《金屬鍵金屬晶體》學案

7/13專題3微粒間作用力與物質(zhì)性質(zhì)第一單元金屬鍵金屬晶體課前預習問題導入金屬的晶體結(jié)構(gòu)怎樣決定金屬的物理性質(zhì)？答：（1）金屬晶體具有良好的導電性、導熱性。這是由于自由電子在外加電場的作用下發(fā)生定向移動，形成電流，使金屬晶體具有良好的導電性；而自由電子在運動過程中通過碰撞進行能量傳遞，使金屬晶體具有良好的導熱性。（2）金屬晶體具有良好的延展性。這是由于自由電子在金屬晶體內(nèi)可以自由運動，當金屬受到外力作用，被拉成細絲或壓成薄片時，雖然各層之間發(fā)生了相對滑動，但自由電子跟金屬陽離子之間的較強的相互作用沒有改變，因而不致發(fā)生斷裂。（3）金屬的熔點、硬度等取決于金屬晶體內(nèi)部作用力的強弱。一般來說，金屬原子的價電子數(shù)越多，原子半徑越小，金屬晶體內(nèi)部作用力越強。因而晶體熔點越高、硬度越大。說明：①金屬的延展性是相對的，有限度的。②金屬晶體的顏色不盡相同，大多數(shù)是銀白色，有的為其他顏色。如銅為紅色，鉛為藍白色，金為黃色。金屬晶體的熔沸點、硬度更是多種多樣。如堿金屬的熔沸點和硬度都很低，像鎢等熔點又很高。知識預覽1.金屬鍵的概念______________________________。2.金屬鍵的特征是無__________、無__________。3.金屬鍵的強度主要決定于__________和__________。金屬元素的__________越小、__________越多，金屬鍵越強。金屬晶體是原子間通過____________________形成的一類晶體。金屬晶體常溫下除____________________外都是固體。4.金屬晶體和金屬晶體的原子堆積模型(1)二維空間模型金屬原子的二維平面放置有__________和__________兩種，其配位數(shù)分別為__________、__________。(2)三維空間模型①簡單立方堆積相鄰非密置層原子的原子核在一條直線上堆積，形成的晶胞是一個__________，每個晶胞含__________個原子。這種堆積方式空間利用率低，只有金屬__________是這種堆積方式。②鉀型它是另一種非密置層堆積方式，將上層金屬填入下層金屬原子形成的凹穴中。這種堆積方式比__________空間利用率高。如__________就是這種堆積方式。③鎂型它屬于__________原子按鉀型堆積方式堆積。方式為__________。配位數(shù)為__________，空間利用率為__________。④銅型它屬于密置原子按鉀型堆積的另一種堆積方式。方式為__________。課堂互動三點剖析一、金屬鍵與金屬特性1.金屬鍵的實質(zhì)金屬鍵的實質(zhì)也是一種電性作用：在金屬固體中，由于金屬元素的電離能和電負性較小，金屬原子的價電子容易脫離原子核的束縛在金屬陽離子之間“自由”運動，即成為“自由電子”。正是由于“自由電子”在整個金屬固體中不停地運動，使得體系的能量大大降低，把金屬離子緊緊地結(jié)合在一起。這種在金屬陽離子和“自由電子”之間存在的強烈的相互作用，叫做金屬鍵。2.金屬鍵的特征金屬鍵沒有方向性和飽和性；金屬鍵中的電子在整個三維空間運動，屬于整塊金屬。3.金屬鍵與金屬性質(zhì)之間的關(guān)系由于金屬晶體中有“自由電子”，所以當可見光照射到金屬表面上時，“自由電子”能夠吸引所有頻率的光并很快放出，使得金屬不透明并具有金屬光澤。當把金屬導線接到電源的正、負極時，有了電勢差，“自由電子”就沿導線由負極向正極流動形成電流，使金屬顯示出導電性。同樣，當金屬中有溫度差時，不停運動著的“自由電子”通過它們與金屬離子間的碰撞，把能量由高溫處傳向低溫處，使金屬顯示出導熱性。4.影響金屬鍵強弱的因素影響金屬鍵強弱的主要因素有金屬元素的原子半徑、單位體積內(nèi)自由電子的數(shù)目等。一般地，金屬元素的原子半徑越小，單位體積內(nèi)自由電子的數(shù)目越大，金屬鍵就越強，金屬晶體的硬度就越大，熔沸點就越高。如鋰的金屬鍵強于鈉的金屬鍵，與金屬鈉相比較，鋰的熔點較高，硬度較大。二、金屬晶體金屬晶體是由按一定規(guī)律緊密堆積的金屬陽離子和自由電子通過金屬鍵而構(gòu)成的晶體。金屬晶體的結(jié)構(gòu)形式可歸結(jié)為等徑圓球的密堆積。金屬晶體的性質(zhì)不僅取決于金屬鍵，而且與晶體中金屬原子的堆積方式有關(guān)。金屬原子只有少數(shù)的價電子能用于成鍵，這樣少的價電子不足以使金屬晶體中原子間形成正規(guī)的共價鍵或離子鍵，因此金屬在形成晶體時傾向于組成極為緊密的結(jié)構(gòu)，使每個原子擁有盡可能多的相鄰原子（通常是8個或12個原子），這樣電子的能級可以盡可能多的重疊，從而形成“少電子多中心”鍵，金屬的這種結(jié)構(gòu)形式，已為金屬的X射線衍射圖譜所證實。在金屬中最常見的三種晶格是：（1）配位數(shù)為8的體心立方晶格——鉀型；（2）配位數(shù)為12的面心立方緊堆晶胞——銅型；（3）配位數(shù)為12的立方緊堆晶胞——鎂型。另外，科學家還發(fā)現(xiàn)Po這種金屬的堆積方式是簡單立方堆積——8個Po原子在立方晶格的8個頂點上。所謂緊堆晶胞是指金屬晶體以圓球狀的金屬原子一個挨一個地緊密堆積在一起而組成的。這些圓球形原子在空間的排列形式是使在一定體積的晶體內(nèi)含有最多數(shù)目的原子，這種結(jié)構(gòu)形式就是緊堆結(jié)構(gòu)，是晶體的最緊密的結(jié)構(gòu)形式，圓球在全部體積中占74%，其余為晶體空隙。在體心立方（鉀型）晶格中，圓球在全部體積中僅占68%，所以可以認為它不是緊堆結(jié)構(gòu)；而Po金屬晶體的堆積中圓球在全部體積中僅占52%，所以它也不是緊堆結(jié)構(gòu)。各個突破【例1】物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論推出：金屬晶體中金屬離子與自由電子之間的強烈相互作用，叫金屬鍵。金屬鍵越強，其金屬的硬度越大，熔沸點越高，且據(jù)研究表明，一般說來金屬原子半徑越小，價電子數(shù)越多，則金屬鍵越強，由此判斷下列說法錯誤的是（）A.鎂的硬度大于鋁B.鎂的熔沸點低于鈣C.鎂的硬度大于鉀D.鈣的熔沸點高于鉀解析：本題為信息給予題，主要考查自學能力、思維能力和原子結(jié)構(gòu)知識。根據(jù)題目所給予信息：鎂和鋁的電子層數(shù)相同，價電子：Al＞Mg，離子半徑：Al3+＜Mg2+，Al的硬度大于鎂；鎂、鈣電子數(shù)相同，但半徑Ca＞Mg，金屬鍵強弱Mg＞Ca，所以B選項不正確，用以上比較方法可推出：電荷數(shù)Mg2+＞K+；離子半徑：Mg2+＜Na+＜K+。所以金屬鍵：Mg＞K，硬度：Mg＞K，所以C選項正確。鈣和鉀元素位于同一周期，價電子數(shù)：Ca＞K；電荷數(shù)：Ca2+＞K+；離子半徑：K+＞Ca2+，金屬鍵：Ca＞K；熔點：Ca＞K，所以D選項正確。答案：AB類題演練1試比較下列金屬熔點的高低，并用金屬鍵的知識解釋。（1）NaMgAl（2）LiNaKRbCs解析：（1）離子半徑Na+＞Mg2+＞Al3+，而離子電荷Na+＜Mg2+＜Al3+，金屬晶體中，離子半徑越小，電荷數(shù)越大，金屬鍵越強，金屬晶體的熔點越高。（2）Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+的離子電荷數(shù)相同，離子半徑Li+＜Na+＜K+＜Rb+＜Cs+，金屬鍵Li＞Na＞K＞Rb＞Cs。所以熔點逐漸變小。答案：（1）熔點：Na＜Mg＜Al（2）熔點：Li＞Na＞K＞Rb＞Cs【例2】金屬的下列性質(zhì)中，能用金屬晶體結(jié)構(gòu)加以解釋的是（）①容易導電②容易導熱③有延展性④易銹蝕A.②④B.①②④C.①②③④D.①②③解析：金屬容易導電是因為晶體中存在許多自由電子，這些自由電子的運動是沒有方向性的，但在外加電場作用下，自由電子就會發(fā)生定向移動形成電流；容易導熱是因為自由電子在運動時經(jīng)常與金屬離子碰撞而引起能量的交換，從而能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分，使整塊金屬達到相同的溫度；有延展性是因為金屬離子和自由電子之間的較強作用，當金屬受到外力時，晶體中的各離子層就會發(fā)生相對滑動，但由于金屬離子和自由電子之間的相互作用沒有方向性，受到外力后相互作用沒有被破壞，故雖發(fā)生形變，但不會導致斷裂；易銹蝕是因為金屬易被氧化變?yōu)榻饘訇栯x子，與金屬晶體結(jié)構(gòu)無關(guān)。所以答案為D。答案：D類題演練2按下列四種有關(guān)性質(zhì)的敘述，可能屬于金屬晶體的是（）A.由分子間作用力結(jié)合而成，熔點很低B.固體或熔融后易導電，熔點在1000℃左右C.由共價鍵結(jié)合成網(wǎng)狀晶體，熔點很高D.固體不導電，但溶于水或熔融后能導電解析：A為分子晶體；B中固體能導電，熔點在1000℃左右，不是很高，排除石墨等固體，應為金屬晶體；C為原子晶體；D為離子晶體。答案：B變式提升3下列物質(zhì)的熔沸點依次升高的是（）A.Na,Mg,AlB.Na,Rb,CsC.Mg,Na,KD.鋁、硅鋁合金、單晶硅解析：金屬陽離子半徑越小，所帶電荷越多，自由電子越多，相互作用力就越大，熔沸點就會相應升高，因此Al>Mg>Na>K>Rb>Cs;而合金的熔點一般比組成它的各成分金屬的熔點都低，因此D也錯誤。答案：A課后集訓基礎過關(guān)1.下列晶體直接由原子構(gòu)成的單質(zhì)有（）A.白磷 B.氦氣C.金剛石 D.金屬鎂2.在金屬晶體中，如果金屬原子的價電子數(shù)越多，原子半徑越小，自由電子與金屬陽離子間的作用力越大，金屬的熔沸點越高。由此判斷下列各組金屬熔沸點高低順序，其中正確的是（）A.Mg>Al>Ca B.Al>Na>LiC.Al>Mg>Ca D.Mg>Ba>Al3.某固體僅由一種元素組成，其密度為5.0g·cm-3，用X射線研究該固體的結(jié)構(gòu)時得知：在邊長10-7cm的正方體中含有20個原子，則此元素的相對原子質(zhì)量最接近下列數(shù)據(jù)中的（）A.32 B.120 C.150 D.1804.下列關(guān)于金屬晶體的敘述正確的是（）A.常溫下，金屬單質(zhì)都以金屬晶體形式存在B.金屬離子與自由電子之間的強烈作用，在一定外力作用下，不因形變而消失C.鈣的熔沸點低于鉀D.溫度越高，金屬的導電性越好5.金屬的下列性質(zhì)中，與自由電子無關(guān)的是（）A.密度大小 B.容易導電C.延展性好 D.易導熱6.鋁硅合金（含硅13.5%)在凝固時收縮率很小，因而這種合金適合于鑄造?，F(xiàn)有下列三種晶體：①鋁②硅③鋁硅合金，它們的熔點從低到高的順序是（）A.①②③ B.②①③C.③②① D.③①②7.下列敘述正確的是（）A.同周期金屬的原子半徑越大熔點越高B.同周期金屬的原子半徑越小熔點越高C.同主族金屬的原子半徑越大熔點越高D.同主族金屬的原子半徑越小熔點越高8.在單質(zhì)的晶體中一定不存在的粒子是（）A.原子 B.分子 B.陰離子 D.陽離子9.金屬能導電的原因是（）A.金屬晶體中金屬陽離子與自由電子間的相互作用較弱B.金屬晶體中的自由電子在外加電場作用下發(fā)生定向移動C.金屬晶體中的金屬陽離子在外加電場作用下可發(fā)生定向移動D.金屬晶體在外加電場作用下可失去電子10.某物質(zhì)熔融狀態(tài)可導電，固態(tài)可導電，將其投入水中水溶液也可導電，則可推測該物質(zhì)可能是（）A.金屬 B.非金屬C.可溶性堿 D.可溶性鹽11.合金有許多特點，如NaK合金為液體，而Na和K的單質(zhì)均為固體。據(jù)此，試推測：生鐵、純鐵、碳三種物質(zhì)中，熔點最低的是（）A.純鐵 B.生鐵 C.碳 D.無法確定12.在核電荷數(shù)1～18的元素中，其單質(zhì)屬于金屬晶體的有__________；金屬中，密度最小的是__________，地殼中含量最多的是__________，熔點最高的是__________，既能與酸反應又能與堿反應的金屬元素是__________，單質(zhì)還原性最強的是__________。綜合運用13.根據(jù)下列報道和所學知識完成下列各題。（2005年7月4日北京時間上午1點50分，美國“深度撞擊”號飛船釋放的探測器以大約每小時3.67萬千米的高速撞擊坦普爾1號彗星。“深度撞擊”號探測器的總重量為372千克，分為飛越艙和撞擊艙兩部分，撞擊艙重113千克，主要是一塊銅合金錐體?！吧疃茸矒簟笔瑰缧潜砻娴募毞蹱钏樾简v空而起。這些細粉狀碎屑中含有水、二氧化碳和簡單有機物。（1）構(gòu)成撞擊艙的銅合金中含有的化學鍵是（）A.共價鍵 B.金屬鍵 C.離子鍵 D.配位鍵（2）“深度撞擊”號探測器的撞擊艙選用銅作主要材料，與銅的性質(zhì)有密切關(guān)系。你認為下列說法中一定錯誤的是（）A.銅是較活潑金屬，利用銅燃燒產(chǎn)生巨大的能量來引爆彗星B.銅對撞擊時的觀測產(chǎn)生的干擾小，并且也不會留下殘余物而妨礙未來的觀測C.銅合金中的化學鍵作用強，保證了可用其制造結(jié)構(gòu)上足夠“硬”的撞擊器D.銅有較好的穩(wěn)定性、較大的密度，其合金的硬度較大，這些都是銅“入選”的理由（3）彗星表面的水和二氧化碳以固體形態(tài)存在，“深度撞擊”使它們部分發(fā)生氣化，在冰和干冰的氣化過程中，它們（）A.分子內(nèi)的化學鍵和分子間的范德瓦爾斯力均發(fā)生變化B.分子內(nèi)的化學鍵發(fā)生變化，范德瓦爾斯力不變C.分子內(nèi)的化學鍵不變，范德瓦爾斯力發(fā)生變化D.分子內(nèi)的化學鍵和分子間的范德瓦爾斯力均沒發(fā)生變化14.最近，德國科學家實現(xiàn)了銣原子氣體超流體態(tài)與絕緣態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換，該成果將在量子計算機研究方面帶來重大突破。已知銣是37號元素，質(zhì)量數(shù)是85。根據(jù)材料完成下列問題：（1）銣Rb37位于周期表的第__________周期、第__________族。（2）關(guān)于銣的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)判斷正確的是（）①與水反應比鈉強烈②它的原子半徑比鈉?、鬯难趸锉┞对诳諝庵幸孜誄O2④它的陽離子最外層電子數(shù)和鎂相同⑤它是還原劑A.①③④ B.②③⑤C.②④ D.①③⑤(3)氫化銣與水反應可放出氫氣，則下列敘述正確的是（）A.氫化銣溶于水顯酸性B.氫化銣中氫離子被還原為氫氣C.氫化銣與水反應時，水是還原劑D.氫化銣中氫離子最外層有兩個電子（4）現(xiàn)有銣和另一種堿金屬形成的合金50g，當它與足量水反應時，放出標準狀況下的氫氣22.4L，這種堿金屬可能是（）A.Li B.Na C.K D.Cs15.(教材變型題）判斷下列晶體類型：（1）SiI4:熔點120.5℃，沸點271.5℃，易水解____________________。（2）硼：熔點2300℃，沸點2550℃，硬度大__________。（3）硒：熔點217℃，沸點685℃，溶于氯仿__________。（4）銻：熔點630.74℃,沸點1750℃，導電__________。16.（新信息題）金和銅可以形成多種金屬化合物，其中一種的晶體結(jié)構(gòu)如圖所示（為面心立方結(jié)構(gòu)）。（1）該金屬化合物的化學式__________。（2）已知Au的相對原子質(zhì)量為197，Cu的相對原子質(zhì)量為64,阿伏加德羅常數(shù)為Namol-1，若該化合物的密度為dg·cm-3，試計算兩個最近金原子的核間距。17.金晶體的最小重復單元（也稱晶胞）是面心立方體，即在立方體的8個頂點各有一個金原子，各個面的中心有一個金原子，每個金原子被相鄰的晶胞所共有（如圖）。金原子的直徑為d，用Na表示阿伏加德羅常數(shù)，M表示金的摩爾質(zhì)量。（1）金晶體每個晶胞中含有__________個金原子。（2）欲計算一個晶胞的體積，除假定金原子是剛性小球外，還應假定_______。（3）一個晶胞的體積是多少？（4）金晶體的密度是多少？

參考答案知識預覽1.金屬離子與自由電子之間的強烈的相互作用2.方向性飽和性3.金屬元素原子的半徑價電子數(shù)原子半徑單位體積內(nèi)自由電子的數(shù)目金屬鍵汞4.（1）非密置層密置層46（2）①立方體1釙（Po)②簡單立方堆積堿金屬③密置層ABABAB1274%④ABCABCABC課后集訓1.解析：白磷由P4分子構(gòu)成，金屬鎂由Mg2+和自由電子構(gòu)成，都不符合題意。而金剛石由碳原子構(gòu)成，氦氣為單原子分子，應為正確答案。答案：BC2.解析：電荷數(shù)：Al3+>Mg2+=Ca2+=Ba2+>Li+=Na+，金屬陽離子半徑：r(Ba2+)>r(Ca2+)>r(Na+)>r(Mg2+)>r(Al3+)>r(Li+)，則A和C中，C正確。B中Li>Na，D選項中Al>Mg>Ba，都不符合題意。答案：C3.解析：M=Vm·ρ=×6.02×1023mol-1×5.0g·cm-3=150g·mol-1,故Mr=150。答案：C4.解析：常溫下，Hg為液態(tài)，不屬于晶體形式，故A不正確。因為金屬鍵沒有方向性，因此金屬鍵在一定范圍內(nèi)不因形變而消失，這實際上是金屬有延展性的原因，B正確。鈣的金屬鍵應強于K，故熔沸點應高于K，C不正確。溫度高，金屬離子的熱運動加強，對自由電子的移動造成阻礙，導電性減弱，故D不正確。答案：B5.解析：對于金屬，其易導電、導熱性及延展性均與自由電子有關(guān)。答案：A6.解析：三種晶體中，一般合金的熔點低于組成的金屬單質(zhì)熔點，而鋁與硅比較，硅屬于原子晶體，具有較高的熔點，故答案為D。答案：D7.解析：金屬晶體的熔沸點與金屬陽離子的半徑和原子最外層電子數(shù)有關(guān)，陽離子半徑越大，原子最外層電子數(shù)越少，熔沸點越低。答案：BD8.解析：單質(zhì)晶體可能有：硅、金剛石——原子晶體，P、S、Cl2——分子晶體，Na,Mg——金屬晶體，在這些晶體中，構(gòu)成晶體的粒子分別是原子、分子、金屬離子和自由電子。C中陰離子只有存在于離子晶體中，構(gòu)成離子晶體的粒子是陰、陽離子，所以離子晶體不可能形成單質(zhì)晶體。答案：C9.解析：金屬原子失去電子后變?yōu)榻饘匐x子，失去的電子稱為自由電子，自由電子可以在金屬晶體中自由移動，在外加電場的作用下，自由電子就會定向移動而形成電流。答案：B10.解析：非金屬在熔融狀態(tài)不導電，所以B錯誤；可溶性堿、可熔性鹽屬于離子化合物，在固態(tài)時不導電，所以C、D也錯誤。符合條件的只有A，如鈉、鉀等。答案：A11.解析：合金的熔沸點低于其各組分的熔沸點。答案：B12.解析：金屬元素在元素周期表中的位置，一般可根據(jù)周期、族和主族序數(shù)來推斷。