1、第三章 晶体结构与性质第三节 金属晶体学习目标 1.知道金属键的含义，能用金属键理论即“电子气”理论解释金属的物理性质，提高知识的运用能力。2通过模型理解金属晶体的基本堆积模型。3了解金属晶体性质的一般特点，在此基础上进一步体会金属晶体类型与性质的关系。课时作业01课前自主学习02课堂互动探究03随堂基础巩固一、金属键与金属晶体1金属键(1)概念：金属原子脱落下来的_形成遍布整块晶 体 的“_”，被 所 有 原 子共 用，从 而 把 所 有_维系在一起。(2)成键微粒是_和_。价电子电子气金属原子金属阳离子自由电子2金属晶体(1)概念：金属原子通过金属键形成的晶体。(2)构成微粒：_、自由电子
2、。(3)金属阳离子：由于金属原子的价电子较少，容易失去电子而成为金属阳离子。(4)自由电子：从金属原子上脱落下来的价电子在整个金属晶体中_，所以称为自由电子。金属阳离子自由运动(5)微粒间的相互作用：_。(6)物理性质上的共性：常温下绝大多数是_。具 有 良 好 的 _ 性、_ 性、_性。硬度差别比较大。熔、沸点差别比较大。有些熔点较低，如汞常温时是液态；有些熔点很高，如钨的熔点可达三千多度。金属间能“互溶”，易形成合金。金属键固体导热导电延展3金属晶体的基本堆积模型(1)几个概念紧密堆积：微粒之间的作用力，使微粒间尽可能地相互接近，使它们占有最小的空间。空间利用率：空间被晶格质点占据的百分数
3、。用来表示紧密堆积的程度。配位数：在晶体中，一个原子或离子周围最邻近的原子或离子的数目。(2)二维空间模型非密置层：配位数为_，如图(左)所示：4密置层：配位数为_，如图(右)所示：6(3)三维空间模型非密置层在三维空间堆积a简单立方堆积相邻非密置层原子的原子核在_的堆积，空间利用率太低，只有金属_采用这种堆积方式。同一直线上Pob体心立方堆积钾型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。这种堆积方式所得的晶胞是一个含有两个原子的立方体，一个原子在立方体的_，另一个原子在立方体的_，其空间的利用率比简单立方堆积_，碱金属属于这种堆积方式。顶角中心高密置层在三维空
4、间堆积a六方最密堆积镁型如图所示，按_的方式堆积。ABABABABb面心立方最密堆积铜型如图所示，按_的方式堆积。ABCABCABC二、石墨混合晶体1结构特点层状结构(1)同层内，碳原子采用_杂化，以_相结合形成_平面网状结构。所有碳原子的 2p 轨道平行且相互重叠，p 电子可在整个平面中运动。(2)层与层之间以_相结合。2晶体类型石墨晶体中，既有_，又有_和_，属于混合晶体。sp2共价键正六边形范德华力共价键金属键范德华力知识点一 金属键和金属晶体的性质1金属键(1)金属键的定义：金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用叫金属键。(2)金属键的本质电子气理论：金属原子对外围电子的束缚力不强，
5、从金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”。正是由于“自由电子”在整个金属固体中不停地运动，被所有的金属原子所共用，从而把所有金属原子维系在一起，使得体系的能量大大降低。(3)金属键的特征：没有方向性和饱和性。(4)金属键对物质性质的影响金属键越强，晶体熔、沸点越高，晶体硬度越大。金属键的强弱不仅影响金属的物理性质，也可以影响金属的化学性质。(5)金属键强弱的比较方法晶体的熔、沸点高低主要是由组成晶体的粒子间的相互作用大小决定的，包括化学键和分子间作用力。而影响金属晶体熔、沸点的是金属离子和自由电子之间的作用力，金属键的大小要从离子半径和离子所带的电荷两个方面结合起来分析。金属原子
6、半径越小，单位体积内自由移动的电子数目越大，金属键越强。金属单质熔、沸点的高低，硬度的大小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。一般说来，金属原子半径越小，价电子数越多，则金属键越强。例如，对 Na、Mg、Al 而言，由于价电子数：AlMgNa，原 子 半 径：NaMgAl，故 相 互 作 用 由 强 到 弱 的 顺 序 是AlMgNa，故熔点：NaMgAl(97.81 645 660.4)，硬度：NaMg97.81 63.65 38.89 28.40)。2金属晶体的性质(1)导电性自由电子定向移动形成电流金属晶体中存在许多自由电子，这些自由电子的运动是没有方向性的
7、，但在外加电场的作用下，自由电子就会发生定向移动形成电流，所以金属容易导电。注意：金属导电的微粒是电子，离子晶体熔融状态下或溶于水后导电的微粒是阳离子和阴离子；金属导电过程不生成新物质，属物理变化，而电解质导电的同时要在阴、阳两极生成新物质，属于化学变化，故两者导电的本质是不同的。(2)导热性自由电子与金属原子发生碰撞后的能量变换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。(3)延展性离子层位置改变而与电子气的作用保持大多数金属具有较好的延展性，与金属离子和自由电子之间的较强作用有关。当金属受到外力时，晶体中的各离子层就会
8、发生相对滑动，由于金属离子与自由电子之间的相互作用没有方向性，受到外力后，相互作用没有被破坏，金属虽然发生了形变但不会导致断裂。(4)颜色/光泽自由电子吸收所有频率光释放一定频率光由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光辐射到它的表面上时，自由电子可以吸收所有频率的光，然后很快释放出各种频率的光，这就使得绝大多数金属呈现银灰色以至银白色光泽，金属能反射照射到其表面的光而具有光泽。而金属在粉末状态时，金属的晶面取向杂乱，晶格排列不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以金属粉末常呈暗灰色或黑色。3金属熔沸点高低的比较(1)同周期金属单质，从左到右(如 Na、Mg、Al)熔沸点升高。
9、(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(1 535)。1金属晶体在受外力作用下，各层之间发生相对滑动，但金属键并没有被破坏。2金属晶体中只有金属阳离子，无阴离子。3原子晶体的熔点不一定都比金属晶体的高，如金属钨的熔点就高于一般的原子晶体。4分子晶体的熔点不一定都比金属晶体的低，如汞常温下是液体，熔点很低。1.晶体中有阳离子，一定有阴离子吗？反之，晶体中有阴离子，一定有阳离子吗？【点拨】有阳离子，不一定有阴离子。如金属晶体，只有阳离子，无阴离子。但有阴离
10、子则一定有阳离子。2具有金属光泽且能导电的晶体一定是金属晶体吗？【点拨】不一定。如硅、石墨有金属光泽，也能导电，但前者是原子晶体，后者是混合型晶体。【例 1】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，价电子数越多，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A【提示】解答本题时要注意以下两点：(1)金属晶体熔、沸点高低决定于金属键的强弱。(2)金属阳离子所带电荷越多，半径越小，金属键越强。【解析】此题考查
11、的是金属晶体的性质，如硬度和熔、沸点的比较。比较依据：看价电子数和原子半径。价电子数：MgK，KAl，MgCa，MgCa，综合分析，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。故 A 错误。下列对各组物质性质的比较中，正确的是()A熔点：LiNaCuAlFeC密度：NaMgAlD空间利用率：体心立方堆积六方最密堆积面心立方最密堆积B解析：同主族的金属单质，原子序数越大，熔点越低，这是因为它们的价电子数相同，随着原子半径的增大，金属键逐渐减弱，所以 A 项不对；Na、Mg、Al 是同周期的金属单质，密度逐渐增大，故 C 项错误；不同堆积方式的金属晶体空间利用率分别是：
12、简单立方堆积 52%，体心立方堆积 68%，六方最密堆积和面心立方最密堆积均为 74%，因此 D 项错误；常用的金属导体中，导电性最好的是银，其次是铜，再次是铝，最后是铁，所以B 项正确。故选 B。知识点二 金属晶体的结构1金属晶体的原子堆积模型2.晶胞中原子的空间利用率的计算方法(1)以面心立方晶胞为例，求晶胞中原子的空间利用率图乙是面心立方晶胞的结构剖面图，晶胞的面对角线为金属原子半径的 4 倍。设金属原子的半径为 R，则晶胞的面对角线为 4R，晶胞立方体的体积为(2 2R)3。每个面心立方晶胞中实际含有 4 个金属原子，4 个金属原子的体积为 443R3，因此晶胞中原子的空间利用率为44
13、3R32 2R3100%74%。(2)以体心立方晶胞为例，求晶胞中原子的空间利用率设金属原子的半径为 R，则晶胞的体对角线为 4R，假设晶胞的边长为 a，则 4R 3a，得 a 43R；该晶胞中实际含有的原子数为 2，则空间利用率为24R33a3100%24R334R33100%68%。运用同样的方法可分别计算出简单立方晶胞的空间利用率为 52%。六方晶胞的空间利用率与面心立方晶胞的空间利用率相同，均是 74%，这两种的空间利用率较高，称为最密堆积。金属晶体采用密堆积的原因是什么？【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互相靠近，从而导致金属晶体最常见的结构形式是堆积密度大，
14、原子配位数高，能充分利用空间。【例 2】(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)如图是一个金属铜的晶胞，请完成以下各题。该晶胞“实际”拥有的铜原子是_个。该晶胞称为_(填序号)。A立方晶胞 B体心立方晶胞C面心立方晶胞D简单立方晶胞此晶胞立方体的边长为 a cm,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a、表示)。4C256a3 mol1【提示】在晶体中，若 A 原子周围最近距离的 B 原子数为 m，B 原子周围最近距离的 A 原子数为 n，则其化学式可表示为 AnBm(有时需要简化)，如：在 SiO2 晶体中，每个硅原
15、子周围最近距离的氧原子为 4 个，每个氧原子周围最近距离的硅原子为2 个，即 Si2O4，其化学式可表示为 SiO2。对于晶体结构的计算，要善于运用宏观的立体结构分析粒子的微观结构，利用立体几何的知识，分清各原子、离子、分子在空间的相对位置，把化学概念抽象成数学问题。【解析】(1)由图中直接相邻的原子数可以求得中两类原子数之比分别为 12、13，求出化学式分别为 AX2、AX3；故答案为。(2)用“均摊法”求解，8186124；该晶胞为面心立方晶胞；4NA64 gmol1 gcm3a3 cm3，NA256a3mol1。金属原子在二维空间里的放置如下图所示的两种方式，下列说法中正确的是()A图(
16、a)为非密置层，配位数为 6B图(b)为密置层，配位数为 4C图(a)在三维空间里堆积可得六方最密堆积和面心立方最密堆积D图(b)在三维空间里堆积仅得简单立方堆积C解析：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，题图中(a)为密置层，(b)为非密置层。密置层在三维空间里堆积可得到六方最密堆积和面心立方最密堆积两种堆积模型，非密置层在三维空间里堆积可得简单立方堆积和体心立方堆积两种堆积模型。故选 C。知识点三 混合型晶体石墨1石墨的“多性”(1)具有原子晶体属性在石墨晶体中
17、，同层的碳原子以 sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以三个共价键与另外三个碳原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了正六边形的环，伸展成层状结构，这里CC 键的键长均为 142 pm，这正好属于原子晶体的键长范围，因此对于同一层来说，它是原子晶体。(2)具有金属晶体属性在同一平面内的碳原子还各剩下一个 p 轨道，所有的 p 轨道相互重叠，电子比较自由，相当于金属晶体中的自由电子，所以石墨能导热和导电，这正是金属晶体的特征。(3)具有分子晶体属性石墨晶体中层与层之间相隔 335 pm，距离较大，层间是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体。但是，由于同一平面层上的碳原子间的结合力很强，键
18、很难被破坏，所以石墨的熔点也很高，化学性质也很稳定。2石墨与金刚石的比较金刚石石墨晶体类型原子晶体混合晶体构成微粒碳原子碳原子微粒间的作用力CC 共价键CC 共价键分子间作用力碳原子的杂化方式sp3 杂化sp2 杂化碳原子成键数43碳原子有无剩余价电子无有一个 2p 电子配位数43晶体结构特征正四面体空间网状结构平面六边形层状结构晶体结构物理性质高熔点、高硬度、不导电熔点比金刚石还高，质软、滑腻、易导电最小碳环六元环、不共面六元环、共面1石墨晶体中，既有共价键，还有范德华力，故石墨是一种混合晶体。2石墨晶体是层状结构，层内相邻碳原子间以共价键相结合，熔点比金刚石高原子晶体性质；层间靠范德华力维
19、系，所以质软、滑腻分子晶体性质。【例 3】C60、金刚石和石墨的结构模型如图所示(石墨仅表示其中的一层结构)：(1)C60、金刚石和石墨三者的关系互为_。A同分异构体 B同素异形体C同系物D同位素B(2)固态时，C60属于_(填“原子”或“分子”)晶体，C60分子中含有双键和单键，推测 C60跟 F2_(填“能”或“不能”)发生加成反应。(3)硅晶体的结构跟金刚石相似，1 mol 硅晶体中含有硅硅单键的数目约是_NA 个。二氧化硅的结构相当于在硅晶体结构中每个硅硅单键之间插入一个氧原子。二氧化硅的空间网 状 结 构 中，硅、氧 原 子 形 成 的 最 小 环 上氧 原 子 数 目 是_。(4)
20、石墨层状结构中，平均每个正六边形拥有的碳原子个数是_个。分子 能264【解析】C60 晶体中存在不饱和的碳碳双键，在一定条件下能与 F2 发生加成反应；晶体硅的结构与金刚石相似，存在以硅原子为中心和顶点的正四面体结构单元，每个硅原子形成 4 个SiSi 键，但 1 个 SiSi 键为 2 个硅原子共有，故 1 个硅原子可形成 2 个 SiSi 键，即 1 mol 硅原子能形成 2 mol SiSi 键。石墨中每个 C 原子形成 3 条 CC 键，故每个 C 原子为 3 个六边形共用，每个六边形拥有 C 原子个数为 6132 个。(多选)石墨晶体如图所示，关于石墨晶体的说法正确的是()CDA平均
21、每一个正六边形所占有的碳原子数为 6 个B由于石墨晶体层与层之间的作用力为分子间作用力，故石墨的熔点较低C石墨晶体在熔化时既破坏了层与层之间的分子间作用力，也破坏了层中碳原子之间的共价键D石墨能导电的原因是石墨晶体中有未参与杂化的 2p 电子，在整个碳原子平面中可自由移动解析：由图可知，每个碳原子均为 3 个正六边形所共有，分属每个正六边形的13，则平均一个正六边形所占有的碳原子数为6132 个，A 错；石墨晶体在熔化时既要破坏层与层之间的分子间作用力，也将破坏层中碳原子之间的共价键，而层中碳原子之间的共价键键能较大，比金刚石中碳原子之间的共价键键能都要大，熔点也要比金刚石的高，故 B 错，C
22、 是正确的；石墨晶体中每个 C 原子以 sp2杂化与其他 C 原子形成平面大分子，未参与杂化的 2p 电子在整个碳原子平面中可自由移动，故石墨晶体可导电，有金属晶体的部分特征。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B解析：从基本构成微粒的性质看，金属键与离
23、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。2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 1 000 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B解析：A 项中为分子晶体性质，B 项中固体能导电，熔点在1 000 左右，不是很高，应为金属晶体，C 项中物质为原子晶体，D 项中物质为分子晶体
24、。3下列叙述正确的是()A金属受外力作用时常常发生变形而不易折断，这是由于金属原子之间有较强的作用B通常情况下，金属里的自由电子会发生定向移动而形成电流C金属是借助自由电子的运动，把能量从温度高的部分传到温度低的部分D金属的导电性随温度的升高而减弱D解析：金属受外力作用时常常发生变形而不易折断，这是因为金属晶体中各原子层会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，故 A 项不正确；金属里的自由电子要在外电场作用下才能发生定向移动产生电流，故 B 项不正确；金属的导热性是由于自由电子碰撞金属原子将能量进行传递，故 C 项不正确。4金属的下列性质与金属键无关的是()A金属不透明且有金属光泽B金属易导
25、电、传热C金属具有较强的还原性D金属具有良好的延展性C解析：金属离子与自由电子之间强烈的相互作用形成金属键，金属的导电性、导热性、延展性及其具有金属光泽等均与金属键有关。5有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如下图所示，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：。6要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体的熔、沸点高低和硬度大小一般取决于金属键的强弱，而金属键的强弱与金属阳离子所带电荷的多少及离子半径的大小有关。由此判
26、断下列说法正确的是()A金属镁的熔点大于金属铝B碱金属单质的熔、沸点从 Li 到 Cs 逐渐增大C金属铝的硬度大于金属钠的硬度D金属镁的硬度小于金属钙的硬度C解析：镁离子比铝离子的半径大且所带的电荷少，故金属镁比金属铝的金属键弱，所以金属镁比金属铝的熔、沸点和硬度都小；从 Li 到 Cs，离子的半径是逐渐增大的，所带电荷相同，金属键逐渐减弱，熔、沸点和硬度都逐渐减小；因铝离子的半径比钠离子小且所带电荷多，使金属铝比金属钠的金属键强，所以金属铝比金属钠的熔、沸点和硬度都大；因镁离子的半径小且所带电荷与钙离子相同，金属镁比金属钙的金属键强，所以金属镁比金属钙的熔、沸点和硬度都大。故选 C。7结合金
27、属晶体的结构和性质，回答以下问题：(1)已知下列金属晶体：Na、Po、K、Fe、Cu、Mg、Zn、Au，其堆积方式为：简单立方堆积的是_；体心立方堆积的是_；六方最密堆积的是_；面心立方最密堆积的是_。PoNa、K、FeMg、ZnCu、Au(2)根据下列叙述，判断一定为金属晶体的是_。A由分子间作用力形成，熔点很低B由共价键结合形成网状晶体，熔点很高C固体有良好的导电性、导热性和延展性(3)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、沸点高于钾D温度越高，金属的导电性越好CBC解析：(1
28、)简单立方堆积的空间利用率低，金属 Po 采取这种方式。体心立方堆积是上层金属原子填入下层金属原子形成的凹穴中，这种堆积方式的空间利用率比简单立方堆积的高，多数金属是这种堆积方式。六方最密堆积按 ABAB的方式堆积，面心立方最密堆积按 ABCABC的方式堆积，六方最密堆积常见金属为 Mg、Zn、Ti，面心立方最密堆积常见金属为 Cu、Ag、Au。(2)A 项属于分子晶体；B 项属于原子晶体；而 C 项是金属晶体的通性。(3)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 正确；温度升高，金属的导电性减弱，D
29、错。8Al 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)。124M4 2d3NA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 8186124。(2)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为 2 2d。把数据代入公式 V NNAM 得(2 2d)3 4NAM，解得 M4 2d3NA。温示提馨请 做：课时作业 14PPT文稿（点击进入）