新课标高中化学选修3第三节金属晶体.docx

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新课标高中化学选修3第三节金属晶体

第三节　金属晶体

学业要求

素养对接

1.认识金属晶体的结构和性质。

2.能利用金属键、“电子气理论”解释金属的一些物理性质。

微观探析：

金属晶体的结构特点。

模型认知：

能说明金属晶体中的微粒及其微粒间的相互作用。

[知识梳理]

一、金属键与金属晶体

1.金属键

（1）定义：

在金属单质晶体中原子之间金属阳离子与自由电子之间强烈的相互作用。

（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。

（4）成键本质

电子气理论：

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，从而把所有金属原子维系在一起，形成像共价晶体一样的“巨分子”。

2.金属晶体

（1）通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体，叫做金属晶体。

（2）用电子气理论解释金属的物理性质

二、混合晶体——石墨晶体

1.晶体模型

2.结构特点——层状结构

（1）同层内碳原子采取sp2杂化，以共价键（σ键）结合，形成平面六元并环结构。

由于所有的p轨道平行且相互重叠，使p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动。

（2）层与层之间靠范德华力维系。

3.晶体类型

石墨晶体中，既有共价键，又有金属键和范德华力，属于混合晶体。

4.性质

熔点很高、质软、易导电等。

[自我检测]

1.判断正误，正确的打“√”；错误的打“×”。

（1）常温下，金属单质都以晶体形式存在。

（　　）

（2）金属键可以看作许多原子共用许多电子的相互作用，故也有方向性和饱和性。

（　　）

（3）金属晶体的熔点一定比共价晶体低。

（　　）

（4）晶体中有阳离子，必然含有阴离子。

（　　）

（5）同主族金属元素自上而下，金属单质的熔点逐渐降低，体现金属键逐渐减弱。

（　　）

（6）金属晶体的堆积模型仅与金属原子半径有关。

（　　）

（7）金属晶体中体心立方堆积，配位数最多，空间利用率最大。

（　　）

（8）石墨为混合晶体，因层间存在分子间作用力，故熔点低于金刚石。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）√　（6）×　（7）×　（8）×

2.根据物质的性质，判断下列晶体类型：

（1）SiI4：

熔点120.5℃，沸点271.5℃，易水解________。

（2）硼：

熔点2300℃，沸点2550℃，硬度大________。

（3）硒：

熔点217℃，沸点685℃，溶于氯仿________。

（4）锑：

熔点630.74℃，沸点1750℃，导电________。

答案　

（1）分子晶体　

（2）共价晶体　（3）分子晶体

（4）金属晶体

学习任务　金属键对金属的物理性质的影响

【合作交流】

金属键是化学键的一种，主要在金属中存在。

由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电作用组合而成。

金属键有金属的很多特性。

例如：

一般金属的熔点、沸点随金属键的强度而升高。

其强弱通常与金属离子半径成逆相关，与金属内部自由电子密度成正相关。

1.含有阳离子的晶体中一定含有阴离子吗？

提示　不一定。

如金属晶体中只有阳离子和自由电子，没有阴离子，但有阴离子时，一定有阳离子。

2.金属键强弱的影响因素有哪些？

提示　由于金属键是产生在自由电子（带负电）和金属阳离子（带正电）之间的电性作用，所以金属阳离子电荷越多，半径越小，则金属键越强。

由于堆积方式影响空间利用率，所以它也是金属键强弱的影响因素之一。

【点拨提升】

1.金属键

（1）金属键的特征

金属键无方向性和饱和性。

晶体中的电子不专属于某一个或几个特定的金属阳离子，而几乎是均匀地分布在整块晶体中，因此晶体中存在所有金属阳离子与所有自由电子之间“弥漫”的电性作用，这就是金属键，因此金属键没有方向性和饱和性。

（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。

（3）金属键对物质性质的影响

①金属键越强，晶体的熔、沸点越高。

②金属键越强，晶体的硬度越大。

2.金属晶体的性质

（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。

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.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原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。

【例1】　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阳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.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

解析　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。

故选B。

答案　B

【变式训练1】

1.下列物质的熔点依次升高的是（　　）

A.Mg、Na、KB.Na、Mg、Al

C.Na、Rb、CaD.铝、铝硅合金

解析　A项中K＋、Na＋、Mg2＋的半径依次减小，Mg2＋的电荷数比K＋、Na＋的大，故各物质熔点的顺序为K＜Na＜Mg；同理分析，B项正确；C项中各物质熔点的顺序应为Rb＜Na＜Ca；D项中各物质熔点的顺序应为铝硅合金＜铝。

答案　B

2.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.金属键是金属阳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都与金属键有关

解析　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，故金属键无饱和性和方向性；金属阳离子和自由电子之间的强烈作用，既包括静电吸引作用，也存在静电排斥作用；金属键中的电子属于整块金属；金属的性质及固体的形成都与金属键的强弱有关。

答案　B

3.关于金属性质和原因的描述不正确的是（　　）

A.金属一般具有银白色光泽，是物理性质，与金属键没有关系

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便形成了电流

C.金属具有良好的导热性能，是因为自由电子通过与金属离子发生碰撞，传递了能量

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滑动而不破坏金属键

解析　金属中的自由电子吸收了可见光，又把各种波长的光大部分再反射出来，因而金属一般显银白色光泽；金属具有导电性是因为在外加电场作用下，自由电子定向移动形成电流；金属具有导热性是因为自由电子受热后，与金属离子发生碰撞，传递能量；良好的延展性是因为原子层滑动，但金属键未被破坏。

答案　A

分层训练

基础练

1.下列叙述中，不正确的是（　　）

A.金属元素在化合物中一般显正价

B.金属元素的单质在常温下均为金属晶体

C.金属键是金属阳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.构成金属的自由电子在整个金属内部的三维空间中做自由运动

解析　因金属原子的最外层电子数很少，且原子核对外层电子的引力小，金属原子一般只能失电子，不能得电子，所以在化合物中一般显正价，A项正确；Hg在常温下为液态，B项错误；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，故金属键无方向性和饱和性，C项正确；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，属于整块固态金属，D项正确。

答案　B

2.物质结构理论推出：

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。

据研究表明，一般地，金属原子半径越小，价电子数越多，则金属键越强。

由此判断下列说法正确的是（　　）

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、沸点低于钾

解析　Mg的半径大于Al的半径，且价电子数小于Al的，所以金属键应为MgK，故金属键Ca>K，D项错。

答案　C

3.在金属晶体中，如果金属原子的价电子数越多，金属阳离子的半径越小，自由电子与金属阳离子间的作用力越大，金属的熔点越高。

由此判断下列各组金属熔点的高低顺序，其中正确的是（　　）

A.Mg＞Al＞CaB.Al＞Na＞Li

C.Al＞Mg＞CaD.Mg＞Ba＞Al

解析　金属原子的价电子数：

Al＞Mg＝Ca＝Ba＞Li＝Na，金属阳离子的半径：

r（Ba2＋）＞r（Ca2＋）＞r（Na＋）＞r（Mg2＋）＞r（Al3＋）＞r（Li＋），则C正确。

答案　C

4.石墨晶体是层状结构（如图）。

以下有关石墨晶体的说法正确的一组是（　　）

①石墨中存在两种作用力；②石墨是混合晶体；③石墨中的C为sp2杂化；④石墨熔点、沸点都比金刚石低；⑤石墨中碳原子数和C—C键数之比为1∶2；⑥石墨和金刚石的硬度相同；⑦石墨层内导电性和层间导电性不同；⑧每个六元环完全占有的碳原子数是2

A.全对B.除⑤外

C.除①④⑤⑥外D.除⑥⑦⑧外

解析　①不正确，石墨中存在三种作用力，一种是范德华力，一种是共价键，还有一种是金属键；②正确；③正确，石墨中的C为sp2杂化；④不正确，石墨熔点比金刚石高；⑤不正确，石墨中碳原子数和C—C键数之比为2∶3；⑥不正确，石墨质软，金刚石的硬度大；⑦正确；⑧正确，每个六元环完全占有的碳原子数是6×1/3＝2。

答案　C

5.下列有关金属的说法正确的是（　　）

A.金属原子的核外电子在金属晶体中都是自由电子

B.金属导电的实质是金属阳离子在外电场作用下的定向移动

C.金属原子在化学变化中失去的电子数越多，其还原性越强

D.体心立方晶胞和面心立方晶胞中实际含有的原子个数之比为1∶2

解析　因金属的价电子受原子核的吸引小，则金属原子中的价电子在晶体中为自由电子，故A错误；金属导电的实质是自由电子定向移动而产生电流的结果，故B错误；金属原子在化学变化中失去电子越容易，其还原性越强，与失电子的多少无关，故C错误；体心立方晶胞中原子在顶点和体心，则原子个数为1＋8×

＝2，面心立方晶胞中原子在顶点和面心，原子个数为8×

＋6×

＝4，原子的个数之比为2∶4＝1∶2，故D正确。

答案　D

6.如图所示，铁有δ、γ、α三种同素异形体，三种晶体在不同温度下能发生转化。

下列说法不正确的是（　　）

A.δ—Fe晶体中与每个铁原子等距离且最近的铁原子有8个

B.α—Fe晶体中与每个铁原子等距离且最近的铁原子有6个

C.若δ—Fe晶胞边长为acm，α—Fe晶胞边长为bcm，则两种晶体密度比为2b3∶a3

D.将铁加热到1500℃后，分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型相同

解析　由题图知，δ—Fe晶体中与每个铁原子等距离且最近的铁原子有8个，A项正确；α—Fe晶体中与每个铁原子等距离且最近的铁原子有6个，B项正确；1个δ—Fe晶胞占有2个铁原子，1个α—Fe晶胞占有1个铁原子，故二者密度之比为

∶

＝2b3∶a3，C项正确；将铁加热到1500℃后，分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型是不同的，D项错误。

答案　D

7.石墨能与熔融金属钾作用，形成石墨间隙化合物，钾原子填充在石墨各层原子中。

比较常见的石墨间隙化合物是青铜色的化合物，其化学式可写为CxK，其平面图形如图所示。

x的值为（　　）

A.8B.12

C.24D.60

解析　可选取题图中6个钾原子围成的正六边形为结构单元，每个钾原子被3个正六边形共用，则该结构单元中实际含有的钾原子数为6×

＋1＝3，该六边形内实际含有的碳原子数为24，故钾原子数与碳原子数之比为1∶8。

答案　A

8.教材中给出的几种晶体的晶胞如图所示。

则这些晶胞分别表示的物质可能是（　　）

A.碘、锌、钠、金刚石B.金刚石、锌、碘、钠

C.钠、锌、碘、金刚石D.锌、钠、碘、金刚石

解析　第一种晶胞为体心立方堆积，钾、钠、铁等金属采用这种堆积方式；第二种晶胞为六方最密堆积，镁、锌、钛等金属采用这种堆积方式；构成第三种晶胞的粒子为双原子分子，可能是碘；第四种粒子的晶胞结构为正四面体，可能为金刚石。

答案　C

9.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：

铜原子位于晶胞的顶点和面心上，边长为361pm。

又知铜的密度为9.00g·cm－3，该铜晶胞的体积是________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　铜晶胞的体积V＝（361×10－10cm）3≈4.70×10－23cm3，所以晶胞的质量为m＝ρV＝4.70×10－23cm3×9.00g·cm－3＝4.23×10－22g；一个晶胞中含4个Cu原子，所以阿伏加德罗常数为NA＝

≈6.01×1023mol－1。

答案　4.70×10－23　4.23×10－22　NA＝

≈6.01×1023mol－1

10.

（1）如图甲所示为二维平面晶体示意图，所表示的化学式为AX3的是________。

（2）图乙为一个金属铜的晶胞，请完成以下各题。

①该晶胞“实际”拥有的铜原子数是________个。

②此晶胞立方体的边长为acm，Cu的相对原子质量为64，金属铜的密度为ρg·cm－3，则阿伏加德罗常数的值为________（用a、ρ表示）。

解析　

（1）由图甲中直接相邻的原子数可以求得a、b中两类原子数之比分别为1∶2、1∶3，得出其化学式分别为AX2、AX3。

（2）①用“均摊法”：

8×

＋6×

＝4；②

·64＝ρ·a3，NA＝

。

答案　

（1）b　

（2）①4　②

素养练

11.金晶体的最小重复单元（也称晶胞）如图所示，即在立方体的8个顶点各有1个金原子，各个面的中心有1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的值，M表示金的摩尔质量。

（1）金晶体的每个晶胞中含有________个金原子。

（2）欲计算1个金晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定________。

（3）1个晶胞的体积是________。

（4）金晶体的密度是________。

解析　

（1）由题中对金晶体晶胞的叙述，可求出每个晶胞中所拥有的金原子个数，即8×

＋6×

＝4。

（2）金原子的排列是紧密堆积形式的，每个面心的原子和4个顶点的原子要相互接触。

（3）右图是金晶体中原子之间相互位置关系的平面图，AC为金原子直径的2倍AB为立方体的边长，由图可得，立方体的边长为

d，所以一个晶胞的体积为（

d）3＝2

d3。

（4）1个晶胞的质量等于4个金原子的质量，所以ρ＝

＝

。

答案　

（1）4　

（2）每个面心的原子和4个顶点的原子相互接触　（3）2

d3　（4）

12.不锈钢是由铁、铬、镍、碳及多种不同元素组成的合金，铁是主要成分元素，铬是第一主要的合金元素。

其中铬的含量不能低于11%，不然就不能生成致密氧化膜CrO3。

（1）写出基态Fe2＋的电子排布式_____________________________；

基态碳（C）原子的电子排布图为______________________________。

（2）[Cr（H2O）4Cl2]Cl·2H2O中Cr的配位数为________；已知CrO5中Cr为＋6价，则CrO5的结构式为________。

（3）Fe的一种晶体如图甲、乙所示。

若按甲中虚线（面对角线）方向切乙，得到的切面图正确的是________（填字母）。

解析　

（1）根据构造原理即可写出基态Fe2＋的电子排布式。

（2）[Cr（H2O）4Cl2]Cl·2H2O中4个H2O和2个Cl－为配体，故Cr的配位数为6；CrO5中Cr为＋6价，可见Cr和O形成6对共用电子对，则氧原子的多余电子通过O—O键结合起来。

（3）题图乙由8个甲组成，甲中Fe位于顶点和体心，故乙中每个小立方体的体心都有一个铁原子，按面对角线方向切乙，形成的切面边长不相等，因此切面图为A。

答案　

（1）1s22s22p63s23p63d6或[Ar]3d6　

13.氮化硼（BN）晶体有多种相结构。

六方相氮化硼是通常存在的稳定相，与石墨相似，具有层状结构，可作高温润滑剂。

立方相氮化硼是超硬材料，有优异的耐磨性。

它们的晶体结构如图所示。

（1）下列关于这两种晶体的说法中正确的是________（填字母）。

a.立方相氮化硼含有σ键和π键，所以硬度大

b.六方相氮化硼层间作用力小，所以质地软

c.两种晶体中的B—N键均为共价键

d.两种晶体均为分子晶体

（2）六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间构型为________，其结构与石墨相似却不导电，原因是_______________________________________________________。

（3）立方相氮化硼晶体中，硼原子的杂化轨道类型为________。

该晶体的天然矿物在青藏高原地下约300km的古地壳中被发现。

根据这一矿物形成事实，推断实验室由六方相氮化硼合成立方相氮化硼需要的条件应是________。

解析　

（1）六方相氮化硼与石墨相似，层间的作用是范德华力；立方相氮化硼中都是单键，无π键，二者均不是分子晶体，b、c项正确。

（2）六方相氮化硼晶体层内1个硼原子与3个氮原子形成平面三角形结构，最外层电子全部成键，没有自由移动的电子存在，故不能导电。

（3）立方相氮化硼晶体中，每个硼原子与4个氮原子形成4个σ键，因此B为sp3杂化，根据其存在的环境可知反应条件为高温、高压。

答案　

（1）bc　

（2）平面三角形　层状结构中没有自由移动的电子　（3）sp3　高温、高压

14.金属钨晶体中晶胞的结构模型如图所示。

实际测得金属钨的密度为ρ，钨的相对原子质量为M，假定钨原子为等直径的刚性球，请回答下列问题：

（1）每一个晶胞分摊到________个钨原子。

（2）晶胞的边长a为________。

（3）钨的原子半径r为________（只有体对角线上的各个球才是彼此接触的）。

（4）金属钨原子形成的体心立体结构的空间利用率为________。

解析　

（1）晶胞中每个顶点的钨原子为8个晶胞所共有，体心的钨原子完全为该晶胞所有，故每一个晶胞分摊到2个钨原子。

（2）每个晶胞中含有2个钨原子，则每个晶胞的质量m＝

，又因每个晶胞的体积V＝a3，所以晶胞密度ρ＝

＝

，a＝

。

（3）钨晶胞的体对角线上堆积着3个钨原子，则体对角线的长度为钨原子半径的4倍，即4r＝

a，r＝

＝

×

。

（4）每个晶胞含有2个钨原子，2个钨原子的体积V′＝2×

πr3＝

，则该体心立方结构的空间利用率＝

＝

×100%＝

×100%＝

×100%＝68%。

答案　

（1）2　

（2）

　（3）

×

　（4）68%