1、化 学 选修3 人教版新课标导学第三章晶体结构与性质 第三节 金属晶体 1 激 趣 入 题 情 境 呈 现 2 新 知 预 习 自 主 探 究 3 预 习 自 测 初 试 牛 刀 4 课 堂 探 究 疑 难 解 惑 5 核 心 素 养 专 家 博 客 6 课 堂 达 标 夯 实 基 础 7 课 时 作 业 素 能 养 成 激趣入题情境呈现在广东省某一山区的村寨里，前些年连续出生的净是女孩，人们急了，照这样下去，这个地区岂不变成女儿国了吗？有的人求神拜佛，也无济于事。有位风水老者说道：“地质队在后龙山寻矿，把龙脉破坏了，这是风水的报应啊！”于是，迷信的村民千方百计地找到了原来在此地探矿的地质队，
2、闹着要他们赔“风水”。地质队又回到了这个山寨，进行了深入的调查，终于找到了原因。原来是在探矿的时候，钻机把地下含铍的泉水引了出来，扩散了铍的污染，使饮用水的铍含量大为提高，长时间饮用这种水，就会导致生女而不生男。经过治理，情况得到了好转，在“女儿国”里又生出男孩了。卫星、飞船、飞机、大炮和生活用品都离不开金属，为什么金属具有优良的导电、导热、延展性？构成金属的粒子是什么？金属晶体内部的作用力是什么？新知预习自主探究一、金属键与金属晶体1金属键：2金属晶体：(1)概念：原子间以_结合形成的晶体。(2)用电子气理论解释金属的性质：延展性 当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就会发生_，但_不变，
3、金属离子与自由电子形成的电子气没有被破坏，所以金属有良好的延展性 金属键相对滑动排列方式导电性 在外加电场的作用下，金属晶体中的“_”在电场中_而形成电流，呈现良好的导电性 导热性 电子气中的自由电子在运动时经常与金属离子发生碰撞，从而引起两者能量的交换电子气定向移动二、金属晶体原子的堆积模型1二维空间模型：(1)非密置层。配位数为_，如图所示：(2)密置层。配位数为_，如图所示：4 6 2三维空间模型：(1)非密置层在三维空间堆积。简单立方堆积。相 邻 非 密 置 层 原 子 的 原 子 核 在 _ 的 堆 积，只 有 金 属_采用这种堆积方式，其空间利用率太低。同一条直线上钋(Po)体心立
4、方堆积。将上层金属原子填入_中，并使非密置层的原子稍稍分离。其空间的利用率比简单立方堆积_，属于该堆积方式的主要有碱金属等。下层的金属原子形成的凹穴高(2)密置层在三维空间堆积。六方最密堆积。如图所示，按_的方式堆积。ABABABAB 面心立方最密堆积。如图所示，按_的方式堆积。ABCABCABC 三、混合晶体石墨晶体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p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_。sp2共价键正六边形范德华力
5、共价键金属键范德华力混合晶体预习自测初试牛刀1思考辨析：(1)晶体中有阳离子一定有阴离子。()(2)金属在拉成丝或者压成薄片的过程中，金属键遭到了破坏。()(3)金属导电与电解质溶液导电本质相同。()(4)金属晶体绝大多数采用密堆积方式。()(5)金属晶体中自由电子专属于某个金属离子。()2金属晶体的下列性质中，不能用金属晶体结构加以解释的是()A易导电B易导热C有延展性D易锈蚀解析：组成金属晶体的微粒是金属阳离子和自由电子，能导电，A正确；金属晶体的导热是由于晶体内部自由电子与金属阳离子的碰撞，B正确；金属发生变形时，自由电子仍然可以在金属离子之间流动，使金属不会断裂，C正确；金属的化学性质
6、活泼，容易被空气中的氧气所氧化，故金属易锈蚀，不能用金属晶体结构加以解释，D错误。D 3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解析：金属晶体由金属阳离子与自由电子构成，金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用称为金属键。A 4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解析：根据金属晶体的电子气理论，选项A、B都是正确的。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%，
7、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%。因此简单方式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。D 5金属晶体堆积密度大，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金属原子的原子半径大D金属键没有饱和性和方向性解析：金属键无方向性和饱和性，使原子采取最大的密堆积方式进行。D 6金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式：六方堆积、面心立方堆积和体心立方堆积，如图(a)(b)(c)分别代表这三种晶胞的结构，其晶胞内金属原子个数比为()A321 B1184C984D21149A 解析：本题考查晶胞中微粒数的计算方
8、法，用均摊法计算。晶胞 a 中所含原子121621236，晶胞 b 中所含原子8186124，晶胞 c 中所含原子81812。课堂探究疑难解惑1什么是“电子气理论”？2金属原子是通过何种键型形成的晶体？有哪些优良性质？3用电子气理论解释为什么金属具有优良的延展性、导电性和导热性？知识点一 金属晶体的结构与性质1提示“电子气理论”的内容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。2提示 金属原子通过金属键形成的晶体叫金属晶体。其具有优良的导电性、导热性和延展性。3提示(1)当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就会发生相对滑动，但排列
9、方式不变，金属离子与自由电子形成的金属键没有被破坏，所以金属具有良好的延展性。(2)在外加电场的作用下，金属晶体中的自由电子做定向移动形成电流，呈现良好的导电性。(3)电子气在运动时经常与金属离子碰撞，从而引起两者能量的交换。1在金属晶体中只有阳离子，而无阴离子，带负电的为自由电子。2金属导电与电解质溶液导电的比较：运动的微粒过程中发生的变化温度的影响金属导电自由电子物理变化升温，导电性减弱电解质溶液导电阴、阳离子化学变化升温，导电性增强3.影响金属熔点、硬度的因素：(1)一般地，熔点、硬度等取决于金属晶体内部作用力的强弱。一般来说，金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属晶体内部作用力越强
10、，晶体熔点越高，硬度越大。(2)合金的熔、沸点比其各成分金属的熔、沸点低。4金属晶体的原子堆积模型：堆积模型采纳这种堆积的典型代表空间利用率配位数晶胞简单立方堆积Po(钋)52%6体心立方堆积Na、K、Fe68%8堆积模型采纳这种堆积的典型代表空间利用率配位数晶胞六方最密堆积Mg、Zn、Ti74%12面心立方最密堆积Cu、Ag、Au74%12下列说法正确的是()A金属钙的熔点低于金属钾的熔点B如果金属晶体失去自由电子，金属晶体将不复存在C金属晶体中Fe、Ag等为面心立方最密堆积D金属晶体中W、Ti等为体心立方堆积B 典例 1解析：Ca原子的半径小于K原子，且Ca的价电子数大于K原子，所以Ca的
11、金属键强于K，因此Ca的熔点高于K；金属晶体失去电子被氧化，金属将变成金属阳离子，晶体将不复存在；Ag为面心立方最密堆积，Fe和W为体心立方堆积，Ti为六方最密堆积。规律方法指导：金属晶体中粒子的堆积方式不一定相同，Au、Ag、Cu等属于面心立方最密堆积，Na、K、Cr、W等属于体心立方堆积，Mg、Zn、Ti等属于六方最密堆积。1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六方最密堆积和面心立方最密堆积的原子堆积方式空间利用率最高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金属晶体都有很高的熔点和很大的硬度解析：金属晶体中的自由电子是金属原子的价电子，
12、A项错；六方最密堆积和面心立方最密堆积空间利用率最高，B正确；金属元素的还原性取决于金属原子失去电子的难易程度，与失电子的多少无关，C项错；金属晶体的熔点和硬度差别较大，如碱金属元素的晶体一般熔点都很低，硬度很小，D项错。B 1石墨石墨中碳原子采取sp2杂化，形成平面六元环结构，层内碳原子核间距小于金刚石中碳原子核间距，层间碳原子通过范德华力维系。(1)石墨的晶体结构石墨是层状结构的晶体，在每一层内，碳原子排列成六边形，一个个六边形排列成平面的网状结构，每一个碳原子都跟其他三个碳原子相结合。在同一层内，相邻的碳原子以共价键相结合，层与层之间以分子间作用力相结合。知识点二 石墨与金刚石石墨晶体中
13、每个碳原子提供三个电子参加成键形成平面网状结构，碳原子最外层上的另一个电子成为自由电子，在层内自由移动。石墨的很多性质与自由电子有关。(2)石墨晶体不是原子晶体，而是原子晶体与分子晶体之间的一种过渡型晶体。(3)石墨晶体的物理性质由于石墨晶体结构的特殊性，它的物理性质为熔点很高，有良好的导电性，还可作润滑剂。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金刚石石墨
14、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、共面碳元素的单质有多种形式，下图依次是C60、石墨和金刚石的结构图：典例 2回答下列问题：(1)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化方式分别为_、_。(2)C60属于_晶体，石墨属于_晶体。(3)在金刚石晶体中，碳原子数与化学键数之比为_；在石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的化学键数为_，该晶体中碳原子数与共价键数之比为_。(4)石墨晶体中，层内CC键的键长为142 pm，而金刚石中CC键的键长为154 pm。推测金刚石的熔点_(填“”“”或“”)石墨的熔点。sp3杂化sp2
15、杂化分子混合型12 3 23 解析：(1)金刚石中碳原子与四个碳原子形成 4 个共价单键(即 C 原子采取 sp3杂化方式)，构成正四面体，石墨中的碳原子采取 sp2 杂化方式，形成平面六元环结构。(2)C60 中构成微粒是分子，所以属于分子晶体；石墨晶体有共价键、金属键和范德华力，所以石墨属于混合型晶体。(3)金刚石晶体中每个碳原子平均拥有的化学键数为 4122，则碳原子数与化学键数之比为 12。石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的碳原子数和化学键数分别为 6132 和 6123，其比值为 23。(4)石墨中的 CC 键比金刚石中的 CC 键键长短，键能大，故石墨的熔点高于金刚石。2科
16、学家对石墨进行处理，使得石墨片的厚度逐渐减少，最终获得目前已知的最薄的材料石墨烯(如图)。下列关于石墨烯的说法正确的是()A石墨烯是一新型的纳米化合物B石墨烯与C60互为同素异形体C石墨烯是一种有机物D石墨烯中碳元素的化合价为3B 知识点三 金属晶体中晶胞中的相关计算1金属晶体中晶胞空间利用率的计算：(1)计算晶胞中含有几个原子。(2)找出原子半径 r 与晶胞边长 a 的关系。(3)利用公式计算金属原子的空间利用率：晶胞中含有原子的体积晶胞的体积100%简单立方堆积空间利用率43a22a26100%52.36%体心立方堆积空间利用率243r3a3243r3 43r3 38 100%68.02%
17、面心立方堆积空间利用率443r3a3443r22 2r3100%74.1%2利用均摊法计算金属晶体的密度的方法：(1)首先利用均摊法确定一个晶胞中平均含有的原子数目。(2)其次确定金属原子的半径和晶胞边长之间的关系。具体方法是：根据晶胞中金属原子的位置，灵活运用数学上立体几何的对角线(体对角线或面对角线)和边长的关系，将金属原子的半径和晶胞的边长放在同一个直角三角形中，通过解直角三角形即可。(3)计算金属晶体的密度。首先求一个晶胞的质量：mNM/NA，N表示一个晶胞中平均含有的金属原子数，M表示金属的摩尔质量，NA表示阿伏伽德罗常数。然后求金属晶体的密度：密度m/V，V表示一个晶胞的体积。用X
18、射线研究某金属晶体，测得在边长为360 pm(1 pm11010cm)的立方晶胞中含有4个金属原子，此时金属的密度为9.0 gcm3。试回答：(1)此金属晶体属于哪一种堆积方式？(2)每个晶胞的质量是多少克？(3)求此金属的相对原子质量。(4)求此原子的原子半径(pm)。答案：(1)面心立方最密堆积(2)4.21022g(3)63.21(4)127.28 pm典例 3解析：根据题意，此金属晶体属于面心立方最密堆积。每个晶胞中含有4个原子，则该晶胞如图所示：(2)根据晶胞的边长为 360 pm，可得晶胞的体积为(3.6108)3cm3。根据质量密度体积，可得晶胞的质量9.0 gcm3(3.610
19、8)3 cm34.21022g。(3)金属的相对原子质量NA原子的质量4.210226.021023463.21。(4)在面心立方最密堆积中，晶胞的边长4r2，因此，原子的原子半径 24360 pm127.28 pm。3有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示，有关说法正确的是(假设金属的摩尔质量为M gmol1，金属原子半径为r cm，用NA表示阿伏伽德罗常数的值)()D A金属 Mg 采用堆积方式B和中原子的配位数分别为：8、12C对于采用堆积方式的金属，实验测得 W g 该金属的体积为 V cm3，则阿伏伽德罗常数 NA 的表达式为MVW 43r3D中空间利用率的表达式为：43r34
20、42r3 100%解析：Mg 属于六方最密堆积，所以金属 Mg 采用堆积方式，故 A 错误；，其配位数是 6，配位数为 12，故 B 错误；中原子个数为 81812，晶胞质量 m2M，密度 WV2MNA4r23，故 C 错误；面心立方堆积空间利用率为原子体积晶胞体积100%43r344r23 100%，故 D 正确。故选：D。核心素养专家博客“神奇材料”石墨烯2010年10月5日，2010年度的诺贝尔物理学奖由英国曼彻斯特大学科学家安德烈海姆(Andre Geim)和康斯坦丁诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)获得。他们在石墨烯材料研究方面作出了突出贡献。石墨烯具有诸多超乎人
21、类想象的优越特性，主要有以下两点：(1)石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料：据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜(厚度约100纳米)，那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂。可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料、23 000英里长的“太空电梯”等。(2)石墨烯是世界上导电性最好的材料：电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命。用石墨烯制造超微型晶体管，可以用来生产未来的超级计算机。用它制造的超级电池将取代现在的所有动力电池，包括现在的镍氢电池和锂电池。石墨晶体是层状结构，在每一层内，每一个碳原子都跟其他3个碳原子相结合，如图是其晶体结构的俯视图，则图中7个六元环完全占有的碳原子数是()A10 B18C24 D14解析：石墨晶体中最小的碳环为六元环，每个碳原子为3个六元环共用，故平均每个六元环含2个碳原子，图中7个六元环完全占有的碳原子数为14。D 课堂达标夯实基础课时作业素能养成