高中化学同步讲义（选择性必修二）第17讲 3.5金属晶体（教师版）

第17课金属晶体1．能描述金属键的成键特征。2．能用金属键理论解释金属的典型性质。3．能利用金属晶体的通性判断晶体类型，进一步理解金属晶体中各微粒之间的作用力。4．能举例说明合金的优越性能。一、金属键1.概念：金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的相互作用称为金属键。2.金属键的本质——“电子气理论”：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。这一理论称为“电子气理论”。由此可见，金属晶体跟共价晶体一样，是一种“巨分子”。3.金属键的形成(1)金属原子失去部分或全部外围电子形成的金属离子与“脱落”下的自由电子之间存在强烈的相互作用。(2)成键粒子：金属阳离子和自由电子。4.金属键的特征：自由电子不是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。金属键既没有方向性，也没有饱和性。5.影响金属键强弱的因素：(1)金属原子半径越小，金属键越强。(2)单位体积内自由电子的数目越多，金属键越强。6.存在：金属键存在与金属单质或合金中。7.金属键的强弱及其对金属性质的影响①金属键的强弱主要取决于金属元素的原子半径和价电子数，原子半径越小，价电子数越多，金属键越强；反之，金属键越弱。②金属晶体熔、沸点的高低与金属键的强弱有关，金属键越强，金属的熔、沸点越高，硬度越大。二、金属晶体1.概念：金属原子通过金属键形成的晶体叫做金属晶体。2.构成微粒：金属离子和自由电子3.微粒间的相互作用：金属键4.金属晶体的性质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。A.同周期金属单质，从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点升高。B.同主族金属单质，从上到下(如碱金属)熔、沸点降低。C.合金的熔、沸点一般比其各成分金属的熔、沸点低。D.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。③硬度：金属键越强，晶体的硬度越大。【易错提醒】①含有阳离子的晶体中不一定含有阴离子，例如金属晶体中只有金属阳离子和自由电子，没有阴离子。但晶体中有阴离子时，一定有阳离子。5.电子气理论解释金属材料的有关性质①延展性：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，但不会改变原来的排列方式,而且弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用，所以金属有良好的延展性。当向金属晶体中掺入不同的金属或非金属原子时，就像在滚珠之间掺入了细小而坚硬的砂土或碎石一样，会使这种金属的延展性甚至硬度发生改变，这也是对金属材料形成合金以后性能发生改变的一种比较粗浅的解释。【名师点拨】当向金属晶体中掺人不同的金属或非金属原子时，就像在滚珠之间掺人了细小而坚硬的砂土或碎石一样，会使这种金属的延展性甚至硬度发生改变，这也是对金属材料形成合金以后性能发生改变的一种比较粗浅的解释。纯金属内，所有原子的大小和形状都是相同的，原子的排列十分规整。而合金中加入了其他元素或大或小的原子，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难。因此合金比纯金属延展性要差。②导电性：电子气理论还十分形象地用电子气在电场中定向移动解释金属良好的导电性，在金属晶体中，存在许多自由电子，这些电子移动是没有方向的，但是在外加电场的作用下，自由电子就会发生定向移动，形成电流，使金属表现出导电性。注：a.金属晶体有导电性，但能导电的物质不一定是金属。例如，石墨有导电性却属于非金属。b.还有一大类能导电的有机高分子化合物，也不属于金属。c.金属导电的粒子是自由电子，导电过程是物理变化。而电解质溶液导电的粒子是自由移动的阴阳离子，导电过程是化学变化.③导热性：A.自由电子在运动时与金属离子碰撞而引起能量的交换，当金属某部分受热时，那个区域里的自由电子能量增加，运动速度加快，通过碰撞，把能量传递给金属阳离子。自由电子与金属阳离子频繁碰撞，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。B.电导率随温度的变化规律：还可用电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞解释金属的电导率随温度升高而降低的现象。④颜色：由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光线投射到它的表面上时，自由电子可以吸收所有频率的光，然后很快放出各种频率的光，这就使绝大多数金属呈现银灰色以至银白色光泽。而金属在粉末状态时，金属的取向杂乱，晶格排列得不规则，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。⑤熔沸点：金属单质熔、沸点的高低和硬度的大小与金属键的强弱有关。金属键越强，金属晶体的熔、沸点越高，硬度越大。一般来说，金属键的强度主要取决于金属元素的原子半径和单位体积内自由电子的数目(价电子数)。随着原子半径的增大，金属键逐渐减弱。单位体积内自由电子的数目(价电子数)越多，则金属键就越强。如钠、镁、铝的单位体积内价电子数目逐渐增多，金属键逐渐增强；Li、Na、K的原子半径逐渐增大，金属键逐渐减弱。所以由Li到Cs，熔、沸点逐渐降低，Na、Mg、Al的熔、沸点逐渐升高，硬度增大。合金的熔点一般比它的各组分纯金属的熔点低。如生铁比纯铁的熔点低，钠-钾合金[w(K)在50%~80%范围内]在室温下呈液态。6.常见的合金①以铁为主要成分的碳钢、锰钢、不锈钢等②以铜为主要成分的黄铜、青铜、白铜等(7)电解质导电和金属导电的区别物质类别电解质金属晶体导电时的状态水溶液或熔融状态下晶体状态导电粒子自由移动的离子自由电子导电时发生的变化化学变化物理变化导电能力随温度的变化温度升高导电能力增强温度升高导电能力减弱►问题一金属键的形成【典例1】有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的强烈相互作用，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，有方向性和饱和性C．金属键是带异性电荷的金属阳离子和自由电子间的强烈的相互作用，故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【答案】B【解析】从基本构成微粒的性质看，金属键与离子键的实质类似，都属于电性作用，A正确；金属键特征都是无方向性和饱和性，B不正确，C正确；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，金属键无方向性和饱和性，D正确，故选B。【解题必备】1．金属键（1）成键微粒：金属阳离子和自由电子。（2）存在：在金属单质和合金中都存在金属键。2．金属键的本质和特点金属键的本质是一种电性作用，即金属阳离子和自由电子之间的静电作用。金属键的特征是没有方向性和饱和性，金属中的电子在整个晶体内运动，属于整块金属。【变式1-1】构成金属键的微粒是A．原子 B．正、负离子C．分子 D．金属正离子与自由电子【答案】D【解析】金属晶体由金属正离子和自由电子组成，构成金属键的微粒是金属正离子和自由电子，故选D。【变式1-2】下列关于金属键的叙述中正确的是A．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B．金属原子的核外电子在金属晶体中都是自由电子C．金属具有导热性，是通过金属阳离子之间的碰撞来传导热量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【答案】D【解析】A．金属键是金属阳离子和自由电子之间强烈的相互作用。既有金属阳离子和自由电子间的静电吸引作用，也存在金属阳离子之间及自由电子之间的静电排斥作用，故A错误；B．金属原子的最外层电子在金属晶体中是自由电子，故B错误；C．金属具有导热性，是通过金属阳离子与自由电子之间的碰撞来传导热量，故C错误；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，自由电子属于整块金属，故D正确；选D。►问题二金属键强弱与金属晶体的物理性质【典例2】下列有关金属的叙述正确的是()A．金属受外力作用时常常发生变形而不易折断，是由于金属离子之间有较强的作用B．通常情况下，金属中的自由电子会发生定向移动，而形成电流C．金属是借助金属离子的运动，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降低【答案】D【解析】金属受外力作用时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；自由电子要在外电场作用下才能发生定向移动形成电流，B项不正确；金属的导热性是由于自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞将能量进行传递，故C项不正确。温度升高，金属离子振动频率加大，阻碍了电子的移动，电阻增大，导电性减弱，故D项正确。故选D。【解题必备】1．影响金属键强弱的因素金属的原子半径和单位体积内自由电子数目的多少及金属阳离子所带电荷的多少。（1）金属键的强弱差别较大。如钠、钾的熔、沸点低，存在的金属键较弱；铬的硬度大，熔、沸点高，存在的金属键较强。（2）同一周期，从左到右，金属元素的原子半径逐渐减小，价电子数逐渐增多，单位体积内自由电子数逐渐增多，金属键逐渐增强，金属的熔、沸点逐渐升高，硬度逐渐增大。（3）同一主族，从上到下，金属元素原子的价电子数不变，原子半径逐渐增大，单位体积内自由电子数逐渐减少，金属键逐渐减弱，金属的熔、沸点逐渐降低，硬度逐渐减小。2．金属键的强弱与金属的物理性质的关系（1）金属的延展性、导电性、导热性、熔沸点等均与金属键有关。金属键越强，金属的熔、沸点越高。同周期金属单质，从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点升高。同主族金属单质，从上到下(如碱金属)熔沸点降低。一般来说，合金的熔沸点比其各成分金属的熔沸点低。（2）金属导电性与电解质导电性的区别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。【变式2-1】下列关于金属及金属键的说法不正确的是A．金属键不具有方向性和饱和性B．金属键是金属阳离子与自由电子间的相互作用C．金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子D．金属受外力作用变形时，金属阳离子与自由电子间仍保持较强烈作用，因而具有延展性【答案】C【解析】A．金属键存在于金属阳离子和“自由电子”之间的强的相互作用，不是存在于相邻原子之间的作用力，而是属于整块金属，没有方向性和饱和性，A项正确；B．金属键是存在于金属阳离子和“自由电子”之间的强的相互作用，这些“自由电子”为所有阳离子所共用，其本质也是电性作用，B项正确；C．金属中存在金属阳离子和“自由电子”，当给金属通电时，“自由电子”定向移动而导电，C项错误；D．金属具有具有良好的延展性，受外力作用变形时，金属阳离子与自由电子间仍保持较强烈作用，D项正确；答案选C。【变式2-2】小波在参观了某渊中学的晶体墙后，对晶体产生了浓厚的兴趣，她决定上网查找相关资料，但不幸的是她登录的网站被不法分子篡改了。她摘录了该网站上的一些表述，请帮她选出其中错误的表述A．金属锗()是一种常见的金属晶体B．根据电子气理论，金属具有良好的延展性是由于其受到外力时，各原子层发生相对滑动，改变原来的排列方式C．能带理论是一种描述金属键的理论D．在水晶晶体中，平均每1个原子被1个十二元环占有【答案】A【解析】A．锗属于金属，但锗的晶体是共价晶体，选项A错误；B．由于金属晶体中各原子层发生相对滑动，但不会改变原理的排列方式，也不破坏金属键，金属受外力作用时常常发生变形而不易折断，具有良好的延展性，选项B正确；C．金属键的另一种理论是能带理论，选项C正确；D．在水晶晶体中，最小环为十二元环，其中有6个Si原子和6个O原子，含有12个Si-O键；每个Si原子被12个十二元环共有，每个Si-O键被6个十二元环共有，每个十二元环所拥有的Si原子数为6×=1，即平均每1个原子被1个十二元环占有,选项D正确；答案选A。1．金属能导电的原因是A．金属阳离子与自由电子间的作用较弱B．金属在外加电场作用下可失去电子C．金属阳离子在外加电场作用下可发生定向移动D．自由电子在外加电场作用下可发生定向移动【答案】D【解析】金属晶体能导电的原因是其自由电子在外加电场的作用下能够定向移动，不是失去电子。金属键在整个晶体范围内起作用，自由电子在外加电场作用下的定向移动并不破坏金属键，金属晶体能导电的原因不是金属中金属阳离子与自由电子间的相互作用较弱。金属晶体中的金属阳离子紧密堆积，不能在外加电场的作用下定向移动。综上，答案选D。2．金属的下列性质中，不能用金属键解释的是A．易传热 B．加工易变性但不碎C．易锈蚀 D．有特殊的金属光泽【答案】C【解析】A．金属晶体的导热是由于晶体内部，自由电子与金属阳离子的碰撞，能用金属晶体结构，即能用金属键理论解释加以解释，故A正确；B．金属有延展性，加工易变形，发生形变时，自由电子仍然可以在金属于离子之间流动，使金属不会断裂破碎，能用金属晶体结构，即能用金属键理论解释加以解释，故B正确；C．金属易锈蚀与金属晶体结构无关、与化学性质有关，金属的化学性质比较活泼，容易被空气中的氧气所氧化，故金属易锈蚀不能用金属晶体结构加以解释，故C错误；D．自由电子很容易被激发，所以它们可以吸收许多光并发射各种可见光，所以大部分金属为银白色，能用金属晶体结构加以解释，即能用金属键理论解释加以解释，故D正确；故选C。3．科学家对液氢施加约4.95×1011Pa压力，成功制造出了“金属氢”，这是一种以氢离子和自由电子为基本单位构成的晶体。关于金属氢的推测错误的是A．可能具有很好的导电性 B．与氢气互为同素异形体C．摩尔质量与氢气相同 D．制造金属氢过程属于化学变化【答案】C【解析】A．由题干信息可知，金属氢中含有氢离子和自由电子，类似于金属晶体，则可能具有很好的导电性，A正确；B．金属氢与氢气是由氢元素形成的性质不同的两种单质，故互为同素异形体，B正确；C．金属氢是一种以氢离子和自由电子为基本单元构成的晶体，是原子构成的单质，与氢气分子不同的单质，则摩尔质量不相同，C错误；D．制造金属氢过程，单质结构发生变化，有旧化学键的断裂和新的化学键的形成，则属于化学变化，D正确；故答案为：C。4．下列金属中，金属阳离子与自由电子间的作用力最强的是A．Al B．K C．Cu D．Zn【答案】C【解析】金属单质中，金属阳离子与自由电子间的作用力越强，则该金属越难失去电子，即金属活动性越弱，已知金属活动顺序为：K、Al、Zn、Cu，故Cu中金属阳离子与自由电子间的作用力最强，故答案为：C。5．下列关于金属晶体的叙述正确的是A．用铂金做首饰不能用金属键理论解释B．固态和熔融时易导电，熔点在1000℃左右的晶体可能是金属晶体C．Li、Na、K的熔点逐渐升高D．金属导电和熔融电解质(或电解质溶液)导电的原理一样【答案】B【解析】A．用铂金制作首饰利用了金属晶体的延展性，能用金属键理论解释，A项错误；B．金属晶体在固态和熔融态下都能导电，其熔点由于金属的不同差异很大，熔点在1000℃左右的晶体可能是金属晶体，B项正确；C．原子半径越小，金属性越强，则Li、Na、K的熔点逐渐降低，C项错误；D．金属导电是自由电子导电，电解质溶液导电是阴阳离子导电，原理不一样，D项错误；答案选B。6．在金属晶体中，金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属键越强，金属的熔、沸点越高。由此判断下列各组金属熔、沸点高低顺序，其中不正确的是()A．Al>Mg>BaB．Al>Na>Li C．Al>Mg>CaD．Al>Mg>Na【答案】B【解析】电荷数：Al3＋>Mg2＋＝Ca2＋＝Ba2＋>Li＋＝Na＋；而金属原子半径：r(Ba)>r(Ca)>r(Na)>r(Mg)>r(Al)>r(Li)，则A、C、D正确。B中Li>Na，Al>Na，符合题意。1．下列金属的性质中与自由电子无关的是A．密度 B．导热性 C．导电性 D．金属光泽【答案】A【解析】A．密度大小与自由电子无关，密度大小取决于原子之前的距离、原子的堆积方式，原子的大小和质量等，故A与自由电子无关；B．金属晶体的导热是由于晶体内部，自由电子与金属阳离子的碰撞，故B与自由电子有关；C．自由电子在金属内部定向移动使金属能够导电，故C与自由电子有关；D．金属光泽由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光线投射到它的表面上时，自由电子吸收所有频率的光，然后很快放出各种频率的光，这就使绝大多数金属呈现不同颜色的光泽，故D与自由电子有关；答案选A。2．下列熔点比较正确的是A．> B．金属锂>金属钠>金属钾C．新戊烷>异戊烷>正戊烷 D．H2O>CH4>SiO2【答案】B【解析】A．由于形成分子内氢键导致熔点降低，而只能形成分子间氢键导致熔点升高，故熔点＜，A错误；B．锂、钠、钾均为金属晶体，且原子半径：锂小于钠小于钾，导致锂、钠、钾中的金属键键能依次减小，故熔点为：金属锂>金属钠>金属钾，B正确；C．正戊烷、异戊烷和新戊烷为同分异构体，均形成分子晶体，则支链越多熔点越低，故熔点：新戊烷＜异戊烷＜正戊烷，C错误；D．已知SiO2形成原子(共价)晶体，H2O和CH4形成分子晶体，且H2O中存在分子间氢键，导致熔点升高，故熔点：SiO2>H2O>CH4，D错误；故答案为：B。3．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(黑球代表Fe，白球代表Mg)。下列说法正确的是

A．铁镁合金的化学式可表示为B．晶胞中有14个铁原子C．晶体中存在的化学键类型为共价键D．该晶胞的质量是(表示阿伏加德罗常数的值)【答案】D【解析】A．根据均摊法，该晶胞中，Mg个数为8，Fe个数为=4，故铁镁合金的化学式可表示为Mg2Fe，A错误；B．根据均摊法，该晶胞中含有Fe个数为=4，B错误；C．铁镁合金属于金属晶体，晶体中含有金属键没有共价键，C错误；D．该晶胞中含有8个Mg和4个Fe，该晶胞的质量为，D正确；故答案选D。4．下列说法正确的是①晶体中分子间作用力越大，分子越稳定②共价晶体中共价键越强，熔点越高③金属晶体的导电性、导热性均与自由电子有关④正四面体构型的分子，键角都是109°28′，其晶体类型可能是共价晶体或分子晶体⑤分子晶体中都含有化学键⑥4.8g金刚石晶体中碳碳键的数目为⑦在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子⑧晶体状态下能导电的一定是金属晶体A．④⑥⑦ B．②③⑥ C．①③⑤ D．④⑤⑧【答案】B【解析】①分子间作用力影响的是物质的熔沸点，不影响分子的稳定性，①错误；②共价晶体中共价键越强，越难断裂，熔点越高，②正确；③给金属晶体加电压时，晶体中的自由电子定向移动形成电流，自由电子的移动能传递热量，金属晶体的导电性、导热性均与自由电子有关，③正确；④正四面体构型的分子，键角不一定都是109°28′，如白磷键角为60°，④错误；⑤分子晶体不一定都含有化学键，如稀有气体为分子晶体，但是不含化学键，⑤错误；⑥4.8g金刚石中碳的物质的量为0.4mol，金刚石中1个碳原子形成4条共价键，每条共价键被2个碳原子共用，一个碳原子占用2条共价键，故0.4molC原子形成共价键数目为0.8mol，⑥正确；⑦金属晶体中只有阳离子没有阴离子，⑦错误；⑧晶体状态下能导电的不一定是金属晶体，如Si晶体和石墨都能导电但不是金属晶体，⑧错