新教材2024版高中化学第三章晶体结构与性质第三节金属晶体与离子晶体学生用书新人教版选择性必修2

第三节金属晶体与离子晶体课程目标1．了解金属键及金属晶体的性质。2．了解离子晶体的结构特点和性质。3．了解过渡晶体与混合型晶体的结构特点与性质特点。图说考点必备基础——自学·尝试一、金属键与金属晶体1．金属键(1)定义：在金属单质晶体中原子之间__________与__________之间猛烈的相互作用。(2)成键微粒：__________和__________。(3)存在：________或________。(4)成键本质电子气理论：金属原子脱落下来的________形成遍布整块晶体的“电子气”，被全部原子所共用，从而把____________维系在一起，形成像共价晶体一样的“巨分子”。2．金属晶体(1)金属晶体是原子间通过________形成的一类晶体。金属晶体常温下除________外都是固体。(2)性质：优良的________、导热性和延展性。(3)用电子气理论说明金属的性质二、离子晶体1．定义：阴、阳离子通过________结合，在空间呈现有________的排列所形成的晶体叫离子晶体。2．结构特点：3．常见离子晶体的空间结构晶体类型NaClCsCl晶胞阳离子的配位数________阴离子的配位数________晶胞中所含离子数Cl－____Na＋____Cs＋____Cl－____三、过渡晶体与混合型晶体1．过渡晶体(1)纯粹的典型晶体并不多，大多数晶体是它们之间的________晶体。(2)Na2O、MgO、Al2O3、SiO2晶体中，化学键中离子键成分的百分数渐渐________，其中Na2O当作________晶体处理，SiO2、Al2O3晶体，当作________晶体处理。2．混合型晶体——石墨(1)晶体模型(2)结构特点——层状结构①同层内碳原子实行sp2杂化，以共价键(σ键)结合，形成________________。由于全部的p轨道平行且相互重叠，使p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动。②层与层之间靠________维系。(3)晶体类型石墨晶体中，既有________，又有________和________，属于________晶体。[即学即练]1．推断正误(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猛烈的静电吸引作用。()(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)全部金属室温下均为晶体。()(7)离子晶体中只存在离子键。()(8)Na2O是纯粹的离子晶体，SiO2是纯粹的共价晶体。()(9)每个NaCl晶胞和CsCl晶胞含有相同的离子数。()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猛烈的相互作用B．金属键可以看作是很多原子共用很多电子所形成的猛烈的相互作用，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3．下列物质的晶体确定属于离子晶体的是()A．在水中能电离出离子的物质B．在水中能电离出SO4C．在水中能电离出Na＋的化合物D．熔融时化学键无变更的化合物4．已知金属键是金属离子与自由电子之间的静电作用力，金属键强弱与金属离子半径和离子所带电荷有关，则金属钠、镁、铝的熔点凹凸依次正确的是()A．Na＞Mg＞Al B．Al＞Mg＞NaC．Mg＞Al＞Na D．Na＞Al＞Mg5．CaF2晶体的晶胞示意图如下，回答下列问题。(1)Ca2＋的配位数是______，F－的配位数是________。(2)该晶胞中含有的Ca2＋数目是____________个，F－数目是____________个。(3)CaF2晶体的密度为ag·cm－3，则晶胞的体积是________________________(只要求列出算式)。核心素养——合作·共享提升点一金属键强弱与金属性的变更例1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的猛烈作用，在确定外力作用下，不因形变而消逝C．钙的熔沸点低于钾D．温度越高，金属的导电性越好状元随笔金属键没有方向性，其强弱取决于金属原子半径大小和价电子数目多少。[提升1]在金属晶体中，假如金属原子的价电子数越多，原子半径越小，自由电子与金属阳离子间的作用力越大，金属的熔沸点越高。由此推断下列各组金属熔沸点凹凸依次，其中正确的是()A．Mg>Al>Ca B．Al>Na>LiC．Al>Mg>Ca D．Mg>Ba>Al【关键实力】金属键的强弱与金属性质的变更1．金属键的特征金属键无方向性和饱和性。晶体中的电子不专属于某一个或几个特定的金属阳离子，而几乎是匀整地分布在整块晶体中，因此晶体中存在全部金属阳离子与全部自由电子之间“充溢”的电性作用，这就是金属键，因此金属键没有方向性和饱和性。2．金属键的强弱比较一般来说，金属键的强度主要取决于金属元素原子的半径和价电子数。原子半径越大，价电子数越少，金属键越弱；原子半径越小，价电子数越多，金属键越强。3．金属键对物质性质的影响①金属键越强，晶体的熔、沸点越高。②金属键越强，晶体的硬度越大。例如，对Na、Mg、Al而言，由于价电子数：Al>Mg>Na，原子半径：Na>Mg>Al，故金属键由强到弱的依次是Al>Mg>Na，故熔点：Na<Mg<Al(97.8℃<648.9℃<660.4℃)，硬度：Na<Mg<Al。状元随笔金属晶体的性质及变更规律：(1)金属晶体具有良好的导电性、导热性和延展性。(2)熔、沸点：金属键越强，熔、沸点越高。①同周期金属单质，从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点上升。②同主族金属单质，从上到下(如碱金属)熔、沸点降低。③合金的熔、沸点一般比其各成分金属的熔、沸点低。④金属晶体熔点差别很大，如汞常温下为液体，熔点很低；而铁常温下为固体，熔点很高。提升点二离子晶体的结构分析例2一种离子晶体的晶胞如图所示。其中阳离子A以“”表示，阴离子B以“○”表示。下列关于该离子晶体的说法正确的是()A．阳离子的配位数为8，化学式为ABB．阴离子的配位数为4，化学式为A2BC．每个晶胞中含4个AD．每个A四周有4个与它等距且最近的A状元随笔NaCl晶胞和CsCl晶胞的解析方法(1)NaCl晶胞当一个Na＋位于立方体的体心时，另有12个Na＋位于棱上，同时有8个Cl－位于顶点、6个Cl－位于面心位置。用均摊法可求出该晶胞中实际拥有的离子数目，Na＋个数为1＋12×14＝4，Cl－个数为8×18＋6×(2)CsCl晶胞CsCl晶胞中，若8个Cl－位于顶点，则Cs＋位于体心。用均摊法可求出该晶胞中实际拥有的离子数目，每个晶胞含1个Cl－、1个Cs＋。[提升2]高温下，超氧化钾晶体(KO2)呈立方体结构。如图为超氧化钾晶体的一个晶胞。下列有关说法正确的是()A．KO2中只存在离子键B．KO2晶体中与每个K＋距离相等且最近的O2C．KO2晶体中，全部原子之间都以离子键相结合D．超氧化钾的化学式为KO2，每个晶胞含有1个K＋和1个O状元随笔离子晶体中的配位数(1)AB型离子晶体的阴、阳离子的配位数之比为1∶1，如NaCl型晶体的配位数为6，CsCl型晶体的配位数为8。(2)ABn型离子晶体中A、B离子的配位数之比为n∶1，如CaF2型晶体中，Ca2＋的配位数为8，F－的配位数为4。【关键实力】构成离子晶体的离子的积累方式1．在离子晶体中，构成晶体的离子中的电子分布基本上是呈球形对称的，但阴、阳离子的半径不同，因此离子晶体可视为不等径圆球的密积累，即将不同半径的圆球的积累看成是大球先按确定方式作等径圆球的密积累，小球再填充在大球所形成的空隙中。2．通常一些离子晶体中，阴离子的半径较大，故将阴离子看作等径圆球进行密积累，而阳离子有序地填充在阴离子所形成的空隙之中。提升点三四类晶体的比较例3有A、B、C三种晶体，分别由C、H、Na、Cl四种元素中的一种或几种形成，对这三种晶体进行试验，结果如表所示。晶体熔点/℃硬度水溶性导电性水溶液与Ag＋反应A811较大易溶水溶液(或熔融态)能导电白色沉淀B3500很大不溶不导电—C－114.2很小易溶液态不导电白色沉淀(1)晶体的化学式分别为A__________；B__________；C__________。(2)晶体的类型分别为A__________；B__________；C__________。(3)晶体中粒子间的作用力分别为A__________；B__________；C__________。状元随笔熔融态能导电的化合物一般为离子化合物；熔、沸点凹凸依次为：共价晶体>离子晶体>分子晶体。[提升3]下图为几种晶体或晶胞的结构示意图。请回答下列问题：(1)金刚石属于________晶体，其中每个碳原子与________个碳原子距离最近且相等；干冰属于________晶体，每个CO2分子与________个CO2分子紧邻。(2)这些晶体中，微粒之间以共价键结合而形成的是________________________。(3)冰、金刚石、MgO、干冰四种晶体的熔点由高到低的依次为________________________。(4)NaCl晶胞与MgO晶胞结构相同，NaCl晶体的熔点________(填“大于”或“小于”)MgO晶体的熔点，缘由是__________________________________________________________________________________________________________________________。(5)每个铜晶胞中实际占有________个铜原子，CaCl2晶体中Ca2＋的配位数为________。CaCl2晶体和MgCl2晶体相比，更接近于纯粹的离子晶体的是________________。【关键实力】四类晶体的比较类型项目离子晶体共价晶体分子晶体金属晶体构成晶体的粒子阴、阳离子原子分子金属阳离子和自由电子粒子间的作用离子键共价键分子间作用力(范德华力和氢键)金属阳离子和自由电子之间的猛烈的相互作用确定作用力强弱的一般推断方法离子所带电荷数、离子半径键长(原子半径)组成和结构相像、无氢键时，比较相对分子质量原子半径、价电子数熔、沸点较高高低差别较大(汞常温下呈液态，钨熔点为3410℃)硬度较大大较小差别较大导电性不导电(熔融状态下或溶于水后导电)不导电(个别为半导体)不导电(部分溶于水发生电离后导电)导电溶解性多数易溶一般不溶相像相溶一般不溶于水，少数与水反应机械加工性不良不良不良优良延展性差差差优良状元随笔晶体类型的推断方法(1)依据组成晶体的粒子和粒子间的作用力来推断①组成离子晶体的粒子是阴、阳离子，粒子间的作用力是离子键。②组成共价晶体的粒子是原子，粒子间的作用力是共价键。③组成分子晶体的粒子是分子，粒子间的作用力是分子间作用力，包括范德华力和氢键。④组成金属晶体的粒子是金属阳离子和自由电子，粒子间的作用力是金属键。(2)依据物质的分类推断①金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(如NaOH、KOH等)和绝大多数的盐是离子晶体。②大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外)、非金属氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、酸、绝大多数的有机物是分子晶体。③常见的共价晶体有金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅等。④金属单质是金属晶体。(3)依据晶体的熔、沸点推断①离子晶体的熔、沸点较高，常在数百至数千摄氏度。②共价晶体的熔、沸点很高，常在一千至几千摄氏度。③分子晶体的熔、沸点低，常在数百摄氏度以下。④金属晶体的熔、沸点差距较大。(4)依据导电性推断①离子晶体的水溶液及熔融状态一般都能导电。②共价晶体一般不导电，个别为半导体。③分子晶体不导电，而分子晶体中的电解质(主要是酸和一些非金属氢化物)溶于水，使分子内的化学键断裂形成自由移动的离子而导电。④金属晶体是电的良导体。(5)依据硬度和机械性能推断离子晶体硬度较大且脆；共价晶体硬度大；分子晶体硬度小且较脆；金属晶体多数硬度大，少数较小，且具有延展性。提升点四晶体的计算例4下图所示为NaCl晶胞的结构示意图。它向三维空间延长得到完备晶体。试回答：(1)一个NaCl晶胞中有________个Na＋，有________个Cl－。(2)确定温度下，用X射线衍射法测得晶胞的边长为acm，该温度下NaCl晶体的密度是________________。(3)若NaCl晶体的密度为dg·cm－3，则NaCl晶体中Na＋与Na＋之间的最短距离是________。[提升4]有下列离子晶体空间结构示意图：ABCD(1)以M代表阳离子，以N代表阴离子，写出各离子晶体的组成表达式：A________，B________，C________，D________。(2)已知FeS2晶体(黄铁矿的主要成分)具有A的空间结构。①FeS2晶体中存在的化学键类型是________。②若晶体结构A中的相邻的阴、阳离子的距离为acm，且用NA表示阿伏加德罗常数，则FeS2晶体的密度是________g·cm－3。状元随笔晶体结构的计算常常涉及如下数据：晶体密度、NA、M、晶体体积、微粒间距离、微粒半径、夹角等，密度的表达式往往是列等式的依据。解决这类题，一是要驾驭晶体“均摊法”的原理，二是要有扎实的立体几何学问，三是要熟识常见晶体的结构特征，并能融会贯穿，举一反三。【关键实力】晶胞的结构与计算1．计算类型(1)依据晶胞的结构，计算其组成微粒间的距离。(2)依据晶胞的质量和晶体有关的摩尔质量间的关系计算微粒个数、微粒间距、ρ等。(3)计算晶体(晶胞)的空间利用率。2．计算原理(1)依据晶胞的组成列出其质量与晶体有关摩尔质量间的关系式。①晶胞组成的确定：均摊法。用均摊法计算一个晶胞所含组成微粒的个数。②计算表达式：m＝ρV＝NNA·M式中，m为一个晶胞的质量，ρ为晶胞(晶体)的密度，V为一个晶胞的体积，如图为NaCl晶体的晶胞，图中2个钠离子间距离为a，ρ＝mV＝4(2)晶胞的空间利用率＝晶胞所含粒子的体积晶胞的体积素养形成——自测·自评1.下列生活中的问题，不能用电子气理论学问说明的是()A．铁易生锈 B．用金属铝制成导线C．用金箔做外包装 D．用铁制品做炊具2．下列有关离子晶体的叙述中，不正确的是()A．1mol氯化钠晶体中有NA个NaCl分子B．氯化钠晶体中，每个Na＋四周距离相等的Cl－共有6个C．醋酸钠属于离子晶体，含非极性键D．平均每个NaCl晶胞有4个Na＋、4个Cl－3．泽维尔探讨发觉，当激光脉冲照耀NaI时，Na＋和I－两核间距1.0～1.5nm，呈离子键；当两核靠近约距0.28nm时，呈共价键。依据泽维尔的探讨成果能得出的结论是()A．NaI晶体是离子晶体和分子晶体的混合物B．离子晶体可能含有共价键C．NaI晶体中既有离子键，又有共价键D．共价键和离子键没有明显的界线4．下列有关过渡晶体的说法中，正确的是()A．Na2O中化学键是纯粹的离子键，SiO2中化学键是纯粹的共价键B．Na2O是纯粹的离子晶体，SiO2是纯粹的共价晶体C.P2O5、SO3、Cl2O7中离子键的百分数较小，形成的晶体都是分子晶体D．离子晶体和共价晶体存在过渡晶体，其余两种晶体不存在过渡晶体5.石墨晶体是层状结构，在每一层内，每一个碳原子都跟其他3个碳原子相结合。据图分析，石墨晶体中碳原子数与共价键数之比为()A．2∶3 B．2∶1C．1∶3 D．3∶26．现有几组物质的熔点(℃)数据：A组B组C组D组金刚石：3550Li：181HF：－83NaCl硅晶体：1410Na：98HCl：－115KCl硼晶体：2300K：64HBr：－89RbCl二氧化硅：1732Rb：39HI：－51MgO：2800据此回答下列问题：(1)由表格可知，A组熔点普遍偏高，据此回答：①A组属于________晶体，其熔化时克服的粒子间的作用力是________。②硅的熔点低于二氧化硅，是由于____________________________________________________________________________________________________________________。③硼晶体的硬度与硅晶体相对比：____________________________________________。(2)B组晶体中存在的作用力是________，其共同的物理性质是________(填序号)，可以用________理论说明。①有金属光泽②导电性③导热性④延展性(3)C组中HF熔点反常是由于________________________________________________________________________________________________________________________。(4)D组晶体可能具有的性质是__________(填序号)。①硬度小②水溶液能导电③固体能导电④熔融状态能导电(5)D组晶体中NaCl、KCl、RbCl的熔点由高到低的依次为__________________________，MgO晶体的熔点高于三者，其缘由说明为________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。第三节金属晶体与离子晶体必备基础一、1．(1)金属阳离子自由电子(2)金属阳离子自由电子(3)金属单质合金(4)价电子全部的金属原子2．(1)金属键汞(2)导电性(3)相对滑动金属键定向移动二、1．离子键规律2．阴离子阳离子离子键3．68684411三、1．(1)过渡(2)减小离子共价2．(2)平面六元并环结构范德华力(3)共价键金属键范德华力混合型即学即练1．(1)×(2)×(3)×(4)√(5)√(6)×(7)×(8)×(9)×2．解析：从构成物质的基本微粒的性质看，金属键属于电性作用，特征是无方向性和饱和性；“自由电子”是由金属原子供应的，并且在整个金属内部的三维空间内运动，为整个金属中的全部阳离子所共有，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。答案：B3．解析：在水中能电离出离子的物质是电解质，可能是酸、碱、盐等，若为酸，其晶体属于分子晶体，A项错误；在水中能电离出SO42-的化合物可能是硫酸或硫酸盐，若为硫酸，其晶体属于分子晶体，B项错误；在水中能电离出Na＋答案：C4．解析：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、铝离子的电荷数渐渐增多，半径渐渐减小，故钠、镁、铝的熔点渐渐上升。答案：B5．解析：(1)每个Ca2＋周期吸引8个F－，每个F－四周吸取4个Ca2＋，所以Ca2＋的配位数为8，F－的配位数为4。(2)F－位于晶胞内部，所以每个晶胞中含有F－8个。含有Ca2＋为18×8＋1(3)ρ＝mV＝4×78g·molV＝4×答案：(1)84(2)48(3)4核心素养例1解析：常温下汞为液体，A错误；金属键没有方向性，不会因为形变而消逝，B正确；Ca的原子半径小，价电子数多，金属键比K强，熔沸点比K高，C错误；温度越高，金属导电实力越弱，D错误。答案：B提升1解析：电荷数Al3＋>Mg2＋＝Ca2＋＝Ba2＋>Li＋＝Na＋，金属阳离子半径：r(Ba2＋)>r(Ca2＋)>r(Na＋)>r(Mg2＋)>r(Al3＋)>r(Li＋)，则C正确；B中Li>Na，D中Al>Mg>Ba。答案：C例2解析：该晶胞中阴离子B的个数为8、阳离子A的个数＝8×18＋6×12＝4，则阴、阳离子个数比为8∶4＝2∶1，该物质化学式为AB2，依据题图可知，阳离子A四周距离最近且相等的阴离子数为8，即阳离子的配位数为8，A错误；依据A的分析，阴离子的配位数为4，化学式为AB答案：C提升2解析：KO2由K＋和O2-构成，故存在离子键和非极性键，A错；KO2的晶胞结构与NaCl的晶胞结构相像，其配位数均为6，则晶体中与每个K＋距离相等且最近的O2-有6个，B对；KO2晶体中K＋和O2-之间存在离子键答案：B例3解析：由题表可知，A应为离子晶体，B应为共价晶体，C应为分子晶体；又已知A、B、C分别由C、H、Na、Cl四种元素中的一种或几种形成，再结合其水溶液与Ag＋的反应，可得A为NaCl，B为C(金刚石)，C为HCl；粒子间的作用力分别为离子键、共价键和分子间作用力。答案：(1)NaClCHCl(2)离子晶体共价晶体分子晶体(3)离子键共价键分子间作用力提升3解析：(1)金刚石晶体中，每个碳原子与相邻的4个碳原子结合，形成正四面体；干冰晶体中，每个CO2分子在三维空间里与12个CO2分子紧邻。(2)只有共价晶体的微粒之间才是以共价键结合的。(3)在题给晶体中，金刚石是共价晶体，熔点最高；MgO为离子晶体，离子晶体的熔点一般低于共价晶体的熔点，高于分子晶体的熔点；冰、干冰均为分子晶体，但冰中水分子之间存在氢键，故冰的熔点高于干冰的熔点。(5)1个铜晶胞中实际占有的铜原子数可用“均摊法”分析，为8×18＋6×12＝4，氯化钙的晶体结构类似于氟化钙，Ca2＋的配位数为8，Cl答案：(1)共价4分子12(2)金刚石晶体(3)金刚石>MgO>冰>干冰(4)小于MgO晶体中离子所带的电荷数大于NaCl晶体中离子所带的电荷数，且r(Mg2＋)<r(Na＋)、r(O2－)<r(Cl－)(5)48CaCl2例4解析：(1)依据图中NaCl一个晶胞：Cl－个数＝8×18＋6×12＝4，Na＋个数＝12×(2)1个晶胞中含有NaCl为4/NAmol，晶胞体积为a3cm，晶体密度ρ＝m/V＝4NA×58.5/a(3)Na＋与Na＋之间最短距离为晶胞边长的22。把(2)中结果变换为da3＝4×58.5NA，所以a＝3234dNA(cm)。Na＋与Na＋间最短距离＝答案：(1)44(2)234NA(3)22·3提升4解析：(1)A中阳离子M的个数为4×18＝12，阴离子N的个数为4×18＝12；B中阴离子N个数为4×12＋2＝4，阳离子M个数为8×18＋1＝2；C中M有4×(2)FeS2晶胞结构如A，若相邻的阴、阳离子间的距离为acm，则体积V＝a3cm3。每个晶胞的质量m＝56+32×2×12NA＝60NAg，密度ρ答案：(1)MNMN2MN2MN(2)①离子键、共价键②60素养形成1．解析：铁易生锈，是因为铁中含有碳，易发生电化学腐蚀，与金属键无关，A项错误；用金属铝制成导线，是利用金属的导电性，金属中存在金属阳离子和“自由电子”，当给金属通电时