金属晶体.docx

1、金属晶体第三节金属晶体目标定位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)金属键的概念金属键：金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用。成键微粒：金属阳离子和自由电子。成键条件：金属单质或合金。(2)金属键的本质

2、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

3、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

4、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)。1下列关于金属键的叙述中，正确的是()A金属键具有方向性和饱和性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解析金属键无方向性和饱和性，A错误；金属晶体由金属阳离子和自由电子构成，在外加电场作用下自由电子定向移动即导电，C错误；金属具有金属光泽是因为自由电子对可见光的选择性吸收和反射，使得金属晶体具有金属光泽和一定颜色，D错误。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

5、，其金属的硬度越大，熔、沸点越高。根据研究表明，一般来说，金属原子半径越小，价电子越多，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解析此题考查的是金属键对晶体性质的影响，如硬度和熔、沸点的比较，比较依据是价电子数和原子半径。价电子数MgAl、MgCa、MgK、KCa；原子半径MgAl、MgCa、MgK、KCa。综合分析得镁的硬度小于铝；镁的熔、沸点高于钙；镁的硬度大于钾；钙的熔、沸点高于钾。二、金属晶体的堆积方式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

6、)，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

7、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个球相接触，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

8、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

9、)。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)652%1体心立方堆积Na、K、Fe868%2

10、密置层六方最密堆积Mg、Zn、Ti1274%2面心立方最密堆积Cu、Ag、Au1274%43金属晶体密度大，原子配位数大，能充分利用空间的原因是()A金属原子价电子数少B金属晶体中有自由电子C金属原子的半径大D金属键没有饱和性和方向性答案D解析金属键无方向性和饱和性，使金属晶体的密度大，原子配位数大，能充分利用空间。4金晶体是面心立方体，立方体的每个面上5个金原子紧密堆砌(如图，其余各面省略)，金原子半径为Acm。求：(1)金属体中最小的一个立方体含有_个金原子。(2)金的密度为_gcm3(用带A计算式表示)。(3)金原子空间占有率为_(Au的相对原子质量为197，用带A计算式表示)。答案(1

11、)4(2) (3)0.74(或74%)解析(1)根据晶胞结构可知，金晶体中最小的一个立方体含有金原子数目为864。(2)金原子半径为A cm，则晶胞中面对角线是4A cm，所以晶胞的边长是2A cm，所以NA4，解得。(3)晶胞的体积是(2A)3，而金原子占有的体积是4A3，所以金原子空间占有率为74%。1金属键的实质是()A自由电子与金属阳离子之间的相互作用B金属原子与金属原子间的相互作用C金属阳离子与阴离子的吸引力D自由电子与金属原子之间的相互作用答案A解析金属晶体由金属阳离子与自由电子构成，微粒间的作用力称为金属键。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

12、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，可知A、B项正确；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，是因为在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，所以金属易导电C金属具有良好的导热性能，是因

13、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离子发生碰撞，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滑动而不破坏金属键答案A解析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，又把各种波长的光大部分反射出来，因而金属一般有银白色光泽，A错误；金属能够导电，是因为在外加电场作用下，“电子气”中的电子定向移动形成电流，B正确；金属能够导热，是由于自由电子受热后，与金属阳离子发生碰撞，传递能量，C正确；金属具有良好的延展性，是由于原子层能够发生相对滑动，但金属键未被破坏，D正确。4Al的晶体中原子的堆积方式如图甲所示，其晶胞特征如图乙所示，原子之间相互位置关系的平

14、面图如图丙所示。若已知Al的原子半径为d，NA代表阿伏加德罗常数，Al的相对原子原子质量为M，请回答：(1)晶胞中Al原子的配位数为_，一个晶胞中Al原子的数目为_。(2)该晶体的密度为_(用字母表示)。答案(1)124(2) 解析(1)Al属于ABCABC方式堆积的面心立方最密堆积，配位数为12，一个晶胞中Al原子的数目为864个。(2)把数据代入公式VM得(2d)3M，解得。利用公式求金属晶体的密度，关键是找出晶胞正方体的边长。本题中面对角线的长度为4d，然后根据边长的倍等于面对角线的长度可求得晶胞正方体的边长。5金属晶体的原子堆积方式常有以下四种，请认真观察模型，回答下列问题：(1)四种

15、堆积模型的堆积名称依次是_、_、_、_。(2)图甲方式的堆积，空间利用率为_，只有金属_(填元素符号)采用这种堆积方式。(3)图乙与图丙两种堆积方式中金属原子的配位数_(填“相同”或“不相同”)，图乙的空间利用率为_。(4)采取图丁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_个。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%(4)K、Na、Fe(合理即可)2解析(1)图甲的堆积方式是将非密置层的金属原子上下对齐，形成的晶胞是1个立方体，在立方体的每个顶角有1个金属原子，称为简单立方堆积。图乙和图丙都是密置层原子的

16、堆积方式，图乙中上A层和下A层的3个原子组成的三角形方向相同，称为六方最密堆积。图丙中A层和C层的3个原子组成的三角形方向相反，称为面心立方最密堆积。图丁的堆积方式是将非密置层的上层金属原子填入下层金属原子形成的凹穴中，每层均照此堆积，形成的晶胞是1个立方体，在立方体的每个顶角有1个原子，立方体的中心含有1个金属原子，称为体心立方堆积。(2)简单立方堆积的空间利用率最低，为52%，采取这种堆积方式的只有Po。(3)图乙和图丙两种堆积方式中，金属原子的配位数均为12，且其空间利用率均为74%。(4)图丁是体心立方堆积，采取这种堆积方式的金属有K、Na、Fe等。用均摊法可求得每个晶胞中含有金属原子

17、的个数为182。基础过关题组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C2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

18、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)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。题组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

19、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，发生定向移动从而导电，B项正确；有的金属中金属键较强，但依然导电，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，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，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

20、的是()NaClMgCl2AlCl3SiCl4单质B熔点/810710190682300沸点/14651418182.7572500注：AlCl3熔点在2.02105Pa条件下测定。ASiCl4是分子晶体B单质B是原子晶体CAlCl3加热能升华DMgCl2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，N

21、aCl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。题组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，下列有关说法正确的是()A为简单立方堆积，为六方最密堆积，为体心立方密堆积，为面心立方最密堆积B每个晶胞含有的原子数分别为1个，2个，2个，4个C晶胞中原子的配位数分别为6，8，8，12D空间利用率的大小关系为，D错误。8几种晶体的晶胞如图所示：所示晶胞从左到右分别表示的物质正确的排序是()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、金刚石答案C解析第一种晶胞为体心立方堆积，钾、钠、铁等金属采用这种

22、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；组成第三种晶胞的粒子为双原子分子，是碘；第四种晶胞的粒子结构为正四面体结构，为金刚石。能力提升9(1)Cu2O在稀硫酸中生成Cu和CuSO4。铜晶胞结构如下图所示，铜晶体中每个铜原子周围距离最近的铜原子数目为_。(2)Al单质为面心立方晶体，其晶胞参数a0.405nm，晶胞中铝原子的配位数为_。列式表示Al单质的密度_gcm3(不必计算出结果)。答案(1)12(2)12解析(1)铜晶胞为面心立方晶胞，故每个铜原子周围距离最近的铜原子为4312个。(2)面心立方堆积晶体中，原子的配位数为12；该晶胞中含有Al原子数目为864，

23、根据(0.405107)3，解得。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_(填字母)。(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

24、置6(3)61(4)六APo6s26p411(1)镧系合金是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰菲利浦实验室首先研制出来，它的最大优点是容易活化。其晶胞结构如图所示。它的化学式_。(2)镁系合金是最早问世的合金之一，经X射线衍射实验分析得镁铜合金为面心立方结构，镁镍合金为六方最密堆积。镁系合金的优点是价格较低，缺点是要加热到250以上时才释放出氢气。下列有关说法不正确的是_(填字母，下同)。A金属铜的晶胞结构为B已知钛和镁的堆积方式相同，均为六方最密堆积，则其堆积方式为C镁铜合金晶体的原子空间利用率为74%D镁镍合金晶体的配位数为12(3)X射线金相学中记载关于铜与金可形成两种有序的金属互化物，其

25、结构如图。下列有关说法正确的是_。A图、中物质的化学式相同B图中物质的化学式为CuAu3C图中与每个铜原子紧邻的铜原子有3个D设图中晶胞的边长为acm，则图中合金的密度为gcm3答案(1)LaNi5(2)A(3)B解析(1)根据晶胞结构图可知，面心上的原子为2个晶胞所共有，顶点上的原子为6个晶胞所共有，棱上的原子为3个晶胞所共有，内部的原子为整个晶胞所共有，所以晶胞中La原子有3个，Ni原子有15个，则镧系合金的化学式为LaNi5。(2)铜是面心立方最密堆积结构(如上图所示)，而A项中的图为六方最密堆积结构，A项不正确；钛和镁晶体是按“ABAB”的方式堆积，B项正确；面心立方最密堆积和六方最密

26、堆积的配位数均为12，空间利用率均为74%，C、D项正确。(3)图中，铜原子数为822，金原子数为42，故化学式为CuAu；图中，铜原子数为81，金原子数为63，故化学式为CuAu3；图中，铜原子位于立方体的顶点，故紧邻的铜原子有6个；图中，铜原子、金原子各为2个，晶胞的体积为a3 cm3，密度(64197)a3gcm3gcm3。12(1)下图为金属铜的一个晶胞，请完成以下各题。该晶胞“实际”拥有的铜原子数是_个。该晶胞称为_(填字母)。A六方晶胞B体心立方晶胞C面心立方晶胞此晶胞中立方体的边长为acm，Cu的相对原子质量为64，金属铜的密度为gcm3，则阿伏加德罗常数为_(用含a、的代数式表

27、示)。(2)1183K以下纯铁晶体的基本结构单元如图1所示，1183K以上转变为图2所示的基本结构单元，在两种晶体中最邻近的铁原子间距离相同。铁原子的简化电子排布式为_；铁晶体中铁原子以_键相互结合。图1和图2中，铁原子的配位数之比为_。纯铁晶体在晶型转变前后，两者基本结构单元的边长之比为(1183K以下与1183K以上之比)_。转变温度前后两者的密度之比为(1183K以下与1183K以上之比)_。(3)金晶体的晶胞是面心立方体，金原子的直径为dcm，用NA表示阿伏加德罗常数，M表示金的摩尔质量(单位：gmol1)。欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定距离最近的两金原子间相接触，即相切。金晶体每个晶胞中含有_个金原子。1个晶胞的体积为_cm3。金晶体的密度为_gcm3。答案(1)4Cmol1(2)Ar3d64s2金属23(3)42d3解析(1)该晶胞实际拥有Cu的个数为864个。该晶胞的质量为，体积为a3cm3，所以gcm3a3cm3NAmol1。(2)在1183K以下的纯铁晶体中，与体心铁原子等距离且最近的铁原子是8个顶点的铁原子；在1183K以上的纯铁晶体中，与面心铁原子等距离且最近的铁原子有12个，即配位数之比为23。设铁