第三章第三节 金属晶体.docx
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第三章第三节金属晶体
第三节 金属晶体
1.初步了解金属键的含义,能用“电子气理论”解释金属的一些物理性质。
2.初步了解金属晶体的四种基本堆积模型。
3.了解混合晶体石墨的结构与性质。
金属键与金属晶体[学生用书P45]
1.金属键
(1)概念:
“电子气理论”把金属键描述为金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”,被所有原子所共用,从而把所有的金属原子维系在一起。
(2)成键粒子是金属阳离子和自由电子。
(3)金属键的强弱和对金属性质的影响
①金属键的强弱主要决定于金属元素的原子半径和价电子数。
原子半径越大,价电子数越少,金属键越弱;反之,金属键越强。
②金属键越强,金属的熔、沸点越高,硬度越大。
2.金属晶体
(1)在金属晶体中,原子间以金属键相结合。
(2)金属晶体的性质:
优良的导电性、导热性和延展性。
(3)用“电子气理论”解释金属的性质
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)不存在只有阳离子,而没有阴离子的物质。
( )
(2)金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的静电吸引作用。
( )
(3)金属晶体在外力作用下,各层之间发生相对滑动,金属键也被破坏。
( )
(4)金属键没有饱和性和方向性。
( )
(5)金属原子半径越小,价电子数越多,其金属单质熔、沸点越高,硬度越大。
( )
(6)原子晶体的熔点一定比金属晶体的高,分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。
( )
答案:
(1)×
(2)× (3)× (4)√ (5)√ (6)×
2.下列关于金属键的叙述中不正确的是( )
A.金属键是金属阳离子和“自由电子”这两种带异性电荷的微粒间强烈的相互作用,其实质与离子键类似,也是一种电性作用
B.金属键可以看作是许多原子共用许多电子所形成的强烈的相互作用,所以与共价键类似,也有方向性和饱和性
C.金属键是金属阳离子和“自由电子”间的相互作用,金属键无饱和性和方向性
D.构成金属键的“自由电子”在整个金属内部的三维空间中做自由运动
解析:
选B。
从构成物质的基本微粒的性质看,金属键与离子键的实质类似,都属于电性作用,特征都是无方向性和饱和性;“自由电子”是由金属原子提供的,并且在整个金属内部的三维空间内运动,为整个金属的所有阳离子所共有,从这个角度看,金属键与共价键有类似之处,但两者又有明显的不同,如金属键无方向性和饱和性。
1.金属晶体
(1)由金属晶体的“电子气理论”可知,金属晶体与原子晶体一样,是一种“巨分子”。
(2)在金属晶体里有阳离子,但没有阴离子,所以,晶体中有阳离子不一定有阴离子,但若有阴离子,则一定有阳离子。
2.金属晶体的熔点变化规律
金属晶体熔点变化差别较大。
例如:
汞在常温下是液体,熔点很低(-38.9℃),而钨的熔点高达3410℃。
这是由于金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子与自由电子的作用力不同而造成的差别。
(1)一般情况下(同类型的金属晶体),金属晶体的熔点由金属阳离子半径、所带的电荷数、自由电子的多少决定。
阳离子半径越小,所带的电荷越多,自由电子越多,相互作用就越大,熔点就会越高。
例如:
熔点K<Na<Mg<Al,Li>Na>K>Rb>Cs。
(2)一般合金的熔、沸点比各成分金属的熔、沸点低。
(1)(2019·镇江名校高二联考)下列叙述中正确的是________。
A.金属受外力作用时常常发生变形而不易折断是由于金属原子之间有较强的作用
B.通常情况下,金属里的自由电子会发生定向移动而形成电流
C.金属是借助自由电子的运动,把能量从温度高的部分传到温度低的部分
D.金属的导电性随温度的升高而减弱
(2)要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。
金属晶体熔、沸点的高低和硬度大小一般取决于金属键的强弱,而金属键与金属阳离子所带电荷的多少及半径大小有关。
由此判断下列说法正确的是________。
A.金属镁的熔点大于金属铝
B.碱金属单质的熔、沸点从Li到Cs是逐渐增大的
C.金属铝的硬度大于金属钠
D.金属镁的硬度小于金属钙
[解析]
(1)金属受外力作用时常常发生变形而不易折断是因为金属晶体中各原子层会发生相对滑动,但不会改变原来的排列方式,故A项不正确;金属里的自由电子要在外加电场作用下才能发生定向移动产生电流,故B项不正确;金属的导热性是由于自由电子碰撞金属离子将能量进行传递,故C项不正确。
(2)金属阳离子所带电荷越多,半径越小,金属键越强,据此判断。
[答案]
(1)D
(2)C
金属键与金属晶体的特性
1.金属键的实质是( )
A.自由电子与金属阳离子之间的相互作用
B.金属原子与金属原子间的相互作用
C.金属阳离子与阴离子的吸引力
D.自由电子与自由电子之间的相互作用
解析:
选A。
金属晶体由金属阳离子与自由电子构成,金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用即为金属键。
2.下列叙述正确的是( )
A.任何晶体中,若含有阳离子,就一定含有阴离子
B.金属晶体的形成是因为晶体中存在金属阳离子间的相互作用
C.价电子数越多的金属原子的金属性越强
D.含有金属元素的离子不一定是阳离子
解析:
选D。
金属晶体中虽存在阳离子,但没有阴离子,A错误;金属晶体的形成是因为晶体中存在金属阳离子与自由电子间的相互作用,B错误;价电子数多的金属元素的金属性不一定强,如Fe的价电子数比Na多,但Fe的金属性却没有Na的强,C错误;含有金属元素的离子不一定是阳离子,如AlO
就是阴离子,D正确。
3.关于金属性质和原因的描述不正确的是( )
A.金属一般具有银白色光泽,是物理性质,与金属键没有关系
B.金属具有良好的导电性,是因为金属晶体中金属原子共享了脱落下来的价电子,形成了“电子气”,在外电场的作用下自由电子定向移动便形成了电流
C.金属具有良好的导热性能,是因为自由电子通过与金属离子发生碰撞,传递了能量
D.金属晶体具有良好的延展性,是因为金属晶体中的原子层可以滑动而不破坏金属键
解析:
选A。
金属中的自由电子吸收了可见光,又把各种波长的光大部分再反射出来,因而金属一般显银白色光泽;金属具有导电性是因为在外加电场作用下,自由电子定向移动形成电流;导热性是自由电子受热后,与金属离子发生碰撞,传递能量;良好的延展性是因为原子层可以滑动,但金属键未被破坏。
4.金属钠、镁、铝的熔点高低顺序正确的是( )
A.Na>Mg>Al B.Al>Mg>Na
C.Mg>Al>NaD.Na>Al>Mg
解析:
选B。
金属阳离子半径越小,所带电荷数越多,金属阳离子与“电子气”的作用力越大,金属键越强。
钠、镁、铝离子的电荷数逐渐增多,半径逐渐减小,故钠、镁、铝的熔点逐渐升高。
金属晶体的原子堆积模型 石墨[学生用书P47]
1.二维空间模型
金属原子在二维平面里放置有非密置层和密置层两种方式,配位数分别为4和6。
如图:
2.三维空间模型
(1)简单立方堆积
按非密置层方式堆积而成,其空间利用率为52%,配位数为6。
晶胞构成:
一个立方体,每个晶胞含有1个原子,如Po。
(2)体心立方堆积
按非密置层方式堆积而成,配位数为8,空间利用率为68%。
晶胞构成:
体心立方,每个晶胞含有2个原子,如碱金属。
(3)六方最密堆积和面心立方最密堆积
六方最密堆积和面心立方最密堆积是按照密置层的堆积方式堆积而成,配位数均为12,空间利用率均为74%。
六方最密堆积如图所示,按ABABABAB……的方式堆积。
面心立方最密堆积如图所示,按ABCABCABC……的方式堆积。
3.混合晶体——石墨
(1)石墨晶体为层状结构,碳原子呈sp2杂化,层间没有化学键,靠范德华力维系。
(2)石墨像金属一样有金属键,有导电性。
综上可知,石墨晶体中既有共价键,又有金属键,还有范德华力,是混合晶体。
1.金属晶体堆积密度大,原子配位数高,能充分利用空间的原因是( )
A.金属原子的价电子数较少
B.金属晶体中存在自由移动的电子
C.金属晶体的原子半径较大
D.金属键不具有方向性和饱和性
解析:
选D。
金属晶体中微粒之间的作用力是金属键,金属键不具有方向性和饱和性,所以金属原子能以最紧密的方式堆积,故金属晶体堆积密度大,原子的配位数高,这样能充分利用空间。
2.(2019·湖南雅礼中学检测)金属晶体的堆积方式、空间利用率和配位数关系正确的是( )
A.钋Po——简单立方堆积——52%——8
B.钠Na——体心立方堆积——74%——12
C.锌Zn——六方最密堆积——68%——8
D.银Ag——面心立方最密堆积——74%——12
解析:
选D。
A项中配位数应为6;B项中体心立方堆积的空间利用率为68%,配位数为8;C项中Zn为六方最密堆积,空间利用率为74%,配位数为12。
1.金属晶体的四种堆积模型的比较
堆积模型
表示符号
晶胞
每个晶胞所含原子数
采纳这种堆积的典型金属
配位数
空间利用率
非密置层
简单立方堆积
—
1
Po
6
52%
体心立方堆积
—
2
Na、K、Fe
8
68%
密置层
六方最密堆积
ABAB…
2
Mg、Zn、Ti
12
74%
面心立方最密堆积
ABC
ABC
…
4
Cu、Ag、Au
12
74%
2.四种晶胞中所含原子数目的计算方法和配位数的确定方法
晶胞类型
原子数
配位数
简单立方堆积
8×
=1
6(上、下、左、右、前、后)
体心立方堆积
8×
+1=2
8(立方体的8个顶点)
六方最密堆积
8×
+1=2
12(上、下层各3个,中间层6个)
面心立方最密堆积
8×
+6×
=4
3.空间利用率的计算方法
空间利用率=
×100%。
将原子(离子)设想为一个球,依据1个晶胞内所含原子(离子)的数目计算原子(离子)的体积,再确定晶胞的体积,即可计算晶体(胞)的空间利用率。
(1)在简单立方堆积中,各个原子是相互靠拢的,对于1个晶胞来说,含有1个金属原子,设立方体的边长为a,则其体积为a3,金属原子的半径为
,则空间利用率为
×100%=
×100%≈52%。
(2)在体心立方堆积中,在立方体的体对角线上球是相互接触的。
如图所示,设立方体的边长为a,原子半径为r,则
a=4r,而1个晶胞中含有2个金属原子,所以空间利用率为
×100%=
×100%=
×100%≈68%。
(3)在六方最密堆积中,如下图,设原子半径为r,则底面边长为2r,底面高h=
r,所以底面积S=2r×
r=2
r2。
晶胞的高H=2×
r,
所以晶胞体积V晶胞=S×H=2
r2×
r=8
r3,
2个原子的体积V球=2×
πr3。
空间利用率为
×100%=
×100%≈74%。
(4)在面心立方最密堆积中,如图,设原子半径为r,晶胞边长为a,
则a=2
r,V球=4×
πr3,
V晶胞=a3=(2
r)3=16
r3。
空间利用率为
×100%=
×100%≈74%。
金属晶体的原子堆积方式常有以下四种方式,请认真观察模型(下图),回答下列问题:
(1)四种堆积模型的堆积名称依次是________________、______________、______________、______________。
(2)如图所示甲中的堆积方式,空间利用率为________,只有金属________采用这种堆积方式。
(3)如图所示乙与丙中两种堆积方式中金属原子的配位数________(填“相同”或“不相同”);乙中的空间利用率为________,丙中按____________的方式进行堆积。
(4)采取丁中堆积方式的金属通常有______________________________
(任写三种金属元素的符号),每个晶胞中所含有的原子数为________。
[解析]
(1)甲中的堆积方式是将非密置层的金属原子上下对齐,形成的晶胞是1个立方体,在立方体的每个顶角有1个金属原子,称为简单立方堆积。
乙和丙中都是密置层原子的堆积方式,乙中上面A层和下面A层的3个原子组成的三角形方向相同,称为六方最密堆积。
丙中A层和C层的3个原子组成的三角形方向相反,称为面心立方最密堆积。
丁中的堆积方式是将非密置层的上层金属原子填入下层金属原子形成的凹穴中,每层均照此堆积,形成的晶胞是1个立方体,在立方体的每个顶角有1个金属原子,立方体的中心含有1个金属原子,称为体心立方堆积。
(2)简单立方堆积的空间利用率最低,为52%,采取这种堆积方式的金属只有Po。
(3)乙和丙中两种堆积方式相同,金属原子的配位数均为12,且其空间利用率均为74%。
(4)丁中是体心立方堆积,采取这种堆积方式的金属有K、Na、Fe等。
用“均摊法”可求得每个晶胞中含有金属原子的个数为1+8×
=2。
[答案]
(1)简单立方堆积 六方最密堆积 面心立方最密堆积 体心立方堆积
(2)52% Po (3)相同 74% ABCABCABC…… (4)K、Na、Fe(合理即可) 2
金属晶体的原子堆积模型
1.(2019·山东师大附中月考)
如图所示,下列说法不正确的是( )
A.此种堆积方式为面心立方最密堆积
B.该种堆积方式每一层上为密置层
C.该种堆积方式可用符号“ABCABCABC……”表示
D.金属Mg就属于此种堆积方式
解析:
选D。
观察题图,该晶体为“ABCABCABC……”的面心立方最密堆积,每一层上为密置层,金属Mg属于六方最密堆积方式,所以D错误。
2.有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示,下列有关说法正确的是( )
A.①为简单立方堆积,②为六方最密堆积,③为体心立方堆积,④为面心立方最密堆积
B.每个晶胞含有的原子数分别为①1,②2,③2,④4
C.晶胞中原子的配位数分别为①6,②8,③8,④12
D.空间利用率的大小关系为①<②<③<④
解析:
选B。
②为体心立方堆积,③为六方最密堆积,②与③判断有误,A项错误;每个晶胞含有的原子数分别为①8×
=1,②8×
+1=2,③8×
+1=2,④8×
+6×
=4,B项正确;晶胞③中原子的配位数应为12,其他判断正确,C项错误;四种晶体的空间利用率分别为52%、68%、74%、74%,应为④=③>②>①,D项错误。
3.(2019·陕西五校联考)第四周期金属元素D的M能层为全充满状态,其核外的未成对电子只有一个。
则D的基态原子中有________种能量不同的电子;D2+的价电子排布式为________;图中________(填“甲”“乙”或“丙”)表示的是D晶体中微粒的堆积方式。
若该晶体中的一个晶胞的边长为acm,则D晶体的密度为______________(写出含a的表达式,用NA表示阿伏加德罗常数的值)。
若D的原子半径为r,则D晶胞这种堆积模型的空间利用率为______________(用含r的式子表示,不需化简)。
解析:
由题意可推知D是铜元素。
其基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1,核外电子排布在7个不同的能级上,因此有7种能量不同的电子。
Cu2+的价电子排布式为3d9。
晶体Cu是面心立方最密堆积,故选乙。
该晶胞中有Cu原子:
8×
+6×
=4(个),故ρ=
g/cm3=
g/cm3。
Cu原子半径为r,晶胞边长为a,则4r=
a,即a=2
r,空间利用率为
×100%=
×100%。
答案:
7 3d9 乙
g/cm3
×100%
石墨的结构与性质
4.石墨晶体是层状结构,在每一层内,每个碳原子都跟其他3个碳原子相结合,如图所示是其晶体结构的俯视图,则图中7个六元环完全占有的碳原子数是( )
A.10 B.18
C.24D.14
解析:
选D。
每个六元环平均占有的碳原子数为6×
=2,7个六元环完全占有的碳原子数为2×7=14。
重难易错提炼
1.物质中有阳离子不一定有阴离子,如金属晶体。
2.原子晶体的熔点不一定比金属晶体高,如钨的熔点比晶体硅的熔点高。
3.分子晶体的熔点不一定比金属晶体低,如金属汞的熔点比碘、白磷等的熔点低。
4.温度越高,金属的导电性反而越弱,因为自由电子和金属阳离子碰撞机会增多,影响自由电子的定向移动,因而导电性减弱。
课后达标检测[学生用书P83(单独成册)]
[基础巩固]
1.下列有关金属键的叙述错误的是( )
A.金属键没有饱和性和方向性
B.金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的静电吸引作用
C.金属键中的电子属于整块金属
D.金属的性质与金属键有关
解析:
选B。
金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”,被所有原子所共用,从而把所有的金属原子维系在一起,故金属键无饱和性和方向性,A项正确;金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈作用,既包括金属阳离子与自由电子之间的静电吸引作用,也包括金属阳离子之间及自由电子之间的静电排斥作用,B项错误;金属键中的电子属于整块金属,C项正确;金属的性质与金属键的强弱有关,D项正确。
2.如图是金属晶体内部的电子气理论示意图。
电子气理论可以用来解释金属的性质,其中正确的是( )
A.金属能导电是因为金属阳离子在外电场的作用下做定向运动
B.金属能导热是因为自由电子在热的作用下相互碰撞,从而发生热的传导
C.金属具有延展性是因为在外力的作用下,金属阳离子各层间会出现相对滑动,但由于自由电子的存在,可以起到润滑的作用,使金属不会断裂
D.合金与纯金属相比,由于增加了不同的金属或非金属,使电子数目增多,所以延展性增强,硬度减小
解析:
选C。
金属能导电是因为自由电子在外电场作用下做定向运动,A项错误;金属能导热是因为自由电子在热的作用下与金属阳离子碰撞,从而发生热的传导,B项错误;合金与纯金属相比,由于增加了不同的金属或非金属,相当于填补了金属阳离子之间的空隙,所以延展性减小,硬度增大,D项错误。
3.下列有关金属晶体的说法中不正确的是( )
A.金属晶体是一种“巨分子”
B.“电子气”为所有原子所共用
C.简单立方堆积的空间利用率最低
D.体心立方堆积的空间利用率最高
解析:
选D。
根据金属晶体的“电子气理论”,选项A、B都是正确的。
金属晶体的堆积方式中空间利用率分别是简单立方堆积52%,体心立方堆积68%,面心立方最密堆积和六方最密堆积均为74%。
因此简单立方堆积的空间利用率最低,六方最密堆积和面心立方最密堆积的空间利用率最高,选项C正确,选项D错误。
4.下列对各组物质性质的比较中,正确的是( )
A.熔点:
Li<Na<K
B.导电性:
Ag>Cu>Al>Fe
C.密度:
Na>Mg>Al
D.空间利用率:
体心立方堆积<六方最密堆积<面心立方最密堆积
解析:
选B。
同主族的金属单质,原子序数越大,熔点越低,这是因为它们的价电子数相同,随着原子半径的增大,金属键逐渐减弱,A项错误;Na、Mg、Al是同周期的金属单质,密度逐渐增大,C项错误;不同堆积方式的金属晶体空间利用率分别是简单立方堆积52%,体心立方堆积68%,六方最密堆积和面心立方最密堆积均为74%,D项错误。
5.下列可能属于金属晶体的是( )
A.由分子间作用力结合而成,熔点低
B.固态时或熔融后易导电,熔点在1000℃左右
C.由共价键结合成网状结构,熔点高
D.固态时不导电,但溶于水或熔融后能导电
解析:
选B。
A中为分子晶体;B中固体能导电,熔点在1000℃左右,可能为金属晶体;C中由共价键结合成的网状结构,是原子晶体的结构特点;D中固态时不导电、熔融后能导电是离子晶体的特征。
6.下列有关石墨晶体的说法正确的是( )
A.由于石墨晶体导电,所以它是金属晶体
B.由于石墨的熔点很高,所以它是原子晶体
C.由于石墨质软,所以它是分子晶体
D.石墨晶体是一种混合晶体
解析:
选D。
石墨晶体中既有共价键,又有金属键,还有范德华力,因此它是一种混合晶体。
7.铝硅合金(含硅13.5%)在凝固时收缩率很小,因而这种合金适合铸造。
有下列三种晶体:
①铝 ②硅 ③铝硅合金,它们的熔点由低到高的顺序是( )
A.①②③ B.②①③
C.③②①D.③①②
解析:
选D。
合金的熔点一般比其各成分金属的熔点都要低,所以最低的是铝硅合金。
硅晶体是熔点极高的原子晶体。
8.金属原子在二维空间里的放置有如图所示的两种方式,下列说法中正确的是( )
A.图(a)为非密置层,配位数为6
B.图(b)为密置层,配位数为4
C.图(a)在三维空间里堆积可得六方最密堆积和面心立方最密堆积
D.图(b)在三维空间里堆积仅得简单立方堆积
解析:
选C。
金属原子在二维空间里有两种排列方式,一种是密置层排列,一种是非密置层排列。
密置层排列的空间利用率高,原子的配位数为6,非密置层的配位数较密置层小,配位数为4。
由此可知,图(a)为密置层,图(b)为非密置层。
密置层在三维空间堆积可得到六方最密堆积和面心立方最密堆积两种模型,非密置层在三维空间堆积可得简单立方堆积和体心立方堆积两种模型。
所以只有C选项正确。
9.
金属钠晶体为体心立方晶胞(如图所示),实验测得钠的密度为ρ(g·cm-3)。
已知钠的相对原子质量为a,设NA为阿伏加德罗常数的值。
假定金属钠原子为等径的钢性球且处于体对角线上的三个球相切。
则钠原子的半径r(cm)为( )
A.
B.
·
C.
·
D.
·
解析:
选C。
该晶胞中实际含钠原子两个,晶胞边长为
,则ρ=
,进一步化简后可得答案。
10.结合金属晶体的结构和性质,回答下列问题:
(1)根据下列叙述判断,一定为金属晶体的是________。
A.由分子间作用力形成,熔点很低
B.由共价键结合形成网状晶体,熔点很高
C.固体有良好的导电性、导热性和延展性
(2)下列关于金属晶体的叙述正确的是________。
A.常温下,金属单质都以金属晶体形式存在
B.金属阳离子与自由电子之间强烈的相互作用,在一定外力作用下,不因形变而消失
C.钙的熔、沸点高于钾
D.温度越高,金属的导电性越好
解析:
(1)A项属于分子晶体;B项属于原子晶体;而C项是金属的通性。
(2)常温下,Hg为液态,A项错误;因为金属键无方向性,故金属键在一定范围内不因形变而消失,B项正确;钙的金属键强于钾,故钙的熔、沸点高于钾,C项正确;温度升高,金属的导电性减弱,D项错误。
答案:
(1)C
(2)BC
11.金晶体的最小重复单元(也称晶胞)是面心立方体,如图所示,即在立方体的8个顶点各有1个金原子,各个面的中心有1个金原子,每个金原子被相邻的晶胞所共有。
金原子的直径为d,用NA表示阿伏加德罗常数的值,M表示金的摩尔质量。
(1)金晶体的每个晶胞中含有__________个金原子。
(2)欲计算1个金晶胞的体积,除假定金原子是刚性小球外,还应假定__________。
(3)1个晶胞的体积是__________。
(4)金晶体的密度是__________。
解析:
(1)由题中对金晶体晶胞的叙述,可求出每个晶胞中所拥有的金原子个数,即8×
+6×
=4。
(2)金原子的排列是密置层方式堆积形成的,每个面心的原子和4个顶点的原子要相互接触。
(3)如图是金晶体中原子之间相互位置关系的平面图,AC为金原子直径的2倍,AB为立方体的边长,由图可得,立方体的边长为
d,所以一个晶胞的体积为(
d)3=2
d3。
(4)1个晶胞的质量等于4个金原子的质量
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- 第三章第三节 金属晶体 第三 三节 金属 晶体
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