2019-2020学年高中化学 专题3 微粒间作用力与物质性质 第一单元 金属键 金属晶体学案 苏教

1EvaluationWarning:ThedocumentwascreatedwithSpire.Docfor.NET.第一单元金属键金属晶体1．了解晶胞的概念。2．了解金属晶体模型和金属键的本质。3．认识金属键与金属物理性质的辩证关系。4．了解金属晶体内原子的几种常见排列方式。5．认识合金及其广泛应用。金属键与金属特性1．金属键(1)金属离子和自由电子的形成通常情况下，金属原子的部分或全部外围电子受原子核的束缚比较弱，在金属晶体内部，它们可以从原子上“脱落”下来，形成自由流动的电子。金属原子失去部分或全部外围电子形成金属离子。(2)概念金属离子与自由电子之间强烈的相互作用称为金属键。2．金属特性(1)导电性通常情况下，金属内部自由电子的运动不具有固定的方向性，但在外电场作用下，自由电子在金属内部会发生定向运动，从而形成电流。(2)导热性当金属某一部分受热时，该区域里自由电子的能量增加，运动速率加快，自由电子与金属离子(或金属原子)的碰撞频率增加，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，从而使整块金属达到同样的温度。(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时，各层金属原子间仍然保持金属键的作用。1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。(1)不存在只有阳离子，而没有阴离子的物质。()(2)金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的静电吸引作用。()(3)金属晶体在外力作用下，各层之间发生相对滑动，金属键也被破坏。()(4)金属有导热性。()(5)金属原子半径越小，价电子数越多，其金属单质熔、沸点越高，硬度越大。()2答案：(1)×(2)×(3)×(4)√(5)√2．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强烈的相互作用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，所以有方向性和饱和性C．金属键无饱和性和方向性D．金属锂中的金属键比金属钠中的金属键强答案：B1．2．金属晶体的熔点变化规律金属晶体熔点变化差别较大。例如：汞在常温下是液体，熔点很低(－38．9℃)，而钨的熔点高达3000℃以上。这与金属键的强弱密切相关。一般情况下(同类型的金属晶体)，金属晶体的熔点由金属阳离子半径、所带的电荷数、自由电子的多少决定。阳离子半径越小，所带的电荷越多，自由电子越多，相互作用就越大，熔点就会越高。例如：熔点K＜Na＜Mg＜Al，Li＞Na＞K＞Rb＞Cs。(1)下列叙述中正确的是________。A．金属受外力作用时常常发生变形而不易折断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．金属是借助金属离子的运动，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(2)要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体熔、沸点的高低和硬度大小一般取决于金属键的强弱，而金属键与金属阳离子所带电荷的多少及半径大小有关。由此判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是逐渐增大的C．金属铝的硬度大于金属钠3D．金属镁的硬度小于金属钙[解析](1)金属受外力作用时常常发生变形而不易折断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加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离子将能量进行传递，故C项不正确。(2)金属阳离子所带电荷越多，半径越小，金属键越强，据此判断。[答案](1)D(2)C金属键与金属特性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．自由电子与自由电子之间的相互作用解析：选A。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即为金属键。2．下列叙述正确的是()A．任何晶体中，若含有阳离子，就一定含有阴离子B．金属晶体的形成是因为晶体中存在金属阳离子间的相互作用C．价电子数越多的金属原子的金属性越强D．含有金属元素的离子不一定是阳离子解析：选D。金属晶体中虽存在阳离子，但没有阴离子，A错误；金属晶体的形成是因为晶体中存在金属阳离子与自由电子间的相互作用，B错误；价电子数多的金属元素的金属性不一定强，如Fe的价电子数比Na多，但Fe的金属性却没有Na的强，C错误；含有金属元素的离子不一定是阳离子，如AlO－2就是阴离子，D正确。3．下列生活中的问题，不能用金属键知识解释的是()A．用铁制品做炊具B．用金属铝制成导线C．用铂金做首饰D．铁易生锈解析：选D。铁制炊具是因为金属具有导热性，A项正确；铝做导线，是因为金属具有导电性，B项正确；铂做首饰是因为金属具有延展性，C项正确。4．金属钠、镁、铝的熔点高低顺序正确的是()A．Na＞Mg＞AlB．Al＞Mg＞NaC．Mg＞Al＞NaD．Na＞Al＞Mg解析：选B。金属阳离子半径越小，所带电荷数越多，金属键越强。钠、镁、铝离子的4电荷数逐渐增多，半径逐渐减小，故钠、镁、铝的熔点逐渐升高。金属晶体1．自然界中许多固态物质都是晶体，它们有规则的几何外形。通常条件下，大多数金属单质及其合金也是晶体。2．晶胞：反映晶体结构特征的基本重复单位。3．金属晶体中原子的常见堆积方式：简单立方堆积，如钋；六方堆积，如镁、锌、钛等；面心立方堆积，如金、银、铜、铅等；体心立方堆积，如钠、钾、铬等。4．合金(1)定义：一种金属与另一种或几种金属(或非金属)的融合体。(2)合金的某些性质比单纯的金属更优越：合金的熔点一般比各成分金属都要低；硬度比各成分金属高。1．金属晶体堆积密度大，原子配位数高，能充分利用空间的原因是()A．金属原子的外围电子数少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：选D。这是因为分别借助于没有方向性的金属键形成的金属晶体的结构中，都趋向于使原子吸引尽可能多的原子分布于周围，并以密堆积的方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。2．下列有关晶胞的叙述，正确的是()A．晶胞是晶体中最小的结构重复单元B．不同的晶体中晶胞的大小和形状都相同C．晶胞中的每一个粒子都完全属于该晶胞D．已知晶胞的组成不可推知晶体的组成解析：选A。晶胞是晶体中重复出现的最小结构单元，不同的晶体中的晶胞的形状可能相同(空间构型相同)，但晶胞的大小不同；因为晶胞能完整反映晶体内部原子或离子在三维空间分布，也是晶体中最小的结构单元，所以已知晶胞的组成可以推知晶体的组成。3．金属原子在二维空间里的放置有如图所示的两种方式，下列说法中正确的是()5A．图(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堆积和面心立方堆积D．图(b)在三维空间里堆积仅得简单立方堆积解析：选C。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，原子的配位数为4。由此可知，图(a)为密置层，图(b)为非密置层。密置层在三维空间堆积可得到六方堆积和面心立方堆积，非密置层在三维空间堆积可得简单立方和体心立方两种堆积。1．金属晶体二维空间模型金属原子在二维空间中的排列可以有两种方式：(a)非密置层，其结构特点是行列对齐、四球一空、非最紧密排列，如图(a)所示，原子配位数为4；(b)密置层，其结构特点是行列相错、三球一空、最紧密排列，如图(b)所示，原子配位数为6。非密置层原子排列不紧密，原子间的空隙大，空间利用率比密置层低。2．金属晶体三维空间模型(1)简单立方堆积：将非密置层在三维空间一层一层地堆积，有两种堆积方式，其中一种的堆积方式如下图所示，相邻非密置层的原子核在同一直线上，不难理解，这种堆积方式形成的晶胞为一个立方体，被称为简单立方堆积，配位数为6，分别位于上、下，前、后，左、右。这种堆积的空间利用率太低，只有金属钋(Po)采取这种堆积方式。(2)体心立方堆积：非密置层在三维空间一层一层地堆积的另一种方式是将上层的金属原子填入下层四个金属原子形成的凹穴中，下一层的原子核与上一层中四个球围成的空在同一直线上，晶胞类型为体心立方，配位数为8，即体心周围的八个顶点。这种堆积方式的空6间利用率比简单立方要高，许多金属都采取这种堆积方式，如碱金属、铁、铬、钼、钨等。(3)面心立方堆积：密置层的原子的空间堆积方式也有两种，其中一种如下图甲所示，若将密置层的第一层标记为A层，第二层标记为B层，则B层中三球围成的空隙正对A层的球心，第三层标记为C层，C层的球心正对B层中三球围成的空隙，但C层的球心不与A、B层中任一层的球心正对，这样以ABCABC……三层周期性重复方式堆积，这种堆积的晶胞如下图中乙所示，称为面心立方晶胞，配位数为12，同层6个，上层3个，下层3个，该晶胞的对角线垂直于密置层。这种堆积方式的空间利用率更高，金、银、铜、铝等都采取这种堆积方式。(4)六方堆积：密置层空间堆积的另一种方式如下图中甲所示，在A、B双层上堆积第三层时，第三层的球心正对第一层的球心，而第四层的球心正对第二层的球心，如此以ABAB……二层周期性重复方式堆积，这种堆积的晶胞如下图丙所示，称为六方晶胞，配位数为12，同层6个，上层3个，下层3个。这种堆积方式的空间利用率也很高，镁、锌、钛等属于这种堆积方式。3．四种堆积方式的比较堆积方式晶胞类型空间利用率配位数实例简单立方堆积52%6Po体心立方堆积68%8Na、K、Fe7面心立方堆积74%12Cu、Ag、Au六方堆积74%12Mg、Zn、Ti4．四种晶胞中所含原子数目的计算方法和配位数的确定方法晶胞类型原子数配位数简单立方堆积8×18＝16(上、下、左、右、前、后)体心立方堆积8×18＋1＝28(立方体的8个顶点)六方堆积8×18＋1＝212(上、下层各3个，中间层6个)面心立方堆积8×18＋6×12＝45．空间利用率的计算方法空间利用率＝晶胞含有原子（离子）的体积晶胞体积×100%。将原子(离子)设想为一个球，依据1个晶胞内所含原子(离子)的数目计算原子(离子)的体积，再确定晶胞的体积，即可计算晶体(胞)的空间利用率。(1)在简单立方堆积中，各个原子是相互靠拢的，对于1个晶胞来说，含有1个金属原子，设立方体的边长为a，则其体积为a3，金属原子的半径为a2，则空间利用率为43π（a2）3a3×100%＝π6×100%≈52%。(2)在体心立方堆积中，在立方体的体对角线上球是相互接触的。如图所示，设立方体的边长为a，原子半径为r，则3a＝4r，而1个晶胞中含有2个金属原子，所以空间利用率为2×43πr3a3×100%＝2×43πr3（43r）3×100%＝3π8×100%≈68%。(3)在六方堆积中，如下图，设原子半径为r，则底面边长为2r，底面高h＝3r，所以8底面积S＝2r×3r＝23r2。晶胞的高H＝2×263r，所以晶胞体积V晶胞＝S×H＝23r2×463r＝82r3，2个原子的体积V球＝2×43πr3。空间利用率为V球V晶胞×100%＝2×43πr382r3×100%≈74%。(4)在面心立方堆积中，如图，设原子半径为r，晶胞边长为a，则a＝22r，V球＝4×43πr3，V晶胞＝a3＝(22r)3＝162r3。空间利用率为V球V晶胞×100%＝4×43πr3162r3×100%≈74%。金属晶体的原子堆积方式常有以下四种方式，请认真观察模型(下图)，回答下列问题：(1)四种堆积模型的堆积名称依次是________________、______________、______________、______________。(2)如图所示甲中的堆积方式，空间利用率为________，只有金属________采用这种堆9积方式。(3)如图所示乙与丙中两种堆积方式中金属原子的配位数