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1、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
2、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
3、,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)
4、 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)。 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
5、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,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Mg Al 、MgCa、Mg K、KCa;原子半径Mg Al 、Mg Ca、Mg K、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
6、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),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
7、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
8、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
9、。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
10、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 3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
11、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 _g cm 3(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)4(2) 197 4 2A 3N A (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
12、8 1 86 1 24。 (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2 2A cm,所以 22A 3 197 NA4,解得 4197 2 2A 3 N A 。 (3)晶胞的体积是(22A) 3, 而金原子占有的体积是 4 4 3 A 3, 所以金原子空间占有率为 44 3 A 3 22A 3 4 4 3 2 2 374%。 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
13、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,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“
14、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
15、 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) M 42d 3N A 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8 1 86 1 2 4 个。 (2)把数据代入公式V N NAM 得 (2 2d)
16、 34 NAM,解 得 M 42d 3N A 。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2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
17、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
18、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的个数为18 1 82。 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
19、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) 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
20、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
21、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,错误的是() NaCl MgCl2AlCl3SiCl4单质 B 熔点 /810 710 190 68 2300
22、 沸点 /1465 1418 182.7 57 2500 注: AlCl 3熔点在 2.0210 5 Pa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,NaCl 的熔、沸 点均比 MgCl2高
23、,所以NaCl 晶体中的离子键应比MgCl 2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, 12 D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_。
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