2023-2024學年蘇教版新教材選擇性必修二 專題3第一單元 金屬鍵 金屬晶體（第2課時） 學案

第2課時金屬晶體[素養(yǎng)發(fā)展目標]1．借助金屬晶體等模型認識晶體的結(jié)構(gòu)特點。2．了解晶體中微粒的空間排布存在周期性，認識簡單的晶胞。3．認識合金及其廣泛應(yīng)用。一、金屬晶體1．概念(1)晶體：內(nèi)部粒子(原子、離子或分子)在空間呈現(xiàn)有規(guī)則的重復(fù)排列，外觀具有規(guī)則幾何外形的固體物質(zhì)，通常條件下，金屬單質(zhì)及其合金屬于晶體。(2)晶胞：能夠反映晶體結(jié)構(gòu)特征的基本重復(fù)單位。金屬晶體是金屬晶胞在空間連續(xù)重復(fù)延伸而形成的。(3)金屬晶體：通過金屬陽離子與自由電子之間的強烈的作用而形成的晶體。2．金屬材料——合金(1)概念：將兩種或兩種以上的金屬(或金屬與非金屬)共熔，制備出的特殊金屬材料。(2)性能①合金的硬度一般都比組成它的純金屬大。②多數(shù)合金的熔點低于組成它的任何一種組分金屬。學生用書第42頁③合金的導電性和導熱性一般低于任一組分金屬。3．金屬晶體的常見堆積方式(1)金屬原子在二維空間中放置的兩種方式金屬晶體中的原子可看成半徑相等的球體。把它們放置在平面上(即二維空間里)，可有兩種方式——a：非密置層，b：密置層(如圖所示)。(2)金屬晶體的原子在三維空間里的3種堆積方式金屬原子在三維空間按一定的規(guī)律堆積，有3種基本堆積方式(圖中不同顏色的小球都代表同一種金屬原子)。堆積方式圖式實例簡單立方堆積釙體心立方堆積鈉、鉀、鉻、鉬、鎢等面心立方堆積金、銀、銅、鉛等【即學即練】1．(1)鈉鉀合金在通常狀況下呈液態(tài)，可作為原子反應(yīng)堆的導熱劑。以下是對鈉鉀合金具有導熱性的主要原因的分析，其中正確的是()①鈉鉀合金的熔點很低②鈉鉀合金中有自由電子③鈉鉀合金中有金屬離子答案：②(2)已知某金屬單質(zhì)晶體中(如堿金屬)原子堆積方式如圖所示，則該堆積方式是________答案：體心立方堆積二、均攤法分析晶胞的組成1．均攤法含義：在一個晶胞中按比例均攤出該晶胞中的每個粒子，如某個粒子為n個晶胞所共有，則該粒子有屬于該晶胞。如圖所示的晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計算：2．晶胞的計算(1)立方體(或正方體)晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計算學生用書第43頁(2)正三棱柱晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計算【即學即練】2．硼和鎂可形成超導化合物。如圖所示是該化合物的晶體結(jié)構(gòu)單元：鎂原子間形成正六棱柱，且棱柱的上、下面還各有一個鎂原子；6個硼原子位于棱柱的側(cè)棱上，則該化合物的化學式可表示為________。答案：Mg3B2一、金屬晶體的堆積方式和晶胞所含原子數(shù)的計算如圖為甲、乙、丙三種晶體部分結(jié)構(gòu)：1．寫出甲晶體的化學式(X為陽離子)，寫出推導過程提示：X2Y；甲中X位于立方體體心，算作1，Y位于立方體頂點，實際占有×4＝，X∶Y＝1∶＝2∶1，所以甲的化學式為X2Y。2．乙晶體中A、B、C三種微粒的個數(shù)比是多少？寫出推導過程提示：1∶3∶1；乙中A占有×8＝1，B占有×6＝3，C占有1，由此推出A∶B∶C＝1∶3∶1。3．丙晶體中每個D周圍結(jié)合E的個數(shù)是幾個？寫出推導過程提示：8；丙中每個D周圍的E的個數(shù)與每個E周圍D的個數(shù)相同，每個E周圍有8個D，所以每個D周圍有8個E。1．由于金屬鍵沒有飽和性和方向性，金屬原子能從各個方向相互靠近，彼此相切，盡量緊密堆積成晶體，緊密堆積能充分利用空間，使晶體能量降低，所以金屬晶體絕大多數(shù)采用緊密堆積方式。2．配位數(shù)是指晶體中一種微粒周圍和它緊鄰的其他微粒的數(shù)目。學生用書第44頁3．金屬晶體的常見堆積方式模型堆積模型采納這種堆積的典型代表晶胞均攤法分析每個晶胞所含原子數(shù)配位數(shù)非密置層簡單立方堆積Po(釙)1628412密置層面心立方堆積Cu、Ag、Au612六方堆積Mg、Zn、Ti1．下列關(guān)于體心立方堆積晶胞結(jié)構(gòu)(如圖)的敘述正確的是()A．是密置層的一種堆積方式B．晶胞是六棱柱C．每個晶胞內(nèi)含2個原子D．每個晶胞內(nèi)含6個原子C[體心立方堆積晶體的晶胞為立方體，是非密置層的一種堆積方式，其晶胞內(nèi)含有2個原子。]2．一種AlFe合金的晶胞如圖所示，則此合金的化學式為()Fe·AlaO(小正方體對角線的1/4處)A．Fe2Al B．FeAlC．FeAl2 D．Fe3Al2A[觀察圖示，該晶胞中Al是4個；Fe的個數(shù)為N(Fe)＝8×＋12×＋6×＋1＝8，所以化學式為Fe2Al。]二、晶胞中各物理量的關(guān)系及晶胞密度的計算氮化鐵磁粉是近幾年發(fā)展起來的一種新型磁記錄材料，具有記錄密度高、信噪比大、穩(wěn)定性及耐腐蝕性好等特點。利用氨氣在400℃以上分解，將分解的氮原子滲透到鐵粉中制備氮化鐵。某種磁性氮化鐵的結(jié)構(gòu)如圖所示，N隨機排列在Fe1．寫出該磁性氮化鐵晶體的堆積方式。提示：六方堆積。2．寫出該化合物的化學式。提示：Fe的個數(shù)為12×＋2×＋3＝6，N的個數(shù)為2，故化學式為Fe3N。3．六棱柱底邊長為acm，高為bcm，阿伏加德羅常數(shù)的值為NA，列式計算該磁性氮化鐵的晶體密度。提示：晶胞的質(zhì)量為g，晶胞體積為acm×acm×6×bcm＝a2bcm3，故晶體密度為g÷a2bcm3＝g·cm－3。學生用書第45頁假設(shè)某晶體的晶胞如下：以M表示該晶體的摩爾質(zhì)量，NA表示阿伏加德羅常數(shù)，N表示一個晶胞中所含的微粒數(shù)，a表示晶胞的棱長，ρ表示晶體的密度，計算如下：該晶胞的質(zhì)量用密度表示：m＝ρ·a3用摩爾質(zhì)量表示：m＝M則有：ρ·a3＝M，ρ＝M(1)立方晶胞的面對角線與邊長a的關(guān)系：面對角線等于a；晶胞的體對角線與邊長的關(guān)系：體對角線等于a。(2)晶體的密度是晶體的質(zhì)量與晶體體積的比值，可把晶胞擴大阿伏加德羅常數(shù)(NA)倍，再進行計算。1．金晶體的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。設(shè)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。則下列說法錯誤的是()A．金晶體每個晶胞中含有4個金原子B．金屬鍵無方向性C．一個晶胞的體積是16d3D．金晶體的密度是C[A項，Au原子處于立方體的頂點與面心上，故晶胞中含有的Au原子數(shù)目為8×＋6×＝4，正確；B項，金屬晶體中，金屬鍵無方向性，正確；C項，在立方體的各個面的對角線上有3個金原子，金原子的直徑為d，故面對角線長度為2d，晶胞棱長為×2d＝d，故晶胞的體積為(d)3＝2d3，錯誤；D項，晶胞中含有4個原子，故晶胞的質(zhì)量為，晶胞的體積為2d3，故晶胞的密度為NA＝，正確。]2．如圖為一個金屬銅的晶胞，請完成以下各題。(1)該晶胞“實際”擁有的銅原子數(shù)是________個。(2)該晶胞稱為________(填字母)。A．六方晶胞 B．體心立方晶胞C．面心立方晶胞 D．簡單立方晶胞(3)此晶胞立方體的邊長為acm，Cu的摩爾質(zhì)量為64g·mol－1，金屬銅的密度為ρg·cm－3，則阿伏加德羅常數(shù)的值為____________(用a、ρ表示)。解析：(1)根據(jù)“均攤法”可計算晶胞中的原子個數(shù)：8×＋6×＝4。(2)該晶胞為面心立方晶胞。(3)根據(jù)公式ρ·a3＝M可得：NA＝M，將N＝4和M＝64代入該式，可得NA＝mol－1。答案：(1)4(2)C(3)mol－11．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B[A項，Hg在常溫下為液態(tài)；D項，金屬的導電性隨溫度升高而降低；C項，r(Ca)<r(K)且外圍電子數(shù)：Ca>K，所以金屬鍵：Ca>K，故熔、沸點：Ca>K。]2．有四種不同堆積方式的金屬晶體的晶胞如圖所示，有關(guān)說法錯誤的是()學生用書第46頁A．①為簡單立方堆積，晶胞中含有粒子數(shù)為1個B．②為體心立方堆積，晶胞中含有粒子數(shù)為2個C．③為體心立方堆積，晶胞中含有粒子數(shù)為2個D．④為面心立方堆積，晶胞中含有粒子數(shù)為4個C[③為六方堆積，晶胞中含有粒子數(shù)為6個。]3．金屬晶體中金屬原子有三種常見的堆積方式：六方堆積、面心立方堆積和體心立方堆積。a、b、c分別代表這三種晶胞的結(jié)構(gòu)，其晶胞a、b、c內(nèi)金屬原子個數(shù)比為()A．3∶2∶1 B．11∶8∶4C．9∶8∶4 D．21∶14∶9A[a晶胞中原子個數(shù)：12×＋2×＋3＝6，b晶胞中原子個數(shù)：8×＋6×＝4，c晶胞中原子個數(shù)：8×＋1＝2，所以a、b、c晶胞中原子個數(shù)比為6∶4∶2＝3∶2∶1。]4．銅是生活中比較常見的一種金屬，而納米銅能在空氣中自燃，這是因為納米銅的表面粒子數(shù)占總粒子數(shù)的比例較大。假設(shè)某納米顆粒的大小和形狀如圖所示，則這種納米顆粒的表面粒子數(shù)與總粒子數(shù)之比是()A．7∶11B．1∶2C．7∶8D．26A[由該納米顆粒的大小和形狀結(jié)構(gòu)圖可知，表面粒子數(shù)為8個(頂點)＋6個(面心)＝14，而粒子總數(shù)為14＋8＝22，所以表面粒子數(shù)與總粒子數(shù)之比為14∶22＝7∶11。]5．(1)金屬導電靠________，電解質(zhì)溶液導電靠________；金屬導電能力隨溫度升高而________，溶液導電能力隨溫度升高而________。(2)已知下列金屬晶體：Na、Po、K、Cr、Cu、Mg、Zn、Au，其堆積方式為：①簡單立方堆積的是________；②體心立方堆積的是________；③六方堆積的是________；④面心立方堆積的是________。(3)有一種金屬結(jié)構(gòu)單元是一個“面心立方體”(注：八個頂點和六個面分別有一個金屬原子)。該單元平均是由________個金屬原子構(gòu)成的。解析：(1)金屬作導體導電靠的是自由電子的定向移動，電解質(zhì)溶液導電靠的是自由移動離子的定向移動。金屬溫度升高，金屬陽離子振動加快，阻礙自由電子運動，導電能力減弱，而電解質(zhì)溶液溫度升高，自由移動離子的運動速率加快，導電能力增強。(3)由均攤法計算該單元平均由8×＋6×＝4個金屬原子構(gòu)成。答案：(1)自由電子自由移動離子減弱增強(2)①Po②Na、K、Cr③Mg、Zn④Cu、Au(3)4課時精練(九)金屬晶體(本欄目內(nèi)容在學生用書中以活頁形式分冊裝訂！)[基礎(chǔ)達標練]1．下列有關(guān)晶胞的敘述正確的是()A．晶胞的結(jié)構(gòu)是晶體的結(jié)構(gòu)B．不同的晶體中，晶胞的大小和形狀都相同C．晶胞中的任何一個粒子都屬于該晶胞D．已知晶胞的組成就可推知晶體的組成答案：D2．金屬晶體的堆積密度大，原子配位數(shù)高，能充分利用空間的原因是()A．金屬原子的外圍電子數(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D[因金屬鍵沒有飽和性和方向性，故在金屬晶體中，原子可以盡可能多地吸引其他原子分布于周圍，并以緊密堆積的方式排列以降低體系的能量，使晶體變得比較穩(wěn)定。]3．對圖中某金屬晶體結(jié)構(gòu)的模型進行分析，有關(guān)說法正確的是()A．該種堆積方式稱為六方堆積B．該種堆積方式稱為體心立方堆積C．該種堆積方式稱為面心立方堆積D．金屬Mg就屬于此種堆積方式C[由圖示知該堆積方式為面心立方堆積，A、B錯誤，C正確，Mg是六方堆積，D錯誤。]4．金屬鈉是體心立方堆積，下列關(guān)于鈉晶體的判斷合理的是()A．其熔點比金屬鋁的熔點高B．一個鈉的晶胞中，平均含有4個鈉原子C．該晶體中的自由電子在外加電場作用下可發(fā)生定向移動D．該晶體中的鈉離子在外加電場的作用下可發(fā)生定向移動C[金屬的原子半徑越小，金屬離子所帶電荷數(shù)越多，金屬鍵越強，金屬熔化時破壞金屬鍵，所以Al的金屬鍵強度大于Na的金屬鍵強度，所以Na的熔點比金屬Al的熔點低，故A錯誤；晶胞中Na原子位于立方體的頂點和體心，則一個鈉的晶胞中，平均含有的鈉原子數(shù)為×8＋1＝2個，故B錯誤；自由電子在電場的作用下可以定向移動，金屬晶體中存在自由移動的電子，所以該晶體中的自由電子在外加電場作用下可發(fā)生定向移動，故C正確；晶體中的鈉離子不能自由移動，所以晶體中的鈉離子在外加電場的作用下不能定向移動，故D錯誤。]5．金屬原子在二維空間里放置有如圖所示的兩種排列方式，下列說法正確的是()A．(a)為非密置層，配位數(shù)為6B．(b)為密置層，配位數(shù)為4C．(a)在三維空間里堆積可得六方堆積和面心立方堆積D．(b)在三維空間里堆積僅得簡單立方堆積C[金屬原子在二維空間里有兩種排列方式，一種是密置層排列，另一種是非密置層排列。密置層排列的空間利用率高，原子的配位數(shù)為6，非密置層排列的空間利用率低，配位數(shù)為4。由此可知，(a)為密置層，(b)為非密置層。密置層在三維空間堆積可得到六方堆積和面心立方堆積兩種堆積方式，非密置層在三維空間堆積可得到簡單立方堆積和體心立方堆積兩種堆積方式。]6．“神九”載人飛船上使用了鋰鎂合金和鋰鋁合金等合金材料，下列有關(guān)敘述不正確的是()A．飛船使用的合金材料，一般具有質(zhì)量輕、強度高的特點B．鋰鋁合金中鋁、鋰的金屬性不如鈉強C．鋰鎂合金和鋰鋁合金性質(zhì)相當穩(wěn)定，不會與酸發(fā)生化學反應(yīng)D．鋰鎂合金是一種具有金屬特性的物質(zhì)，易導熱、導電C[A項，航天材料要符合質(zhì)地輕、硬度大等基本要求；B項，根據(jù)堿金屬元素性質(zhì)遞變規(guī)律可知Na的金屬性比Li強，根據(jù)金屬活動性順序可知Na的金屬性比鋁強；C項，鋰、鎂按一定比例熔合而得到鋰鎂合金，具有活潑金屬的性質(zhì)，能與酸反應(yīng)；D項，合金改變了金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但仍具有金屬的導熱、導電性等性質(zhì)。]7．(2022·江蘇泗陽質(zhì)檢)現(xiàn)有四種晶體，其構(gòu)成粒子(均為單原子核粒子)排列方式如圖所示，其化學式正確的是()C[A．B處于頂點位置，晶胞中B原子數(shù)目＝8×＝1，A處于體心，晶胞中A原子數(shù)目＝1，故化學式為AB，故A錯誤；B．E、F均處于頂點位置，晶胞中E、F原子數(shù)目＝4×＝，故化學式為EF，故B錯誤；C．Z處于頂點，Z原子數(shù)目＝8×＝1，Y處于面心，Y原子數(shù)目＝6×＝3，X處于體心，晶胞中X原子數(shù)目＝1，故化學式為XY3Z，故C正確；D．A處于頂點、面心，晶胞中A原子數(shù)目＝8×＋6×＝4，B處于體心、棱中心，晶胞中B原子數(shù)目＝1＋12×＝4，故化學式為AB，故D錯誤。]8．已知某化合物的晶體是由如圖所示的最小結(jié)構(gòu)單元密置堆積而成，下列關(guān)于該化合物的敘述錯誤的是()A．1mol該化合物中含有1molYB．1mol該化合物中含有3molCuC．1mol該化合物中含有2molBaD．該化合物的化學式是YBa2Cu3O6D[由圖可知，白球代表的Y原子位于長方體的八個頂點上，大黑球代表的Ba原子位于長方體的四條棱上，灰球代表的Cu原子位于長方體的內(nèi)部，小黑球代表的O原子有的位于長方體的內(nèi)部、有的位于長方體的面上，運用均攤法可計算出Y原子個數(shù)為8×＝1，Cu原子個數(shù)為3，Ba原子個數(shù)為8×＝2，O原子個數(shù)為10×＋2＝7，故該化合物的化學式為YBa2Cu3O7。]9．(1)將等徑圓球在二維空間里進行排列，可形成密置層和非密置層，在圖1所示的半徑相等的圓球的排列中，A屬于__________層，配位數(shù)是______；B屬于______層，配位數(shù)是________。(2)將非密置層一層一層地在三維空間里堆積，得到如圖2所示的一種金屬晶體的晶胞，它被稱為簡單立方堆積，在這種晶體中，金屬原子的配位數(shù)是________，平均每個晶胞所含有的原子數(shù)目是________。(3)有資料表明，只有釙的晶體中的原子具有如圖2所示的堆積方式，釙位于元素周期表的第________周期________族，元素符號是______，外圍電子排布式是________。答案：(1)非密置4密置6(2)61(3)6ⅥAPo6s26p4[能力提升練]10．(2022·江蘇省南菁高級中學高二質(zhì)檢)鐵有δ、γ、α三種晶體結(jié)構(gòu)，以下依次是δ、γ、α三種晶體在不同溫度下轉(zhuǎn)化的圖示。已知：，下列有關(guān)說法中正確的是()A．δ、γ、α三種晶體互為同分異構(gòu)體B．γFe晶體為體心立方堆積C．αFe晶體中，與每個Fe原子距離相等且最近的Fe原子有6個D．δFe晶體中，與每個Fe原子距離相等且最近的Fe原子有6個C[A．同分異構(gòu)體是分子式相同而結(jié)構(gòu)式不同的化合物的互稱，而鐵的三種不同晶體結(jié)構(gòu)中都只含有一種鐵元素，均為單質(zhì)，故A錯誤；B．結(jié)合γFe晶體的晶胞結(jié)構(gòu)可知其為面心立方堆積，故B錯誤；C．αFe晶體的堆積為簡單立方堆積，與每個Fe原子距離相等且最近的Fe原子有6個，故C正確；D．δFe晶體中，以體心的Fe原子為標準，則位于頂點的8個Fe原子到體心的Fe原子的距離相等且最近，故D錯誤。]11．有一種鈦原子和碳原子構(gòu)成的氣態(tài)團簇分子，如圖所示，頂點和面心的原子是鈦原子，棱的中心和體心的原子是碳原子，它的化學式為()A．Ti14C13 B．TiCC．Ti4C4 D．Ti4C3A[由題意知該物質(zhì)是氣態(tài)團簇分子，故題目中圖示應(yīng)是該物質(zhì)的一個完整的分子，由14個鈦原子和13個碳原子構(gòu)成。]12．請仔細觀察下列幾種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖，判斷下列說法正確的是()A．硼鎂超導物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)單元如圖所示(B原子位于棱柱內(nèi))，則這種超導材料的化學式為Mg3B2B．鋰的某種氧化物的晶胞如圖所示，則該氧化物的化學式為Li2OC．某晶體的晶胞如圖所示，則這種晶體中A、B、C三種粒子數(shù)目之比是3∶9∶4D．Mn和Bi形成的某種晶體的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示(白球均在六棱柱內(nèi))，則該晶體物質(zhì)的化學式為Mn2BiB[該晶胞中Mg原子個數(shù)為12×＋2×＝3，B原子個數(shù)為6，Mg、B原子個數(shù)之比為3∶6＝1∶2，所以其化學式為MgB2，故A錯誤；該晶胞中Li原子個數(shù)為8，O原子個數(shù)為8×＋6×＝4，則Li、O原子個數(shù)之比為8∶4＝2