1、第一单元金属键金属晶体学 习 任 务1能描述金属晶体中金属键的成键特征。2能用金属键理论解释金属的典型性质。3能借助模型说明常见金属晶体中晶胞的构成。4能举例说明合金的优越性能。一、金属键与金属特性1金属键(1)金属键的概念金属原子失去部分或全部外围电子形成的金属离子与自由电子之间强烈的相互作用。(2)金属键的形成金属原子失去部分或全部外围电子形成的金属离子与“脱落”下的自由电子相互作用。2金属特性(1)导电性在外电场作用下，自由电子在金属内部会发生定向移动，形成电流。温度升高，金属的导电性减弱。微点拨：电解质导电和金属导电的区别物质类型电解质金属晶体导电时的状态水溶液或熔融状态下晶体状态导电
2、粒子自由移动的离子自由电子导电时发生的变化化学变化物理变化导电能力随温度的变化温度升高导电能力增强温度升高导电能力减弱(2)导热性金属受热时，自由电子与金属离子(或金属原子)碰撞频率增加，自由电子把能量传给金属离子(或金属原子)，从而把能量从温度高的区域传到温度低的区域。(3)延展性金属键没有方向性，在外力作用下，金属原子之间发生相对滑动，各层金属原子之间仍然保持金属键的作用，不会断裂。3金属键的强弱(1)原子化热金属键的强弱可以用金属的原子化热来衡量。金属的原子化热是指1 mol金属固体完全气化成相互远离的气态原子时吸收的能量。(2)金属键的强弱金属键的强弱与金属元素的原子半径、单位体积内自
3、由电子的数目有关。一般而言，金属元素的原子半径越小、单位体积内自由电子的数目越多，金属键越强。(3)金属键的强弱与金属的物理性质的关系金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。判断正误(正确的打“”，错误的打“”)(1)金属键是金属离子与自由电子之间的吸引力。()(2)任何固体中含有阳离子时一定含有阴离子。()(3)金属单质中金属键越强，金属的还原性越弱。()(4)熔、沸点：LiNaKRb，硬度：NaMgAlCr。()二、金属晶体1晶体：具有规则几何外形的固体，通常条件下，大多数金属单质也是晶体。在金属晶体中，金属原子如同半径相等的小球一样，彼此相切、紧密堆积成晶体。2晶胞：能够反映晶体结
4、构特征的基本重复单位。金属晶体是晶胞在空间连续重复延伸而形成的。3金属原子在平面内的两种排列方式：非密置层(一个原子周围有4个原子)和密置层(一个原子周围有6个原子)。4晶胞中微粒个数的计算(均摊法)(1)均摊法：是指每个图形平均拥有的粒子数目。如某个粒子为n个图形(晶胞)所共有，则该粒子有属于某个图形(晶胞)。(2)立方体晶胞中不同位置的粒子数的计算：处于顶点的粒子，同时为8个晶胞共享，每个粒子有属于该晶胞；处于棱上的粒子，同时为4个晶胞共享，每个粒子有属于该晶胞；处于面上的粒子，同时为2个晶胞共享，每个粒子有属于该晶胞；处于晶胞内部的粒子，则完全属于该晶胞。5合金的组成和性质(1)合金：把
5、两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。(2)合金的性能：比它的成分金属具有许多良好的物理的、化学的、机械的性能。通常，多数合金的熔点比它的成分金属的熔点低，而强度和硬度比它的成分金属大。1关于钾型晶体结构(如图)的叙述中正确的是()A是密置层的一种堆积方式B晶胞是六棱柱C每个晶胞内含2个原子D每个晶胞内含6个原子C钾型晶体的晶胞为体心立方体，是非密置层的一种堆积方式，其中8个顶点和体心处各有一个原子，晶胞内含有812个原子。2.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，下图(a)、(b)、(c)分别代表这三种晶胞的结构，其晶胞内
6、金属原子个数比为()(a)(b)(c)A321 B1184 C984D21149A晶胞(a)中含有12236个金属原子，晶胞(b)中含有864个金属原子，晶胞(c)中含有812个金属原子，晶胞内金属原子个数的比值为321。金属键与金属特性的关系下表是部分金属的原子半径、原子化热和熔点金属NaMgAlCr原子外围电子排布3s13s23s23p13d54s1原子半径/pm186160143.1124.9原子化热/(kJmol1)108.4146.4326.4397.5熔点/ 97.56506601 900问题1表格中金属原子外围电子数目最少和最多的分别是哪种？提示表格中金属原子外围电子数目最少和最
7、多的分别为Na和Cr。问题2表格中金属原子半径最大和最小的分别是哪种？提示表格中金属原子半径最大和最小的分别是Na和Cr。问题3表格中金属的原子化热大小关系怎样排序？提示金属的原子化热NaMgAl Al Mg Na。问题5通过分析表格数据，总结决定金属熔点高低的因素是什么？提示决定金属熔点高低的因素是金属键的强弱，金属键越强，金属的熔点越高。金属元素的原子半径越小、单位体积内自由电子数目(或金属离子的电荷数)越多，金属键越强。1金属键(1)成键微粒：金属阳离子和自由电子。(2)存在：在金属单质和合金中都存在金属键。(3)本质和特点金属键的本质是一种电性作用，即金属阳离子和自由电子之间的静电作用
8、。金属键的特征是没有方向性和饱和性，金属中的电子在整个晶体内运动，属于整块金属。(4)影响因素金属元素的原子半径和单位体积内自由电子的数目及金属阳离子所带电荷数。金属键的强弱差别较大。如钠、钾的熔、沸点低，存在的金属键较弱；铬的硬度大，熔、沸点高，存在的金属键较强。同主族元素，随着核电荷数的增大，金属原子的半径增大，金属键减弱；同周期元素，随着核电荷数的增大，金属原子半径减小，金属键增强，熔、沸点升高。2金属键与金属的性质金属的延展性、导电性、导热性、熔沸点等均与金属键有关。金属键越强，金属的熔沸点越高。1关于金属键的叙述错误的是()A金属键没有方向性和饱和性B金属键是金属阳离子和自由电子之间
9、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B金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的相互作用，包括静电吸引作用和静电排斥作用。2下列关于金属单质的叙述正确的是()A常温下，金属单质都以固体形式存在B金属键在一定外力作用下，不因形变而消失C钙的熔、沸点低于钾D温度越高，金属的导电性越好B常温下，金属单质汞以液体形式存在，A项错；离子半径Ca2 K，金属离子半径越小、所带电荷数越多，金属的熔沸点越高，故钙的熔、沸点高于钾，C项错；温度越高，自由电子能量越高难以束缚，金属的导电性越差，D项错。有关晶胞的计算红砷镍矿(NiAs)是常见的镍矿之一，
10、是一种六方晶体(底面为60和120的菱形)，其晶胞如图所示，图中深色小球为Ni，浅色大球为As。已知NiAs的晶胞边长分别为a pm和c pm，阿伏加德罗常数的值为NA。问题1红砷镍矿晶胞所含的镍、砷原子数分别是多少？提示As位于晶胞内部，As原子数目为2；Ni位于六方晶胞的顶点和棱上，Ni原子数目为44222。问题2一个红砷镍矿晶胞的质量为多少？提示。问题3一个红砷镍矿晶胞的体积是多少？提示a2c1030 cm3。问题4红砷镍矿的密度如何表示？ 提示晶胞密度 g/cm3。晶体结构的相关计算 (2)晶体密度计算公式：，其中N为1个晶胞中所含“分子”数目，M为摩尔质量，NA为阿伏加德罗常数，V为
11、1个晶胞的体积。(3)晶胞质量晶胞含有的微粒的质量晶胞含有的微粒数。(4)空间利用率100%。(5)金属晶体中体心立方堆积、面心立方堆积中的几组公式(设棱长为a)面对角线长a；体对角线长a；体心立方堆积4ra(r为原子半径)；面心立方堆积4ra(r为原子半径)。1金属铝的晶胞结构如图甲所示，原子之间相互位置关系的平面图如图乙所示。甲 乙2研究发现氨硼烷在低温高压条件下为正交晶系结构，晶胞参数分别为a pm、b pm、c pm，90。氨硼烷的222超晶胞结构如图所示。 氨硼烷晶体的密度_ gcm3(列出计算式，设NA为阿伏加德罗常数的值)。解析在氨硼烷的222的超晶胞结构中，共有16个氨硼烷分子
12、，晶胞的长、宽、高分别为2a pm、2b pm、2c pm，若将其平均分为8份可以得到8个小长方体，则平均每个小长方体中占有2个氨硼烷分子，小长方体的长、宽、高分别为a pm、b pm、c pm，则晶胞的质量为，小长方体的体积为abc1030cm3，因此，氨硼烷晶体的密度为 gcm3。答案1金属能导电的原因是()A金属晶体中金属阳离子与自由电子间的相互作用较弱B金属晶体中的自由电子在外加电场作用下发生定向移动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B金属中存在自由移动电子，在外加电场的作用下，自由电子就会定向移动而形成电流。2按下列四种有关性质
13、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，熔点很低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晶体，熔点很高D固体不导电，但溶于水或熔融后能导电BA是分子晶体；B中固体能导电，熔点在1 000 左右，不是很高，应是金属晶体；C为原子晶体；D为离子晶体。3下列对各组物质性质的比较中，正确的是()A熔点：LiNaKB导电性：AgCuAlFeC密度：NaMgAlD硬度：NaMgAlB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，A错误；常用的金属导体中，导电性最好的是Ag，其次是Cu，再次是Al、Fe，B
14、正确；Na、Mg、Al是同周期的金属单质，密度逐渐增大，C错误；金属键：AlMgNa，则硬度：AlMgNa，D错误。4.石墨烯可转化为富勒烯(C60)，某金属M与C60可制备一种低温超导材料，晶胞如图所示，M原子位于晶胞的棱上与内部。该晶胞中M原子的个数及碳原子个数为()A9,4B9,180C12,10D12,240D由晶胞结构可知，晶胞中位于棱上和体内的M原子个数为12912个，位于顶点和面心的C60个数为864，碳原子个数为460240，则晶胞中M原子的个数及碳原子个数为12和240，故选D。5金晶体的最小重复单元(也称晶胞)是面心立方体，即在立方体的8个顶点各有一个金原子，各个面的中心有
15、一个金原子，每个金原子被相邻的晶胞所共有(如图)。金原子的直径为d，用NA表示阿伏加德罗常数，M表示金的摩尔质量。(1)金晶体每个晶胞中含有_个金原子。(2)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_。(3)一个晶胞的体积是_。(4)金晶体的密度是_。解析(1)金晶体中每个晶胞中含有864个金原子。(2)欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定在立方体各个面的对角线上3个金原子两两相切。(3)金原子直径为d，则晶胞的面对角线长为2d，立方体的边长为d，所以一个晶胞的体积为(d)32d3。(4)一个晶胞中含有4个金原子，则一个晶胞的质量为，故金晶体的密度为。答案(1)4(2)在立方体各个面的对角线上3个金原子两两相切(3)2d3(4)