同步苏教化学选修三新突破讲义专题3+第1单元+金属键 金属晶体和答案.docx

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同步苏教化学选修三新突破讲义专题3+第1单元+金属键金属晶体和答案

第一单元　金属键　金属晶体

目标与素养：

1.了解金属键的含义，知道金属键的本质。

认识金属键与金属物理性质的关系，了解金属晶体的共性。

（宏观辨识与微观探析）2.能列举金属晶体的堆积模型，并能运用堆积模型来描述和解释金属晶体的结构特点。

（证据推理与模型认知）3.通过金属键理论的研讨，培养终身学习的意识和严谨求实的科学态度。

（科学态度与社会责任）

一、金属键与金属特性

1．金属键

（1）概念：

金属离子与自由电子之间强烈的相互作用。

（2）金属键成键微粒：

金属阳离子和自由电子。

（3）成键条件：

金属单质或合金。

（4）影响金属键强弱的因素

金属元素原子半径越小，单位体积内自由移动电子数目越多，金属键越强。

（5）金属键的强弱对金属单质物理性质的影响

金属硬度的大小、熔沸点的高低与金属键的强弱有关。

金属键越强，金属晶体的熔、沸点越高，硬度越大。

2．金属特性

特性

解释

导电性

在外电场作用下，自由电子在金属内部发生定向移动，形成电流

导热性

通过自由电子的运动把能量从温度高的区域传到温度低的区域，从而使整块金属达到同样的温度

延展性

由于金属键无方向性，在外力作用下，金属原子之间发生相对滑动时，各层金属原子之间仍保持金属键的作用

3.金属的原子化热

（1）金属键的强弱可以用金属的原子化热来衡量。

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。

（2）意义：

衡量金属键的强弱。

金属的原子化热数值越大，金属键越强。

二、金属晶体

1．存在

通常条件下，大多数金属单质及其合金也是晶体。

在金属晶体中，金属原子如同半径相等的小球一样，彼此相切、紧密堆积成晶体。

2．组成单元——晶胞

能够反映晶体结构特征的基本重复单位。

金属晶体是金属晶胞在空间连续重复延伸而形成的。

3．金属晶体的常见堆积方式

（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）。

（a）非密置层　　　　　（b）密置层

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）金属原子在三维空间中的堆积方式和模型

金属晶体可看作是金属原子在三维空间（一层一层地）中堆积而成。

其堆积方式有以下四种。

这四种堆积方式又可以根据每一层中金属原子的二维放置方式不同分为两类：

非密置层的堆积（包括简单立方堆积和体心立方堆积），密置层堆积（包括六方堆积和面心立方堆积）。

填写下表：

堆积模型

采纳这种堆积的典型代表

晶胞

非密

置层

简单立方堆积

Po（钋）

体心立方堆积

Na、K、Cr

密置层

六方立方堆积

Mg、Zn、Ti

面心堆积

Cu、Ag、Au

4.平行六面体晶胞中微粒数目的计算

（1）晶胞的顶点原子是8个晶胞共用；

（2）晶胞棱上的原子是4个晶胞共用；

（3）晶胞面上的原子是2个晶胞共用。

如金属铜的一个晶胞（如图所示）均摊到的原子数为4。

铜晶胞

5.合金的组成和性质

（1）合金：

一种金属与另一种或几种金属（或非金属）的融合体。

（2）合金的性能：

通常多数合金的熔点比它的成分金属的熔点要低，而强度和硬度比它的成分金属要大。

微点拨：

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，紧密堆积成晶体，密堆积能充分利用空间，使晶体能量降低。

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）金属晶体的熔点均较高。

（　　）

（2）金属的导电性与导热性均与自由电子有关。

（　　）

（3）金属受外力作用变形后仍保持金属键的作用。

（　　）

（4）金属键没有方向性和饱和性。

（　　）

（5）金属中的自由电子来源于金属原子的部分或全部电子。

（　　）

[答案]　　

（1）×　

（2）√　（3）√　（4）√　（5）√

2．如图所示为金属原子在二维空间里放置的两种方式，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六方堆积和面心立方堆积

D．图（b）在三维空间里堆积仅得简单立方堆积

C　[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，图中（a）为密置层，（b）为非密置层。

密置层在三维空间堆积可得到六方堆积和面心立方堆积两种堆积模型，非密置层在三维空间堆积可得简单立方堆积和体心立方堆积两种堆积模型。

所以，只有C选项正确。

]

3．如图所示的甲、乙、丙三种晶体：

试写出：

（1）甲晶体的化学式（X为阳离子）________。

（2）乙晶体中A、B、C三种粒子的个数比________。

（3）丙晶体中每个D周围结合E的个数______________。

[答案]　

（1）X2Y　

（2）1∶3∶1　（3）8

金属晶体的结构与性质

1.金属晶体的原子堆积模型

金属原子在三维空间按一定的规律堆积，有4种基本堆积方式。

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

六方堆积

镁、锌、钛等

2.金属晶体的结构与性质的内在联系

绝大多数金属不透明，具有金属光泽，硬度大，熔、沸点高，具有良好的导电、导热及延展性。

（1）延展性

金属有延展性，可以抽成细丝，可以压成薄片。

这是因为当金属受到外力作用时，密堆积层的金属原子之间比较容易产生滑动，这种滑动不会破坏密堆积的排列方式，而且在滑动过程中“自由电子”能够维系整个金属键的存在，即各层之间始终保持着金属键的作用，因此，金属晶体虽然发生了变形，但不会导致断裂。

另外，金属晶体中原子的堆积方式也会影响金属的性质，如具有最密堆积结构的金属的延展性往往比其他结构的金属的延展性好。

（2）金属的熔点、硬度

金属键是在整个晶体的范围内起作用的，而且金属键一般较强，金属熔化或有硬物压入时需破坏金属键，故大多数金属晶体的熔点较高，硬度较大，但不同金属晶体的熔点差别较大。

如Hg在常温下为液态，而铁的熔点却很高（1535℃）。

（3）金属熔、沸点高低的比较

金属阳离子半径越小，所带电荷越多，则金属键越强，金属的熔、沸点就越高，一般存在以下规律：

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，如汞常温为液体，熔点很低（－38.9℃），而铁等金属熔点很高（1535℃）。

【典例1】　下列关于金属的叙述中，不正确的是（　　）

A．金属键是金属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，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．金属键是带异性电荷的金属离子和自由电子间的相互作用，故金属键无饱和性和方向性

D．金属中的自由电子在整个金属内部的三维空间中做自由运动

B　[从基本构成微粒的性质看，金属键与离子键的实质类似，都属于电性作用，特征都是无方向性和饱和性，自由电子是由金属原子提供的，并且在整个金属内部的三维空间内运动，为整个金属的所有阳离子所共有，从这个角度看，金属键与共价键有类似之处，但两者又有明显的不同，如金属键无方向性和饱和性。

]

1．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

B　[A：

Hg在常温下为液态。

C：

r（Ca）K，所以金属键Ca>K，故熔、沸点Ca>K。

D：

金属的导电性随温度升高而降低。

]

2．结合金属晶体的结构特点，回答以下问题。

已知下列金属晶体：

Na、Po、K、Cu、Mg、Au、Ag、Zn、Ti、Cr、Mo、W、Pb，其堆积方式

①简单立方堆积的是：

_________________________________。

②体心立方堆积的是：

_________________________________。

③六方堆积的是：

_____________________________。

④面心立方堆积的是：

_________________________________。

[答案]　①Po　②Na、K、Cr、Mo、W　③Mg、Zn、Ti　④Au、Ag、Cu、Pb

晶胞

1.晶胞的特点

（1）习惯采用的晶胞是平行六面体，其三条边的长度不一定相等，也不一定互相垂直。

晶胞的形状和大小由具体晶体的结构所决定。

（2）整个晶体就是晶胞按其周期性在三维空间重复排列而成。

每个晶胞上下左右前后无隙并置地排列着与其一样的无数晶胞，决定了晶胞的8个顶角、平行的面以及平行的棱完全相同。

2．晶胞中粒子数的计算

均摊法确定晶胞中微粒的个数

均摊法：

若某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子的

属于这个晶胞。

模型认知和证据推理：

两种常见晶胞中粒子数的求算

（1）平面六面体（长方体形和正方体形）晶胞中不同位置的粒子数的计算

（2）六棱柱晶胞中不同位置的粒子数的计算

如图所示，六方晶胞中所含微粒数目为12×

＋3＋2×

＝6。

六方晶胞

【典例2】　某物质的晶体中，含A、B、C3种元素，其排列方式如图所示（其中前后两面心上的B原子未画出），晶体中A、B、C的原子个数比为（　　）

A．1∶3∶1　　　　　B．2∶3∶1

C．2∶2∶1D．1∶3∶3

A　[A原子位于晶胞的顶点，故晶胞中A原子个数为8×

＝1，B原子位于晶胞的面心，故晶胞中B原子个数为6×

＝3，C原子位于晶胞的体心，故晶胞中C原子个数为1，所以晶胞中A、B、C的原子个数比为1∶3∶1，A项正确。

]

3．某晶体的晶胞为如图所示的正三棱柱，该晶体中X、Y、Z三种粒子数之比是（　　）

A．3∶9∶4B．1∶4∶2

C．2∶9∶4D．3∶8∶4

B　[题图中不是一个平行六面体晶胞，而是一个正三棱柱结构的晶胞，它分摊到的粒子为顶角粒子的

，底面棱上粒子的

，侧面棱上粒子的

及内部的所有粒子，X都在顶角上，6个Y在顶面和底面棱上，3个Y在侧面棱上，Z位于内部，所以X、Y、Z三种粒子数之比为

∶

∶1＝1∶4∶2。

]

4．铜在我国有色金属材料的消费中仅次于铝，广泛地应用于电气、机械制造、国防等领域。

回答下列问题：

（1）铜原子基态电子排布式为_________________________。

（2）用晶体的X射线衍射法可以测得阿伏加德罗常数。

对金属铜的测定得到以下结果：

晶胞为面心立方最密堆积，边长为361pm。

又知铜的密度为9.00g·cm－3，则铜晶胞的体积是______cm3，晶胞的质量是______g，阿伏加德罗常数为____________________

[列式计算，已知Ar（Cu）＝63.6]。

[解析]　

（2）体积是a3；质量＝体积×密度；一个体心晶胞含4个原子，则摩尔质量＝四分之一×晶胞质量×NA，可求NA。

[答案]　

（1）1s22s22p63s23p63d104s1（或[Ar]3d104s1）

（2）4.70×10－23　4.23×10－22

NA＝

＝6.01×1023mol－1

晶胞的一般计算公式

已知：

晶体密度（ρ）、晶胞体积（V）、晶胞含有的组成个数（N）和NA的有关计算公式：

NA＝M

如NaCl晶体：

NA＝58.5。

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．金属键是金属离子和自由电子之间存在的强烈的静电吸引作用

C．金属键中的电子属于整块金属

D．金属的性质和金属固体的形成与金属键有关

B　[金属原子脱落下来的电子被所有原子所共有，从而把所有的金属原子维系在一起，故金属键无饱和性和方向性。

金属键是金属离子和自由电子之间的强烈作用，既包括金属离子与自由电子之间的静电吸引作用，也存在金属离子与自由电子之间的静电排斥作用。

金属键中的电子属于整块金属。

金属的性质及固体形成与金属键的强弱密切相关。

]

2．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

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，使热能在金属中迅速传递。

]

3．在金属中，自由电子与金属离子或金属原子的碰撞有能量传递，可以用此来解释的金属的物理性质是（　　）

A．延展性B．导电性

C．导热性D．硬度

C　[金属晶体中，自由电子获得能量后在与金属离子或金属原子的碰撞过程中实现了能量传递，把能量从温度高的区域传到温度低的区域，体现了金属的导热性。

]

4．1183K以下纯铁晶体的基本结构单元如图甲所示，1183K以上纯铁晶体的基本结构如图乙所示，在两种晶体中最邻近的铁原子间距离相同。

（1）纯铁晶体中铁原子以________键相互结合。

（2）在1183K以下的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子有________个；在1183K以上的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子有________个。

[解析]　

（1）纯铁晶体中铁原子以金属键相互结合。

（2）在1183K以下的纯铁晶体中，与中心铁原子等距离且最近的铁原子为立方体顶点的铁原子，共8个；在1183K以上的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子为互相垂直的3个面上的铁原子，每个面上各4个，共12个。

[答案]　

（1）金属　

（2）8　12

5．已知某金属面心立方晶体，其结构如图（Ⅰ）所示，面心立方的结构如图（Ⅱ）所示，该原子的半径为1.27×10－10m，试求金属晶体中的晶胞长度，即图（Ⅲ）中AB的长度。

AB的长度为________m。

（Ⅰ）　　　　　　（Ⅱ）　　　　　　　（Ⅲ）

[解析]　本题为信息题，面心立方晶体通过观察图（Ⅰ）和图（Ⅱ），可得出其结构特征：

在一个立方体的八个顶角上均有一个原子，且在六个面的中心各有一个原子。

图（Ⅲ）是一个平面图，则有：

AB2＋BC2＝AC2，且AB＝BC，即2AB2＝（4×1.27×10－10）2，AB≈3.59×10－10m。

[答案]　3.59×10－10m