2024-2025学年高中化学第3章晶体结构与性质第3节金属晶体学案新人教版选修3

PAGE11-第三节金属晶体激趣入题·情境呈现在广东省某一山区的村寨里，前些年连续诞生的净是女孩，人们急了，照这样下去，这个地区岂不变成女儿国了吗？有的人求神拜佛，也无济于事。有位风水老者说道：“地质队在后龙山寻矿，把龙脉破坏了，这是风水的报应啊！”于是，迷信的村民想方设法地找到了原来在此地探矿的地质队，闹着要他们赔“风水”。地质队又回到了这个山寨，进行了深化的调查，最终找到了缘由。原来是在探矿的时候，钻机把地下含铍的泉水引了出来，扩散了铍的污染，使饮用水的铍含量大为提高，长时间饮用这种水，就会导致生女而不生男。经过治理，状况得到了好转，在“女儿国”里又生出男孩了。卫星、飞船、飞机、大炮和生活用品都离不开金属，为什么金属具有优良的导电、导热、延展性？构成金属的粒子是什么？金属晶体内部的作用力是什么？新知预习·自主探究一、金属键与金属晶体1．金属键：2．金属晶体：(1)概念：原子间以__金属键__结合形成的晶体。(2)用电子气理论说明金属的性质：eq\x(延展性)—eq\x(\a\al(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__排列方式__不,变，金属离子与自由电子形成的电子气没,有被破坏，所以金属有良好的延展性))↓eq\x(导电性)—eq\x(\a\al(在外加电场的作用下，金属晶体中的,“__电子气__”在电场中__定向移动__而,形成电流，呈现良好的导电性))↓eq\x(导热性)—eq\x(\a\al(电子气中的自由电子在运动时常常与金属,离子发生碰撞，从而引起两者能量的交换))二、金属晶体原子的积累模型1．二维空间模型：(1)非密置层。配位数为__4__，如图所示：(2)密置层。配位数为__6__，如图所示：2．三维空间模型：(1)非密置层在三维空间积累。①简洁立方积累。相邻非密置层原子的原子核在__同一条直线上__的积累，只有金属__钋(Po)__接受这种积累方式，其空间利用率太低。②体心立方积累。将上层金属原子填入__下层的金属原子形成的凹穴__中，并使非密置层的原子稍稍分别。其空间的利用率比简洁立方积累__高__，属于该积累方式的主要有碱金属等。(2)密置层在三维空间积累。①六方最密积累。如图所示，按__ABABABAB__……的方式积累。②面心立方最密积累。如图所示，按__ABCABCABC__……的方式积累。三、混合晶体——石墨晶体1．结构特点——层状结构：(1)同层内，碳原子接受__sp2__杂化，以__共价键__相结合形成__正六边形__平面网状结构。全部碳原子的p轨道平行且相互重叠，p电子可在整个平面中运动。(2)层与层之间以__范德华力__相结合。2．晶体类型。石墨晶体中，既有__共价键__，又有__金属键__和__范德华力__，属于__混合晶体__。预习自测·初试牛刀1．思索辨析：(1)晶体中有阳离子肯定有阴离子。(×)(2)金属在拉成丝或者压成薄片的过程中，金属键遭到了破坏。(×)(3)金属导电与电解质溶液导电本质相同。(×)(4)金属晶体绝大多数接受密积累方式。(√)(5)金属晶体中自由电子专属于某个金属离子。(×)2．金属晶体的下列性质中，不能用金属晶体结构加以说明的是(D)A．易导电 B．易导热C．有延展性 D．易锈蚀解析：组成金属晶体的微粒是金属阳离子和自由电子，能导电，A正确；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，B正确；金属发生变形时，自由电子仍旧可以在金属离子之间流淌，使金属不会断裂，C正确；金属的化学性质活泼，简洁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说明，D错误。3．金属键的实质是(A)A．自由电子与金属阳离子之间的相互作用B．金属原子与金属原子间的相互作用C．金属阳离子与阴离子的吸引力D．自由电子与金属原子之间的相互作用解析：金属晶体由金属阳离子与自由电子构成，金属阳离子与自由电子之间的剧烈的相互作用称为金属键。4．下列有关金属晶体的说法中不正确的是(D)A．金属晶体是一种“巨分子”B．“电子气”为全部原子所共有C．简洁立方积累的空间利用率最低D．体心立方积累的空间利用率最高解析：依据金属晶体的电子气理论，选项A、B都是正确的。金属晶体的积累方式中空间利用率分别是：简洁立方积累52%，体心立方积累68%，面心立方最密积累和六方最密积累均为74%。因此简洁方式积累的空间利用率最低，六方最密积累和面心立方最密积累的空间利用率最高。5．金属晶体积累密度大，原子配位数大，能充分利用空间的缘由是(D)A．金属原子价电子数少B．金属晶体中有自由电子C．金属原子的原子半径大D．金属键没有饱和性和方向性解析：金属键无方向性和饱和性，使原子实行最大的密积累方式进行。6．金属晶体中金属原子有三种常见的积累方式：六方积累、面心立方积累和体心立方积累，如图(a)(b)(c)分别代表这三种晶胞的结构，其晶胞内金属原子个数比为(A)A．3∶2∶1 B．11∶8∶4C．9∶8∶4 D．21∶14∶9解析：本题考查晶胞中微粒数的计算方法，用均摊法计算。晶胞a中所含原子＝12×eq\f(1,6)＋2×eq\f(1,2)＋3＝6，晶胞b中所含原子＝8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，晶胞c中所含原子＝8×eq\f(1,8)＋1＝2。课堂探究·疑难解惑学问点一金属晶体的结构与性质┃┃问题探究__■1．什么是“电子气理论”？2．金属原子是通过何种键型形成的晶体？有哪些优良性质？3．用电子气理论说明为什么金属具有优良的延展性、导电性和导热性？┃┃探究提示__■1．提示“电子气理论”的内容为金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被全部原子所共用，从而把全部的金属原子维系在一起。2．提示金属原子通过金属键形成的晶体叫金属晶体。其具有优良的导电性、导热性和延展性。3．提示(1)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，但排列方式不变，金属离子与自由电子形成的金属键没有被破坏，所以金属具有良好的延展性。(2)在外加电场的作用下，金属晶体中的自由电子做定向移动形成电流，呈现良好的导电性。(3)电子气在运动时常常与金属离子碰撞，从而引起两者能量的交换。┃┃学问总结__■1．在金属晶体中只有阳离子，而无阴离子，带负电的为自由电子。2．金属导电与电解质溶液导电的比较：运动的微粒过程中发生的改变温度的影响金属导电自由电子物理改变升温，导电性减弱电解质溶液导电阴、阳离子化学改变升温，导电性增加3.影响金属熔点、硬度的因素：(1)一般地，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，晶体熔点越高，硬度越大。(2)合金的熔、沸点比其各成分金属的熔、沸点低。4．金属晶体的原子积累模型：积累模型接受这种积累的典型代表空间利用率配位数晶胞简洁立方积累Po(钋)52%6体心立方积累Na、K、Fe68%8六方最密积累Mg、Zn、Ti74%12面心立方最密积累Cu、Ag、Au74%12┃┃典例剖析__■典例1下列说法正确的是(B)A．金属钙的熔点低于金属钾的熔点B．假如金属晶体失去自由电子，金属晶体将不复存在C．金属晶体中Fe、Ag等为面心立方最密积累D．金属晶体中W、Ti等为体心立方积累解析：Ca原子的半径小于K原子，且Ca的价电子数大于K原子，所以Ca的金属键强于K，因此Ca的熔点高于K；金属晶体失去电子被氧化，金属将变成金属阳离子，晶体将不复存在；Ag为面心立方最密积累，Fe和W为体心立方积累，Ti为六方最密积累。规律方法指导：金属晶体中粒子的积累方式不肯定相同，Au、Ag、Cu等属于面心立方最密积累，Na、K、Cr、W等属于体心立方积累，Mg、Zn、Ti等属于六方最密积累。┃┃变式训练__■1．下列有关金属的说法正确的是(B)A．金属原子的核外电子在金属晶体中都是自由电子B．六方最密积累和面心立方最密积累的原子积累方式空间利用率最高C．金属原子在化学改变中失去的电子数越多，其还原性越强D．金属晶体都有很高的熔点和很大的硬度解析：金属晶体中的自由电子是金属原子的价电子，A项错；六方最密积累和面心立方最密积累空间利用率最高，B正确；金属元素的还原性取决于金属原子失去电子的难易程度，与失电子的多少无关，C项错；金属晶体的熔点和硬度差别较大，如碱金属元素的晶体一般熔点都很低，硬度很小，D项错。学问点二石墨与金刚石1．石墨石墨中碳原子实行sp2杂化，形成平面六元环结构，层内碳原子核间距小于金刚石中碳原子核间距，层间碳原子通过范德华力维系。(1)石墨的晶体结构石墨是层状结构的晶体，在每一层内，碳原子排列成六边形，一个个六边形排列成平面的网状结构，每一个碳原子都跟其他三个碳原子相结合。在同一层内，相邻的碳原子以共价键相结合，层与层之间以分子间作用力相结合。石墨晶体中每个碳原子供应三个电子参与成键形成平面网状结构，碳原子最外层上的另一个电子成为自由电子，在层内自由移动。石墨的许多性质与自由电子有关。(2)石墨晶体不是原子晶体，而是原子晶体与分子晶体之间的一种过渡型晶体。(3)石墨晶体的物理性质由于石墨晶体结构的特别性，它的物理性质为熔点很高，有良好的导电性，还可作润滑剂。2．石墨与金刚石的比较金刚石石墨晶体类型原子晶体混合晶体构成微粒碳原子碳原子微粒间的作用力C—C共价键C—C共价键分子间作用力碳原子的杂化方式sp3杂化sp2杂化碳原子成键数43碳原子有无剩余价电子无有一个2p电子配位数43晶体结构特征正四面体空间网状结构平面六边形层状结构晶体结构物理性质高熔点、高硬度、不导电熔点比金刚石还高，质软、滑腻、易导电最小碳环六元环、不共面六元环、共面┃┃典例剖析__■典例2碳元素的单质有多种形式，下图依次是C60、石墨和金刚石的结构图：回答下列问题：(1)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化方式分别为__sp3杂化__、__sp2杂化__。(2)C60属于__分子__晶体，石墨属于__混合型__晶体。(3)在金刚石晶体中，碳原子数与化学键数之比为__1∶2__；在石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的化学键数为__3__，该晶体中碳原子数与共价键数之比为__2∶3__。(4)石墨晶体中，层内C—C键的键长为142pm，而金刚石中C—C键的键长为154pm。推想金刚石的熔点__<__(填“>”“<”或“＝”)石墨的熔点。解析：(1)金刚石中碳原子与四个碳原子形成4个共价单键(即C原子实行sp3杂化方式)，构成正四面体，石墨中的碳原子实行sp2杂化方式，形成平面六元环结构。(2)C60中构成微粒是分子，所以属于分子晶体；石墨晶体有共价键、金属键和范德华力，所以石墨属于混合型晶体。(3)金刚石晶体中每个碳原子平均拥有的化学键数为4×eq\f(1,2)＝2，则碳原子数与化学键数之比为1∶2。石墨晶体中，平均每个最小的碳原子环所拥有的碳原子数和化学键数分别为6×eq\f(1,3)＝2和6×eq\f(1,2)＝3，其比值为2∶3。(4)石墨中的C—C键比金刚石中的C—C键键长短，键能大，故石墨的熔点高于金刚石。┃┃变式训练__■2．科学家对石墨进行处理，使得石墨片的厚度渐渐削减，最终获得目前已知的最薄的材料——石墨烯(如图)。下列关于石墨烯的说法正确的是(B)A．石墨烯是一新型的纳米化合物B．石墨烯与C60互为同素异形体C．石墨烯是一种有机物D．石墨烯中碳元素的化合价为＋3学问点三金属晶体中晶胞中的相关计算1．金属晶体中晶胞空间利用率的计算：(1)计算晶胞中含有几个原子。(2)找出原子半径r与晶胞边长a的关系。(3)利用公式计算金属原子的空间利用率：eq\f(晶胞中含有原子的体积,晶胞的体积)×100%①简洁立方积累空间利用率eq\f(\f(4,3)π\f(a,2)2,a2)＝eq\f(π,6)×100%≈52.36%②体心立方积累空间利用率＝eq\f(2×\f(4,3)πr3,a3)＝eq\f(2×\f(4,3)πr3,\f(4,\r(3))r3)＝eq\f(\r(3)π,8)×100%≈68.02%③面心立方积累空间利用率＝eq\f(4×\f(4,3)πr3,a3)＝eq\f(4×\f(4,3)πr2,2\r(2)r3)×100%≈74.1%2．利用均摊法计算金属晶体的密度的方法：(1)首先利用均摊法确定一个晶胞中平均含有的原子数目。(2)其次确定金属原子的半径和晶胞边长之间的关系。详细方法是：依据晶胞中金属原子的位置，敏捷运用数学上立体几何的对角线(体对角线或面对角线)和边长的关系，将金属原子的半径和晶胞的边长放在同一个直角三角形中，通过解直角三角形即可。(3)计算金属晶体的密度。首先求一个晶胞的质量：m＝NM/NA，N表示一个晶胞中平均含有的金属原子数，M表示金属的摩尔质量，NA表示阿伏伽德罗常数。然后求金属晶体的密度：密度ρ＝m/V，V表示一个晶胞的体积。┃┃典例剖析__■典例3用X射线探讨某金属晶体，测得在边长为360pm(1pm＝1×10－10cm)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)此金属晶体属于哪一种积累方式？(2)每个晶胞的质量是多少克？(3)求此金属的相对原子质量。(4)求此原子的原子半径(pm)。答案：(1)面心立方最密积累(2)4.2×10－22(3)63.21(4)127.28pm解析：依据题意，此金属晶体属于面心立方最密积累。每个晶胞中含有4个原子，则该晶胞如图所示：(2)依据晶胞的边长为360pm，可得晶胞的体积为(3.6×10－8)3cm3。依据质量＝密度×体积，可得晶胞的质量＝9.0g·cm－3×(3.6×10－8)3cm3＝4.2×10－(3)金属的相对原子质量＝NA×原子的质量＝4.2×10－22×6.02×1023÷4＝63.21。(4)在面心立方最密积累中，晶胞的边长＝eq\f(4r,\r(2))，因此，原子的原子半径＝eq\f(\r(2),4)×360pm＝127.28pm。┃┃变式训练__■3．有四种不同积累方式的金属晶体的晶胞如图所示，有关说法正确的是(假设金属的摩尔质量为Mg·mol－1，金属原子半径为rcm，用NA表示阿伏伽德罗常数的值)(D)A．金属Mg接受②积累方式B．①和③中原子的配位数分别为：8、12C．对于接受②积累方式的金属，试验测得Wg该金属的体积为Vcm3，则阿伏伽德罗常数NA的表达式为eq\f(MV,W·\f(4,\r(3))r3)D．④中空间利用率的表达式为：eq\f(\f(4,3)πr3×4,\f(4,\r(2))r3)×100%解析：Mg属于六方最密积累，所以金属Mg接受③积累方式，故A错误；，其配位数是6，，配位数为12，故B错误；中原子个数为8×eq\f(1,8)＋1＝2，晶胞质量m＝2M，密度ρ＝eq\f(W,V)＝eq\f(\f(2M,NA),\f(4r,\r(2))3)，故C错误