化学新导学笔记人教选修三讲义第三章 第三节 金色晶体.docx
《化学新导学笔记人教选修三讲义第三章 第三节 金色晶体.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学新导学笔记人教选修三讲义第三章 第三节 金色晶体.docx（25页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
化学新导学笔记人教选修三讲义第三章第三节金色晶体
第三节 金属晶体
[学习目标定位] 1.知道金属键的含义和金属晶体的结构特点。
2.能用电子气理论解释金属的一些物理性质，熟知金属晶体的原子堆积模型的分类及结构特点。
一、金属键和金属晶体
1.金属键
（1）金属键的概念及形成条件
①概念：
金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用。
②成键微粒：
金属阳离子和自由电子。
③成键条件：
金属单质或合金。
（2）金属键的本质
描述金属键本质的最简单理论是“电子气理论”。
它把金属键形象地描绘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，形成一种“巨分子”。
（3）金属键的特征
金属键无方向性和饱和性。
晶体里的电子不专属于某几个特定的金属离子，而是几乎均匀地分布在整个晶体里，把所有金属原子维系在一起，所以金属键没有方向性和饱和性。
2.金属晶体
（1）金属晶体
通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的晶体，叫做金属晶体。
（2）金属晶体物理特性分析
①良好的延展性：
金属键没有方向性，当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层发生相对滑动而不会破坏金属键，金属发生形变但不会断裂，故金属晶体具有良好的延展性。
②良好的导电性：
由于金属晶体中的自由电子可以在外加电场作用下发生定向移动。
③金属的导热性：
是自由电子在运动时与金属离子碰撞而引起能量的交换，从而使能量从温度高的部分传到温度低的部分，使整块金属达到相同的温度。
3.金属晶体熔点的变化规律
（1）金属阳离子半径越小，离子所带电荷数越多，自由电子越多，金属键越强，金属晶体的熔点越高。
如K＜Na＜Mg＜Al，Li＞Na＞K＞Rb。
（2）一般合金的熔点低于成分金属的熔点。
（3）金属晶体熔点差别很大，如汞常温为液体，熔点很低（－38.9℃），而铁等金属熔点很高（1535℃）。
例1
下列关于金属键的叙述中，正确的是（ ）
A.金属键具有方向性和饱和性
B.金属键是金属阳离子与自由电子间的相互作用
C.金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子
D.金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光
【考点】金属键和金属晶体
【题点】金属键概念及本质
答案 B
解析 金属键无方向性和饱和性，A错误；金属晶体由金属阳离子和自由电子构成，在外加电场作用下自由电子定向移动即导电，C错误；金属具有金属光泽是因为自由电子对可见光的选择性吸收和反射，使得金属晶体具有金属光泽和一定颜色，D错误。
例2
下列各组金属熔、沸点高低顺序正确的是（ ）
A.Mg>Al>CaB.Al>Na>Li
C.Al>Mg>CaD.Mg>Ba>Al
【考点】金属键和金属晶体
【题点】金属晶体的物理性质及其影响因素
答案 C
解析 电荷数Al3＋>Mg2＋＝Ca2＋＝Ba2＋>Li＋＝Na＋，金属阳离子半径：
r（Ba2＋）>r（Ca2＋）>r（Na＋）>r（Mg2＋）>r（Al3＋）>r（Li＋），故C正确，A错误；B中Li>Na，D中Al>Mg>Ba。
二、金属晶体的堆积方式
1.二维空间的堆积模型
金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。
把它们放置在平面上（即二维空间里），可有两种方式——非密置层和密置层（如下图所示）。
（1）晶体中一个原子周围距离相等且最近的原子的数目叫配位数。
分析上图非密置层的配位数是4，密置层的配位数是6。
（2）密置层放置，平面的利用率比非密置层的要高。
2.三维空间的堆积模型
（1）非密置层在三维空间堆积
①简单立方堆积
将非密置层球心对球心地垂直向上排列，这样一层一层地在三维空间里堆积，就得到简单立方堆积（如下图所示）。
金属晶体的堆积方式——简单立方堆积
这种堆积方式形成的晶胞是一个立方体，每个晶胞含一个原子，这种堆积方式的空间利用率为52%，配位数为6，这种堆积方式的空间利用率太低，只有金属钋（Po）采取这种堆积方式。
②体心立方堆积
非密置层的另一种堆积方式是将上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中，并使非密置层的原子稍稍分离，每层均照此堆积，如下图所示。
碱金属和铁原子都采取此类堆积方式，这种堆积方式又称钾型堆积。
金属晶体的堆积方式——体心立方堆积
这种堆积方式可以找出立方晶胞，空间利用率比简单立方堆积高得多，达到68%，每个球与上、下两层的各4个球相接触，故配位数为8。
（2）密置层在三维空间堆积
密置层的原子按体心立方堆积的方式堆积，会得到两种基本堆积方式——六方最密堆积和面心立方最密堆积。
这两种堆积方式都是金属晶体的最密堆积，配位数均为12，空间利用率均为74%，但所得晶胞的形式不同（如下图所示）。
六方最密堆积 面心立方最密堆积
①六方最密堆积
六方最密堆积如下图所示，重复周期为两层，按ABABABAB……的方式堆积。
由于在这种排列方式中可划出密置层六方晶胞，称为六方最密堆积，Mg、Zn、Ti都是采用这种堆积方式。
②面心立方最密堆积
面心立方最密堆积如上图所示，按ABCABCABC……的方式堆积。
由于在这种排列中可以划出面心立方晶胞，故称这种堆积方式为面心立方最密堆积。
Cu、Ag、Au等均采用此类堆积方式。
（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）常见的堆积模型
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
方堆积
Na、K、Fe
8
68%
2
密
置
层
六方最
密堆积
Mg、Zn、Ti
12
74%
2
面心立
方最密
堆积
Cu、Ag、Au
12
74%
4
例3
下列关于金属晶体的堆积模型的说法正确的是（ ）
A.金属晶体中的原子在二维空间有三种放置方式
B.金属晶体中非密置层在三维空间可形成两种堆积方式，其配位数都是6
C.镁型堆积和铜型堆积是密置层在三维空间形成的两种堆积方式
D.金属晶体中的原子在三维空间的堆积有多种方式，其空间利用率相同
【考点】金属晶体的原子堆积模型及相关计算
【题点】金属晶体的原子堆积模型
答案 C
解析 A项，金属晶体中的原子在二维空间只有非密置层和密置层两种放置方式；B项，非密置层在三维空间可以形成简单立方堆积和体心立方堆积两种堆积方式，其配位数分别是6和8；D项，金属晶体中的原子在三维空间有四种堆积方式，其中镁型和铜型堆积的空间利用率较高。
例4
金晶体是面心立方体，立方体的每个面上5个金原子紧密堆砌（如图，其余各面省略），金原子半径为Acm。
求：
（1）金晶体中最小的一个立方体含有________个金原子。
（2）金的密度为________g·cm－3（用带A的计算式表示）。
（3）金原子空间占有率为________（Au的相对原子质量为197，用带A的计算式表示）。
【考点】金属晶体的原子堆积模型及相关计算
【题点】金属晶胞的相关计算
答案
（1）4
（2）
（3）0.74（或74%）
解析
（1）根据晶胞结构可知，金晶体中最小的一个立方体含有金原子数目为8×
＋6×
＝4。
（2）金原子半径为Acm，则晶胞中面对角线是4Acm，所以晶胞的边长是2
Acm，所以
×NA＝4，解得ρ＝
。
（3）晶胞的体积是（2
A）3，而金原子占有的体积是4×
πA3，所以金原子空间占有率为
＝
≈74%。
三、混合晶体——石墨
1.结构特点——层状结构
（1）同层内，碳原子采用sp2杂化，以共价键相结合形成正六边形平面网状结构。
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）层与层之间以范德华力相结合。
2.晶体类型：
石墨晶体中，既有共价键，又有金属键和范德华力，属于混合晶体。
石墨的性质
（1）导电性、导热性：
石墨晶体中，形成大π键的电子可以在整个碳原子平面上运动，比较自由，相当于金属中的自由电子，类似金属键的性质，所以石墨能导电、导热，并且沿层的平行方向导电性强，这也是晶体各向异性的表现。
（2）润滑性：
石墨层间作用力为范德华力，结合力弱，层与层间可以相对滑动，使之具有润滑性，因而可以作润滑剂、铅笔芯等。
例5
碳元素的单质有多种形式，如图所示，依次是C60、石墨和金刚石的结构图：
回答下列问题：
（1）金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，它们互为________。
（2）金刚石、石墨烯（指单层石墨）中碳原子的杂化形式分别为________、________。
（3）C60属于________晶体，石墨属于________晶体。
（4）石墨晶体中，层内C—C键的键长为142pm，而金刚石中C—C键的键长为154pm。
其原因是金刚石中只存在C—C间的________共价键，而石墨层内的C—C间不仅存在________共价键，还有________键。
答案
（1）同素异形体
（2）sp3 sp2 （3）分子 混合 （4）σ σ π（或大π或p-pπ）
解析
（1）金刚石、石墨、C60、碳钠米管都是由同种元素形成的不同单质，故它们互为同素异形体。
（2）在金刚石中，每个碳原子都形成四个共价单键，故碳原子的杂化方式为sp3；石墨烯中碳原子采用sp2杂化。
（3）一个“C60”就是一个分子，故C60属于分子晶体；石墨层与层之间是范德华力，而同一层中碳原子之间是共价键，故形成的晶体为混合晶体。
（4）在金刚石晶体中，碳原子之间只形成共价单键，全部为σ键；在石墨层内的碳原子之间既有σ键又有π键。
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.自由电子与金属原子之间的相互作用
【考点】金属键和金属晶体
【题点】金属键概念及本质
答案 A
解析 金属晶体由金属阳离子与自由电子构成，微粒间的作用力称为金属键。
2.下列性质体现了金属通性的是（ ）
A.铁能够被磁铁磁化
B.铝在常温下不溶于浓硝酸
C.铜有良好的延展性、导热性和导电性
D.钠与水剧烈反应放出氢气
【考点】金属键和金属晶体
【题点】金属晶体的通性及解释
答案 C
解析 金属通性指的是金属的某些共有的性质，如“不透明、有金属光泽、有延展性、导热性、导电性”等。
3.下列物质的熔点依次升高的是（ ）
A.Mg、Na、KB.Na、Mg、Al
C.Na、Rb、CaD.铝、铝硅合金
【考点】金属键和金属晶体
【题点】金属晶体的物理性质及其影响因素
答案 B
解析 A项中K＋、Na＋、Mg2＋的半径依次减小，Mg2＋的电荷数比K＋、Na＋的大，故各物质熔点的顺序为K4.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
【考点】金属晶体的综合
【题点】金属晶体结构与性质的综合
答案 D
解析 根据金属晶体的电子气理论，可知A、B项正确；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。
5.石墨晶体是层状结构，在每一层内，每个碳原子都跟其他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（ ）
A.10B.18 C.24D.14
答案 D
解析 每个六元环平均占有的碳原子数为6×
＝2，7个六元环完全占有的碳原子数为2×7＝14。
【考点】 混合晶体——石墨
【题点】 石墨的结构
6.金属晶体的原子堆积方式常有以下四种，请认真观察模型，回答下列问题：
（1）四种堆积模型的堆积名称依次是_________、_________、_________、_________。
（2）图甲方式的堆积，空间利用率为__________，只有金属________（填元素符号）采用这种堆积方式。
（3）图乙与图丙两种堆积方式中金属原子的配位数__________（填“相同”或“不相同”），图乙的空间利用率为__________。
（4）采取图丁堆积方式的金属通常有________________（任写三种金属元素的符号），每个晶胞中所含有的原子数为________个。
【考点】金属晶体的原子堆积模型及相关计算
【题点】金属晶体的原子堆积模型
答案
（1）简单立方堆积 六方最密堆积 面心立方最密堆积 体心立方堆积
（2）52% Po （3）相同 74% （4）K、Na、Fe（合理即可） 2
解析
（1）图甲的堆积方式是将非密置层的金属原子上下对齐，形成的晶胞是1个立方体，在立方体的每个顶角有1个金属原子，称为简单立方堆积。
图乙和图丙都是密置层原子的堆积方式，图乙中上A层和下A层的3个原子组成的三角形方向相同，称为六方最密堆积。
图丙中A层和C层的3个原子组成的三角形方向相反，称为面心立方最密堆积。
图丁的堆积方式是将非密置层的上层金属原子填入下层金属原子形成的凹穴中，每层均照此堆积，形成的晶胞是1个立方体，在立方体的每个顶角有1个金属原子，立方体的中心含有1个金属原子，称为体心立方堆积。
（2）简单立方堆积的空间利用率最低，为52%，采取这种堆积方式的只有Po。
（3）图乙和图丙两种堆积方式中，金属原子的配位数均为12，且其空间利用率均为74%。
（4）图丁是体心立方堆积，采取这种堆积方式的金属有K、Na、Fe等。
用均摊法可求得每个晶胞中含有金属原子的个数为1＋8×
＝2。
[对点训练]
题组一 金属键与金属晶体的概念
1.下列有关金属键的叙述错误的是（ ）
A.金属键没有饱和性和方向性
B.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
C.金属键中的价电子属于整块金属
D.金属的性质及金属固体的形成都与金属键有关
【考点】金属键和金属晶体
【题点】金属键概念及本质
答案 B
解析 金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共有，从而把所有的金属原子维系在一起，故金属键无饱和性和方向性，A正确；金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈作用，既包括金属阳离子与自由电子之间的静电吸引作用，也包括金属阳离子之间及自由电子之间的静电排斥作用，B错误；金属键中的价电子属于整块金属，C正确；金属的性质及金属固体的形成都与金属键的强弱有关，D正确。
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
【考点】金属键和金属晶体
【题点】金属键概念及本质
答案 D
解析 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
就是阴离子，D正确。
3.下列金属晶体中，自由电子与金属阳离子间作用最弱的是（ ）
A.KB.NaC.MgD.Al
【考点】金属键和金属晶体
【题点】金属键概念及本质
答案 A
题组二 金属晶体的物理特性
4.金属能导电的原因是（ ）
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
【考点】金属键和金属晶体
【题点】金属晶体的通性及解释
答案 B
解析 根据电子气理论，价电子是属于整个晶体的，在外加电场作用下，发生定向移动从而导电，B项正确。
5.金属的下列性质中，与自由电子无关的是（ ）
A.密度大小B.容易导电
C.延展性好D.易导热
【考点】金属键和金属晶体
【题点】金属晶体的物理性质及其影响因素
答案 A
解析 密度大小与自由电子无关，A符合题意；容易导电，是由于自由电子在外加电场作用下的定向移动形成电流，B不符合题意；金属发生形变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不符合题意；金属内自由电子和金属阳离子发生碰撞，引起能量交换，所以易导热，D不符合题意。
6.可用自由电子与金属离子的碰撞中有能量传递来解释的物理性质是（ ）
A.金属是热的良导体B.金属是电的良导体
C.金属有良好的延展性D.有金属光泽，不透明
【考点】金属键和金属晶体
【题点】金属晶体的物理性质及其影响因素
答案 A
解析 金属中的自由电子受热后运动速率增大，与金属离子碰撞频率增大，有能量传递，故金属有良好的导热性，A正确。
题组三 金属晶体的原子堆积模型
7.已知某金属单质（如碱金属）晶体中原子堆积方式如图所示，则该堆积方式是（ ）
A.简单立方堆积B.体心立方堆积 C.六方最密堆积D.面心立方最密堆积
【考点】金属晶体的原子堆积模型及相关计算
【题点】金属晶体的原子堆积模型
答案 B
8.关于如图不正确的说法是（ ）
A.此种最密堆积为面心立方最密堆积
B.该种堆积方式称为铜型
C.该种堆积方式可用符号……ABCABC……表示
D.该种堆积方式称为镁型
【考点】金属晶体的原子堆积模型及相关计算
【题点】金属晶体的原子堆积模型
答案 D
解析 从图示可看出，该堆积方式的第一层和第四层重合，所以这种堆积方式属于铜型堆积，这种堆积方式可用符号“…ABCABC…”表示，属于面心立方最密堆积，而镁属于六方最密堆积，所以选项D不正确。
9.如图所示为体心立方堆积晶体的晶胞结构，下列叙述正确的是（ ）
A.属于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
【考点】金属晶体的原子堆积模型及相关计算
【题点】金属晶胞的相关计算
答案 C
解析 体心立方堆积晶体的晶胞为立方体，是非密置层的一种堆积方式，晶胞内含有8×
＋1＝2个原子。
10.如图所示，铁有δ、γ、α三种同素异形体，三种晶体在不同温度下可以发生转化。
下列说法正确的是（ ）
A.三种同素异形体的性质相同
B.γ-Fe晶体中与每个铁原子距离最近且相等的铁原子有6个
C.α-Fe晶体中与每个铁原子距离最近且相等的铁原子有6个
D.将铁加热到1500℃分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型相同
【考点】金属晶体的综合
【题点】金属晶体结构与性质的综合
答案 C
解析 由于三种同素异形体的结构不同，所以三者的性质差异很大，A项错误；γ-Fe晶体中与每个铁原子距离最近且相等的铁原子数为12，B项错误；α-Fe晶体中与每个铁原子距离最近且相等的铁原子数为6，C项正确；将铁加热到1500℃分别急速冷却和缓慢冷却，会得到晶体类型不相同的铁，D项错误。
题组四 混合晶体——石墨
11.金刚石和石墨是碳的两种常见单质，下列关于两种晶体的比较正确的是（ ）
A.两种晶体中碳原子的杂化类型相同
B.晶体的熔点：
金刚石>石墨
C.晶体中共价键的键角：
金刚石>石墨
D.金刚石晶体中只含有共价键，石墨晶体中则存在共价键、金属键和范德华力
答案 D
12.氮化硼（BN）晶体有多种相结构。
六方相氮化硼是通常存在的稳定相，与石墨相似，具有层状结构，可作高温润滑剂；立方相氮化硼是超硬材料，有优异的耐磨性。
它们的晶体结构如图所示，下列关于这两种晶体的说法正确的是（ ）
A.六方相氮化硼与石墨一样可以导电
B.立方相氮化硼含有σ键和π键，所以硬度大
C.两种晶体均为分子晶体
D.六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的立体构型为平面三角形
答案 D
解析 A项，六方相氮化硼晶体中没有可以自由移动的电子或离子，所以不导电，错误；B项，立方相氮化硼中只含有σ键，错误；C项，六方相氮化硼与石墨相似属于混合晶体，立方相氮化硼是原子晶体，错误；D项，由六方相氮化硼的晶体结构可知，每个硼原子与相邻3个氮原子构成平面三角形，正确。
【考点】混合晶体——石墨
【题点】晶体结构与性质的
[综合强化]
13.
（1）如图所示为二维平面晶体示意图，所表示的化学式为AX3的是______（填字母）。
（2）将等径圆球在二维空间里进行排列，可形成密置层和非密置层，在图1所示的半径相等的圆球的排列中，A属于_____层，配位数是_____；B属于_____层，配位数是_____。
（3）将非密置层一层一层地在三维空间里堆积，得到如图2所示的一种金属晶体的晶胞，它被称为简单立方堆积，在这种晶体中，金属原子的配位数是________，平均每个晶胞所占有的原子数目是________。
（4）有资料表明，只有钋的晶体中的原子具有如图2所示的堆积方式，钋位于元素周期表的第_______周期_______族，元素符号是_______，最外电子层的电子排布式是_______。
【考点】金属晶体的原子堆积模型及相关计算
【题点】金属晶体的原子堆积模型
答案
（1）b
（2）非密置 4 密置 6 （3）6 1 （4）六 ⅥA Po 6s26p4
14.
（1）石墨晶体由层状石墨“分子”按ABAB方式堆积而成，如图甲所示，图中用虚线标出了石墨的一个六方晶胞。
该晶胞中含有的碳原子数为________。
（2）石墨烯是一种由单层碳原子构成的平面结构新型碳材料，如图乙所示。
1mol石墨烯中含有的六元环个数为________，下列有关石墨烯的说法正确的是________（填字母）。
a.晶体中碳原子间全部是碳碳单键
b.石墨烯中所有碳原子可以处于同一个平面
c.从石墨中剥离得到石墨烯需克服分子间作用力
（3）金刚石晶胞如图丙所示，则金刚石晶胞中原子的配位数为________，原子空间利用率为________。
答案
（1）4
（2）0.5NA bc
（3）4 34%
解析
（1）由题图甲可知，石墨晶胞中处于顶点的8个碳原子分为两种，其中4个被6个晶胞共有，4个被12个晶胞共有；处于棱上的4个碳原子也分为两种，其中2个被3个晶胞共有，2个被6个晶胞共有；处于面上的2个碳原子分别被2个晶胞共有；晶胞内还有1个碳原子，所以每个六方晶胞中含有的碳原子数为4×
＋4×
＋2×
＋2×
＋2×
＋1＝4。
（2）由题图乙可知，石墨烯中六个碳原子组成一个环，每个碳原子属于三个环，相当于两个碳原子组成一个环，1mol碳原子组成的环的个数为0.5NA。
根据碳原子成键特点，每个碳原子形成两个碳碳单键和一个碳碳双键；石墨烯中所有碳原子可以
升级会员 