下能导电。
分子晶体熔沸点低、硬度小、不导电,熔化时无化学键断裂,据这些性质可确定晶体类型。
根据上述性质特点及表中数据进行分析,NaCl的熔、沸点均比MgCl2高,所以NaCl晶体中的离子键应比MgCl2强,故D不正确。
三、金属晶体的原子堆积模型
7.有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示,有关说法正确的是（ ）
A.①为简单立方堆积,②为镁型,③为钾型,④为铜型
B.图①至④每个晶胞含有的原子数分别为1、2、2、4
C.晶胞中原子的配位数分别为①6,②8,③8,④12
D.空间利用率的大小关系为①<②<③<④
答案 B
解析 本题考查了金属晶体的堆积方式。
准确理解并记忆金属晶体的四种常见堆积方式是解答本题的关键。
①为简单立方堆积,②为钾型,③为镁型,④为铜型,A项中②与③判断有误；每个晶胞含有的原子数分别为①8×
＝1,②8×
＋1＝2,③8×
＋1＝2,④8×
＋6×
＝4,B项正确；晶胞③中原子的配位数应为12,C项不正确；四种晶体的空间利用率分别为52%、68%、74%、74%,所以D项不正确,应为④＝③>②>①。
8.金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式,六方最密堆积、面心立方最密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∶1B.11∶8∶4
C.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。
[能力提升]
9.石墨的片层结构如下图所示,试回答下列问题：
（1）碳原子的杂化方式________。
（2）平均________个碳原子构成一个正六边形。
（3）石墨晶体每一层内碳原子数与C—C键键数之比是________。
（4）ng碳原子可构成________个正六边形。
答案
（1）sp2
（2）2 （3）2∶3 （4）
解析
（1）石墨为层状结构,碳原子采取sp2杂化。
（2）利用点与面之间的关系,平均每个正六边形需碳原子数：
6×
＝2。
（3）分析每个正六边形：
①所占的碳原子数为6×
＝2；②所占的C—C键键数为6×
＝3,故答案为2∶3。
（4）ng碳原子的个数为
NA,故可构成的正六边形个数为
＝
。
10.
（1）如图所示为二维平面晶体示意图,所表示的化学式为AX3的是________。
（2）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________。
（3）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________,平均每个晶胞所占有的原子数目是________。
（4）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________周期第________族,元素符号是________,最外电子层的电子排布式是________。
答案
（1）b
（2）非密置 4 密置 6 （3）6 1
（4）六 ⅥA Po 6s26p4
11.
（1）在下图中选择：
①金属钠的晶胞模型是________,每个晶胞含有______个Na原子,每个Na原子周围有________个紧邻的Na原子。
②金属铜的晶胞模型是________,每个晶胞含有______个Cu原子,每个Cu原子周围有______个紧邻的Cu原子。
（2）在
（1）题中的晶胞示意图中把金属原子抽象成质点,而事实上在堆积模型中我们把金属原子看成互相接触的球体则更接近实际情况。
对于简单立方堆积的晶胞中,“金属球”在晶胞的棱心处接触,设晶胞（立方体）的边长为a,球的半径为r,则a与r的关系是a＝2r。
那么,在钾型堆积模型中,“金属球”应在________________________________________________________________________
处接触,则晶胞边长a与球半径r的关系是__________；晶胞的体积为________；而该晶胞中拥有______个原子,故金属原子所占的体积为__________,因此钾型堆积的空间利用率为（写出计算过程）：
_________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
（1）①B 2 8 ②D 4 12
（2）立方体对角线的
（或
） r＝
a a3 2
πa3 空间利用率：
×100%＝
×100%≈68%
解析
（1）①金属钠的堆积方式与金属钾的堆积方式相同,均为体心立方堆积,每个晶胞中含有2个钠原子,其配位数是8。
②金属铜的堆积方式为ABCABC……型,即为面心立方最密堆积,每个晶胞中含有4个原子,配位数为12。
（2）①钾型堆积模型（如图B）,“金属球”应在立方体的对角线
（或
）处接触,若晶胞的边长为a,则立方体对角线为
a,球的半径r＝
a,晶胞的体积V＝a3。
根据“均摊法”处于顶点上的原子,同时为8个晶胞所共有,处于晶胞内部的原子,则完全属于该晶胞,可得晶胞中有8×
＋1＝2个原子。
晶胞的体积V＝a3,原子的体积V＝
πr3＝
π（
a）3,故钾型原子堆积的空间利用率为
×100%＝
×100%≈68%。
[拓展探究]
12.金属晶体的原子堆积方式常有以下四种方式,请认真观察模型回答下列问题：
（1）四种堆积模型的堆积名称依次是____________、______________、______________、______________。
（2）图1方式的堆积,空间利用率为__________,只有金属________采用这种堆积方式。
（3）图2与图3两种堆积方式中金属原子的配位数__________（填“相同”或“不相同”）,图2的空间利用率为__________,图3的表示符号为________________。
（4）采取图4堆积方式的金属通常有________________（任写三种金属元素的符号）,每个晶胞中所含有的原子数为________。
答案
（1）简单立方堆积 六方最密堆积 面心立方最密堆积 体心立方堆积
（2）52% Po （3）相同 74% ABCABC…… （4）K、Na、Fe、Li、Ba（任意三种） 2
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