2024-2025學年高中化學第3章晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第3節(jié)金屬晶體學案新人教版選修3

PAGE11-第三節(jié)金屬晶體激趣入題·情境呈現(xiàn)在廣東省某一山區(qū)的村寨里，前些年連續(xù)誕生的凈是女孩，人們急了，照這樣下去，這個地區(qū)豈不變成女兒國了嗎？有的人求神拜佛，也無濟于事。有位風水老者說道：“地質(zhì)隊在后龍山尋礦，把龍脈破壞了，這是風水的報應?。　庇谑?，迷信的村民想方設(shè)法地找到了原來在此地探礦的地質(zhì)隊，鬧著要他們賠“風水”。地質(zhì)隊又回到了這個山寨，進行了深化的調(diào)查，最終找到了緣由。原來是在探礦的時候，鉆機把地下含鈹?shù)娜顺鰜?，擴散了鈹?shù)奈廴?，使飲用水的鈹含量大為提高，長時間飲用這種水，就會導致生女而不生男。經(jīng)過治理，狀況得到了好轉(zhuǎn)，在“女兒國”里又生出男孩了。衛(wèi)星、飛船、飛機、大炮和生活用品都離不開金屬，為什么金屬具有優(yōu)良的導電、導熱、延展性？構(gòu)成金屬的粒子是什么？金屬晶體內(nèi)部的作用力是什么？新知預習·自主探究一、金屬鍵與金屬晶體1．金屬鍵：2．金屬晶體：(1)概念：原子間以__金屬鍵__結(jié)合形成的晶體。(2)用電子氣理論說明金屬的性質(zhì)：eq\x(延展性)—eq\x(\a\al(當金屬受到外力作用時，晶體中的各原子,層就會發(fā)生__相對滑動__，但__排列方式__不,變，金屬離子與自由電子形成的電子氣沒,有被破壞，所以金屬有良好的延展性))↓eq\x(導電性)—eq\x(\a\al(在外加電場的作用下，金屬晶體中的,“__電子氣__”在電場中__定向移動__而,形成電流，呈現(xiàn)良好的導電性))↓eq\x(導熱性)—eq\x(\a\al(電子氣中的自由電子在運動時常常與金屬,離子發(fā)生碰撞，從而引起兩者能量的交換))二、金屬晶體原子的積累模型1．二維空間模型：(1)非密置層。配位數(shù)為__4__，如圖所示：(2)密置層。配位數(shù)為__6__，如圖所示：2．三維空間模型：(1)非密置層在三維空間積累。①簡潔立方積累。相鄰非密置層原子的原子核在__同一條直線上__的積累，只有金屬__釙(Po)__接受這種積累方式，其空間利用率太低。②體心立方積累。將上層金屬原子填入__下層的金屬原子形成的凹穴__中，并使非密置層的原子稍稍分別。其空間的利用率比簡潔立方積累__高__，屬于該積累方式的主要有堿金屬等。(2)密置層在三維空間積累。①六方最密積累。如圖所示，按__ABABABAB__……的方式積累。②面心立方最密積累。如圖所示，按__ABCABCABC__……的方式積累。三、混合晶體——石墨晶體1．結(jié)構(gòu)特點——層狀結(jié)構(gòu)：(1)同層內(nèi)，碳原子接受__sp2__雜化，以__共價鍵__相結(jié)合形成__正六邊形__平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。全部碳原子的p軌道平行且相互重疊，p電子可在整個平面中運動。(2)層與層之間以__范德華力__相結(jié)合。2．晶體類型。石墨晶體中，既有__共價鍵__，又有__金屬鍵__和__范德華力__，屬于__混合晶體__。預習自測·初試牛刀1．思索辨析：(1)晶體中有陽離子肯定有陰離子。(×)(2)金屬在拉成絲或者壓成薄片的過程中，金屬鍵遭到了破壞。(×)(3)金屬導電與電解質(zhì)溶液導電本質(zhì)相同。(×)(4)金屬晶體絕大多數(shù)接受密積累方式。(√)(5)金屬晶體中自由電子專屬于某個金屬離子。(×)2．金屬晶體的下列性質(zhì)中，不能用金屬晶體結(jié)構(gòu)加以說明的是(D)A．易導電 B．易導熱C．有延展性 D．易銹蝕解析：組成金屬晶體的微粒是金屬陽離子和自由電子，能導電，A正確；金屬晶體的導熱是由于晶體內(nèi)部自由電子與金屬陽離子的碰撞，B正確；金屬發(fā)生變形時，自由電子仍舊可以在金屬離子之間流淌，使金屬不會斷裂，C正確；金屬的化學性質(zhì)活潑，簡潔被空氣中的氧氣所氧化，故金屬易銹蝕，不能用金屬晶體結(jié)構(gòu)加以說明，D錯誤。3．金屬鍵的實質(zhì)是(A)A．自由電子與金屬陽離子之間的相互作用B．金屬原子與金屬原子間的相互作用C．金屬陽離子與陰離子的吸引力D．自由電子與金屬原子之間的相互作用解析：金屬晶體由金屬陽離子與自由電子構(gòu)成，金屬陽離子與自由電子之間的劇烈的相互作用稱為金屬鍵。4．下列有關(guān)金屬晶體的說法中不正確的是(D)A．金屬晶體是一種“巨分子”B．“電子氣”為全部原子所共有C．簡潔立方積累的空間利用率最低D．體心立方積累的空間利用率最高解析：依據(jù)金屬晶體的電子氣理論，選項A、B都是正確的。金屬晶體的積累方式中空間利用率分別是：簡潔立方積累52%，體心立方積累68%，面心立方最密積累和六方最密積累均為74%。因此簡潔方式積累的空間利用率最低，六方最密積累和面心立方最密積累的空間利用率最高。5．金屬晶體積累密度大，原子配位數(shù)大，能充分利用空間的緣由是(D)A．金屬原子價電子數(shù)少B．金屬晶體中有自由電子C．金屬原子的原子半徑大D．金屬鍵沒有飽和性和方向性解析：金屬鍵無方向性和飽和性，使原子實行最大的密積累方式進行。6．金屬晶體中金屬原子有三種常見的積累方式：六方積累、面心立方積累和體心立方積累，如圖(a)(b)(c)分別代表這三種晶胞的結(jié)構(gòu)，其晶胞內(nèi)金屬原子個數(shù)比為(A)A．3∶2∶1 B．11∶8∶4C．9∶8∶4 D．21∶14∶9解析：本題考查晶胞中微粒數(shù)的計算方法，用均攤法計算。晶胞a中所含原子＝12×eq\f(1,6)＋2×eq\f(1,2)＋3＝6，晶胞b中所含原子＝8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，晶胞c中所含原子＝8×eq\f(1,8)＋1＝2。課堂探究·疑難解惑學問點一金屬晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)┃┃問題探究__■1．什么是“電子氣理論”？2．金屬原子是通過何種鍵型形成的晶體？有哪些優(yōu)良性質(zhì)？3．用電子氣理論說明為什么金屬具有優(yōu)良的延展性、導電性和導熱性？┃┃探究提示__■1．提示“電子氣理論”的內(nèi)容為金屬原子脫落下來的價電子形成遍布整塊晶體的“電子氣”，被全部原子所共用，從而把全部的金屬原子維系在一起。2．提示金屬原子通過金屬鍵形成的晶體叫金屬晶體。其具有優(yōu)良的導電性、導熱性和延展性。3．提示(1)當金屬受到外力作用時，晶體中的各原子層就會發(fā)生相對滑動，但排列方式不變，金屬離子與自由電子形成的金屬鍵沒有被破壞，所以金屬具有良好的延展性。(2)在外加電場的作用下，金屬晶體中的自由電子做定向移動形成電流，呈現(xiàn)良好的導電性。(3)電子氣在運動時常常與金屬離子碰撞，從而引起兩者能量的交換。┃┃學問總結(jié)__■1．在金屬晶體中只有陽離子，而無陰離子，帶負電的為自由電子。2．金屬導電與電解質(zhì)溶液導電的比較：運動的微粒過程中發(fā)生的改變溫度的影響金屬導電自由電子物理改變升溫，導電性減弱電解質(zhì)溶液導電陰、陽離子化學改變升溫，導電性增加3.影響金屬熔點、硬度的因素：(1)一般地，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，晶體熔點越高，硬度越大。(2)合金的熔、沸點比其各成分金屬的熔、沸點低。4．金屬晶體的原子積累模型：積累模型接受這種積累的典型代表空間利用率配位數(shù)晶胞簡潔立方積累Po(釙)52%6體心立方積累Na、K、Fe68%8六方最密積累Mg、Zn、Ti74%12面心立方最密積累Cu、Ag、Au74%12┃┃典例剖析__■典例1下列說法正確的是(B)A．金屬鈣的熔點低于金屬鉀的熔點B．假如金屬晶體失去自由電子，金屬晶體將不復存在C．金屬晶體中Fe、Ag等為面心立方最密積累D．金屬晶體中W、Ti等為體心立方積累解析：Ca原子的半徑小于K原子，且Ca的價電子數(shù)大于K原子，所以Ca的金屬鍵強于K，因此Ca的熔點高于K；金屬晶體失去電子被氧化，金屬將變成金屬陽離子，晶體將不復存在；Ag為面心立方最密積累，F(xiàn)e和W為體心立方積累，Ti為六方最密積累。規(guī)律方法指導：金屬晶體中粒子的積累方式不肯定相同，Au、Ag、Cu等屬于面心立方最密積累，Na、K、Cr、W等屬于體心立方積累，Mg、Zn、Ti等屬于六方最密積累。┃┃變式訓練__■1．下列有關(guān)金屬的說法正確的是(B)A．金屬原子的核外電子在金屬晶體中都是自由電子B．六方最密積累和面心立方最密積累的原子積累方式空間利用率最高C．金屬原子在化學改變中失去的電子數(shù)越多，其還原性越強D．金屬晶體都有很高的熔點和很大的硬度解析：金屬晶體中的自由電子是金屬原子的價電子，A項錯；六方最密積累和面心立方最密積累空間利用率最高，B正確；金屬元素的還原性取決于金屬原子失去電子的難易程度，與失電子的多少無關(guān)，C項錯；金屬晶體的熔點和硬度差別較大，如堿金屬元素的晶體一般熔點都很低，硬度很小，D項錯。學問點二石墨與金剛石1．石墨石墨中碳原子實行sp2雜化，形成平面六元環(huán)結(jié)構(gòu)，層內(nèi)碳原子核間距小于金剛石中碳原子核間距，層間碳原子通過范德華力維系。(1)石墨的晶體結(jié)構(gòu)石墨是層狀結(jié)構(gòu)的晶體，在每一層內(nèi)，碳原子排列成六邊形，一個個六邊形排列成平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每一個碳原子都跟其他三個碳原子相結(jié)合。在同一層內(nèi)，相鄰的碳原子以共價鍵相結(jié)合，層與層之間以分子間作用力相結(jié)合。石墨晶體中每個碳原子供應三個電子參與成鍵形成平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，碳原子最外層上的另一個電子成為自由電子，在層內(nèi)自由移動。石墨的許多性質(zhì)與自由電子有關(guān)。(2)石墨晶體不是原子晶體，而是原子晶體與分子晶體之間的一種過渡型晶體。(3)石墨晶體的物理性質(zhì)由于石墨晶體結(jié)構(gòu)的特別性，它的物理性質(zhì)為熔點很高，有良好的導電性，還可作潤滑劑。2．石墨與金剛石的比較金剛石石墨晶體類型原子晶體混合晶體構(gòu)成微粒碳原子碳原子微粒間的作用力C—C共價鍵C—C共價鍵分子間作用力碳原子的雜化方式sp3雜化sp2雜化碳原子成鍵數(shù)43碳原子有無剩余價電子無有一個2p電子配位數(shù)43晶體結(jié)構(gòu)特征正四面體空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)平面六邊形層狀結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)高熔點、高硬度、不導電熔點比金剛石還高，質(zhì)軟、滑膩、易導電最小碳環(huán)六元環(huán)、不共面六元環(huán)、共面┃┃典例剖析__■典例2碳元素的單質(zhì)有多種形式，下圖依次是C60、石墨和金剛石的結(jié)構(gòu)圖：回答下列問題：(1)金剛石、石墨烯(指單層石墨)中碳原子的雜化方式分別為__sp3雜化__、__sp2雜化__。(2)C60屬于__分子__晶體，石墨屬于__混合型__晶體。(3)在金剛石晶體中，碳原子數(shù)與化學鍵數(shù)之比為__1∶2__；在石墨晶體中，平均每個最小的碳原子環(huán)所擁有的化學鍵數(shù)為__3__，該晶體中碳原子數(shù)與共價鍵數(shù)之比為__2∶3__。(4)石墨晶體中，層內(nèi)C—C鍵的鍵長為142pm，而金剛石中C—C鍵的鍵長為154pm。推想金剛石的熔點__<__(填“>”“<”或“＝”)石墨的熔點。解析：(1)金剛石中碳原子與四個碳原子形成4個共價單鍵(即C原子實行sp3雜化方式)，構(gòu)成正四面體，石墨中的碳原子實行sp2雜化方式，形成平面六元環(huán)結(jié)構(gòu)。(2)C60中構(gòu)成微粒是分子，所以屬于分子晶體；石墨晶體有共價鍵、金屬鍵和范德華力，所以石墨屬于混合型晶體。(3)金剛石晶體中每個碳原子平均擁有的化學鍵數(shù)為4×eq\f(1,2)＝2，則碳原子數(shù)與化學鍵數(shù)之比為1∶2。石墨晶體中，平均每個最小的碳原子環(huán)所擁有的碳原子數(shù)和化學鍵數(shù)分別為6×eq\f(1,3)＝2和6×eq\f(1,2)＝3，其比值為2∶3。(4)石墨中的C—C鍵比金剛石中的C—C鍵鍵長短，鍵能大，故石墨的熔點高于金剛石。┃┃變式訓練__■2．科學家對石墨進行處理，使得石墨片的厚度漸漸削減，最終獲得目前已知的最薄的材料——石墨烯(如圖)。下列關(guān)于石墨烯的說法正確的是(B)A．石墨烯是一新型的納米化合物B．石墨烯與C60互為同素異形體C．石墨烯是一種有機物D．石墨烯中碳元素的化合價為＋3學問點三金屬晶體中晶胞中的相關(guān)計算1．金屬晶體中晶胞空間利用率的計算：(1)計算晶胞中含有幾個原子。(2)找出原子半徑r與晶胞邊長a的關(guān)系。(3)利用公式計算金屬原子的空間利用率：eq\f(晶胞中含有原子的體積,晶胞的體積)×100%①簡潔立方積累空間利用率eq\f(\f(4,3)π\(zhòng)f(a,2)2,a2)＝eq\f(π,6)×100%≈52.36%②體心立方積累空間利用率＝eq\f(2×\f(4,3)πr3,a3)＝eq\f(2×\f(4,3)πr3,\f(4,\r(3))r3)＝eq\f(\r(3)π,8)×100%≈68.02%③面心立方積累空間利用率＝eq\f(4×\f(4,3)πr3,a3)＝eq\f(4×\f(4,3)πr2,2\r(2)r3)×100%≈74.1%2．利用均攤法計算金屬晶體的密度的方法：(1)首先利用均攤法確定一個晶胞中平均含有的原子數(shù)目。(2)其次確定金屬原子的半徑和晶胞邊長之間的關(guān)系。詳細方法是：依據(jù)晶胞中金屬原子的位置，敏捷運用數(shù)學上立體幾何的對角線(體對角線或面對角線)和邊長的關(guān)系，將金屬原子的半徑和晶胞的邊長放在同一個直角三角形中，通過解直角三角形即可。(3)計算金屬晶體的密度。首先求一個晶胞的質(zhì)量：m＝NM/NA，N表示一個晶胞中平均含有的金屬原子數(shù)，M表示金屬的摩爾質(zhì)量，NA表示阿伏伽德羅常數(shù)。然后求金屬晶體的密度：密度ρ＝m/V，V表示一個晶胞的體積。┃┃典例剖析__■典例3用X射線探討某金屬晶體，測得在邊長為360pm(1pm＝1×10－10cm)的立方晶胞中含有4個金屬原子，此時金屬的密度為9.0g·cm－3。試回答：(1)此金屬晶體屬于哪一種積累方式？(2)每個晶胞的質(zhì)量是多少克？(3)求此金屬的相對原子質(zhì)量。(4)求此原子的原子半徑(pm)。答案：(1)面心立方最密積累(2)4.2×10－22(3)63.21(4)127.28pm解析：依據(jù)題意，此金屬晶體屬于面心立方最密積累。每個晶胞中含有4個原子，則該晶胞如圖所示：(2)依據(jù)晶胞的邊長為360pm，可得晶胞的體積為(3.6×10－8)3cm3。依據(jù)質(zhì)量＝密度×體積，可得晶胞的質(zhì)量＝9.0g·cm－3×(3.6×10－8)3cm3＝4.2×10－(3)金屬的相對原子質(zhì)量＝NA×原子的質(zhì)量＝4.2×10－22×6.02×1023÷4＝63.21。(4)在面心立方最密積累中，晶胞的邊長＝eq\f(4r,\r(2))，因此，原子的原子半徑＝eq\f(\r(2),4)×360pm＝127.28pm。┃┃變式訓練__■3．有四種不同積累方式的金屬晶體的晶胞如圖所示，有關(guān)說法正確的是(假設(shè)金屬的摩爾質(zhì)量為Mg·mol－1，金屬原子半徑為rcm，用NA表示阿伏伽德羅常數(shù)的值)(D)A．金屬Mg接受②積累方式B．①和③中原子的配位數(shù)分別為：8、12C．對于接受②積累方式的金屬，試驗測得Wg該金屬的體積為Vcm3，則阿伏伽德羅常數(shù)NA的表達式為eq\f(MV,W·\f(4,\r(3))r3)D．④中空間利用率的表達式為：eq\f(\f(4,3)πr3×4,\f(4,\r(2))r3)×100%解析：Mg屬于六方最密積累，所以金屬Mg接受③積累方式，故A錯誤；，其配位數(shù)是6，，配位數(shù)為12，故B錯誤；中原子個數(shù)為8×eq\f(1,8)＋1＝2，晶胞質(zhì)量m＝2M，密度ρ＝eq\f(W,V)＝eq\f(\f(2M,NA),\f(4r,\r(2))3)，故C錯誤