《金属键金属晶体》学案

7/13专题3微粒间作用力与物质性质第一单元金属键金属晶体课前预习问题导入金属的晶体结构怎样决定金属的物理性质？答：（1）金属晶体具有良好的导电性、导热性。这是由于自由电子在外加电场的作用下发生定向移动，形成电流，使金属晶体具有良好的导电性；而自由电子在运动过程中通过碰撞进行能量传递，使金属晶体具有良好的导热性。（2）金属晶体具有良好的延展性。这是由于自由电子在金属晶体内可以自由运动，当金属受到外力作用，被拉成细丝或压成薄片时，虽然各层之间发生了相对滑动，但自由电子跟金属阳离子之间的较强的相互作用没有改变，因而不致发生断裂。（3）金属的熔点、硬度等取决于金属晶体内部作用力的强弱。一般来说，金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属晶体内部作用力越强。因而晶体熔点越高、硬度越大。说明：①金属的延展性是相对的，有限度的。②金属晶体的颜色不尽相同，大多数是银白色，有的为其他颜色。如铜为红色，铅为蓝白色，金为黄色。金属晶体的熔沸点、硬度更是多种多样。如碱金属的熔沸点和硬度都很低，像钨等熔点又很高。知识预览1.金属键的概念______________________________。2.金属键的特征是无__________、无__________。3.金属键的强度主要决定于__________和__________。金属元素的__________越小、__________越多，金属键越强。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。4.金属晶体和金属晶体的原子堆积模型(1)二维空间模型金属原子的二维平面放置有__________和__________两种，其配位数分别为__________、__________。(2)三维空间模型①简单立方堆积相邻非密置层原子的原子核在一条直线上堆积，形成的晶胞是一个__________，每个晶胞含__________个原子。这种堆积方式空间利用率低，只有金属__________是这种堆积方式。②钾型它是另一种非密置层堆积方式，将上层金属填入下层金属原子形成的凹穴中。这种堆积方式比__________空间利用率高。如__________就是这种堆积方式。③镁型它属于__________原子按钾型堆积方式堆积。方式为__________。配位数为__________，空间利用率为__________。④铜型它属于密置原子按钾型堆积的另一种堆积方式。方式为__________。课堂互动三点剖析一、金属键与金属特性1.金属键的实质金属键的实质也是一种电性作用：在金属固体中，由于金属元素的电离能和电负性较小，金属原子的价电子容易脱离原子核的束缚在金属阳离子之间“自由”运动，即成为“自由电子”。正是由于“自由电子”在整个金属固体中不停地运动，使得体系的能量大大降低，把金属离子紧紧地结合在一起。这种在金属阳离子和“自由电子”之间存在的强烈的相互作用，叫做金属键。2.金属键的特征金属键没有方向性和饱和性；金属键中的电子在整个三维空间运动，属于整块金属。3.金属键与金属性质之间的关系由于金属晶体中有“自由电子”，所以当可见光照射到金属表面上时，“自由电子”能够吸引所有频率的光并很快放出，使得金属不透明并具有金属光泽。当把金属导线接到电源的正、负极时，有了电势差，“自由电子”就沿导线由负极向正极流动形成电流，使金属显示出导电性。同样，当金属中有温度差时，不停运动着的“自由电子”通过它们与金属离子间的碰撞，把能量由高温处传向低温处，使金属显示出导热性。4.影响金属键强弱的因素影响金属键强弱的主要因素有金属元素的原子半径、单位体积内自由电子的数目等。一般地，金属元素的原子半径越小，单位体积内自由电子的数目越大，金属键就越强，金属晶体的硬度就越大，熔沸点就越高。如锂的金属键强于钠的金属键，与金属钠相比较，锂的熔点较高，硬度较大。二、金属晶体金属晶体是由按一定规律紧密堆积的金属阳离子和自由电子通过金属键而构成的晶体。金属晶体的结构形式可归结为等径圆球的密堆积。金属晶体的性质不仅取决于金属键，而且与晶体中金属原子的堆积方式有关。金属原子只有少数的价电子能用于成键，这样少的价电子不足以使金属晶体中原子间形成正规的共价键或离子键，因此金属在形成晶体时倾向于组成极为紧密的结构，使每个原子拥有尽可能多的相邻原子（通常是8个或12个原子），这样电子的能级可以尽可能多的重叠，从而形成“少电子多中心”键，金属的这种结构形式，已为金属的X射线衍射图谱所证实。在金属中最常见的三种晶格是：（1）配位数为8的体心立方晶格——钾型；（2）配位数为12的面心立方紧堆晶胞——铜型；（3）配位数为12的立方紧堆晶胞——镁型。另外，科学家还发现Po这种金属的堆积方式是简单立方堆积——8个Po原子在立方晶格的8个顶点上。所谓紧堆晶胞是指金属晶体以圆球状的金属原子一个挨一个地紧密堆积在一起而组成的。这些圆球形原子在空间的排列形式是使在一定体积的晶体内含有最多数目的原子，这种结构形式就是紧堆结构，是晶体的最紧密的结构形式，圆球在全部体积中占74%，其余为晶体空隙。在体心立方（钾型）晶格中，圆球在全部体积中仅占68%，所以可以认为它不是紧堆结构；而Po金属晶体的堆积中圆球在全部体积中仅占52%，所以它也不是紧堆结构。各个突破【例1】物质结构理论推出：金属晶体中金属离子与自由电子之间的强烈相互作用，叫金属键。金属键越强，其金属的硬度越大，熔沸点越高，且据研究表明，一般说来金属原子半径越小，价电子数越多，则金属键越强，由此判断下列说法错误的是（）A.镁的硬度大于铝B.镁的熔沸点低于钙C.镁的硬度大于钾D.钙的熔沸点高于钾解析：本题为信息给予题，主要考查自学能力、思维能力和原子结构知识。根据题目所给予信息：镁和铝的电子层数相同，价电子：Al＞Mg，离子半径：Al3+＜Mg2+，Al的硬度大于镁；镁、钙电子数相同，但半径Ca＞Mg，金属键强弱Mg＞Ca，所以B选项不正确，用以上比较方法可推出：电荷数Mg2+＞K+；离子半径：Mg2+＜Na+＜K+。所以金属键：Mg＞K，硬度：Mg＞K，所以C选项正确。钙和钾元素位于同一周期，价电子数：Ca＞K；电荷数：Ca2+＞K+；离子半径：K+＞Ca2+，金属键：Ca＞K；熔点：Ca＞K，所以D选项正确。答案：AB类题演练1试比较下列金属熔点的高低，并用金属键的知识解释。（1）NaMgAl（2）LiNaKRbCs解析：（1）离子半径Na+＞Mg2+＞Al3+，而离子电荷Na+＜Mg2+＜Al3+，金属晶体中，离子半径越小，电荷数越大，金属键越强，金属晶体的熔点越高。（2）Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+的离子电荷数相同，离子半径Li+＜Na+＜K+＜Rb+＜Cs+，金属键Li＞Na＞K＞Rb＞Cs。所以熔点逐渐变小。答案：（1）熔点：Na＜Mg＜Al（2）熔点：Li＞Na＞K＞Rb＞Cs【例2】金属的下列性质中，能用金属晶体结构加以解释的是（）①容易导电②容易导热③有延展性④易锈蚀A.②④B.①②④C.①②③④D.①②③解析：金属容易导电是因为晶体中存在许多自由电子，这些自由电子的运动是没有方向性的，但在外加电场作用下，自由电子就会发生定向移动形成电流；容易导热是因为自由电子在运动时经常与金属离子碰撞而引起能量的交换，从而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；有延展性是因为金属离子和自由电子之间的较强作用，当金属受到外力时，晶体中的各离子层就会发生相对滑动，但由于金属离子和自由电子之间的相互作用没有方向性，受到外力后相互作用没有被破坏，故虽发生形变，但不会导致断裂；易锈蚀是因为金属易被氧化变为金属阳离子，与金属晶体结构无关。所以答案为D。答案：D类题演练2按下列四种有关性质的叙述，可能属于金属晶体的是（）A.由分子间作用力结合而成，熔点很低B.固体或熔融后易导电，熔点在1000℃左右C.由共价键结合成网状晶体，熔点很高D.固体不导电，但溶于水或熔融后能导电解析：A为分子晶体；B中固体能导电，熔点在1000℃左右，不是很高，排除石墨等固体，应为金属晶体；C为原子晶体；D为离子晶体。答案：B变式提升3下列物质的熔沸点依次升高的是（）A.Na,Mg,AlB.Na,Rb,CsC.Mg,Na,KD.铝、硅铝合金、单晶硅解析：金属阳离子半径越小，所带电荷越多，自由电子越多，相互作用力就越大，熔沸点就会相应升高，因此Al>Mg>Na>K>Rb>Cs;而合金的熔点一般比组成它的各成分金属的熔点都低，因此D也错误。答案：A课后集训基础过关1.下列晶体直接由原子构成的单质有（）A.白磷 B.氦气C.金刚石 D.金属镁2.在金属晶体中，如果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。由此判断下列各组金属熔沸点高低顺序，其中正确的是（）A.Mg>Al>Ca B.Al>Na>LiC.Al>Mg>Ca D.Mg>Ba>Al3.某固体仅由一种元素组成，其密度为5.0g·cm-3，用X射线研究该固体的结构时得知：在边长10-7cm的正方体中含有20个原子，则此元素的相对原子质量最接近下列数据中的（）A.32 B.120 C.150 D.1804.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.金属离子与自由电子之间的强烈作用，在一定外力作用下，不因形变而消失C.钙的熔沸点低于钾D.温度越高，金属的导电性越好5.金属的下列性质中，与自由电子无关的是（）A.密度大小 B.容易导电C.延展性好 D.易导热6.铝硅合金（含硅13.5%)在凝固时收缩率很小，因而这种合金适合于铸造。现有下列三种晶体：①铝②硅③铝硅合金，它们的熔点从低到高的顺序是（）A.①②③ B.②①③C.③②① D.③①②7.下列叙述正确的是（）A.同周期金属的原子半径越大熔点越高B.同周期金属的原子半径越小熔点越高C.同主族金属的原子半径越大熔点越高D.同主族金属的原子半径越小熔点越高8.在单质的晶体中一定不存在的粒子是（）A.原子 B.分子 B.阴离子 D.阳离子9.金属能导电的原因是（）A.金属晶体中金属阳离子与自由电子间的相互作用较弱B.金属晶体中的自由电子在外加电场作用下发生定向移动C.金属晶体中的金属阳离子在外加电场作用下可发生定向移动D.金属晶体在外加电场作用下可失去电子10.某物质熔融状态可导电，固态可导电，将其投入水中水溶液也可导电，则可推测该物质可能是（）A.金属 B.非金属C.可溶性碱 D.可溶性盐11.合金有许多特点，如NaK合金为液体，而Na和K的单质均为固体。据此，试推测：生铁、纯铁、碳三种物质中，熔点最低的是（）A.纯铁 B.生铁 C.碳 D.无法确定12.在核电荷数1～18的元素中，其单质属于金属晶体的有__________；金属中，密度最小的是__________，地壳中含量最多的是__________，熔点最高的是__________，既能与酸反应又能与碱反应的金属元素是__________，单质还原性最强的是__________。综合运用13.根据下列报道和所学知识完成下列各题。（2005年7月4日北京时间上午1点50分，美国“深度撞击”号飞船释放的探测器以大约每小时3.67万千米的高速撞击坦普尔1号彗星。“深度撞击”号探测器的总重量为372千克，分为飞越舱和撞击舱两部分，撞击舱重113千克，主要是一块铜合金锥体。“深度撞击”使彗星表面的细粉状碎屑腾空而起。这些细粉状碎屑中含有水、二氧化碳和简单有机物。（1）构成撞击舱的铜合金中含有的化学键是（）A.共价键 B.金属键 C.离子键 D.配位键（2）“深度撞击”号探测器的撞击舱选用铜作主要材料，与铜的性质有密切关系。你认为下列说法中一定错误的是（）A.铜是较活泼金属，利用铜燃烧产生巨大的能量来引爆彗星B.铜对撞击时的观测产生的干扰小，并且也不会留下残余物而妨碍未来的观测C.铜合金中的化学键作用强，保证了可用其制造结构上足够“硬”的撞击器D.铜有较好的稳定性、较大的密度，其合金的硬度较大，这些都是铜“入选”的理由（3）彗星表面的水和二氧化碳以固体形态存在，“深度撞击”使它们部分发生气化，在冰和干冰的气化过程中，它们（）A.分子内的化学键和分子间的范德瓦尔斯力均发生变化B.分子内的化学键发生变化，范德瓦尔斯力不变C.分子内的化学键不变，范德瓦尔斯力发生变化D.分子内的化学键和分子间的范德瓦尔斯力均没发生变化14.最近，德国科学家实现了铷原子气体超流体态与绝缘态的可逆转换，该成果将在量子计算机研究方面带来重大突破。已知铷是37号元素，质量数是85。根据材料完成下列问题：（1）铷Rb37位于周期表的第__________周期、第__________族。（2）关于铷的结构和性质判断正确的是（）①与水反应比钠强烈②它的原子半径比钠小③它的氧化物暴露在空气中易吸收CO2④它的阳离子最外层电子数和镁相同⑤它是还原剂A.①③④ B.②③⑤C.②④ D.①③⑤(3)氢化铷与水反应可放出氢气，则下列叙述正确的是（）A.氢化铷溶于水显酸性B.氢化铷中氢离子被还原为氢气C.氢化铷与水反应时，水是还原剂D.氢化铷中氢离子最外层有两个电子（4）现有铷和另一种碱金属形成的合金50g，当它与足量水反应时，放出标准状况下的氢气22.4L，这种碱金属可能是（）A.Li B.Na C.K D.Cs15.(教材变型题）判断下列晶体类型：（1）SiI4:熔点120.5℃，沸点271.5℃，易水解____________________。（2）硼：熔点2300℃，沸点2550℃，硬度大__________。（3）硒：熔点217℃，沸点685℃，溶于氯仿__________。（4）锑：熔点630.74℃,沸点1750℃，导电__________。16.（新信息题）金和铜可以形成多种金属化合物，其中一种的晶体结构如图所示（为面心立方结构）。（1）该金属化合物的化学式__________。（2）已知Au的相对原子质量为197，Cu的相对原子质量为64,阿伏加德罗常数为Namol-1，若该化合物的密度为dg·cm-3，试计算两个最近金原子的核间距。17.金晶体的最小重复单元（也称晶胞）是面心立方体，即在立方体的8个顶点各有一个金原子，各个面的中心有一个金原子，每个金原子被相邻的晶胞所共有（如图）。金原子的直径为d，用Na表示阿伏加德罗常数，M表示金的摩尔质量。（1）金晶体每个晶胞中含有__________个金原子。（2）欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定_______。（3）一个晶胞的体积是多少？（4）金晶体的密度是多少？

参考答案知识预览1.金属离子与自由电子之间的强烈的相互作用2.方向性饱和性3.金属元素原子的半径价电子数原子半径单位体积内自由电子的数目金属键汞4.（1）非密置层密置层46（2）①立方体1钋（Po)②简单立方堆积碱金属③密置层ABABAB1274%④ABCABCABC课后集训1.解析：白磷由P4分子构成，金属镁由Mg2+和自由电子构成，都不符合题意。而金刚石由碳原子构成，氦气为单原子分子，应为正确答案。答案：BC2.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A和C中，C正确。B中Li>Na，D选项中Al>Mg>Ba，都不符合题意。答案：C3.解析：M=Vm·ρ=×6.02×1023mol-1×5.0g·cm-3=150g·mol-1,故Mr=150。答案：C4.解析：常温下，Hg为液态，不属于晶体形式，故A不正确。因为金属键没有方向性，因此金属键在一定范围内不因形变而消失，这实际上是金属有延展性的原因，B正确。钙的金属键应强于K，故熔沸点应高于K，C不正确。温度高，金属离子的热运动加强，对自由电子的移动造成阻碍，导电性减弱，故D不正确。答案：B5.解析：对于金属，其易导电、导热性及延展性均与自由电子有关。答案：A6.解析：三种晶体中，一般合金的熔点低于组成的金属单质熔点，而铝与硅比较，硅属于原子晶体，具有较高的熔点，故答案为D。答案：D7.解析：金属晶体的熔沸点与金属阳离子的半径和原子最外层电子数有关，阳离子半径越大，原子最外层电子数越少，熔沸点越低。答案：BD8.解析：单质晶体可能有：硅、金刚石——原子晶体，P、S、Cl2——分子晶体，Na,Mg——金属晶体，在这些晶体中，构成晶体的粒子分别是原子、分子、金属离子和自由电子。C中阴离子只有存在于离子晶体中，构成离子晶体的粒子是阴、阳离子，所以离子晶体不可能形成单质晶体。答案：C9.解析：金属原子失去电子后变为金属离子，失去的电子称为自由电子，自由电子可以在金属晶体中自由移动，在外加电场的作用下，自由电子就会定向移动而形成电流。答案：B10.解析：非金属在熔融状态不导电，所以B错误；可溶性碱、可熔性盐属于离子化合物，在固态时不导电，所以C、D也错误。符合条件的只有A，如钠、钾等。答案：A11.解析：合金的熔沸点低于其各组分的熔沸点。答案：B12.解析：金属元素在元素周期表中的位置，一般可根据周期、族和主族序数来推断。