2024年高中化学新教材同步选择性必修第二册 第3章　第3节　第1课时　金属晶体　离子晶体

第三节金属晶体与离子晶体第1课时金属晶体离子晶体[核心素养发展目标]1.能辨识常见的金属晶体，能从微观角度分析金属晶体中构成微粒及微粒间作用，并解释金属的物理性质。2.能辨识常见的离子晶体，能从微观角度理解离子键对离子晶体性质的影响，能从宏观角度解释离子晶体性质的差异。3.通过对离子晶体模型的认识，理解离子晶体的结构特点，预测其性质。一、金属键与金属晶体1．金属键概念金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用成键粒子金属键的成键粒子是金属阳离子和自由电子本质金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有的金属原子维系在一起特征电子气被所有的金属原子所共用，所以金属键没有(填“有”或“没有”)方向性及饱和性影响因素金属元素的原子半径一般而言，金属元素的原子半径越小，金属键越强金属原子价电子数一般而言，金属元素的价电子数越多，金属键越强对物质性质的影响金属键强弱不同，所以金属的性质差异很大。如金属钠的熔点较低、硬度较小，而钨是熔点最高的金属、铬是硬度最大的金属2．金属晶体(1)概念金属(除汞外)在常温下都是晶体，称其为金属晶体。它们的结构就好像很多硬球一层一层很紧密地堆积，每一个金属原子的周围有较多相同的原子围绕着。在金属晶体中，原子间以金属键相互结合。(2)用电子气理论解释金属的性质1．试用金属键解释Na、Mg、Al的熔点逐渐升高的原因。提示Na、Mg、Al的原子半径逐渐减小，价电子数逐渐增多，金属键逐渐增强，熔点逐渐升高。2．纯铝硬度不大，形成硬铝合金后，硬度很大，金属形成合金后为什么有些物理性质会发生很大的变化？提示金属晶体中掺入不同的金属或非金属原子时，影响了金属的延展性和硬度。3．为什么金属在粉末状态时，失去金属光泽而呈暗灰色或黑色？提示金属在粉末状态时，晶格排列不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以金属粉末常呈暗灰色或黑色。1．正误判断(1)不存在只有阳离子，而没有阴离子的物质()(2)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()(3)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()(4)金属的导电性随温度的升高而降低()(5)共价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)×2．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．金属的性质和金属固体的形成都与金属键有关答案B解析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；金属阳离子和自由电子之间的强烈作用，既包括静电吸引作用，也包括静电排斥作用；金属键中的电子属于整块金属；金属的性质及金属固体的形成都与金属键的强弱有关。3．(2023·济南高二检测)下列有关金属的说法正确的是()A．金属原子的核外电子在金属晶体中都是自由电子B．金属导电的实质是金属阳离子在外电场作用下的定向移动C．金属原子在化学变化中失去的电子数越多，其还原性越强D．金属晶体的堆积方式会影响金属的性质答案D解析因金属的价电子受原子核的吸引力小，则金属原子中的价电子在金属晶体中为自由电子，而不是所有的核外电子，A错误；金属导电的实质是在外电场作用下自由电子定向移动而产生电流的结果，B错误；金属原子在化学变化中失去电子越容易，其还原性越强，C错误；金属晶体中原子的堆积方式会影响金属的性质，如延展性，D正确。4．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，而金属键的强度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答案C解析金属阳离子所带电荷数越多，半径越小，金属键越强，据此判断。1．金属晶体导电与电解质溶液导电的比较运动的微粒过程中发生的变化温度的影响金属晶体导电自由电子物理变化升温，导电性减弱电解质溶液导电阴、阳离子化学变化升温，导电性增强2.金属晶体熔点的变化规律金属晶体熔点差别较大，一般熔、沸点较高，但有部分熔点较低，如Cs、Hg等。汞在常温下是液体，熔点很低(－38.9℃)，而钨的熔点高达3000℃以上。这是由于金属晶体紧密堆积方式、金属离子与自由电子的作用力强度不同。3．金属晶体的常见堆积方式(1)金属原子在二维空间中排列的两种方式金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。把它们放置在平面上(即二维空间)，可有两种排列方式——a：非密置层，b：密置层(如图所示)。特别提醒密置层排列时，平面的利用率比非密置层的高。(2)金属晶体的原子在三维空间里的3种常见堆积方式(图中不同颜色的小球都代表同一种金属原子)堆积方式图式实例简单立方堆积钋体心立方堆积钠、钾、铬、钼、钨等面心立方堆积金、银、铜、铅等二、离子晶体1．离子晶体定义离子晶体是由阳离子和阴离子相互作用形成的晶体成键粒子大量离子晶体的阴离子或阳离子不是单原子离子，有的还存在电中性分子(如H2O、NH3等)。例如CaCO3、K2SO4、(NH4)2SO4、CuSO4·5H2O、Cu(NH3)4SO4·H2O等相互作用阳离子、阴离子之间以离子键结合，复杂离子内可能含有共价键，甚至存在氢键物理性质硬度较大，难压缩；熔点和沸点较高；固体不导电，但在熔融状态或水溶液中能导电2．典型离子晶体典型离子晶体NaClCsCl晶胞阳离子的配位数68阴离子的配位数68晶胞中所含离子数Cl－4Na＋4Cs＋1Cl－11．含有阴离子的晶体一定含有金属离子吗？提示含有阴离子的晶体，一定含有阳离子，但不一定是金属阳离子，如铵盐。2．NaCl、CsCl表示的是分子式吗？提示不是，NaCl、CsCl是离子晶体，只表示晶体中阴、阳离子个数比，为化学式。3．NaCl的熔点为801℃，CsCl的熔点为645℃，试解释其原因。提示Na＋、Cs＋所带电荷一样，但Na＋的半径小于Cs＋的半径，NaCl中的离子键强于CsCl中的离子键，所以NaCl的熔点高于CsCl的熔点。1．正误判断(1)离子晶体一定是离子化合物()(2)离子晶体中只含离子键()(3)含有离子的晶体一定是离子晶体()(4)由金属与非金属形成的晶体，属于离子晶体()(5)离子晶体的熔点一定低于共价晶体的熔点()(6)离子晶体受热熔化，破坏化学键，吸收能量，属于化学变化()答案(1)√(2)×(3)×(4)×(5)×(6)×2．自然界中的CaF2又称萤石，是一种难溶于水的固体，属于典型的离子晶体。下列一定能说明CaF2是离子晶体的是()A．CaF2难溶于水，其水溶液的导电性极弱B．CaF2的熔、沸点较高，硬度较大C．CaF2固体不导电，但在熔融状态下可以导电D．CaF2在有机溶剂(如苯)中的溶解度极小答案C解析离子晶体中含有离子键，离子键在熔融状态下被破坏，电离出自由移动的阴、阳离子，所以离子晶体在熔融状态下能够导电，这是判断某晶体是否为离子晶体的依据。3．下列性质中适合离子晶体的是()①熔点为1070℃，易溶于水，水溶液能导电②熔点为10.31℃，液态不导电，水溶液能导电③能溶于CS2，熔点为－7.25℃，沸点为59.47℃④熔点为97.81℃，质软，导电，密度为0.97g·cm－3⑤熔点为－218℃，难溶于水⑥熔点为3900℃，硬度很大，不导电⑦难溶于水，固体时导电，升温时导电能力减弱⑧难溶于水，熔点较高，固体不导电，熔化时导电A．①⑧B．②③⑥C．①④⑦D．②⑤答案A解析离子晶体固体时不导电，熔融态时能导电，易溶于水的离子晶体的水溶液能导电，一般难溶于非极性溶剂，熔点较高、质硬而脆，故②③④⑤⑦均不符合离子晶体的特点；⑥所表示的物质熔点达3900℃，硬度很大，不导电，应是共价晶体，故只有①⑧符合题意。4.根据CsCl的晶胞结构分析，CsCl晶体中两个距离最近的Cs＋间距离为a，则每个Cs＋周围与其距离为a的Cs＋数目为________；每个Cs＋周围距离相等且次近的Cs＋数目为________，距离为____________；每个Cs＋周围距离相等且第三近的Cs＋数目为________，距离为________；每个Cs＋周围紧邻且等距的Cl－数目为________。答案612eq\r(2)a8eq\r(3)a8解析以题图的一个Cs＋为基准，与其最近的Cs＋分别位于其上、下、前、后、左、右六个方位，有6个；与其次近的Cs＋的距离为eq\r(2)a，在1个晶胞中有3个，而1个Cs＋为8个晶胞共有，故有8×3×eq\f(1,2)＝12个；与其第三近的Cs＋的距离为eq\r(3)a，每个晶胞中有1个，故有8个；与其紧邻且等距的Cl－有8个。题组一金属键及金属晶体1．下列关于金属键或金属的性质说法正确的是()①金属的导电性是由金属阳离子和自由电子的定向移动实现的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第三周期金属元素Na、Mg、Al的沸点依次升高④金属键没有方向性和饱和性，金属中的电子在整个三维空间运动，属于整个金属A．①②B．②③C．③④D．①④答案C解析金属的导电性是因为在外加电场的作用下，自由电子发生定向移动，而金属阳离子并没有移动，①错误；金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的相互作用，并非仅存在静电吸引作用，②错误。2．物质结构理论提出：金属键越强，金属的硬度越大，熔、沸点越高。一般来说，金属阳离子半径越小，所带电荷越多，则金属键越强，由此判断下列说法错误的是()A．硬度：Mg>Al B．熔点：Be>MgC．硬度：Mg>K D．熔点：Ca>K答案A解析Mg、Al的电子层数相同，核电荷数大的离子半径小，价电子数：Al>Mg，离子半径：Al3＋<Mg2＋，所以Al的金属键强于Mg，Al的硬度大于Mg，A错误；离子半径：Mg2＋<Na＋<K＋，所以Mg的金属键强于K，故硬度：Mg>K，C正确；Ca、K位于同一周期，价电子数：Ca>K，离子半径：K＋>Ca2＋，Ca的金属键强于K，故熔点：Ca>K，D正确。题组二离子晶体及其性质3．下列叙述正确的是()A．带相反电荷的离子之间的相互吸引称为离子键B．金属元素和非金属元素化合时不一定形成离子键C．原子最外层只有1个电子的主族元素与卤素所形成的化学键一定是离子键D．非金属元素形成的化合物中不可能含有离子键答案B解析离子键的本质是阴、阳离子之间的静电作用，静电作用包括静电引力和静电斥力，A项不正确；活泼金属与活泼非金属容易形成离子键，但AlCl3和BeCl2中金属与非金属原子之间形成共价键，B项正确；原子最外层只有1个电子的主族元素包括H元素和碱金属元素，H元素与卤素形成共价键，C项不正确；由非金属元素形成的化合物中可能含有离子键，如铵盐中NHeq\o\al(＋,4)与阴离子之间形成离子键。4．(2022·山东济宁高二检测)离子晶体熔点的高低决定于阴、阳离子间离子键的强弱，据所学知识判断KCl、NaCl、CaO、BaO四种晶体熔点的高低顺序是()A．KCl＞NaCl＞BaO＞CaOB．NaCl＞KCl＞CaO＞BaOC．CaO＞BaO＞KCl＞NaClD．CaO＞BaO＞NaCl＞KCl答案D解析对于离子晶体来说，离子所带电荷数越多，阴、阳离子间的核间距离越小，离子键越强，熔点越高。一般在阴、阳离子的核间距离相当时首先看离子所带电荷数，CaO、BaO所带电荷数都大于KCl、NaCl，所以CaO、BaO的熔点大于KCl、NaCl；其次在电荷数相当时，看阴、阳离子的核间距离，r(Ba2＋)＞r(Ca2＋)，熔点：CaO＞BaO，r(K＋)＞r(Na＋)，熔点：NaCl＞KCl。5．下列关于晶体的说法正确的组合是()①金刚石、SiC、NaF、NaCl、H2O、H2S晶体的熔点依次降低②离子晶体中只有离子键没有共价键，分子晶体中肯定没有离子键③硬度由大到小的顺序：NaF>NaCl>NaBr>NaI④SiO2晶体中每个硅原子与两个氧原子以共价键相结合⑤分子晶体中分子间作用力越大，分子越稳定A．①②③ B．①②④C．③⑤ D．①③答案D解析金刚石、SiC是共价晶体，原子半径越小，晶体熔点越高，金刚石的熔点高于碳化硅，NaF、NaCl是离子晶体，熔点比共价晶体的低，熔点：NaF>NaCl，H2O、H2S为分子晶体，但水分子之间存在氢键，熔点比硫化氢的高，所以晶体的熔点依次降低，故①正确；离子晶体中可能含有共价键，如氢氧化钠，分子晶体中肯定没有离子键，故②错误；F－、Cl－、Br－、I－的离子半径逐渐增大，所以离子键强度由大到小的顺序：NaF>NaCl>NaBr>NaI，硬度由大到小的顺序：NaF>NaCl>NaBr>NaI，故③正确；SiO2晶体中每个硅原子与4个氧原子以共价键相结合，每个氧原子与2个硅原子以共价键相结合，故④错误；共价键键能越大，分子越稳定，与分子间作用力大小无关，故⑤错误。题组三金属晶体、离子晶体晶胞的分析6．某复合型氧化物可用于制造航母中的热敏传感器，其晶胞结构如图所示，其中A为晶胞的顶点，A可以是Ca、Sr、Ba或Pb。当B是V、Cr、Mn或Fe时，这种化合物具有良好的电学性能。下列说法正确的是()A．金属Ca、Sr、Ba的熔点依次升高B．用A、B、O表示的该复合型氧化物晶体的化学式为ABO3C．在制造Fe薄片时，金属键完全断裂D．V、Cr、Mn、Fe晶体中均存在金属阳离子和阴离子答案B解析金属Ca、Sr、Ba的熔点依次降低，A不正确；由晶胞结构可知，晶胞中含有A的数目为8×eq\f(1,8)＝1，含有B的数目为1，含有O的数目为6×eq\f(1,2)＝3，故用A、B、O表示该复合型氧化物晶体的化学式为ABO3，B正确；在制造Fe薄片时，金属键没有断裂，C不正确；V、Cr、Mn、Fe晶体均为金属晶体，其中均存在金属阳离子和自由电子，无阴离子存在，D不正确。7．铁有δ-Fe、γ-Fe、α-Fe三种同素异形体，三种晶体在不同温度下可以发生转化。如图是三种晶体的晶胞，下列说法正确的是()δ-Feeq\o(,\s\up7(1394℃))γ-Feeq\o(,\s\up7(912℃))α-FeA．三种同素异形体的性质相同B．γ-Fe晶胞中与每个铁原子距离最近且相等的铁原子有6个C．α-Fe晶胞中与每个铁原子距离最近且相等的铁原子有6个D．将铁加热到1500℃分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型相同答案C解析由于三种同素异形体的结构不同，所以三者的性质不同，A项错误；γ-Fe晶胞中与每个铁原子距离最近且相等的铁原子数为12，B项错误；α-Fe晶胞中与每个铁原子距离最近且相等的铁原子数为6，C项正确；将铁加热到1500℃分别急速冷却和缓慢冷却，会得到晶体类型不同的铁，D项错误。8．某离子晶体DxEC6的晶胞结构如图1所示，图2表示晶胞的一部分，阳离子D＋位于晶胞棱的中点和晶胞内部，阴离子ECeq\o\al(x－,6)位于晶胞的顶角和面心。则DxEC6中x的值为()A．1B．2C．3D．4答案C解析1个晶胞中，N(D＋)＝12×eq\f(1,4)＋9＝12，N(ECeq\o\al(x－,6))＝8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，故N(D＋)∶N(ECeq\o\al(x－,6))＝12∶4＝3∶1，所以x＝3。9．在冰晶石(Na3[AlF6])晶胞中，[AlF6]3－占据的位置相当于NaCl晶胞中Cl－占据的位置，则冰晶石晶胞中含Na＋个数为()A．12B．8C．4D．3答案A解析NaCl晶胞中所含Cl－个数为4，由题意知，冰晶石晶胞中[AlF6]3－的个数也应为4，化学式Na3[AlF6]中Na＋和[AlF6]3－的个数比为3∶1，所以冰晶石晶胞中含Na＋个数为4×3＝12。10.钡在氧气中燃烧时得到一种晶体，其晶胞的结构如图所示，下列有关说法正确的是()A．该晶体属于离子晶体B．晶体的化学式为Ba2O2C．该晶体的晶胞结构与CsCl相似D．与每个Ba2＋距离相等且最近的Ba2＋共有8个答案A解析晶体中含有Ba2＋和Oeq\o\al(2－,2)，则该晶体属于离子晶体，A正确；该晶体的晶胞结构与NaCl的晶胞结构相似，所以与每个Ba2＋距离相等且最近的Ba2＋共有12个，C、D不正确；该物质的1个晶胞中含有4个Ba2＋和4个Oeq\o\al(2－,2)，则晶体的化学式为BaO2，B不正确。11．已知冰晶石(Na3[AlF6])熔融时的电离方程式为Na3[AlF6]=3Na＋＋[AlF6]3－。现有冰晶石的晶胞结构如图所示，位于大立方体顶点和面心，位于大立方体的12条棱的中点和8个小立方体的体心，是图中、中的一种。下列说法正确的是()A．冰晶石是共价晶体B．大立方体的体心处代表[AlF6]3－C．与Na＋距离相等且最近的Na＋有6个D．冰晶石晶体的密度约为eq\f(1395,a3)g·cm－3答案D解析由冰晶石熔融时能发生电离，可知冰晶石是离子晶体，A项错误；每个晶胞中含有的＋≈eq\f(1395,a3)g·cm－3，D项正确。12.有一种蓝色晶体，化学式可表示为Mx[Fey(CN)6]，经X射线衍射实验发现，它的结构特征是Fe3＋和Fe2＋分别占据立方体互不相邻的顶点，而CN－位于立方体的棱上。其晶体中阴离子的基本结构单元如图所示。下列说法正确的是()A．该晶体的化学式为M2[Fe2(CN)6]B．该晶体属于离子晶体，M呈＋1价C．该晶体属于离子晶体，M呈＋2价D．晶体中与每个Fe3＋距离最近且相等的CN－有3个答案B解析由题图可得，晶体中阴离子的基本结构单元中Fe2＋的个数为4×eq\f(1,8)＝eq\f(1,2)，Fe3＋的个数也为eq\f(1,2)，CN－的个数为12×eq\f(1,4)＝3，因此阴离子的化学式为[Fe2(CN)6]－，则该晶体的化学式为M[Fe2(CN)6]，A错误；由阴、阳离子形成的晶体为离子晶体，M的化合价为＋1价，B正确、C错误；晶体中与每个Fe3＋距离最近且相等的CN－有6个，D错误。13.氢气的安全贮存和运输是氢能应用的关键。铁镁合金是目前已发现的储氢密度较高的储氢材料之一，其晶胞结构如图所示。(1)铁镁合金的化学式为__________________________________________________________。(2)距离Mg原子最近的Fe原子个数是_____________________________________________。(3)若该晶体储氢时，H2分子在晶胞的体心和棱心位置，则含Mg96g的该储氢合金可储存标准状况下H2的体积约为__________L。(4)若该晶胞的晶胞参数为dnm，则该合金的密度为__________g·cm－3(列表达式，用NA表示阿伏加德罗常数的值)。答案(1)Mg2Fe(2)4(3)44.8(4)eq\f(416,d3NA×10－21)解析(1)该晶胞中Fe的个数为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，Mg的个数为8，故铁镁合金的化学式为Mg2Fe。(3)Mg的物质的量为eq\f(96g,24g·mol－1)＝4mol，故储存H2为4mol×eq\f(4,8)＝2mol，标准状况下H2的体积约为2mol×22.4L·mol－1＝44.8L。(4)该合金的密度为eq\f(\f(24×8＋56×4,NA)g,d×10－7cm3)＝eq\f(416,d3NA×10－21)g·cm－3。14．Ⅰ.同类晶体物质熔、沸点的变化是有规律的，试分析下列两组物质熔点规律性变化的原因：A组物质NaClKClCsCl熔点/K10741049918B组物质NaMgAl熔点/K370922933晶体熔、沸点的高低，取决于组成晶体微粒间的作用力的大小。A组物质是________晶体，晶体中微粒之间通过________相连。B组物质是________晶体，价电子数由少到多的顺序是__________，粒子半径由大到小的顺序是________。Ⅱ.镁、铜等金属离子是人体内多种酶的辅因子。工业上从海水中提取镁时，先制备无水氯化镁，然后将其熔融电解，得到金属镁。(1)以MgCl2为原料用熔融盐电解法制备镁时，常加入NaCl、KCl或CaCl2等金属氯化物，其主要作用除了降低熔点之外还有___________________________________________________。(2)已知MgO的晶体结构属于NaCl型。某同学画出的MgO晶胞结构示意图如图所示，请改正图中错误：________。(3)Mg是第三周期元素，该周期部分元素氟化物的熔点见下表：氟化物NaFMgF2SiF4熔点/K12661534183解释表中氟化物熔点差异的原因：_______________________________________________。答案Ⅰ.离子离子键金属Na<Mg<AlNa>Mg>AlⅡ.(1)增大熔融盐中的离子浓度，从而增强熔融盐的导电性(2)⑧应为黑色(3)NaF与MgF2为离子晶体，SiF4为分子晶体，所以NaF与MgF2的熔点远比SiF4的高，又因为Mg2＋的半径小于Na＋的半径，且Mg2＋所带的电荷数大于Na＋的电荷数，所以MgF2的离子键强度大于NaF的离子键强度，故MgF2的熔点高于NaF的熔点解析Ⅱ.(2)因为氧化镁与氯化钠的晶胞相似，所以在晶胞中每个Mg2＋周围应该有6个O2－，每个O2－周围应该有6个Mg2＋，根据此规则可得⑧应该改为黑色。(3)物质的熔点与其晶体的类型有关，如果形成的是分子晶体，则其熔点较低，而如果形成的是离子晶体，则其熔点较高。在离子晶体中，离子半径越小，电荷数越多，则形成的离子键越强，所得物质的熔、沸点越高。15．中科院大连化物所化学研究团队在化学链合成NH3研究方面取得新进展，该研究中涉及的物质有Ni-BaH2/Al2O3、Fe-K2O-Al2O3、Cs-Ru/MgO等，相关研究成果发表于《自然》上。请回答下列问题：(1)基态Fe原子核外电子占据最高能层的符号为__________，Ni位于元素周期表中的__________区。(2)元素的第一电离能：Mg________(填“>”或“<”)Al。