高中化学第3章第2节第1课时金属晶体教案鲁科版选修3.docx
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高中化学第3章第2节第1课时金属晶体教案鲁科版选修3
第1课时 金属晶体
[学习目标定位] 1.进一步熟悉金属晶体的概念和特征，能用金属键理论解释金属晶体的物理性质。
2.知道金属晶体中晶胞的堆积方式。
3.学会关于金属晶体典型计算题目的分析方法。
一 金属晶体中的原子在空间的堆积方式
1．将金属的密堆积方式、对应晶胞类型及其实例进行连线。
密堆积方式 晶胞类型 实例
A1 六方Mg
A3 面心Cu
答案
2．金属晶体可看作是金属原子在三维空间（一层一层地）中堆积而成。
其堆积模式有以下四种。
这四种堆积模式又可以根据每一层中金属原子的二维放置方式不同分为两类：
非密置层的堆积（包括简单立方堆积和体心立方密堆积），密置层堆积（包括六方最密堆积和面心立方最密堆积）。
填写下表：
堆积模型
采纳这种堆积的典型代表
晶胞
配位数
空间利用率
每个晶胞所含原子数
非
密
置
层
简单立方
堆积
Po（钋）
6
52%
1
体心立方
密堆积（A2
型）
Na、K、Fe
8
68%
2
密
置
层
六方最密
堆积（A3型）
Mg、Zn、Ti
12
74%
6
面心立方
最密堆积
（A1型）
Cu、Ag、Au
12
74%
4
[归纳总结]
1．堆积原理
组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时，在空间的排列大都服从紧密堆积原理。
这是因为在金属晶体中，金属键没有方向性和饱和性，因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围，并以密堆积方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。
2．堆积模型
[活学活用]
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
答案 D
解析 这是因为分别借助于没有方向性和饱和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其他原子分布于周围，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．关于
钾型晶体（如右图所示）的结构的叙述中正确的是（ ）
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
答案 C
解析 钾型晶体的晶胞为立方体，是非密置层的一种堆积方式，其中有8个顶点原子和1个体心原子，晶胞内含有8×
＋1＝2个原子，选项C正确。
二 关于金属晶体的计算
1．右图是金属钨晶体中的一个晶胞的结构示意图，它是一种体心立方结构。
实验测得金属钨的密度为19.30g·cm－3，
钨的相对原子质量是183.9。
假设金属钨原子为等径刚性球，试完成下列问题：
（1）每一个晶胞中分摊到__________个钨原子。
（2）计算晶胞的边长a＝________。
（3）计算钨的原子半径r（提示：
只有体对角线上的各个球才是彼此接触的）。
答案
（1）2
（2）3.16×10－8cm （3）1.37×10－8cm
解析
（1）据均摊法，每个晶胞中分摊到的钨原子数为1＋8×
＝2（个）。
（2）钨的相对原子质量为183.9,1mol02mol钨原子，其质量为2mol×183.9g·mol－1＝367.8g，
故1mol钨晶胞的体积为
≈19.057cm3，
由题意a3×6.02×1023＝19.057cm3，a＝3.16×10－8cm。
（3）由a2＋a2＋a2＝（4r）2
得3×（3.16×10－8cm）2＝16r2，
r≈1.37×10－8cm。
2．铝单质的晶胞结构如图甲所示，原子之间相对位置关系的平面图如图乙所示。
若已知铝原子半径为d，NA表示阿伏加德罗常数，相对原子质量为M，则该晶体的密度可表示为______________________________________________________________。
据上图计算，铝原子采取的面心立方堆积的空间利用率为______________。
答案
74%
解析 由图甲可知每个晶胞中含有的铝原子数为8×
＋6×
＝4。
由图乙知晶胞的棱长为
＝2
d。
若该晶体的密度为ρ，则ρ×（2
d）3＝
×M，
ρ＝
。
空间利用率为
×100%≈74%。
[归纳总结]
1．熟练掌握各典型晶胞中含有金属原子数的计算方法。
2．要有较好的立体几何知识和空间想象能力。
[活学活用]
3．金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式：
六方最密堆积、面心立方最密堆积和体心立方密堆积。
下图（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（ ）
A．3∶2∶1B．11∶8∶4
C．9∶8∶4D．21∶14∶9
答案 A
解析 晶胞（a）中所含原子数＝12×
＋2×
＋3＝6，晶胞（b）中所含原子数＝8×
＋6×
＝4，晶胞（c）中所含原子数＝8×
＋1＝2。
4．某固体仅由一种元素组成，其密度为5.0g·cm－3。
用X射线研究该固体的结构时得知：
在边长为10－7cm的正方体中含有20个原子，则此元素的相对原子质量最接近于下列数据中的（ ）
A．32B．120C．150D．180
答案 C
解析 一个正方体的体积为（10－7cm）3＝10－21cm3，质量为5×10－21g，则1mol该元素原子的质量为5×10－21/20×6.02×1023＝150.5g，其数值与该元素的相对原子质量相等，所以选C。
当堂检测
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
答案 B
解析 A、C、D都是金属共有的物理性质，这些性质都是由金属晶体所决定的。
金属易失电子是由金属原子的结构决定的，所以和金属晶体无关。
2．下列叙述中错误的是（ ）
A．金属单质或其合金在固态和熔融态时都能导电
B．晶体中存在离子的一定是离子晶体
C．金属晶体中的自由电子为整块晶体所共有
D．钠比钾的熔点高是因为钠中金属阳离子与自由电子之间的作用力强
答案 B
解析 金属中有自由移动的电子，因此在固态和熔融态时均可导电，A正确；离子晶体中存在阴、阳离子，而在金属晶体中存在金属阳离子和自由电子，所以B错误；自由电子在整块金属中可自由运动，为整个金属晶体所共有，C正确；金属晶体的熔点高低取决于金属键的强弱，金属键越强，金属晶体的熔点越高；反之，越低。
金属键即为金属阳离子和自由电子之间强烈的相互作用，所以D正确。
3．两种金属A和B，已知A、B常温下为固态，且A、B属于质软的轻金属，由A、B熔合而成的合金不可能具有的性质有（ ）
A．导电、导热、延展性较纯A或纯B金属强
B．常温下为液态
C．硬度较大，可制造飞机
D．有固定的熔点和沸点
答案 D
解析 合金为混合物，通常无固定组成，因此熔、沸点通常不固定；金属形成合金的熔点比各组成合金的金属单质低，如Na、K常温下为固体，而Na—K合金常温下为液态；轻金属Mg—Al合金的硬度比Mg、Al高。
4．关于金属晶体的体心立方密堆积的结构型式的叙述中，正确的是（ ）
A．晶胞是六棱柱
B．属于A2型密堆积
C．每个晶胞中含有4个原子
D．每个晶胞中含有5个原子
答案 B
解析 金属晶体的体心立方密堆积的晶胞是平行六面体，体心立方密堆积的堆积方式为立方体的顶点和体心各有1个原子，属于A2型密堆积，每个晶胞中含有8×
＋1＝2个原子。
5．在金属晶体中最常见的三种堆积方式有：
（1）配位数为8的是________堆积。
（2）配位数为________的是面心立方最密堆积。
（3）配位数为____________的是________堆积。
其中以ABAB方式堆积的________和以ABCABC方式堆积的________空间利用率相等，就堆积层来看，二者的区别是在第______层。
答案
（1）体心立方密
（2）12 （3）12 六方最密 六方最密堆积 面心立方最密
堆积 三
40分钟课时作业
[基础过关]
一、金属晶体及其物理特性
1．下列有关金属晶体的说法中正确的是（ ）
A．常温下金属单质都是晶体
B．最外层电子数少于3个的都是金属
C．任何状态下都有延展性
D．都能导电、传热
答案 D
解析 Hg常温下是液态，不是晶体，A项错误；H、He最外层电子数都少于3个，但它们不是金属，B项错误；金属的延展性指的是能抽成细丝、轧成薄片的性质，在液态时，由于金属具有流动性，不具备延展性，所以C项也是错误的；金属晶体中存在自由电子，能够导电、传热，因此D项是正确的。
2．下列性质中可证明某单质属于金属晶体的是（ ）
A．有金属光泽B．具有较高熔点
`C.熔融态不导电D．固态导电且延展性好
答案 D
解析 硅晶体有金属光泽，属于原子晶体；金刚石等原子晶体都具有较高熔点；金属晶体熔融态导电，固态也导电，并具有良好的延展性。
3．金属晶体能导电的原因是（ ）
A．金属晶体中的金属阳离子与自由电子间的作用较弱
B．金属晶体中的自由电子在外加电场作用下可发生定向移动
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
答案 B
解析 根据金属键理论，自由电子是属于整个晶体的，在外加电场作用下，发生了定向移动从而导电，故B项正确；有的金属中金属键较强，但依然导电，故A项错误；金属导电是靠自由电子的定向移动，而不是金属阳离子发生定向移动，故C项错误；金属导电是物理变化，而不是失去电子的化学变化，故D项错误。
二、金属晶体性质比较
4．下列叙述正确的是（ ）
①同周期金属元素的原子半径越大晶体熔点越高 ②同周期金属元素的原子半径越小晶体熔点越高 ③同主族金属元素的原子半径越大晶体熔点越高 ④同主族金属元素的原子半径越小晶体熔点越高
A．①③B．②④C．①④D．③④
答案 B
5．下列有关金属的说法正确的是（ ）
A．锂的熔点比钠的低
B．镁的硬度大于铝的硬度
C．温度越高，金属中自由电子的运动速度越快，所以金属的导电性越强
D．金属的延展性与金属键没有方向性有关
答案 D
解析 同主族金属元素随着电子层数的增加，原子半径逐渐增大，金属键逐渐减弱，金属的熔点逐渐降低，故A错误；同周期金属元素随着核电荷数的增加，原子半径逐渐减小，金属键逐渐增强，金属的硬度逐渐增大，故B错误；温度越高，金属中自由电子无规则运动速度越快，在电场作用下做定向移动的能力越弱，故金属的导电性越差，故C错误；由于金属键没有方向性，当金属受外力作用时，金属原子之间发生相对滑动，但金属原子之间仍然保持金属键的作用，故金属表现出良好的延展性，D正确。
6．下列对各物质性质的比较中，正确的是（ ）
A．熔点：
Li＜Na＜K
B．导电性：
Ag＞Cu＞Al＞Fe
C．密度：
Na＞Mg＞Al
D．空间利用率：
钾型＜镁型＜铜型
答案 B
解析 按Li、Na、K的顺序，金属键逐渐减弱，熔点逐渐降低，A项错；按Na、Mg、Al的顺序，密度逐渐增大，C项错；不同堆积方式的金属晶体空间利用率：
简单立方为52%，钾型为68%，镁型和铜型均为74%，D项错；常用的金属导体中，导电性最好的是银，其次是铜，再次是铝、铁，B项正确。
三、金属晶体中金属原子的堆积方式
7．下列金属的晶体结构类型都属于面心立方最密堆积型的是（ ）
A．Li、Na、Mg、CaB．Li、Na、K、Rb
C．Pb、Ag、Cu、AuD．Be、Mg、Cu、Zn
答案 C
8．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．“自由电子”为所有原子所共有
C．简单立方堆积的空间利用率最低
D．体心立方密堆积的空间利用率最高
答案 D
解析 根据金属晶体的金属键理论，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%，体心立方密堆积68%，面心立方最密堆积和六方最密堆积均为74%。
因此简单立方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。
9．金属晶体的堆积方式、空间利用率和配位数关系正确的是（ ）
①钋Po——简单立方堆积——52%——6
②钠Na——钾型——74%——12
③锌Zn——镁型——68%——8
④银Ag——铜型——74%——12
A．①②B．①③C．②③D．①④
答案 D
解析 ②钾型空间利用率为68%，配位数为8；③中Zn为镁型，空间利用率为74%，配位数为12；①④堆积方式、空间利用率和配位数均正确。
10．铁有δ、γ、α三种晶体结构，以下依次是δ、γ、α三种晶体不同温度下转化的图示。
有关说法不正确的是（ ）
A．δ－Fe晶体中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有8个
B．γ－Fe晶体中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有12个
C．如图α－Fe晶胞边长若为acm，γ－Fe晶胞边长若为bcm，则两种晶体密度比为b3∶a3
D．将铁加热到1500℃分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型不相同
答案 C
解析 δ－Fe晶体中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有8个（设晶胞边长为ccm，则两个铁原子间的最近距离为
cm）；γ－Fe晶体中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有12个（γ－Fe晶胞边长若为bcm，则两个铁原子间的最近距离应为
bcm）。
若α－Fe晶胞边长为acm，γ－Fe晶胞边长为bcm，则两种晶体密度比为b3∶2a3。
将铁加热到1500℃分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型不同。
[能力提升]
11.
最近发现一种由钛（Ti）原子和碳原子构成的气态团簇分子，分子模型如图所示，其中圆圈表示碳原子，黑点表示钛原子，则它的化学式为（ ）
A．TiCB．Ti13C14C．Ti4C7D．Ti14C13
答案 D
解析 此题一定要注意此结构为一个具有规则结构的大分子，不是晶胞。
在此题目中，只需数出两种原子的数目即可（Ti14C13）。
12．回答下列问题：
（1）金属晶体的构成微粒是_______________________________________________，
微粒间的相互作用称为________。
这种作用力越强，晶体的熔、沸点越________，硬度越________。
（2）金属键的强弱与金属价电子数的多少有关，价电子数越多，金属键越强；与金属原子的半径大小也有关，金属原子半径越大，金属键越弱。
据此判断下列金属熔点逐渐升高的是________。
A．Li、Na、KB．Na、Mg、Al
C．Li、Be、MgD．Li、Na、Mg
（3）已知下列金属晶体：
Na、Po、K、Fe、Cu、Mg、Zn、Au
其堆积方式为
①简单立方堆积的是____________。
②体心立方密堆积的是____________。
③六方最密堆积的是____________。
④面心立方最密堆积的是__________。
答案
（1）金属离子和自由电子 金属键 高 大
（2）B
（3）①Po ②Na、K、Fe ③Mg、Zn ④Cu、Au
13．根据你的生活经验和下表所提供的信息，分析并回答下列问题。
物理性质
物理性质比较
导电性（以银为100）
银铜金铝锌铁
1009974612717
密度/g·cm－3
金铅银铜铁锌铝
19.311.310.58.927.867.142.7
熔点/℃
钨铁铜金银铝锡
3410153510831064962660232
硬度（以金刚石为10）
铬 铁 银 铜 金 铝 铅
9 4～52.5～4 2.5～3 2.5～3 2～2.9 1.5
（1）为什么菜刀、锤子等通常用铁制而不用铅制？
（2）银的导电性比铜好，为什么导线一般用铜制而不用银制？
（3）为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制？
（4）上述物理性质中与自由电子关系最为密切的是____________________________。
答案
（1）因为铁的硬度比铅大，且铅有毒，故常用铁而不用铅制作菜刀、锤子等。
（2）银和铜的导电性相近，但银比铜贵得多，且电线用量大，所以用铜不用银作导线。
（3）因为钨的熔点高（3410℃），而锡的熔点（232℃）太低，通电时锡就熔化了，所以用钨丝而不用锡丝做灯泡的灯丝。
（4）导电性
解析 在确定金属的用途时，要考虑其硬度、熔点、导电性等多种性质，有时还要考虑价格、资源、是否便利、是否有毒、是否利于回收等因素。
正确解答本题还要会读题，充分利用题中所给信息进行比较解题。
14．Mn、Fe均为第4周期过渡金属元素，两元素的部分电离能数据列于下表：
元素
Mn
Fe
电离能/kJ·mol－1
I1
717
759
I2
1509
1561
I3
3248
2957
回答下列问题：
（1）Mn元素基态原子的价电子层的电子排布式为__________，比较两元素的I2、I3可知，气态Mn2＋再失去一个电子比气态Fe2＋再失去一个电子难。
对此你的解释是___________
________________________________________________________________________。
（2）金属铁的晶体在不同温度下有两种堆积方式，晶胞分别如下图所示。
面心立方晶胞和体心立方晶胞中实际含有的Fe原子个数之比为________，Fe原子配位数之比为________。
答案
（1）3d54s2 Mn2＋转化为Mn3＋时，3d能级由较稳定的3d5半充满状态转变为不稳定的3d4状态（或Fe2＋转化为Fe3＋时，3d能级由不稳定的3d6状态转变为较稳定的3d5半充满状态）
（2）2∶1 3∶2
解析
（1）根据锰在元素周期表中的位置可写出其价电子排布，由于Mn2＋转化为Mn3＋时，3d能级由较稳定的3d5半充满状态转变为不稳定的3d4状态（或Fe2＋转化为Fe3＋时，3d能级由不稳定的3d6状态转变为较稳定的3d5半充满状态），所以，气态Mn2＋再失去一个电子比气态Fe2＋再失去一个电子难。
（2）根据题给晶胞的结构，在每个体心立方晶胞中含有的铁原子数目是2个（配位数是8），在每个面心立方晶胞中含有的铁原子数目是4个（配位数是12）。
[拓展探究]
15．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，各个面的中心有一个金原子，每个金原子被相邻的晶胞共用。
金原子的直径为dcm，用NA表示阿伏加德罗常数，M表示金的摩尔质量（单位：
g·mol－1）。
（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）一个晶胞的体积为________cm3。
（4）金晶体的密度为________g·cm－3。
答案
（1）4
（2）在立方体各个面的对角线上的3个金原子紧密排列且相邻的两个金原子处于相切状态
（3）2
d3 （4）
解析 处于立方体顶点的金属原子为8个晶胞共用，此晶胞只占
；处于面心上的金属原子为2个晶胞共用，此晶胞只占
。
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