《金屬鍵金屬晶體》學(xué)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(yù)習(xí)問題導(dǎo)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(dǎo)電性、導(dǎo)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(dòng)，形成電流，使金屬晶體具有良好的導(dǎo)電性；而自由電子在運(yùn)動(dòng)過程中通過碰撞進(jìn)行能量傳遞，使金屬晶體具有良好的導(dǎo)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(yùn)動(dòng)，當(dāng)金屬受到外力作用，被拉成細(xì)絲或壓成薄片時(shí)，雖然各層之間發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)，但自由電子跟金屬陽離子之間的較強(qiáng)的相互作用沒有改變，因而不致發(fā)生斷裂。（3）金屬的熔點(diǎn)、硬度等取決于金屬晶體內(nèi)部作用力的強(qiáng)弱。一般來說，金屬原子的價(jià)電子數(shù)越多，原子半徑越小，金屬晶體內(nèi)部作用力越強(qiáng)。因而晶體熔點(diǎn)越高、硬度越大。說明：①金屬的延展性是相對(duì)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(lán)白色，金為黃色。金屬晶體的熔沸點(diǎn)、硬度更是多種多樣。如堿金屬的熔沸點(diǎn)和硬度都很低，像鎢等熔點(diǎn)又很高。知識(shí)預(yù)覽1.金屬鍵的概念______________________________。2.金屬鍵的特征是無__________、無__________。3.金屬鍵的強(qiáng)度主要決定于__________和__________。金屬元素的__________越小、__________越多，金屬鍵越強(qiáng)。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(gè)__________，每個(gè)晶胞含__________個(gè)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(dòng)三點(diǎn)剖析一、金屬鍵與金屬特性1.金屬鍵的實(shí)質(zhì)金屬鍵的實(shí)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(fù)性較小，金屬原子的價(jià)電子容易脫離原子核的束縛在金屬陽離子之間“自由”運(yùn)動(dòng)，即成為“自由電子”。正是由于“自由電子”在整個(gè)金屬固體中不停地運(yùn)動(dòng)，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(qiáng)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(gè)三維空間運(yùn)動(dòng)，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(dāng)可見光照射到金屬表面上時(shí)，“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(dāng)把金屬導(dǎo)線接到電源的正、負(fù)極時(shí)，有了電勢(shì)差，“自由電子”就沿導(dǎo)線由負(fù)極向正極流動(dòng)形成電流，使金屬顯示出導(dǎo)電性。同樣，當(dāng)金屬中有溫度差時(shí)，不停運(yùn)動(dòng)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(dǎo)熱性。4.影響金屬鍵強(qiáng)弱的因素影響金屬鍵強(qiáng)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(qiáng)，金屬晶體的硬度就越大，熔沸點(diǎn)就越高。如鋰的金屬鍵強(qiáng)于鈉的金屬鍵，與金屬鈉相比較，鋰的熔點(diǎn)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(jià)電子能用于成鍵，這樣少的價(jià)電子不足以使金屬晶體中原子間形成正規(guī)的共價(jià)鍵或離子鍵，因此金屬在形成晶體時(shí)傾向于組成極為緊密的結(jié)構(gòu)，使每個(gè)原子擁有盡可能多的相鄰原子（通常是8個(gè)或12個(gè)原子），這樣電子的能級(jí)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(shí)。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(xué)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(gè)Po原子在立方晶格的8個(gè)頂點(diǎn)上。所謂緊堆晶胞是指金屬晶體以圓球狀的金屬原子一個(gè)挨一個(gè)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(rèn)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(gè)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(qiáng)烈相互作用，叫金屬鍵。金屬鍵越強(qiáng)，其金屬的硬度越大，熔沸點(diǎn)越高，且據(jù)研究表明，一般說來金屬原子半徑越小，價(jià)電子數(shù)越多，則金屬鍵越強(qiáng)，由此判斷下列說法錯(cuò)誤的是（）A.鎂的硬度大于鋁B.鎂的熔沸點(diǎn)低于鈣C.鎂的硬度大于鉀D.鈣的熔沸點(diǎn)高于鉀解析：本題為信息給予題，主要考查自學(xué)能力、思維能力和原子結(jié)構(gòu)知識(shí)。根據(jù)題目所給予信息：鎂和鋁的電子層數(shù)相同，價(jià)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(qiáng)弱Mg＞Ca，所以B選項(xiàng)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(xiàng)正確。鈣和鉀元素位于同一周期，價(jià)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(diǎn)：Ca＞K，所以D選項(xiàng)正確。答案：AB類題演練1試比較下列金屬熔點(diǎn)的高低，并用金屬鍵的知識(shí)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(qiáng)，金屬晶體的熔點(diǎn)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(diǎn)逐漸變小。答案：（1）熔點(diǎn)：Na＜Mg＜Al（2）熔點(diǎn)：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(dǎo)電②容易導(dǎo)熱③有延展性④易銹蝕A.②④B.①②④C.①②③④D.①②③解析：金屬容易導(dǎo)電是因?yàn)榫w中存在許多自由電子，這些自由電子的運(yùn)動(dòng)是沒有方向性的，但在外加電場作用下，自由電子就會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)形成電流；容易導(dǎo)熱是因?yàn)樽杂呻娮釉谶\(yùn)動(dòng)時(shí)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(dá)到相同的溫度；有延展性是因?yàn)榻饘匐x子和自由電子之間的較強(qiáng)作用，當(dāng)金屬受到外力時(shí)，晶體中的各離子層就會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，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(huì)導(dǎo)致斷裂；易銹蝕是因?yàn)榻饘僖妆谎趸優(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(diǎn)很低B.固體或熔融后易導(dǎo)電，熔點(diǎn)在1000℃左右C.由共價(jià)鍵結(jié)合成網(wǎng)狀晶體，熔點(diǎn)很高D.固體不導(dǎo)電，但溶于水或熔融后能導(dǎo)電解析：A為分子晶體；B中固體能導(dǎo)電，熔點(diǎn)在1000℃左右，不是很高，排除石墨等固體，應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)就會(huì)相應(yīng)升高，因此Al>Mg>Na>K>Rb>Cs;而合金的熔點(diǎn)一般比組成它的各成分金屬的熔點(diǎn)都低，因此D也錯(cuò)誤。答案：A課后集訓(xùn)基礎(chǔ)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(jià)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(diǎn)越高。由此判斷下列各組金屬熔沸點(diǎn)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(shí)得知：在邊長10-7cm的正方體中含有20個(gè)原子，則此元素的相對(duì)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(qiáng)烈作用，在一定外力作用下，不因形變而消失C.鈣的熔沸點(diǎn)低于鉀D.溫度越高，金屬的導(dǎo)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(dǎo)電C.延展性好 D.易導(dǎo)熱6.鋁硅合金（含硅13.5%)在凝固時(shí)收縮率很小，因而這種合金適合于鑄造。現(xiàn)有下列三種晶體：①鋁②硅③鋁硅合金，它們的熔點(diǎn)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(diǎn)越高B.同周期金屬的原子半徑越小熔點(diǎn)越高C.同主族金屬的原子半徑越大熔點(diǎn)越高D.同主族金屬的原子半徑越小熔點(diǎn)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(dǎo)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(dòng)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(dòng)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(dǎo)電，固態(tài)可導(dǎo)電，將其投入水中水溶液也可導(dǎo)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(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)最高的是__________，既能與酸反應(yīng)又能與堿反應(yīng)的金屬元素是__________，單質(zhì)還原性最強(qiáng)的是__________。綜合運(yùn)用13.根據(jù)下列報(bào)道和所學(xué)知識(shí)完成下列各題。（2005年7月4日北京時(shí)間上午1點(diǎn)50分，美國“深度撞擊”號(hào)飛船釋放的探測器以大約每小時(shí)3.67萬千米的高速撞擊坦普爾1號(hào)彗星。“深度撞擊”號(hào)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?xì)粉狀碎屑騰空而起。這些細(xì)粉狀碎屑中含有水、二氧化碳和簡單有機(jī)物。（1）構(gòu)成撞擊艙的銅合金中含有的化學(xué)鍵是（）A.共價(jià)鍵 B.金屬鍵 C.離子鍵 D.配位鍵（2）“深度撞擊”號(hào)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(rèn)為下列說法中一定錯(cuò)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(duì)撞擊時(shí)的觀測產(chǎn)生的干擾小，并且也不會(huì)留下殘余物而妨礙未來的觀測C.銅合金中的化學(xué)鍵作用強(qiáng)，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(xué)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(xué)鍵發(fā)生變化，范德瓦爾斯力不變C.分子內(nèi)的化學(xué)鍵不變，范德瓦爾斯力發(fā)生變化D.分子內(nèi)的化學(xué)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(xué)家實(shí)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(jì)算機(jī)研究方面帶來重大突破。已知銣?zhǔn)?7號(hào)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(yīng)比鈉強(qiáng)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(yīng)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(yīng)時(shí)，水是還原劑D.氫化銣中氫離子最外層有兩個(gè)電子（4）現(xiàn)有銣和另一種堿金屬形成的合金50g，當(dāng)它與足量水反應(yīng)時(shí)，放出標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)120.5℃，沸點(diǎn)271.5℃，易水解____________________。（2）硼：熔點(diǎn)2300℃，沸點(diǎn)2550℃，硬度大__________。（3）硒：熔點(diǎn)217℃，沸點(diǎn)685℃，溶于氯仿__________。（4）銻：熔點(diǎn)630.74℃,沸點(diǎn)1750℃，導(dǎo)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(xué)式__________。（2）已知Au的相對(duì)原子質(zhì)量為197，Cu的相對(duì)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(jì)算兩個(gè)最近金原子的核間距。17.金晶體的最小重復(fù)單元（也稱晶胞）是面心立方體，即在立方體的8個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)金原子，各個(gè)面的中心有一個(gè)金原子，每個(gè)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(gè)晶胞中含有__________個(gè)金原子。（2）欲計(jì)算一個(gè)晶胞的體積，除假定金原子是剛性小球外，還應(yīng)假定_______。（3）一個(gè)晶胞的體積是多少？（4）金晶體的密度是多少？

參考答案知識(shí)預(yù)覽1.金屬離子與自由電子之間的強(qiáng)烈的相互作用2.方向性飽和性3.金屬元素原子的半徑價(jià)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(xùn)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(yīng)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(xiàng)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?yàn)榻饘冁I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(shí)際上是金屬有延展性的原因，B正確。鈣的金屬鍵應(yīng)強(qiáng)于K，故熔沸點(diǎn)應(yīng)高于K，C不正確。溫度高，金屬離子的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，對(duì)自由電子的移動(dòng)造成阻礙，導(dǎo)電性減弱，故D不正確。答案：B5.解析：對(duì)于金屬，其易導(dǎo)電、導(dǎo)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(diǎn)低于組成的金屬單質(zhì)熔點(diǎn)，而鋁與硅比較，硅屬于原子晶體，具有較高的熔點(diǎn)，故答案為D。答案：D7.解析：金屬晶體的熔沸點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)，在外加電場的作用下，自由電子就會(huì)定向移動(dòng)而形成電流。答案：B10.解析：非金屬在熔融狀態(tài)不導(dǎo)電，所以B錯(cuò)誤；可溶性堿、可熔性鹽屬于離子化合物，在固態(tài)時(shí)不導(dǎo)電，所以C、D也錯(cuò)誤。符合條件的只有A，如鈉、鉀等。答案：A11.解析：合金的熔沸點(diǎn)低于其各組分的熔沸點(diǎn)。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。