2025春高二化学选择性必修2 （配人教版）第三章 晶体结构与性质 第三节 金属晶体与离子晶体

金属晶体与离子晶体第三节学习目标1.通过学习金属键和金属晶体,能借助金属晶体的模型说明金属晶体的结构特点及其构成粒子间的相互作用,能利用金属键、电子气理论解释金属的一些物理性质。2.通过认识离子晶体及离子晶体中粒子间的相互作用,能辨识常见的离子晶体,明确粒子间的相互作用,能解释、说明离子晶体性质的差异。3.通过认识普遍存在的过渡晶体及混合型晶体,明确粒子间的相互作用,能辨识常见的过渡晶体、混合型晶体(石墨),能解释石墨晶体性质,能根据过渡晶体及混合型晶体的结构特点预测其性质。任务分项突破『自主梳理』1.金属键(1)概念:“电子气理论”把金属键描述为金属原子脱落下来的

形成遍布整块晶体的“

”,被所有原子所共用,从而把所有的金属原子维系在一起。(2)成键粒子:

和

。学习任务1认识金属键与金属晶体价电子电子气金属阳离子自由电子(3)特点。金属键的强度差别很大,如金属钠的熔点

、硬度

,熔点最高的金属是

,硬度最大的金属是

。2.金属晶体(1)概念:通过金属阳离子与

之间的较强作用形成(金属键)的晶体,叫做金属晶体。金属晶体中,除了纯金属,还有大量的合金。(2)结构:好像很多硬球一层一层很紧密地堆积,每一个金属原子的周围有较多相同的原子围绕着。较低较小钨铬自由电子(3)用电子气理论解释金属的物理性质。相对滑动排列方式电子气『互动探究』金属键是化学键的一种,主要在金属中存在。由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电作用组合而成。金属键有金属的很多特性。例如:一般金属的熔、沸点随金属键的强度增大而升高。金属NaMgAl晶体结构示意图1个原子紧邻原子的个数(配位数)

熔点/℃97.72648.8660沸点/℃88310902327密度/(g/cm3)0.971.742.7硬度Na<Mg<Al探究金属键对金属的物理性质的影响问题1:根据材料中晶体结构示意图,将钠、镁、铝晶体中1个原子紧邻原子的个数(配位数)填入上表。提示:8,12,12。问题2:根据以上信息推测金属键强弱的影响因素有哪些。提示:由于金属键是产生在自由电子(带负电)和金属阳离子(带正电)之间的电性作用,所以金属阳离子的电荷越多、半径越小,则金属键越强。由于堆积方式影响空间利用率,所以它也是金属键强弱的影响因素之一。问题3:根据以上分析,试解释Na、Mg、Al的熔点依次升高、硬度依次增大的原因。提示:Na+、Mg2+、Al3+的电荷数依次增大,半径依次减小,金属键依次增强。问题4:根据规律推测Li、Na、K、Rb、Cs的熔点高低。提示:Li>Na>K>Rb>Cs。同类型的金属晶体,它们的熔点由金属阳离子半径、离子所带的电荷数决定,阳离子半径越小、所带电荷越多,相互作用力就越大,熔点就越高。问题5:金属键可以看成是许多原子共用许多电子所形成的强烈相互作用,和共价键类似。金属键有饱和性和方向性吗?提示:没有。金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈的相互作用,自由电子为整个金属的所有阳离子所共有,故金属键没有方向性和饱和性。归纳拓展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,而几乎是均匀地分布在整块晶体中,因此晶体中存在所有金属阳离子与所有自由电子之间“弥漫”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.金属键强弱的比较一般来说,金属键的强弱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金属键越强,金属的熔、沸点越高,硬度越大。如钨是熔点最高的金属,铬是硬度最大的金属。[拓展]金属晶体熔点差别较大,一般熔、沸点较高,但有部分熔点较低,如Cs、Hg等。汞在常温下是液体,熔点很低(-38.9℃),而钨的熔点高达3000℃以上。这是由于金属晶体紧密堆积方式、金属离子与自由电子的作用力强度不同。『题组例练』1.如图是金属晶体的电子气理论示意图,电子气理论可以用来解释金属的性质。下列说法正确的是(

)A.金属能导电是因为金属阳离子在外加电场作用下定向移动B.金属能导热是因为自由电子在热的作用下相互碰撞,从而发生热的传导C.金属具有延展性是因为在外力的作用下,金属阳离子各层间会出现相对滑动,但自由电子可以起到润滑的作用,使金属不会断裂D.合金与纯金属相比,由于增加了不同的金属或非金属,使电子数目增多,所以合金的延展性比纯金属的强,硬度比纯金属的小√解析:金属能导电是因为自由电子在外加电场作用下定向移动,A错误;金属能导热是因为自由电子在热的作用下与金属原子碰撞,从而发生热的传导,B错误;合金与纯金属相比,由于增加了不同的金属或非金属,相当于填补了金属阳离子之间的空隙,所以一般情况下合金的延展性比纯金属的弱,硬度比纯金属的大,D错误。2.下列关于金属键或金属的性质说法正确的是(

)①金属的导电性是由金属阳离子和自由电子的定向移动实现的②金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的静电吸引作用③Na、Mg、Al的熔点依次升高④金属键没有方向性和饱和性,金属中的电子在整个三维空间运动,属于整个金属⑤金属阳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⑥钙的熔、沸点低于钾的⑦温度越高,金属的导电性越好⑧金属镁的硬度大于金属钙的A.①③⑥ B.②④⑤⑦⑧C.③④⑤⑧ D.①②③④⑥⑧√解析:①金属的导电性是在外加电场的作用下,自由电子发生定向移动实现的,而金属阳离子并没有移动,错误;②金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的相互作用,并非仅存在静电吸引作用,错误;③一般情况下,金属阳离子所带电荷数越多、半径越小,金属键越强,金属单质的熔、沸点越高,硬度越大,Na+、Mg2+、Al3+三种离子的半径依次减小,离子所带电荷数依次增多,金属键越来越强,Na、Mg、Al的熔点依次升高,正确;⑤金属有延展性,金属键不因形变而消失,正确;⑥r(Ca)<r(K)且价电子数Ca>K,所以金属键Ca>K,故熔、沸点Ca>K,错误;⑦金属的导电性随温度升高而降低,错误;⑧因镁离子的半径比钙离子的小而所带电荷数相同,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,正确。3.钛铁基储氢合金是由钛、铁两种元素组成的金属间化合物。该合金吸收氢气后的晶胞如图甲所示,每个氢被4个钛原子和2个铁原子包围。下列说法不正确的是(

)A.钛铁合金属于金属晶体,主要作用力为金属键B.未吸收氢气时,钛铁合金的晶胞示意图为图乙C.钛铁合金中每个Ti周围距离最近且等距的Fe有8个D.图甲中形成的金属氢化物的化学式为TiFeH2√学习任务2探究离子晶体『自主梳理』1.离子晶体(1)概念:由

和

相互作用而形成的晶体。(2)结构特点。①构成粒子:

和

。②粒子间的作用力:

。阳离子阴离子阳离子阴离子离子键化学式NaClCsCl晶胞晶胞中离子数目Na+:

Cl-:

Cs+:

Cl-:

2.常见的离子晶体(1)两种典型离子晶体及其性质。4411阳离子的配位数

阴离子的配位数

熔点/℃802645沸点/℃14131290注:离子晶体的配位数指一个离子周围最邻近的异电性离子的数目。(2)大量离子晶体的阴离子或阳离子不是单原子离子。如CaCO3、K2SO4、(NH4)2SO4、CuSO4·5H2O、Cu(NH3)4SO4·H2O等。6868『互动探究』以下是八种物质的熔点:序号物质熔点/℃①NaF996②NaCl802③NaBr747④NaI660⑤MgO2825⑥CaO2613⑦SrO2430⑧BaO1923探究离子晶体的结构与性质关系问题1:用手揉捏食盐,烧烤或爆炒时加入食盐未见其熔化,请说明氯化钠具有怎样的性质并解释其原因。提示:说明氯化钠硬度大、难于压缩、熔点高;离子晶体中,阴、阳离子间有强烈的相互作用(离子键),要克服离子间的相互作用使物质熔化,就需要较多的能量。问题2:①～④、⑤～⑧中物质的熔点为什么会逐渐降低?提示:①～④均为离子晶体且离子所带电荷数相同,从F-→I-随着离子半径的增大,离子键减弱,熔点逐渐降低。⑤～⑧均为离子晶体且离子所带电荷数相同,从Mg2+→Ba2+随着离子半径的增大,离子键减弱,熔点逐渐降低。问题3:⑤～⑧中物质的熔点远高于①～④中物质的原因是什么?提示:⑤～⑧中物质的离子所带电荷数高于①～④中的物质的离子所带的电荷数,离子所带电荷越多,离子键越强,熔点越高。问题4:离子晶体的熔点是否都很高?通过上述分析,你能得出影响离子晶体熔点高低的因素有哪些吗?其影响规律是什么?提示:不一定,离子晶体熔点多数较高。影响离子晶体熔点高低的因素主要有晶体的结构类型、离子所带电荷数及离子半径(离子间的距离)等。类型相似的离子晶体其规律是离子所带电荷越多、离子半径越小,离子晶体的熔点越高。归纳拓展1.离子晶体的组成、结构特点(1)离子晶体中一定含有阴、阳离子,可能含有小分子,晶体的化学式只表示物质的构成粒子个数比,不是分子式。(2)离子晶体中一定含有离子键,也可能含有共价键、氢键等其他作用力。(3)离子晶体中离子键没有方向性和饱和性,但每个阴(阳)离子周围排列的最邻近的带相反电荷的离子数目都是固定的(配位数一定)。2.离子晶体的性质性质原因熔、沸点离子晶体中有较强的离子键,要使它由固态变成液态或气态,需消耗较多的能量,所以离子晶体有较高的熔、沸点和难挥发性。通常情况下,同种类型的离子晶体,离子半径越小,离子键越强,熔、沸点越高硬度硬而脆。离子晶体表现出较高的硬度。当晶体受到冲击力作用时,部分离子键发生断裂,导致晶体破碎导电性不导电,但熔融或溶于水后能导电。离子晶体中,离子键较强,阴、阳离子不能自由移动,即晶体中无自由移动的离子,因此离子晶体不导电。当升高温度时,阴、阳离子获得足够的能量,克服了离子间的相互作用力,成为自由移动的离子,在外加电场的作用下,离子定向移动而导电。离子晶体溶于水时,阴、阳离子受到水分子的作用成为自由移动的离子(或水合离子),在外加电场的作用下,阴、阳离子定向移动而导电溶解性大多数离子晶体易溶于极性溶剂(如水)中,难溶于非极性溶剂(如汽油、苯、CCl4)中。当把离子晶体放入水中时,水分子对离子晶体中的离子产生吸引,使离子晶体中的离子克服离子间的相互作用力而离开晶体,变成在水中自由移动的离子延展性离子晶体中阴、阳离子交替出现,层与层之间如果滑动,同性离子相邻而使斥力增大导致不稳定,所以离子晶体无延展性『题组例练』题点一离子晶体结构的分析1.下列关于氯化铯晶体的叙述不正确的是(

)A.1mol氯化铯中有6.02×1023个CsClB.氯化铯晶体中,每个Cs+周围与它最近且等距离的Cs+有6个C.氯化铯晶体的硬度较大是由于Cs+和Cl-之间存在着较强的离子键D.每个晶胞中平均含有1个Cs+和1个Cl-√解析:在氯化铯晶体中不存在CsCl,只存在Cs+和Cl-,化学式CsCl表示氯化铯晶体中Cs+和Cl-的个数比为1∶1。2.如图是CaF2晶胞的结构。下列说法正确的是(

)A.一个CaF2晶胞中含有8个F-B.一个CaF2晶胞中含有8个Ca2+C.在CaF2晶胞中与Ca2+距离相等且最近的F-有4个D.在CaF2晶胞中,每个Ca2+周围距离最近且等距离的Ca2+有8个√题点二离子晶体的性质辨析3.下列关于离子晶体性质的叙述正确的是(

)A.熔、沸点都较低,易挥发B.硬度很小,容易变形C.都能溶于有机溶剂而难溶于水D.熔融态都能导电√解析:离子晶体中的阴、阳离子通过一种强烈的相互作用——离子键结合在一起,离子键的键能较大,且极性很强,除了有些在极性溶剂中容易断裂外,其他的必须在高温下才能断裂,所以其熔、沸点都较高,不易挥发,硬度很大,不易变形,难溶于有机溶剂。4.下列有关离子晶体的数据大小比较不正确的是(

)A.离子键:NaF>NaCl>NaBrB.硬度:MgO>CaO>BaOC.熔点:NaF>MgF2>AlF3D.1个阴离子周围等距离且最近的阳离子数:CsCl>NaCl√思维建模离子所带电荷越多,离子半径越小,离子键越强题点三离子晶体的判断5.下列说法不正确的是(

)A.离子晶体可能全部由非金属元素组成B.离子晶体中除含离子键外,还可能含有其他化学键C.金属元素与非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体D.熔化后能导电的晶体一定是离子晶体√解析:离子晶体中不一定含有金属离子,如氯化铵晶体,A正确;离子晶体中除含离子键外,还可能含有其他化学键,如铵盐、NaOH、Na2O2等离子晶体中存在离子键和共价键,B正确;金属元素与非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体,如AlCl3为分子晶体,C正确;熔融状态下能导电的晶体可能是金属晶体或离子晶体,D不正确。6.下表给出了四种氯化物的熔点和沸点。物质NaClMgCl2AlCl3CCl4熔点/℃802704193-23沸点/℃1465141218077关于表中四种氯化物有下列说法:①AlCl3在加热时可升华②CCl4属于分子晶体③MgCl2的晶体属于离子晶体④AlCl3是典型的离子晶体其中正确的是(

)A.①② B.只有③C.①②③ D.全部√解析:根据各物质的熔、沸点判断,NaCl和MgCl2是离子晶体,AlCl3和CCl4为分子晶体;AlCl3的沸点低于熔点,所以易升华。规律方法离子晶体的判断(1)根据物质的分类。金属离子分别和酸根离子、OH-形成的大多数盐、强碱,活泼金属的氧化物和过氧化物(如Na2O和Na2O2),活泼金属的氢化物(如NaH),活泼金属的硫化物等都是离子晶体。(2)根据元素的性质和种类。如成键元素的电负性差值大于1.7的物质、金属元素(特别是活泼的金属元素,第ⅠA族、第ⅡA族元素)与非金属元素(特别是活泼的非金属元素,第ⅥA族、第ⅦA族元素)组成的化合物。(3)根据物质的性质。离子晶体一般具有较高的熔、沸点,难挥发,硬而脆;固体不导电,但熔融或溶于水时能导电;大多数离子晶体易溶于极性溶剂而难溶于非极性溶剂。学习任务3认识过渡晶体与混合型晶体『自主梳理』1.过渡晶体(1)四类典型的晶体:

晶体、

晶体、

晶体和

晶体。(2)过渡晶体:介于典型晶体之间的晶体。示例:离子晶体和共价晶体之间的过渡几种氧化物的化学键中离子键成分的百分数分子氧化物Na2OMgOAl2O3SiO2离子键的百分数/%62504133共价金属离子说明:a.表中4种氧化物晶体中的化学键既不是纯粹的离子键,也不是纯粹的共价键,这些晶体只是离子晶体与共价晶体之间的

。b.偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体接近,因而通常当作离子晶体来处理,如上表中的

等。同样,偏向共价晶体的过渡晶体则当作共价晶体来处理,如上表中的

、

等。过渡晶体Na2OAl2O3SiO22.混合型晶体——石墨(1)结构特点——层状结构。同层内碳原子采取

杂化,以共价键(σ键)结合,形成平面六元并环结构。所有的p轨道相互平行而且相互重叠,使p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动。(2)层与层之间以

相结合。sp2范德华力『互动探究』石墨晶体中的碳原子形成平面六元并环结构(如图甲)。因此,石墨晶体是层状结构的,层内的碳原子的核间距为142pm,层间距离为335pm,说明层间没有化学键相连,是靠范德华力维系的(如图乙)。石墨的二维结构内,每个碳原子的配位数为3,有一个未参与杂化的2p电子,它的原子轨道垂直于碳原子平面(如图丙)。探究石墨的结构与性质问题1:碳元素形成的单质种类繁多,如金刚石、C60、C70、C76、石墨等,根据学过的知识,思考它们分别属于哪种晶体类型。提示:金刚石属于共价晶体,C60、C70、C76属于分子晶体,石墨属于混合型晶体。问题2:石墨具有质软的性质,可以制作铅笔芯,如何解释?提示:石墨是层状结构,层与层之间相隔较远,只存在范德华力,作用力相对较弱,所以表现为质软、易滑动。问题3:同样是由碳原子构成,石墨的熔点为什么比金刚石的还高?提示:石墨中,同层内碳原子之间以共价键结合,每一个碳原子与周围3个碳原子形成3个共价键,并且在层内形成大π键,使原子之间离得更近,键长变短,键能增大,所以熔点较高。问题4:为什么石墨晶体能导电?为什么石墨是混合型晶体?提示:石墨晶体中的碳原子采用sp2杂化,每个碳原子都有一个未参与杂化的2p电子,它的原子轨道垂直于碳原子平面(如图丙所示),这些电子在整个碳原子平面上运动,相当于金属晶体中的自由电子,故石墨晶体能导电。石墨晶体中层内碳原子间以共价键形成平面结构,类似共价晶体,石墨晶体中所有p轨道相互平行且相互重叠,使p轨道上的电子可以在整个碳原子平面上运动,因此石墨有类似金属晶体的导电性,石墨晶体中层与层之间以范德华力相结合,类似分子晶体,因此石墨属于混合型晶体。归纳拓展石墨与金刚石的比较物质金刚石石墨晶体类型共价晶体混合型晶体晶体形状正四面体空间网状正六边形平面层状粒子间作用力共价键共价键、范德华力最小环形状和碳原子共面情况六元环,6个碳原子不共面六元环,6个碳原子共平面碳原子杂化及每个碳原子形成的共价键数sp3,4sp2,3『题组例练』题点一过渡晶体及其判断1.下列说法正确的是(

)A.第三周期主族元素从左到右,最高价氧化物中离子键的百分数逐渐增大B.大多数晶体都是过渡晶体C.过渡晶体是指某些物质的晶体通过改变条件,转化为另一种晶体D.Na2O是纯粹的离子晶体,SiO2是纯粹的共价晶体√解析:第三周期主族元素从左到右,元素的电负性逐渐增大,与氧元素的电负性差值逐渐减小,则最高价氧化物中离子键的百分数逐渐减小,A错误;纯粹的典型晶体不多,大多数晶体是四类典型晶体之间的过渡晶体,B正确;过渡晶体是介于离子晶体、共价晶体、分子晶体和金属晶体之间的过渡状态,C错误;Na2O、SiO2都不是纯粹的典型晶体,而是离子晶体和共价晶体之间的过渡晶体,D错误。2.下列说法不正确的是(

)A.MgO中离子键的百分数为50%,则MgO不是纯粹的离子晶体,是离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体B.Na2O通常当作离子晶体来处理,因为Na2O是偏向离子晶体的过渡晶体,在许多性质上与纯粹的离子晶体接近C.Al2O3是偏向离子晶体的过渡晶体,当作离子晶体来处理;SiO2是偏向共价晶体的过渡晶体,当作共价晶体来处理D.分子晶体、共价晶体、金属晶体和离子晶体都有过渡型√解析:Al2O3、SiO2均是偏向共价晶体的过渡晶体,当作共价晶体来处理,C项不正确。题点二混合型晶体——石墨的结构与性质3.下列有关石墨晶体的说法正确的是(

)①石墨层内作用力为共价键,层间作用力为范德华力②石墨是混合型晶体③石墨中的C为sp2杂化④石墨的熔、沸点都比金刚石的低⑤石墨中碳原子个数和C—C个数之比为1∶3⑥石墨和金刚石的硬度相同⑦石墨的导电性只能沿石墨平面的方向A.全部

B.①②③⑦C.仅②③⑦

D.①④⑤√解析:石墨是混合型晶体,石墨层中碳原子靠共价键连接,层与层之间靠范德华力维系,①正确;石墨是混合型晶体,②正确;石墨中的碳原子与相邻的三个碳原子以σ键结合,形成平面正六边形结构,碳原子的杂化类型为sp2杂化,③正确;石墨中的共价键键长比金刚石中的共价键键长短,具有的能量更多,所以石墨的熔点比金刚石的高,④错误;石墨中,一个碳原子上有3个单键,每个单键被2个碳原子共用,所以平均每个碳原子对应1.5个单键,故石墨中碳原子个数和C—C个数之比为2∶3,⑤错误;石墨质软,金刚石的硬度大,⑥错误;石墨的导电性只能沿石墨平面的方向,⑦正确。综上所述,正确的有①②③⑦,B项符合题意。4.金刚石、石墨、C60和石墨烯的结构示意图分别如图所示,下列说法不正确的是(

)A.等质量的金刚石和石墨晶体中含有的碳碳键数之比为4∶3B.C60分子对称性好,属于非极性分子C.金刚石熔点高,熔化时要破坏共价键D.从石墨中剥离石墨烯需要破坏化学键√解析:1mol金刚石含2mol碳碳键,1mol石墨晶体含有1.5mol碳碳键,因此等质量的金刚石和石墨晶体中含有的碳碳键数之比为4∶3,故A正确;C60分子对称性好,属于非极性分子,故B正确;金刚石含有共价键,因此金刚石熔化时要破坏共价键,故C正确;石墨晶体中层与层之间是分子间作用力,从石墨中剥离石墨烯需要破坏分子间作用力,不是化学键,故D错误。『知识整合提升』学科素养测评现有几组物质的熔点(℃)数据:A组B组C组D组金刚石:>3500Li:181HF:-83NaCl晶体硅:1410Na:98HCl:-144KCl晶体硼:2077K:64HBr:-87RbCl二氧化硅:1722Rb:39HI:-51MgO:2825据此回答下列问题。(1)由上表可知,A组物质熔点普遍偏高。①A组物质属于

晶体