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 學案

第一單元金屬鍵金屬晶體(一)金屬鍵與金屬特性金屬鍵①概念：金屬離子與自由電子之間強烈的相互作用[微辨析]金屬導(dǎo)電和電解質(zhì)溶液導(dǎo)電的本質(zhì)區(qū)別金屬導(dǎo)電是自由電子的定向運動，是物理變化；電解質(zhì)溶液導(dǎo)電實質(zhì)是電解過程，為化學變化。②金屬鍵成鍵微粒：金屬離子和自由電子③影響金屬鍵強弱的因素金屬元素的原子半徑越小，單位體積內(nèi)自由電子的數(shù)目越多，金屬鍵越強④金屬鍵的強弱對金屬單質(zhì)物理性質(zhì)的影響金屬的硬度和熔、沸點等物理性質(zhì)與金屬鍵的強弱有關(guān)。金屬鍵越強，金屬晶體的硬度越大，熔、沸點越高金屬特性導(dǎo)電性在外電場作用下，自由電子在金屬內(nèi)部會發(fā)生定向運動，形成電流導(dǎo)熱性通過自由電子的運動把能量從溫度高的區(qū)域傳到溫度低的區(qū)域，從而使整塊金屬達到同樣的溫度延展性由于金屬鍵無方向性，當金屬受到外力作用時，金屬原子之間發(fā)生相對滑動，各層金屬原子之間仍然保持金屬鍵的作用(二)金屬晶體1．金屬晶體的排列晶體與晶胞晶體具有規(guī)則的幾何外形的固體[微點撥]金屬原子在二維空間的排列，其配位數(shù)分別為4和6。晶胞能夠反映晶體結(jié)構(gòu)特征的基本重復(fù)單位，它在空間是連續(xù)重復(fù)延伸而形成的金屬晶體的原子堆積方式金屬原子在二維空間的排列方式金屬晶體的堆積方式①簡單立方堆積，如：Po(釙)，②體心立方堆積，如Na、K、Cr、Mo、W，③面心立方堆積，如Cu、Ag、Au、Pb，④六方堆積，如Mg、Zn、Ti，2．金屬晶體的相關(guān)計算及其應(yīng)用晶胞中微粒數(shù)目的計算①處于立方體頂點的原子為8個晶胞共享[微提醒]通常多數(shù)合金的熔點比它的成分金屬的熔點要低，而強度和硬度比它的成分金屬要大。②處于立方體面上的原子為2個晶胞共享③處于立方體體心的原子完全屬于該晶胞合金的組成和性質(zhì)合金一種金屬與另一種或幾種金屬(或非金屬)的融合體合金的性能合金的某些性能更優(yōu)越[新知探究(一)]金屬鍵與金屬晶體的性質(zhì)[理解與辨析能力][發(fā)展認知]1．金屬鍵金屬鍵的特征金屬鍵無方向性和飽和性。晶體中的電子不專屬于某一個或幾個特定的金屬陽離子，而幾乎是均勻地分布在整塊晶體中，因此晶體中存在所有金屬陽離子與所有自由電子之間“彌漫”的電性作用，這就是金屬鍵，因此金屬鍵沒有方向性和飽和性金屬鍵的強弱比較一般來說，金屬鍵的強弱主要取決于金屬元素的原子半徑和價電子數(shù)。原子半徑越大，價電子數(shù)越少，金屬鍵越弱；原子半徑越小，價電子數(shù)越多，金屬鍵越強金屬鍵對物質(zhì)性質(zhì)的影響①金屬鍵越強，晶體的熔、沸點越高。②金屬鍵越強，晶體的硬度越大2.金屬晶體的性質(zhì)(1)金屬晶體具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性。(2)熔、沸點：金屬鍵越強，熔、沸點越高。①同周期金屬單質(zhì)，從左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸點升高。②同主族金屬單質(zhì)，從上到下(如堿金屬)熔、沸點降低。③合金的熔、沸點一般比其各成分金屬的熔、沸點低。④金屬晶體熔點差別很大，如汞常溫下為液體，熔點很低；而鐵常溫下為固體，熔點很高。[跟蹤訓練]1．關(guān)于金屬性質(zhì)和原因的描述不正確的是()A．金屬一般具有銀白色光澤，是物理性質(zhì)，與金屬鍵沒有關(guān)系B．金屬具有良好的導(dǎo)電性，是因為在金屬晶體中共享了金屬原子的自由電子，形成了“電子氣”，在外加電場的作用下自由電子定向移動便形成了電流C．金屬具有良好的導(dǎo)熱性能，是因為自由電子在受熱后，加快了運動速率，自由電子通過與金屬離子(或原子)發(fā)生碰撞，傳遞了能量D．金屬晶體具有良好的延展性，是因為金屬晶體中的原子層可以滑動而不破壞金屬鍵解析：選A金屬一般具有銀白色的金屬光澤，與金屬鍵密切相關(guān)。由于金屬原子以最緊密堆積狀態(tài)排列，內(nèi)部存在自由電子，所以當光輻射到它的表面上時，自由電子可以吸收所有頻率的光，然后很快釋放出各種頻率的光，這就使得絕大多數(shù)金屬呈現(xiàn)銀灰色以至銀白色光澤，故A項錯誤。2．下列關(guān)于金屬的敘述中，不正確的是()A．金屬鍵是金屬離子和自由電子這兩種帶異性電荷的微粒間的強烈相互作用，其實質(zhì)與離子鍵類似，也是一種電性作用B．金屬鍵可以看作是許多原子共用許多電子所形成的強烈的相互作用，所以與共價鍵類似，也有方向性和飽和性C．金屬鍵是帶異性電荷的金屬離子和自由電子間的相互作用，故金屬鍵無飽和性和方向性D．金屬中的自由電子在整個金屬內(nèi)部的三維空間中做自由運動解析：選B從基本構(gòu)成微粒的性質(zhì)看，金屬鍵與離子鍵的實質(zhì)類似，都屬于電性作用，特征都是無方向性和飽和性，自由電子是由金屬原子提供的，并且在整個金屬內(nèi)部的三維空間內(nèi)運動，為整個金屬的所有陽離子所共有，從這個角度看，金屬鍵與共價鍵有類似之處，但兩者又有明顯的不同，如金屬鍵無方向性和飽和性。3．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(dǎo)電性越好解析：選BA：Hg在常溫下為液態(tài)。C：r(Ca)<r(K)且價電子數(shù)Ca>K，所以金屬鍵Ca>K，故熔、沸點Ca>K。D：金屬的導(dǎo)電性隨溫度升高而降低。[新知探究(二)]晶胞的計算[歸納與論證能力][典例導(dǎo)引][典例]20世紀60年代，材料王國里出現(xiàn)了能儲存氫的金屬和合金，統(tǒng)稱為儲氫合金，這些金屬或合金具有很強的捕捉氫的能力，在一定的溫度和壓力條件下，氫分子在合金(或金屬)中先分解成單個的原子，而這些氫原子便“見縫插針”般地進入合金原子之間的縫隙中，并與合金進行化學反應(yīng)生成金屬氫化物，外在表現(xiàn)為大量“吸收”氫氣，同時放出大量熱。如圖是一種鎳基合金儲氫后的晶胞結(jié)構(gòu)圖。(1)該合金的化學式為__________。(2)該合金儲氫后，含1molLa的合金可吸附H2的數(shù)目為______________。[解析](1)該晶胞中La位于頂點，個數(shù)為8×＝1，Ni位于面心和體心，個數(shù)為8×＋1＝5。(2)該晶胞中La位于頂點，個數(shù)為8×＝1，H2有8個位于棱上，2個位于面心，個數(shù)為8×＋2×＝3，故含1molLa的合金可吸附H2的數(shù)目為3NA。[答案](1)LaNi5(2)3NA[生成認知]1．晶胞的特點(1)晶胞一般是平行六面體，其三條邊的長度不一定相等，也不一定互相垂直。晶胞的形狀和大小由具體晶體的結(jié)構(gòu)所決定。(2)整個晶體就是晶胞按其周期性在三維空間重復(fù)排列而成。每個晶胞上下左右前后無隙并置地排列著與其一樣的無數(shù)晶胞，決定了晶胞的8個頂角、平行的面以及平行的棱完全相同。2．晶胞中粒子數(shù)目的計算——均攤法3．晶胞密度的計算以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[跟蹤訓練]1．某物質(zhì)的晶體中，含A、B、C3種元素，其排列方式如圖所示(其中前后兩面心上的B原子未畫出)，晶體中A、B、C的原子個數(shù)比為()A．1∶3∶1B．2∶3∶1C．2∶2∶1D．1∶3解析：選AA原子位于晶胞的頂點，故晶胞中A原子個數(shù)為8×＝1，B原子位于晶胞的面心，故晶胞中B原子個數(shù)為6×＝3，C原子位于晶胞的體心，故晶胞中C原子個數(shù)為1，所以晶胞中A、B、C的原子個數(shù)比為1∶3∶1，A項正確。2．磷錫青銅合金廣泛用于儀器儀表中的耐磨零件和抗磁元件等。其晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示，已知晶胞參數(shù)為apm。下列說法不正確的是()A．磷錫青銅的化學式為Cu3SnPB．該晶胞中與Sn原子等距離且最近的Cu原子有12個C．三種元素Cu、Sn、P在元素周期表中分別處于ds區(qū)、p區(qū)、p區(qū)D．Sn和P原子間的最短距離為apm解析：選D由均攤法可知，晶胞中Cu原子數(shù)目＝6×＝3、Sn原子數(shù)目＝8×＝1、P原子數(shù)目為1，故化學式為Cu3SnP，選項A正確；晶胞中與Sn原子等距離且最近的Cu原子有12個，選項B正確；三種元素Cu、Sn、P在元素周期表中分別處于ds區(qū)、p區(qū)、p區(qū)，選項C正確；P原子位于體心而Sn位于頂點，Sn和P原子間的最短距離為體對角線長的一半，故距離為apm，選項D錯誤。3．銅在我國有色金屬材料的消費中僅次于鋁，廣泛地應(yīng)用于電氣、機械制造、國防等領(lǐng)域?；卮鹣铝袉栴}：(1)銅原子基態(tài)電子排布式為____________________________________________。(2)用晶體的X射線衍射法可以測得阿伏加德羅常數(shù)。對金屬銅的測定得到以下結(jié)果：晶胞為面心立方最密堆積，邊長為361pm。又知銅的密度為9.00g·cm－3，則銅晶胞的體積是________cm3，晶胞的質(zhì)量是________g，阿伏加德羅常數(shù)為____________________[列式計算，已知Ar(Cu)＝63.6]。解析：(2)體積是a3；質(zhì)量＝體積×密度；一個體心晶胞含4個原子，則摩爾質(zhì)量＝×晶胞質(zhì)量×NA，可求NA。答案：(1)1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1)(2)4.70×10－234.23×10－22NA＝＝6.01×1023mol－1[新知探究(三)]金屬晶體的堆積方式[理解與辨析能力][發(fā)展認知]1．四種堆積方式的比較堆積方式晶胞類型空間利用率配位數(shù)實例簡單立方堆積52%6Po體心立方堆積68%8Na、K、Cr面心立方堆積74%12Cu、Ag、Au六方堆積74%12Mg、Zn、Ti2．空間利用率的計算方法空間利用率＝()×100%。將原子(離子)設(shè)想為一個球，依據(jù)1個晶胞內(nèi)所含原子(離子)的數(shù)目計算原子(離子)的體積，再確定晶胞的體積，即可計算晶體(胞)的空間利用率。如：在簡單立方堆積中，各個原子是相互靠攏的，對于1個晶胞來說，含有1個金屬原子，設(shè)立方體的邊長為a，則其體積為a3，金屬原子的半徑為，則空間利用率為×100%＝×100%≈52%。[跟蹤訓練]1．有四種不同堆積方式的金屬晶體的晶胞如圖所示，下列有關(guān)說法正確的是()A．①為簡單立方堆積，②為六方堆積，③為體心立方堆積，④為面心立方堆積B．每個晶胞含有的原子數(shù)分別為①1，②2，③2，④4C．晶胞中原子的配位數(shù)分別為①6，②8，③8，④12D．空間利用率的大小關(guān)系為④＞③＞②＞①解析：選B②為體心立方堆積，③為六方堆積，A項錯誤；每個晶胞含有的原子數(shù)分別為①8×＝1，②8×＋1＝2，③8×＋1＝2，④8×＋6×＝4，B項正確；晶胞③中原子的配位數(shù)應(yīng)為12，其他判斷正確，C項錯誤；四種晶體的空間利用率分別為52%、68%、74%、74%，應(yīng)為④＝③＞②＞①，D項錯誤。2．如圖，鐵有δ、γ、α三種同素異形體，三種晶體在不同溫度下能發(fā)生轉(zhuǎn)化。下列說法不正確的是()A．γ-Fe晶體晶胞中含有鐵原子個數(shù)為14B．α-Fe晶體晶胞中含有鐵原子個數(shù)為1C．δ-Fe晶體晶胞中，鐵原子在平面內(nèi)緊密排列構(gòu)成非密置層D．三種同素異形體的性質(zhì)不同解析：選Aγ-Fe晶體晶胞中含有鐵原子個數(shù)為8×＋6×＝4，A錯；α-Fe晶體晶胞中含有鐵原子個數(shù)為8×＝1，B正確；δ-Fe晶體晶胞中，鐵原子在平面內(nèi)緊密排列構(gòu)成非密置層，C正確；由于三種同素異形體的結(jié)構(gòu)不同，所以它們性質(zhì)不同，D正確。3．晶胞即晶體中最小的重復(fù)單元。已知鋁為面心立方晶體，其結(jié)構(gòu)如圖Ⅰ所示，面心立方的結(jié)構(gòu)特征如圖Ⅱ所示。若鋁原子的半徑為1.43×10－10m，則鋁金屬晶體中的晶胞長度(即圖Ⅲ中AB的長度)為________m。晶胞中Al原子的配位數(shù)為________，一個晶胞中Al原子的數(shù)目為________。晶體的空間利用率為____________。解析：本題為信息題，面心立方晶體可通過觀察圖Ⅰ和圖Ⅱ得出其結(jié)構(gòu)特征是在一個立方體的八個頂點上各有一個原子，在六個面的面心上各有一個原子。圖Ⅲ是一平面圖，則有AB2＋BC2＝AC2，即2AB2＝(4×1.43×10－10m)2，AB＝4.04×10－10m。設(shè)原子半徑為r，晶胞邊長為a，則a＝2r，V球＝4×πr3，V晶胞＝a3＝(2r)3＝16r3?？臻g利用率＝×100%＝×100%≈74%。答案：4.04×10－1012474%晶胞模型的建立學習晶體的性質(zhì)，首先要認識晶體的結(jié)構(gòu)，建立晶體結(jié)構(gòu)模型，是學好晶體的關(guān)鍵，如簡單立方堆積和面心立方堆積，是各類晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，構(gòu)建了晶胞的模型，對認識晶體的結(jié)構(gòu)特點至關(guān)重要。[應(yīng)用體驗]1.關(guān)于金屬晶體銅的堆積的結(jié)構(gòu)(如圖)的敘述中，正確的是()A．屬于體心立方堆積B．屬于六方堆積C．配位數(shù)為6D．每個晶胞含有4個原子解析：選D由圖可知，銅晶體的結(jié)構(gòu)模型為面心立方堆積，故A、B項錯誤，Cu的配位數(shù)為12，故C項錯誤；晶胞中實際擁有的原子數(shù)為8×＋6×＝4，故D項正確。2．1183K以下純鐵晶體的基本結(jié)構(gòu)單元如圖甲所示，1183K以上純鐵晶體的基本結(jié)構(gòu)如圖乙所示，在兩種晶體中最鄰近的鐵原子間距離相同。(1)純鐵晶體中鐵原子以________鍵相互結(jié)合。(2)在1183K以下的純鐵晶體中，與鐵原子等距離且最近的鐵原子有________個；在1183K以上的純鐵晶體中，與鐵原子等距離且最近的鐵原子有________個。解析：(1)純鐵晶體中鐵原子以金屬鍵相互結(jié)合。(2)在1183K以下的純鐵晶體中，與中心鐵原子等距離且最近的鐵原子為立方體頂點的鐵原子，共8個；在1183K以上的純鐵晶體中，與鐵原子等距離且最近的鐵原子為互相垂直的3個面上的鐵原子，每個面上各4個，共12個。答案：(1)金屬(2)812練好題——滲透核心價值1．與金屬的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性有關(guān)的是()A．原子半徑大小 B．最外層電子數(shù)C．金屬的活潑性 D．自由電子解析：選D金屬的導(dǎo)電性是由于自由電子在外加電場中的定向運動造成的。金屬的導(dǎo)熱性是因為自由電子熱運動的加劇會不斷和金屬離子碰撞而交換能量，使熱能在金屬中迅速傳遞。2．(選自魯科版新教材P67)下列有關(guān)金屬鍵和金屬性質(zhì)的說法中，錯誤的是()A．金屬鍵沒有飽和性和方向性B．金屬鍵是金屬陽離子和自由電子之間存在的強烈的相互作用C．自由電子吸收可見光后又迅速釋放，使金屬具有不透明性和金屬光澤D．金屬的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性都是通過自由電子的定向運動實現(xiàn)的解析：選D金屬鍵是金屬陽離子和自由電子之間的強烈相互作用，自由電子為整個金屬的所有陽離子所共有，所以金屬鍵沒有方向性和飽和性，故A正確；金屬鍵是金屬陽離子和自由電子這兩種帶異性電荷的微粒間的強烈的相互作用，故B正確；金屬一般具有銀白色光澤是由于金屬鍵中的自由電子在吸收可見光以后，發(fā)生躍遷，成為高能態(tài)，然后又會躍遷回到低能態(tài)把多余的能量以可見光的形式釋放出來的緣故，故C正確；金屬自由電子受熱后運動速率增大，與金屬離子碰撞頻率增大，傳遞了能量，故金屬有良好的導(dǎo)熱性，金屬導(dǎo)電性是通過自由電子的定向運動實現(xiàn)的，故D錯誤。3.云南鎳白銅(銅鎳合金)聞名中外，曾主要用于造幣，也可用于制造仿銀飾品。鎳白銅合金的立方晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。下列說法錯誤的是()A．晶胞中銅原子與鎳原子的個數(shù)比為3∶1B．銅鎳合金是含有金屬鍵的化合物C．Ni原子核外有2個未成對電子D．鎳白銅晶體具有較大的硬度解析：選BCu處于面心，晶胞中Ni處于頂點，Cu原子數(shù)目＝6×＝3，則晶