2023-2024学年苏教版新教材选择性必修二 专题3第一单元 金属键 金属晶体 学案

第一单元金属键金属晶体[学业要求解读]1.能描述金属晶体中金属键的成键特征，能用金属键理论解释金属的典型性质。2.能借助模型说明常见金属晶体中晶胞的构成。3.能举例说明合金的优越性能。学习任务一金属键与金属特性1．金属键(1)概念：指金属离子与自由电子之间强烈的相互作用。(2)成键微粒：金属阳离子和自由电子。(3)特征：没有方向性和饱和性。(4)存在：存在于金属单质和合金中。2．金属的特性(1)物理特性分析①良好的导电性：金属中的自由电子可以在外加电场作用下发生定向运动，从而形成电流。②金属的导热性：是自由电子在运动时与金属离子碰撞而引起能量的交换，从而使能量从温度高的部分传到温度低的部分，使整块金属达到相同的温度。③良好的延展性：金属键没有方向性，当金属受到外力作用时，金属中的各原子层发生相对滑动而不会破坏金属键，金属发生形变但不会断裂，故金属具有良好的延展性。(2)物理性质的影响因素金属NaMgAl原子外围电子排布3s13s23s23p1原子半径/pm186160143.1原子化热/kJ·mol－1108.4146.4326.4熔点/℃97.5650660由上表中数据可知：金属元素的原子半径越小、单位体积内自由电子的数目越多，原子化热越大，金属键越强，金属晶体的熔点越高，硬度越大。[思考1]金属键的形成原因是什么？提示：金属原子的部分或全部外围电子受原子核的束缚比较弱。在金属晶体内部，它们可以从原子上“脱落”下来，形成自由移动的电子。金属原子失去部分或全部外围电子形成的金属离子与自由电子之间存在着强烈的相互作用，这种强烈的相互作用称为金属键。[思考2]金属具有导电性、导热性及延展性的原因是什么？提示：(1)导电性：在金属晶体中，存在着大量的自由电子，这些电子在外加电场的作用下发生定向移动形成电流，所以金属具有良好的导电性。(2)导热性：金属具有导热性，是由于金属晶体中的自由电子在加热条件下与金属原子(或金属离子)频繁碰撞，从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分，使整块金属达到相同的温度。(3)延展性：由于金属键没有方向性，当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就会发生相对滑动，各层金属原子之间仍然保持金属键的作用，因而金属即使在外力作用下发生形变也不易断裂，具有良好的延展性。1．自由电子不是专属于某个特定的金属阳离子，即每个金属阳离子均可享有所有的自由电子，但都不可能独占某个或某几个自由电子，电子在整块金属中自由运动。2．金属导电的微粒是自由电子，电解质溶液导电的微粒是自由移动的阳离子和阴离子；前者导电过程中不生成新物质，为物理变化，后者导电过程中有新物质生成，为化学变化。因而，二者导电的本质不同。3．金属原子半径越小，价电子数越多，金属键越强，金属晶体的熔、沸点越高，硬度越大。如熔点：K<Na<Mg<Al，硬度：Li>Na>K>Rb。4．金属晶体熔点差别很大，如汞常温为液体，熔点很低(－38.9℃)，而铁熔点很高(1535℃5．一般来说，合金的熔点低于成分金属的熔点。如熔点：生铁<纯铁。6．温度越高，金属的导电能力越弱。下列关于金属的叙述正确的是()A．用铂金制作首饰不能用金属键理论解释B．固态或熔融后易导电、熔点在1000℃C．Li、Na、Mg的熔点逐渐升高D．温度越高，金属的导电性越好【思路点拨】(1)明确金属晶体的性质特点。(2)用金属键理论加以解释。【解析】选项A，用铂金制作首饰是利用了金属晶体具有延展性，能用金属键理论解释；选项B，金属晶体在固态或熔融态下都能导电，大多数金属在常温下为固体，熔点较高，故题设条件下的晶体可能是金属晶体；选项C，一般情况下，金属键的强弱与金属原子价电子数的多少有关，价电子数越多，金属键越强，与金属原子的半径大小也有关，金属原子的半径越大，金属键越弱。金属键强弱为Mg>Li>Na，其熔点也为Mg>Li>Na；选项D，金属的导电性随温度升高而降低，温度越高，其导电性越差。【答案】B1．要使金属熔化必须破坏其中的金属键。金属熔、沸点高低和硬度大小一般取决于金属键强弱，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：选C。镁离子比铝离子的半径大而所带的电荷少，所以金属镁比金属铝的金属键弱，熔、沸点和硬度都小，A项错误；从Li到Cs，离子的半径是逐渐增大的，所带电荷相同，金属键逐渐减弱，熔、沸点和硬度都逐渐减小，B项错误；因离子的半径小而所带电荷多，使金属铝比金属钠的金属键强，所以金属铝比金属钠的熔、沸点和硬度都大，C项正确；因离子的半径小而所带电荷相同，使金属镁比金属钙的金属键强，所以金属镁比金属钙的熔、沸点和硬度都大，D项错误。学习任务二金属晶体由于金属键无方向性而易于形成三维的紧密堆积结构，迄今为止具有离域电子特性的单原子层的金属结构未见报道。清华大学李亚栋院士团队利用弱配体聚乙烯吡咯烷酮(PVP)稳定的甲醛还原金属铑，成功制备出世界上第一例单原子层厚度的纳米金属铑片，球差电镜和同步辐射研究均证实了这一新颖的单原子层金属结构。理论研究发现，单原子层铑片中存在着一种新型的离域大化学键，有助于稳定其单层金属结构。该项研究进展为进一步推动金属纳米与团簇、丰富发展重金属元素的化学成键理论研究具有重要意义，为探索金属原子单层结构与性能研究提供了重要启示。那么，金属晶体有怎样的结构呢？1．概念(1)晶体：内部粒子(原子、离子或分子)在空间呈现有规则重复排列，外观具有规则几何外形的固体物质，通常条件下，大多数金属单质及其合金属于晶体。(2)晶胞：能够反映晶体结构特征的基本重复单位。金属晶体是金属晶胞在空间连续重复延伸而形成的。(3)金属晶体：通过金属阳离子与自由电子之间的强烈的作用而形成的晶体。2．均摊法分析晶胞的组成(1)均摊法：指在一个晶胞中按比例均摊出该晶胞中的每个粒子，如某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有属于该晶胞。如下图所示的晶胞中不同位置的粒子数的计算：(2)金属铜的晶胞为面心立方晶胞，如图所示。观察分析上图，回答下列问题：①位于顶点上的铜原子为8个晶胞共有。②位于面心上的铜原子为2个晶胞共有。③晶体铜中完全属于某一晶胞的铜原子数是4。[思考3]连线题。金属原子堆积图式堆积方式配位数A.(1)体心立方①6B.(2)面心立方②8C．(3)六方堆积③12D．(4)简单立方提示：A—(4)—①B—(1)—②C—(2)—③D—(3)—③。[思考4]结合金属晶体的结构和性质，回答以下问题。(1)已知下列金属晶体：Na、Po、K、Fe、Cu、Mg、Zn、Au，其堆积方式为①简单立方堆积的是________；②体心立方堆积的是________；③六方堆积的是________；④面心立方堆积的是________。(2)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、导热性和延展性提示：(1)①Po②Na、K、Fe③Mg、Zn④Cu、Au(2)C(1)简单立方堆积的空间利用率太低，只有金属Po采取这种方式。体心立方堆积是上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中，这种堆积方式的空间利用率比简单立方堆积的高，多数金属是这种堆积方式。六方堆积按ABAB……方式堆积，面心立方堆积按ABCABC……方式堆积，六方堆积常见金属为Mg、Zn、Ti，面心立方堆积常见金属为Cu、Ag、Au。(2)C项，导电性、导热性、延展性是金属的通性。1．晶胞中微粒数的确定(1)长方体(正方体)晶胞中不同位置的微粒数的计算①处于顶点上的微粒，同时为8个晶胞所共有，每个微粒有属于该晶胞。②处于棱边上的微粒，同时为4个晶胞所共有，每个微粒有属于该晶胞。③处于晶面上的微粒，同时为2个晶胞所共有，每个微粒有属于该晶胞。④处于晶胞内部的微粒，则完全属于该晶胞。(2)非长方体(正方体)晶胞中微粒对晶胞的贡献应视具体情况而定。如六棱柱顶点上的微粒被6个晶胞共用，该顶点个微粒属于该晶胞，棱上的微粒有属于该晶胞。(3)由晶胞确定化学式要注意是“分子结构”还是“晶体结构”。若是分子结构，其化学式由图中所有实际存在的原子个数决定，且原子个数可以不互质(即原子个数比可以不约简)。2．金属晶体四种堆积模型的比较堆积模型采纳这种堆积的典型代表晶胞配位数空间利用率每个晶胞所含原子数非密置层简单立方堆积Po(钋)652%1体心立方堆积Na、K、Fe868%2密置层六方堆积Mg、Zn、Ti1274%6面心立方堆积Cu、Ag、Au1274%4(1)Cu2O在稀硫酸中生成Cu和CuSO4。铜晶胞结构如图所示，铜晶体中每个铜原子周围距离最近的铜原子数目为____________________。(2)Al单质为面心立方晶体，其晶胞参数a＝0.405nm，晶胞中铝原子的配位数为________。列式表示Al单质的密度为________________g·cm－3(不必计算出结果)。【解析】(1)铜晶胞为面心立方晶胞，故每个铜原子周围距离最近的铜原子为12个。(2)面心立方堆积晶体中，原子的配位数为12；该晶胞中含有Al原子数目为×8＋×6＝4，根据(0.405×10－7)3ρ＝，解得ρ＝g·cm－3。【答案】(1)12(2)12【题后归纳】(1)立方晶胞中各物理量的关系a3×ρ×NA＝n×Ma：表示晶胞的棱长；ρ：表示晶体的密度；NA：表示阿伏加德罗常数；n：表示晶胞中所含微粒个数；M：表示晶胞所含微粒的摩尔质量；a3×ρ×NA表示1mol晶胞的质量。(2)晶胞密度的计算方法①以晶胞为研究对象，运用均摊法或切割法分析每个晶胞中含有的微粒数，计算一个晶胞的质量m＝(NA为阿伏加德罗常数，n为晶胞中所含微粒个数，M为所含微粒的摩尔质量)。②结合晶胞中的几何关系，计算一个晶胞的体积，用m＝ρ·V的关系计算。2．下图是硼和镁形成的化合物的晶体结构单元，镁原子间形成正六棱柱，且棱柱的上下底面还各有1个镁原子；6个硼原子位于棱柱内。则该化合物的化学式可表示为()A．MgB B．MgB2C．Mg2B D．Mg3B2解析：选B。用均摊法求出正六棱柱中各原子的个数，进而求出两种原子的个数比。根据示意图进行分析，该“单元”的Mg与B原子数如下：位于正六棱柱顶点的Mg原子为6个六棱柱共用(正六边形内角为120°)，每个顶点的镁原子属于该基本单元的；上下底面上的Mg原子为2个正六棱柱共用，属于该单元的，则该结构单元含有的Mg原子的个数为12×＋2×＝3。B原子：6个B原子位于棱柱内，完全属于该结构单元。该结构单元的Mg原子与B原子个数之比为3∶6＝1∶2，化学式为MgB2。3．如图所示，金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式，a、b、c分别代表这三种晶胞的结构，其晶胞a、b、c内金属原子个数比为________。解析：a晶胞中原子个数：12×＋2×＋3＝6，b晶胞中原子个数：8×＋6×＝4，c晶胞中原子个数：8×＋1＝2。答案：3∶2∶11．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强烈的静电吸引作用C．金属键中的自由电子属于整块金属D．金属的性质和金属固体的形成都与金属键有关解析：选B。金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈的相互作用，自由电子不专属于某个特定的金属阳离子，而是在整块固态金属中自由移动，所以金属键没有方向性和饱和性，A、C正确；金属键是金属阳离子和自由电子之间强烈的静电作用，既包括吸引作用也包括排斥作用，B错误；金属晶体中的金属键决定了金属的性质和金属固体的形成，D正确。2．下列叙述错误的是()A．构成金属的粒子是金属阳离子和自由电子B．金属晶体内部都有自由电子C．金属晶体内自由电子分布不均匀，专属于某个特定的金属离子D．同一类晶体间熔点(或沸点)相差最大的是金属晶体解析：选C。金属晶体是由金属阳离子和自由电子构成的，自由电子几乎均匀分布在金属晶体内，不专属于某一个或几个特定的金属离子，故A、B正确，C错误；由于金属键的强度差别很大，不同金属晶体的熔、沸点相差较大，故D正确。3．某晶体的晶胞结构如图所示，这种晶体中A、B、C三种原子的数目之比为()A．3∶9∶4 B．1∶4∶2C．2∶9∶4 D．3∶8∶5解析：选B。该晶胞中含A原子个数为6×＝，B原子个数为6×＋3×＝2，C原子个数为1，则A、B、C原子的个数比为∶2∶1＝1∶4∶2。4．现有四种晶体，其构成粒子(均为单原子核粒子)排列方式如图所示，其化学式正确的是()解析：选C。B粒子位于8个顶点，晶胞内含有B粒子的个数为1，1个A粒子位于体心，所以化学式应为AB，A错误；1个X粒子位于体心，Y粒子位于6个面心，Z粒子位于8个顶点，晶胞内含有X、Y、Z三种粒子的个数分别为1、3、1，C正确；B项所示结构不是完整晶胞，而是一个晶胞的，其完整晶胞和D项相同，D项中A粒子位于8个顶点和6个面心，晶胞内含有A粒子的个数为4，B粒子位于12条棱心和体心，晶胞内含有B粒子的个数为4，所以化学式应为AB，同理可得B项中晶体化学式为EF，B、D错误。5．Ni2＋与Mg2＋、O2－形成晶体的晶胞结构如图所示(Ni2＋未画出)，则该晶体的化学式为________。解析：氧离子位于立方体晶胞的棱上，氧离子个数为12×＝3，所以该晶胞含有3个氧离子；镁离子位于立方体晶胞的4个面上，镁离子个数为4×＝2，该晶胞中含有2个镁离子，根据化学式中元素化合价代数和为0，该晶胞中含有1个Ni2＋，该晶体的化学式为Mg2NiO3。答案：Mg2NiO31．金属钾、铜的部分结构和性质的数据如下表所示，则下列说法错误的是()金属KCu原子外围电子排布4s13d104s1原子半径/pm255128原子化热/kJ·mol－190.0339.3熔点/℃63.41083A.单位体积内自由电子数目：K<CuB．金属键强弱顺序为K<CuC．金属的硬度大小顺序为K<CuD．两者最外层电子数目相等，因此其金属键的强弱只能取决于原子半径大小解析：选D。决定金属键强弱的因素是单位体积内自由电子数目和原子半径的大小，金属键越强，金属的熔、沸点越高，硬度越大；金属单位体积内自由电子的数目则取决于金属的外围电子数目，而不是金属的最外层电子数目。2．金属具有的通性是()①具有良好的导电性②具有良好的导热性③具有延展性④都具有较高的熔点⑤都是固体⑥都具有很大的硬度A．①②③ B．②④⑥C．④⑤⑥ D．①③⑤解析：选A。金属并不一定具有较高的熔点，汞在常温下是液态，钠、钾等的硬度都不大，所以④⑤⑥均错误。3．铝钠合金有着广泛的应用，现有三种晶体：①铝、②钠、③铝钠合金，它们的熔点从低到高的顺序是()A．①②③ B．②①③C．③②① D．③①②解析：选C。三种晶体中，一般合金的熔点低于各组成金属单质的熔点，而铝与钠比较，钠的熔、沸点较低，故答案为C。4．下列能够表示出每个晶胞中所含实际微粒个数的面心立方晶胞的是()解析：选B。A项和B项是面心立方晶胞，其中B项是经过切割后的面心立方晶胞，它能表示出此晶胞中所含微粒的实际数目，C项和D项是体心立方晶胞。5．最近发现，只含镁、镍和碳三种元素的晶体竟然也具有超导性。该新型超导晶体的一个晶胞如图所示，则该晶体的化学式为()A．Mg2CNi3 B．MgC2NiC．MgCNi2 D．MgCNi3解析：选D。Mg处于晶胞的顶点上，故有8×＝1个；Ni处于晶胞的面心，故有6×＝3个；C处于晶胞的体心，完全属于该晶胞，故该晶体的化学式为MgCNi3。6．科学家把C60和K掺杂在一起制造出的物质具有超导性能，其晶胞结构如图所示。该物质中K和C60的个数之比为()A．1∶1 B．2∶1C．3∶1 D．4∶1解析：选C。根据均摊法可知，该晶胞中K的个数为2×6×＝6，C60的个数为1＋8×＝2，所以该物质中K和C60的个数之比为6∶2＝3∶1。7．如图所示为一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子的结构模型，则它的化学式为()A．Ti4C4 B．C．Ti14C13 D．Ti解析：选C。本题易错之处是把“气态团簇分子”当作晶胞处理，而错选A或B。由于该结构为“气态团簇分子”的结构，给出的结构就是一个“完整”的分子，因此结构中的每个原子都是构成分子的一部分。因该“气态团簇分子”结构中含有14个Ti原子和13个C原子，故该物质的化学式为Ti14C138．金属钠晶体的晶胞为体心立方堆积，实验测得钠的密度为ρg·cm－3。已知钠的相对原子质量为a，设阿伏加德罗常数的值为NA，假定金属钠原子为等径的刚性小球且处于体对角线上的三个球相切。则钠原子的半径r为()A.cm B．cmC．cm D．cm解析：选C。因为金属钠晶体的晶胞为体心立方堆积，所以每个晶胞中含有钠原子数为1＋8×＝2，设晶胞边长为xcm，根据ρ＝得，ρ＝NA，所以x＝，晶胞的体对角线长为棱长的倍，则体对角线长为cm，所以钠原子半径r＝cm。9．金晶体的晶胞结构如图所示，为面心立方最密堆积。设金原子的直径为d，用NA表示阿伏加德罗常数，在立方体的各个面的对角线上，3个金原子彼此两两相切，M表示金的摩尔质量。则下列说法错误的是()A．金晶体每个晶胞中含有4个金原子B．金属键无方向性，金属原子尽可能采取密堆积C．一个晶胞的体积是16d3D．金晶体的密度是解析：选C。因为是面心立方最密堆积，故每个晶胞中含有金原子数为8×＋6×＝4，A正确；金属键无方向性，金属原子尽可能采取密堆积，B正确；因为立方体的各个面的对角线上3个金原子彼此两两相切，则该晶胞立方体的棱长为d，体积为2d3，C错误；金晶体的密度为＝，D正确。10．物质的性质决定了物质的用途，下面列出了金属的几种性质：①导热性、②导电性、③还原性、④延展性、⑤具有金属光泽。请在下面金属用途后的横线上填上金属主要性质对应的序号。(每空限选一个)(1)用铝锭制成包装用的铝箔________。(2)用铝制成的高压铝锅________。(3)用铁粉回收照相业废液中的银________。(4)电信业中大量使用的铜丝、金属电缆________。解析：(1)用铝锭制成包装用的铝箔利用了铝的延展性，故答案为④。(2)用铝制成的高压铝锅利用了铝的导热性，故答案为①。(3)用铁粉回收照相业废液中的银利用了铁的还原性，故答案为③。(4)用铜丝、金属做电缆利用了金属的导电性，故答案为②。答案：(1)④(2)①(3)③(4)②11．某晶体的晶胞结构如图所示，X(•)位于立方体顶点，Y(○)位于立方体体心。试分析：(1)晶体中每一个Y同时吸引着________个X，每个X同时吸引着________个Y，该晶体的化学式是________。(2)晶体中在每个X周围与它最接近且距离相等的X共有________个。(3)晶体中距离最近的2个X分别与1个Y形成的两条线的夹角为________。解析：此题考查的知识点是晶体的空间结构。(1)同时吸引的微粒个数即指在某微粒周围距离最近的其他种类的微粒个数，观察图可知，Y位于立方体的体心，X位于立方体的顶点，每个Y同时吸引着4个X，而每个X同时被8个立方体共用，每个立方体的体心都有1个Y，所以每个X同时吸引着8个Y，X、Y的个数比为1∶2，所以化学式为XY2或Y2X。(2)晶体中每个X周围与它最接近的X之间的距离应为如图所示立方体的面对角线。位置关系分为在此X的上层、下层和同一层，每层均有4个，共有12个。(3)若将4个X连接，构成1个正四面体，Y位于正四面体的中心，可联系CH4的键角，知该夹角为109°28′。对于晶体结构，要善于用宏观的空间结构来分析粒子的微观结构，利用立体几何的知识，分清各原子、离子、分子在空间的相对位置，熟悉一些常见晶体的空间结构，是解答此类题目的关键。答案：(1)48XY2(或Y2X)(2)12(3)109°28′12．用X射线研究某金属晶体，测得在边长为360pm的立方晶胞中含有4个金属原子，此时金属的密度为9.0g·cm－3。试回答：(1)每个晶胞的质量是________g。(2)此金属的相对原子质量为________。(3)此原子的原子半径(pm)为________。解析：(1)根据题意，此金属晶胞如图所示：一个晶胞所含有的金属原子个数＝8