同步蘇教化學(xué)選修三新突破講義：專題3 第1單元 金屬鍵　金屬晶體 Word版含答案

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1、 第一單元　金屬鍵　金屬晶體 目標(biāo)與素養(yǎng)：1.了解金屬鍵的含義，知道金屬鍵的本質(zhì)。認(rèn)識(shí)金屬鍵與金屬物理性質(zhì)的關(guān)系，了解金屬晶體的共性。(宏觀辨識(shí)與微觀探析)2.能列舉金屬晶體的堆積模型，并能運(yùn)用堆積模型來(lái)描述和解釋金屬晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。(證據(jù)推理與模型認(rèn)知)3.通過(guò)金屬鍵理論的研討，培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)的意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。(科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任) 一、金屬鍵與金屬特性 1．金屬鍵 (1)概念：金屬離子與自由電子之間強(qiáng)烈的相互作用。 (2)金屬鍵成鍵微粒：金屬陽(yáng)離子和自由電子。 (3)成鍵條件：金屬單質(zhì)或合金。 (4)影響金屬鍵強(qiáng)弱的因素 金屬元素原子半徑越小，單位體積

2、內(nèi)自由移動(dòng)電子數(shù)目越多，金屬鍵越強(qiáng)。 (5)金屬鍵的強(qiáng)弱對(duì)金屬單質(zhì)物理性質(zhì)的影響 金屬硬度的大小、熔沸點(diǎn)的高低與金屬鍵的強(qiáng)弱有關(guān)。金屬鍵越強(qiáng)，金屬晶體的熔、沸點(diǎn)越高，硬度越大。 2．金屬特性 特性 解釋 導(dǎo)電性 在外電場(chǎng)作用下，自由電子在金屬內(nèi)部發(fā)生定向移動(dòng)，形成電流 導(dǎo)熱性 通過(guò)自由電子的運(yùn)動(dòng)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(dá)到同樣的溫度 延展性 由于金屬鍵無(wú)方向性，在外力作用下，金屬原子之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，各層金屬原子之間仍保持金屬鍵的作用 3.金屬的原子化熱 (1)金屬鍵的強(qiáng)弱可以用金屬的原子化熱來(lái)衡量。金屬的原子化熱是指1 mol金屬固體完

3、全氣化成相互遠(yuǎn)離的氣態(tài)原子時(shí)吸收的能量。 (2)意義：衡量金屬鍵的強(qiáng)弱。金屬的原子化熱數(shù)值越大，金屬鍵越強(qiáng)。 二、金屬晶體 1．存在 通常條件下，大多數(shù)金屬單質(zhì)及其合金也是晶體。在金屬晶體中，金屬原子如同半徑相等的小球一樣，彼此相切、緊密堆積成晶體。 2．組成單元——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．金屬晶體的常見(jiàn)堆積方式 (1)金屬原子在二維平面中放置的兩種方式 金屬晶體中的原子可看成直徑相等的球體。把它們放置在平面上(即二維空間里)可有兩種方式——非密置層和密置層(如下圖所示)。 (a)非密置層　　　　　(

4、b)密置層 ①晶體中一個(gè)原子周?chē)嚯x相等且最近的原子的數(shù)目叫配位數(shù)。分析上圖，非密置層的配位數(shù)是4，密置層的配位數(shù)是6。 ②密置層放置平面的利用率比非密置層的要高。 (2)金屬原子在三維空間中的堆積方式和模型 金屬晶體可看作是金屬原子在三維空間(一層一層地)中堆積而成。其堆積方式有以下四種。這四種堆積方式又可以根據(jù)每一層中金屬原子的二維放置方式不同分為兩類：非密置層的堆積(包括簡(jiǎn)單立方堆積和體心立方堆積)，密置層堆積(包括六方堆積和面心立方堆積)。 填寫(xiě)下表： 堆積模型 采納這種堆積的典型代表 晶胞 非密 置層 簡(jiǎn)單立方堆積 Po(釙) 體心立方堆積 Na、K、

5、Cr 密置層 六方立方堆積 Mg、Zn、Ti 面心堆積 Cu、Ag、Au 4.平行六面體晶胞中微粒數(shù)目的計(jì)算 (1)晶胞的頂點(diǎn)原子是8個(gè)晶胞共用； (2)晶胞棱上的原子是4個(gè)晶胞共用； (3)晶胞面上的原子是2個(gè)晶胞共用。 如金屬銅的一個(gè)晶胞(如圖所示)均攤到的原子數(shù)為4。 銅晶胞 5.合金的組成和性質(zhì) (1)合金：一種金屬與另一種或幾種金屬(或非金屬)的融合體。 (2)合金的性能：通常多數(shù)合金的熔點(diǎn)比它的成分金屬的熔點(diǎn)要低，而強(qiáng)度和硬度比它的成分金屬要大。 微點(diǎn)撥：由于金屬鍵沒(méi)有飽和性和方向性，金屬原子能從各個(gè)方向相互靠近，彼此相切，緊密堆積成晶

6、體，密堆積能充分利用空間，使晶體能量降低。 1．判斷正誤(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”) (1)金屬晶體的熔點(diǎn)均較高。 (　　) (2)金屬的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性均與自由電子有關(guān)。 (　　) (3)金屬受外力作用變形后仍保持金屬鍵的作用。 (　　) (4)金屬鍵沒(méi)有方向性和飽和性。 (　　) (5)金屬中的自由電子來(lái)源于金屬原子的部分或全部電子。 (　　) [答案]　　(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)√ 2．如圖所示為金屬原子在二維空間里放置的兩種方式，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．圖(a)為非密置層，配位數(shù)為6 B．圖(b)為密置層，配位數(shù)為4 C．

7、圖(a)在三維空間里堆積可得六方堆積和面心立方堆積 D．圖(b)在三維空間里堆積僅得簡(jiǎn)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，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，非密置層的配位數(shù)較密置層小，為4。由此可知，圖中(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模型，非密置層在三維空間堆積可得簡(jiǎn)單立方堆積和體心立方堆積兩種堆積模型。所以，只有C選項(xiàng)正確。] 3．如圖所示的甲、乙、丙三種晶體： 試寫(xiě)出： (1)甲晶體的化學(xué)式(X為陽(yáng)離子)________。 (2)乙晶體中A、B、C三

8、種粒子的個(gè)數(shù)比________。 (3)丙晶體中每個(gè)D周?chē)Y(jié)合E的個(gè)數(shù)______________。 [答案]　(1)X2Y　(2)1∶3∶1　(3)8 金屬晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 1.金屬晶體的原子堆積模型 金屬原子在三維空間按一定的規(guī)律堆積，有4種基本堆積方式。 堆積方式 圖式 實(shí)例 簡(jiǎn)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 六方堆積 鎂、鋅、鈦等 2.金屬晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系 絕大多數(shù)金屬不透明，具有金屬光澤，硬度大，熔、沸點(diǎn)高，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及延展性。 (1)延展性 金

9、屬有延展性，可以抽成細(xì)絲，可以壓成薄片。這是因?yàn)楫?dāng)金屬受到外力作用時(shí)，密堆積層的金屬原子之間比較容易產(chǎn)生滑動(dòng)，這種滑動(dòng)不會(huì)破壞密堆積的排列方式，而且在滑動(dòng)過(guò)程中“自由電子”能夠維系整個(gè)金屬鍵的存在，即各層之間始終保持著金屬鍵的作用，因此，金屬晶體雖然發(fā)生了變形，但不會(huì)導(dǎo)致斷裂。 另外，金屬晶體中原子的堆積方式也會(huì)影響金屬的性質(zhì)，如具有最密堆積結(jié)構(gòu)的金屬的延展性往往比其他結(jié)構(gòu)的金屬的延展性好。 (2)金屬的熔點(diǎn)、硬度 金屬鍵是在整個(gè)晶體的范圍內(nèi)起作用的，而且金屬鍵一般較強(qiáng)，金屬熔化或有硬物壓入時(shí)需破壞金屬鍵，故大多數(shù)金屬晶體的熔點(diǎn)較高，硬度較大，但不同金屬晶體的熔點(diǎn)差別較大。如Hg在常溫下

10、為液態(tài)，而鐵的熔點(diǎn)卻很高(1 535 ℃)。 (3)金屬熔、沸點(diǎn)高低的比較 金屬陽(yáng)離子半徑越小，所帶電荷越多，則金屬鍵越強(qiáng)，金屬的熔、沸點(diǎn)就越高，一般存在以下規(guī)律： ①同周期金屬單質(zhì)，從左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸點(diǎn)升高。 ②同主族金屬單質(zhì)，從上到下(如堿金屬)熔、沸點(diǎn)降低。 ③合金的熔、沸點(diǎn)比其各成分金屬的熔、沸點(diǎn)低。 ④金屬晶體熔點(diǎn)差別很大，如汞常溫為液體，熔點(diǎn)很低(－38.9 ℃)，而鐵等金屬熔點(diǎn)很高(1 535 ℃)。 【典例1】　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(qiáng)烈相互作用，其實(shí)質(zhì)與離子鍵類似，也

11、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(qiáng)烈的相互作用，所以與共價(jià)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(wú)飽和性和方向性 D．金屬中的自由電子在整個(gè)金屬內(nèi)部的三維空間中做自由運(yùn)動(dòng) B　[從基本構(gòu)成微粒的性質(zhì)看，金屬鍵與離子鍵的實(shí)質(zhì)類似，都屬于電性作用，特征都是無(wú)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(gè)金屬內(nèi)部的三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，為整個(gè)金屬的所有陽(yáng)離子所共有，從這個(gè)角度看，金屬鍵與共價(jià)鍵有類似之處，但兩者又有明顯的不同，如金屬鍵無(wú)方向性和飽和性。] 1．下列關(guān)于金屬晶體的敘述正確的是(　　)

12、 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 B　[A：Hg在常溫下為液態(tài)。C：r(Ca)K，所以金屬鍵Ca>K，故熔、沸點(diǎn)Ca>K。D：金屬的導(dǎo)電性隨溫度升高而降低。] 2．結(jié)合金屬晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，回答以下問(wèn)題。 已知下列金屬晶體：Na、Po、K、Cu、Mg、Au、Ag、Zn、Ti、Cr、Mo、W、Pb，其堆積方式 ①簡(jiǎn)單立方堆積的是：_________________________________。 ②體心立方堆積的是：_

13、________________________________。 ③六方堆積的是：_____________________________。 ④面心立方堆積的是：_________________________________。 [答案]?、貾o?、贜a、K、Cr、Mo、W?、跰g、Zn、Ti?、蹵u、Ag、Cu、Pb 晶胞 1.晶胞的特點(diǎn) (1)習(xí)慣采用的晶胞是平行六面體，其三條邊的長(zhǎng)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(gè)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(gè)晶胞上下左右前后無(wú)隙并置地排列著與其一樣的無(wú)數(shù)晶胞，

14、決定了晶胞的8個(gè)頂角、平行的面以及平行的棱完全相同。 2．晶胞中粒子數(shù)的計(jì)算 均攤法確定晶胞中微粒的個(gè)數(shù) 均攤法：若某個(gè)粒子為n個(gè)晶胞所共有，則該粒子的屬于這個(gè)晶胞。 模型認(rèn)知和證據(jù)推理：兩種常見(jiàn)晶胞中粒子數(shù)的求算 (1)平面六面體(長(zhǎng)方體形和正方體形)晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計(jì)算 (2)六棱柱晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計(jì)算 如圖所示，六方晶胞中所含微粒數(shù)目為12×＋3＋2×＝6。 六方晶胞 【典例2】　某物質(zhì)的晶體中，含A、B、C 3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(huà)出)，晶體中A、B、C的原子個(gè)數(shù)比為(　　) A．1∶3∶1　　　

15、　　 B．2∶3∶1 C．2∶2∶1 D．1∶3∶3 A　[A原子位于晶胞的頂點(diǎn)，故晶胞中A原子個(gè)數(shù)為8×＝1，B原子位于晶胞的面心，故晶胞中B原子個(gè)數(shù)為6×＝3，C原子位于晶胞的體心，故晶胞中C原子個(gè)數(shù)為1，所以晶胞中A、B、C的原子個(gè)數(shù)比為1∶3∶1，A項(xiàng)正確。] 3．某晶體的晶胞為如圖所示的正三棱柱，該晶體中X、Y、Z三種粒子數(shù)之比是(　　) A．3∶9∶4 B．1∶4∶2 C．2∶9∶4 D．3∶8∶4 B　[題圖中不是一個(gè)平行六面體晶胞，而是一個(gè)正三棱柱結(jié)構(gòu)的晶胞，它分?jǐn)偟降牧Ｗ訛轫斀橇Ｗ拥?，底面棱上粒子的，?cè)面棱上粒子的及內(nèi)部的所有粒子，X都在頂角上，6個(gè)Y在頂

16、面和底面棱上，3個(gè)Y在側(cè)面棱上，Z位于內(nèi)部，所以X、Y、Z三種粒子數(shù)之比為∶∶1＝1∶4∶2。] 4．銅在我國(guó)有色金屬材料的消費(fèi)中僅次于鋁，廣泛地應(yīng)用于電氣、機(jī)械制造、國(guó)防等領(lǐng)域?；卮鹣铝袉?wèn)題： (1)銅原子基態(tài)電子排布式為_(kāi)________________________。 (2)用晶體的X射線衍射法可以測(cè)得阿伏加德羅常數(shù)。對(duì)金屬銅的測(cè)定得到以下結(jié)果：晶胞為面心立方最密堆積，邊長(zhǎng)為361 pm。又知銅的密度為9.00 g·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_(kāi)___________________ [列式計(jì)算，已知Ar(Cu)＝6

17、3.6]。 [解析]　(2)體積是a3；質(zhì)量＝體積×密度；一個(gè)體心晶胞含4個(gè)原子，則摩爾質(zhì)量＝四分之一×晶胞質(zhì)量×NA，可求NA。 [答案]　(1)1s22s22p63s23p63d104s1(或[Ar]3d104s1) (2)4.70×10－23　4.23×10－22 NA＝＝6.01×1023 mol－1 晶胞的一般計(jì)算公式 已知：晶體密度(ρ)、晶胞體積(V)、晶胞含有的組成個(gè)數(shù)(N)和NA的有關(guān)計(jì)算公式：NA＝M 如NaCl晶體：NA＝58.5。 1．下列有關(guān)金屬鍵的敘述錯(cuò)誤的是(　　) A．金屬鍵沒(méi)有飽和性和方向性 B．金屬鍵是金屬離子和自由電子之間存

18、在的強(qiáng)烈的靜電吸引作用 C．金屬鍵中的電子屬于整塊金屬 D．金屬的性質(zhì)和金屬固體的形成與金屬鍵有關(guān) B　[金屬原子脫落下來(lái)的電子被所有原子所共有，從而把所有的金屬原子維系在一起，故金屬鍵無(wú)飽和性和方向性。金屬鍵是金屬離子和自由電子之間的強(qiáng)烈作用，既包括金屬離子與自由電子之間的靜電吸引作用，也存在金屬離子與自由電子之間的靜電排斥作用。金屬鍵中的電子屬于整塊金屬。金屬的性質(zhì)及固體形成與金屬鍵的強(qiáng)弱密切相關(guān)。] 2．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 D　[金屬的導(dǎo)電性是由于自由電子在外加電場(chǎng)中的定向移動(dòng)造成的。金

19、屬的導(dǎo)熱性是因?yàn)樽杂呻娮訜徇\(yùn)動(dòng)的加劇會(huì)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。 ] 3．在金屬中，自由電子與金屬離子或金屬原子的碰撞有能量傳遞，可以用此來(lái)解釋的金屬的物理性質(zhì)是(　　) A．延展性 B．導(dǎo)電性 C．導(dǎo)熱性 D．硬度 C　[金屬晶體中，自由電子獲得能量后在與金屬離子或金屬原子的碰撞過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了能量傳遞，把能量從溫度高的區(qū)域傳到溫度低的區(qū)域，體現(xiàn)了金屬的導(dǎo)熱性。] 4．1 183 K以下純鐵晶體的基本結(jié)構(gòu)單元如圖甲所示，1 183 K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

20、結(jié)合。 (2)在1 183 K以下的純鐵晶體中，與鐵原子等距離且最近的鐵原子有________個(gè)；在1 183 K以上的純鐵晶體中，與鐵原子等距離且最近的鐵原子有________個(gè)。 [解析]　(1)純鐵晶體中鐵原子以金屬鍵相互結(jié)合。(2)在1 183 K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(diǎn)的鐵原子，共8個(gè)；在1 183 K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(gè)面上的鐵原子，每個(gè)面上各4個(gè)，共12個(gè)。 [答案]　(1)金屬　(2)8　12 5．已知某金屬面心立方晶體，其結(jié)構(gòu)如圖(Ⅰ)所示，面心立方的結(jié)構(gòu)如圖(Ⅱ)所示，該原子的半徑為1.27×10－10 m，試求金屬晶體中的晶胞長(zhǎng)度，即圖(Ⅲ)中AB的長(zhǎng)度。AB的長(zhǎng)度為_(kāi)_______m。 (Ⅰ)　　　　　　(Ⅱ)　　　　　　　(Ⅲ) [解析]　本題為信息題，面心立方晶體通過(guò)觀察圖(Ⅰ)和圖(Ⅱ)，可得出其結(jié)構(gòu)特征：在一個(gè)立方體的八個(gè)頂角上均有一個(gè)原子，且在六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子。圖(Ⅲ)是 一個(gè)平面圖，則有：AB2＋BC2＝AC2，且AB＝BC，即2AB2＝(4×1.27×10－10)2，AB≈3.59×10－10 m。 [答案]　3.59×10－10 m