高中化学选修三33第三节金属晶体.docx
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高中化学选修三33第三节金属晶体
三．3.3第三节金属晶体
[学习目标]
学习目标：
1、知道金属键的涵义，能用电子气理论解释金属的一些物理性质；
2、能列举金属晶体的4种基本堆积模型；
3、了解金属晶体性质的一般特点；
4、知道金属晶体与其它晶体的结构微粒、微粒间作用力的区别。
学习重点：
1、金属键的涵义；用“电子气理论”解释金属的一些物理性质；
2、金属晶体的4种基本堆积模型。
学习难点：
金属晶体的4种基本堆积模型
[知识要点]
一、金属键：
（金属晶体中，金属阳离子和自由电子之间的较强的相互作用）
1、金属键与电子气理论：
①金属键：
金属原子的电离能低，容易失去电子而形成阳离子和自由电子，阳离子整体共同吸引自由电子而结合在一起。
金属键可看成是由许多金属离子共用许多电子的一种特殊形式的共价键，这种键既没有方向性也没有饱和性，金属键的特征是成键电子可以在金属中自由流动，使得金属呈现出特有的属性。
在金属单质的晶体中，原子之间以金属键相互结合。
金属键是一种遍布整个晶体的离域化学键。
②电子气理论：
描述金属键本质的最简单理论是“电子气理论”。
该理论把金属键形象地描绘成从金属原子上“脱落”下来的大量自由电子形成可与气体相比拟的带负电的“电子气”，金属原子则“浸泡”在“电子气”的“海洋”之中。
金属原子脱落下来的自由电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有金属阳离子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起。
由此可见，金属晶体跟原子晶体一样，是一种“巨分子”。
小结：
2、电子气理论对金属通性的解释：
金属共同的物理性质：
易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。
①金属导电性的解释：
在金属晶体中，充满着带负电的“电子气”，这些电子气的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件下电子气就会发生定向移动，因而形成电流，所以金属容易导电。
②金属导热性的解释：
金属容易导热，是由于电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。
③金属延展性的解释：
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，但不会改变原来的排列方式，弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用，所以在各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使在外力作用下，发生形变也不易断裂。
因此，金属都有良好的延展性。
说明：
当向金属晶体中掺人不同的金属或非金属原子时，就像在滚珠之间掺人了细小而坚硬的砂土或碎石一样，会使这种金属的延展性甚至硬度发生改变，这也是对金属材料形成合金以后性能发生改变的一种比较粗浅的解释。
二、金属晶体的原子堆积模型：
（金属晶体内原子的空间排列方式）
金属键没有方向性，因此趋向于使原子或分子吸引尽可能多的其他原子或分子分布于周围，并以密堆积的方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。
1、几个概念：
①紧密堆积：
微粒之间的作用力使微粒间尽可能的相互接近，使它们占有最小的空间
②配位数：
在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数
③空间利用率：
晶体的空间被微粒占满的体积百分数，用它来表示紧密堆积的程度
2、二维空间中的堆积方式
金属晶体中的原子可看成直径相等的球体，象钢球一样堆积着。
把它们放置在平面上（即二维空间里），可有两种方式：
说明：
在一个平面上进行最紧密堆积排列只有一种，即只有当每个等径圆球与周围其他6个球相接触时，才能做到最紧密堆积——密置层。
密置层的空间利用率比非密置层的空间利用率高。
3、三维空间中的堆积方式
金属晶体可看成金属原子在三维空间中堆积而成。
①简单立方体堆积：
（非密置层与非密置层的简单叠加）
这种堆积方式形成的晶胞是一个立方体，被称为简单立方堆积。
这种堆积方式的空间利用率太低，只有金属钋采取这种堆积方式。
说明：
每个晶胞含原子数：
1；配位数：
6
②钾型：
（非密置层叠加、紧密堆积）
如果是非密置层上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中，每层均照此堆积，如下图：
这种堆积方式的空间利用率显然比简单立方堆积的高多了，许多金属是这种堆积方式，如碱金属，简称为钾型。
说明：
每个晶胞含原子数：
2；配位数：
8
③镁型和铜型：
（密置层叠加、最密堆积）
密置层的原子按钾型堆积方式堆积，会得到两种基本堆积方式，镁型和铜型。
镁型如图左侧，按ABABABAB……的方式堆积;铜型如图右侧,按ABCABCABC……的方式堆积.这两种堆积方式都是金属晶体的最密堆积，配位数均为12（同层6，上下层各3），空间利用率均为74℅，但所得的晶胞的形式不同。
说明：
镁型，每个晶胞含原子数：
2
铜型，每个晶胞含原子数：
4
注意：
左右两图的1、2、3小球的位置的区别。
小结：
金属晶体的四种堆积模型对比
三、混合晶体
石墨不同于金刚石，其碳原子不像金刚石的碳原子那样呈sp3杂化。
而是呈sp2杂化，形成平面六元环状结构，因此石墨晶体是层状结构的，层内的碳原子的核间距为142pm，层间距离为335pm，说明层间没有化学键相连，是靠范德华力维系的；石墨的二维结构内，每一个碳原子的配位数为3，有一个末参与杂化的2p电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面。
石墨晶体中，既有共价键，又有金属键，还有范德华力，不能简单地归属于其中任何一种晶体，是一种混合晶体。
[方法指导]
一、金属晶体的一般性质及其结构根源
由于金属晶体中存在大量的自由电子和金属离子（或原子）排列很紧密，使金属具有很多共同的性质。
①状态：
通常情况下，除Hg外都是固体；
②有自由电子存在,是良好的导体；
③自由电子与金属离子碰撞传递热量，具有良好的传热性能；
④自由电子能够吸收可见光并能随时放出,使金属不透明,且有光泽；
⑤等径圆球的堆积使原子间容易滑动,所以金属具有良好的延展性和可塑性；
⑥金属间能“互溶”,易形成合金。
金属除有共同的物理性质外，还具有各自的特性。
不同的金属在某些性质方面，如密度、硬度、熔点等又表现出很大差别。
这与金属原子本身、晶体中原子的排列方式等因素有关。
二、配位数：
在晶体中与离子直接相连的离子数
三、金属晶体熔沸点的判断：
金属晶体熔点变化差别较大。
如汞在常温下是液体，熔点很低（－38.9℃）。
而铁等金属熔点很高（1535℃）。
这是由于金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子与自由电子的静电作用力（金属键）不同而造成的差别
金属晶体的熔沸点高低和金属键的强弱有关。
金属原子价电子越多，原子半径越小，金属离子与自由电子的作用力就越强，晶体的熔沸点就越高，反之越低。
例如：
碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降低——价电子相同，原子半径逐渐增大。
卤素单质的熔沸点从上到下却逐渐升高——相对分子质量逐渐增大，范德华力逐渐增大。
四、金属导电与电解质溶液导电的区别：
①金属导电：
在金属晶体中，存在着许多自由电子，这些自由电子的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件下自由电子就会发生定向运动，因而形成电流，所以金属容易导电。
属于物理变化。
②电解质溶液导电：
电解质在熔融状态下导电、电解质溶液的导电，实质是在外加电场作用下，阴阳离子发生定向移动。
电解质溶液导电的过程就是电解质溶液被电解的过程，属于化学变化。
[经典例题]
例题1、金属的下列性质中和金属晶体无关的是（ ）
A、良好的导电性 B、反应中易失电子
C、良好的延展性 D、良好的导热性
思路点拨:
本题考查金属晶体结构与性质的关系，金属晶体结构主要和物理性质有关。
解析：
B项应该与元素原子有关，金属元素最外层电子数较少，在化学反应中容易失电子。
【答案】B
总结升华：
金属晶体中，微粒之间以金属键结合，根据电子气理论，金属原子脱落下来的自由电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有金属阳离子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起。
金属晶体独特的结构，决定了其具有与其他晶体不同的性质。
举一反三：
【变式1】金属晶体的形成是因为晶体中存在（ ）
A、金属离子间的相互作用 B、金属原子间的相互作用
C、金属离子与自由电子间的相互作用 D、金属原子与自由电子间的相互作用
【答案】C
例题2、物质结构理论指出：
金属晶体中金属阳离子与自由电子之间的强烈相互作用，称为金属键．金属键越强，其金属的硬度越大，熔沸点越高，且据研究表明，一般说来金属原子半径越小，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、镁的熔沸点低于钙
C、镁的硬度大于钾 D、钙的熔沸点高于钾
思路点拨:
本题考查金属晶体熔沸点、硬度的比较，理解题目所给信息是本题的关键。
解析：
价电子数Al＞Mg，原子半径Al＜Mg，所以Al的金属键更强，A的说法错误。
Mg和Ca的价电子数相同，而原子半径Mg＜Ca，所以金属键的强弱Mg＞Ca，B的说法错误。
价电子数Mg＞K，原子半径Mg＜Ca＜K，C的说法正确。
价电子数Ca＞K，原子半径Ca＜K，D的说法也正确。
【答案】AB
总结升华：
金属晶体的熔沸点差别很大，如汞在常温下是液体，熔点很低（－38.9℃）。
而铁等金属熔点很高（1535℃）。
这主要和金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子与自由电子的静电作用力（金属键）的强弱有关。
此题所给信息：
一般说来金属原子半径越小，价电子数越多，则金属键越强。
可以作为金属晶体熔沸点高低的判断依据。
举一反三：
【变式2】关于IA族和ⅡA族元素的下列说法中正确的是
A、同一周期中，ⅠA族单质的熔点比ⅡA族的高
B、浓度都是0.01mol/L时，氢氧化钾溶液的pH比氢氧化钡的小
C、氧化钠的熔点比氧化镁的高
D、加热时碳酸钠比碳酸镁易分解
【答案】B
例题3、1987年2月，朱经武教授等发现钇钡铜氧化合物在温度90K下即具有超导性，若该化合物的基本结构单元如图所示，则该化合物的化学式可能是（ ）
A、YBa2CuO7-x B、YBa2Cu2O7-x
C、YBa2Cu3O7-x D、YBa2Cu4O7-x
思路点拨:
考查有关晶胞的知识，可用分摊法计算。
解析：
由钇钡铜氧化合物的结构单元可以看出该结构单元中含有完全的Y原子1个，Ba原子2个，Cu原子1/8×8+1/4×8=3个，O原子若干。
故化学式为YBa2Cu3O7-x。
【答案】C
总结升华：
在晶胞中的原子或离子，是被晶胞“占有”而非“独占”。
在一个晶胞结构中出现的多个原子，这些原子并不是只为这个晶胞所独立占有，而是为多个晶胞所共有，
举一反三：
【变式3】由钾和氧组成的某种离子晶体中，阳离子与阴离子质量之比为13∶8，其中阴离子只有过氧离子（O22-）和超氧离子（O2-）两种，在此晶体中，过氧离子与超氧离子的物质的量之比为
A、1∶1 B、1∶3
C、2∶1 D、1∶2
解析：
由阳离子（K+）与阴离子（O22-、O2-）质量比为13∶8，可得其物质的量之比n（K+）∶n（O22-、O2-）=4∶3。
由电荷守恒原则，若O22-的物质的量为x、O2-的物质的量为y，则有
得x=1mol，y=2mol。
D选项符合题意。
【答案】D
【课后练习】
1、构成金属晶体的微粒是（ ）
A、金属原子 B、金属阳离子和自由电子
C、金属原子和电子 D、阳离子和阴离子
2、在金属中，自由移动的电子所属的微粒（ ）
A、与电子最近的金属阳离子 B、整块金属的所有金属阳离子
C、在电子附近的金属阳离子 D、与电子有吸引力的金属阳离子
3、金属的下列性质不能用金属的电子气理论加以解释的是（ ）
A、有金属光泽 B、易生锈 C、易导电 D、有延展性
4、下列化学式既能表示物质的组成，又能表示物质分子式的是（ ）
A、NH4NO3 B、SiO2
C、C6H5NO2 D、Cu
5、下列各组物质按照熔点由低到高的顺序排列正确的是（ ）
A、O2、I2、Hg B、I2、KI、SiO2
C、Li、Na、K D、C、CO2、CCl4
6、下列叙述正确的是（ ）
A、任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子
B、原子晶体中只含有共价键
C、离子晶体中只含有离子键，不含有共价键
D、分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键
7、下列有关金属元素特征的叙述中正确的是
A、金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性
B、金属元素在化合物中一定显正价
C、金属元素在不同化合物中的化合价均不同
D、金属单质的熔点总是高于分子晶体
8、自然界中已发现的100多种元素里，金属元素约占___________，其中含量最多的元素是_____，含量最多的金属元素是_____。
金属导电靠_____，电解质溶液导电靠_____，金属导电能力随温度升高而_____，溶液导电能力随温度升高而_______。
9、为什么金属容易导电、导热并具有延展性，而通常情况下离子晶体却没有这些性质？
[同步检测]
1、某晶体不导电，在熔融状态下能被电解，则该晶体是（ ）
A、分子晶体 B、原子晶体 C、离子晶体 D、金属晶体
2、下列各组物质中作用力和晶体类型完全相同的一组是（ ）
A、CO2 SiO2 SO2 NO2 B、NaCl NH4Cl HCl KCl
C、H2 N2 He Fe D、金刚石 水晶 晶体硅 金刚砂（SiC）
3、据报道，科学家用激光把石墨“炸松”，再射入氮气流，并用射频电火花处理，可得到一种硬似金刚石的化合物。
有关叙述不正确的是（ ）
A、两种单质反应物在通常状态下均很不活泼
B、该化合物呈片状结构
C、该化合物中原子间作用力只有共价键，键长短，形成空间网状结构
D、碳氮键比金刚石中碳碳键强
4、下列事实能说明A元素的金属性一定比B元素强的是（ ）
A、A的熔点比B的熔点高
B、发生氧化还原反应时，A元素原子失去的电子比B原子多
C、B阳离子的氧化性比A阳离子氧化性强
D、A能与水剧烈反应放出氢气，而B不能
5、下列特性适合金属晶体的是（ ）
A、熔点1031℃，固态不导电，水溶液能导电
B、熔点97.81℃，固态能导电，质软
C、熔点162.7℃，固态不导电，水溶液能导电
D、熔点1070℃，液态能导电，但固态不能导电
6、生铁可看成C－Fe合金，则石墨、铁、生铁三者熔点由大到小的顺序为（ ）
A、石墨、铁、生铁 B、铁、石墨、生铁
C、生铁、石墨、铁 D、石墨、生铁、铁
7、有一种金属的结构单元是一个“面心立方体”（注：
八个顶点和六个面分别有一个金属原子）。
该单元平均是由_______个金属原子组成的。
8、碱金属单质的熔点顺序为Li＞Na＞K＞Rb＞Cs，试用金属晶体结构的知识加以解释。
9、某些金属晶体（Cu、Ag、Au）的原子按面心立方的形式紧密堆积，即在晶体结构中可以划出一块正立方体的结构单元，金属原子处于正立方体的八个顶点和六个侧面上，试计算这类金属中原子的空间利用率。
答案与提示
1、B 解析：
注意四种晶体类型的区分。
2、B 解析：
电子气理论知识的考查。
金属原子脱落下来的自由电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有金属阳离子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起。
3、B 解析：
金属晶体中金属阳离子紧密堆积，自由电子在整个晶体里自由移动。
在外加电场的作用下，自由电子可以发生定向运动。
受到外力作用时，金属晶体的各原子层发生相对滑动，但金属离子与自由电子的相互作用并没有改变。
故金属晶体一般有光泽、能导电，具有延展性。
并不是所有的金属都易生锈，生锈是金属原子失去电子被氧化为金属阳离子的过程，发生了氧化还原反应。
4、C 解析：
只有分子晶体的化学式才能称作表示分子式，在晶体中存在分子。
其他晶体的化学式，只代表个数比，在晶体中不存在分子。
NH4NO3、SiO2、Cu只能表示物质的组成，但不是分子晶体，故不能表示分子式。
5、B 解析：
注意不同晶体的熔沸点的比较依据不同。
A组中可根据常温下的状态得出O2＜Hg＜I2；B组熔点顺序正确；C组中K＜Na＜Li；D组中CO2＜CCl4＜C。
6、B 解析：
A项金属晶体中只有阳离子，没有阴离子；C项离子晶体中一定有离子键，可以有共价键；D项分子晶体中，分子之间存在着分子间作用力，而分子内可以有共价键。
7、B 解析：
A错误，金属元素可以有多种价态，如Fe2+既有还原性又有氧化性；C错误，有些金属元素正价只有一种，如Na+；D错误，如汞常温下为液态，有很多分子晶体常温下是固态。
8、【思路分析】金属导电是由于金属晶体中存在自由移动的电子，而电解质溶液的导电是溶液中的阴、阳离子在外加电场的作用下做定向移动。
温度升高时，金属晶体内部的金属阳离子运动速度加快，使电子的传递受影响，导电性减弱。
温度升高时，电解质溶液中的自由移动的离子运动速率加快，导电性增强。
答案：
4/5 氧 铝 自由电子 阴、阳离子 减弱 增强
9、 【思路分析】金属晶体的某些性质与其特殊结构有关。
答案：
金属容易导电、导热是由于金属晶体里有自由电子，在外加电场的条件下，自由电子就会定向运动，故易导电，电子运动经常与金属离子碰撞从而引起两者能量交换，把能量传给其他金属离子，故能导热。
金属的延展性是因为晶体的各原子层受外力作用发生相对滑动，而离子晶体中，阴、阳离子按一定规律在空间排列，离子以离子键结合，离子不能自由移动，也没有自由电子，所以，通常情况下离子晶体不具有上述性质。
答案
1、C 解析：
四种晶体能导电的只有金属晶体，D错误；熔融状态下能够被电解的是离子晶体。
2、D 解析：
A组中SiO2是原子晶体，与CO2、SO2、NO2的晶体类型不同；B组中HCl是分子晶体，与NaCl、NH4Cl、KCl的晶体类型不同；C组中Fe是金属晶体，与He、N2、H2的晶体类型不同；D组中物质均为原子晶体，晶体中粒子之间作用力均为共价键，故符合题意。
3、B 解析：
利用题干中信息“硬似金刚石”的化合物，说明这种化合物是一种原子晶体，故B选项中的呈“片状结构”必然错误；C—C键比C—N键弱，在常温下石墨和N2均很稳定。
4、D 解析：
元素金属性的强弱与熔点的高低、失电子数目的多少无关，而与失电子能力的难易有关。
只有同价态的阳离子，才可以比较其离子氧化能力的强弱对应单质还原能力的强弱。
如氧化性：
Cu2+＞Fe2+，还原性：
Fe＞Cu。
故只有D项正确。
5、B 解析：
根据A、D选项条件，熔点高、水溶液或熔融状态能导电，应属于离子晶体；B项固态可导电，为金属晶体；C项熔点低，固态不导电而水溶液可以导电，应为分子晶体。
6、A 解析：
石墨虽非原子晶体，但熔点很高，比金刚石的熔点还高。
合金的熔点一般低于纯金属的熔点。
所以，三者熔点高低的顺序为石墨＞铁＞生铁。
7、
【思路分析】由题意可知该金属结构单元中含金属原子为8×1/8+6×1/2=4个。
答案：
4
8、
【思路分析】金属晶体的熔点高低取决于晶体中金属离子与自由电子之间的作用力大小，由库仑定律
可知，作用力的大小又取决于金属离子的半径和自由电子的数量，显然，半径越小，作用力越强，熔点越高。
而离子的半径顺序为
，因此锂的熔点最高。
9、
【思路分析】晶胞边长为a，原子半径为r。
由勾股定理：
a2+a2 =（4r）2
a=2.83r
每个面心立方晶胞含原子数目：
8×1/8+6×1/2=4
a=（4×4/3pr3）/a3
=（4×4/3pr3）/（2.83r）3×100%
=74
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