高中化学 第3章第3节 金属晶体同步导学课件 新人教版选修3

第三节金属晶体 19世纪中叶的一个冬天，驻守在彼得堡的俄军发棉衣时发现，成千上万套棉衣上的扣子都没有了。俄皇大发雷霆，要把负责监制军服的大臣问罪。但所有军服都是钉了扣子的，为什么都丢了呢？原来，这些扣子是用锡做成的，而锡一遇低温，就会变成粉末，这种现象叫“锡疫”。一般情况下，只要在13.2 以下，锡就会变成粉末。当时是彼得堡的初冬，气温很低，锡当然都“化”了。 那么，锡为什么会发生“锡疫”？在发生“锡疫”前，锡原子之间是如何结合在一起的呢？ 1了解金属键的含义“电子气”理论。 2能用金属键理论解释金属的物理性质。 3了解金属晶体的原子堆积模型。 1金属键 (1)概念：金属原子脱落下来的 形成遍布整块晶体的“ ”，被所有原子共用，从而把所有 维系在一起。 (2)成键微粒是 和 。 2金属晶体 (1)在金属晶体中，原子间以 相结合。 (2)金属晶体的性质：优良的 、 和 。电子气电子气金属阳离子金属阳离子自由电子自由电子金属键金属键导电性导电性导热性导热性延展性延展性金属原子金属原子价电子价电子 (3)用电子气理论解释金属的性质。 金属键与金属的性质 (1)几种化学键的比较类类型型比比较较离子键离子键共价键共价键金属键金属键非极性键非极性键极性键极性键配位键配位键本本质质阴、阳离阴、阳离子间通过静电子间通过静电作用形成作用形成相邻原子间通过共用电子对相邻原子间通过共用电子对(电子云重叠电子云重叠)与原子核间的与原子核间的静电作用形成静电作用形成金属阳离金属阳离子与自由电子子与自由电子间的作用间的作用成成键条件键条件(元素元素种类种类)成键原子成键原子的得、失电子的得、失电子能力差别很大能力差别很大(金属与非金属金属与非金属之间之间)成键成键原子得、失原子得、失电子能力相电子能力相同同(同种非同种非金属金属)成键原成键原子得、失电子得、失电子能力差子能力差别较小别较小 (不同非金属不同非金属)成键原子一成键原子一方有孤对电子方有孤对电子(配配位体位体)，另一方有，另一方有空轨道空轨道(中心离子中心离子)同种金属同种金属或不同种金属或不同种金属(合金合金) (2)金属具有导电性、导热性和延展性的原因 延展性：当金属受到外力作用时，晶体中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球之间润滑剂的作用，即金属的离子和自由电子之间的较强作用仍然存在，因而金属都有良好的延展性。 导电性：金属内部的原子之间的“电子气”的流动是无方向性的，在外加电场的作用下，电子气在电场中定向移动形成电流。 金属的热导率随温度的升高而降低，是由于电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞的缘故。 (3)金属导电与电解质溶液导电的比较运动的运动的微粒微粒过程中发生的变过程中发生的变化化温度的影温度的影响响金属金属导电导电自由电自由电子子物理变化物理变化升温，导升温，导电电性减弱性减弱电解电解质溶质溶液导液导电电阴、阳阴、阳离子离子化学变化化学变化升温、导升温、导电电性增强性增强 (4)影响金属熔点、硬度的因素 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。 1下列说法正确的是() A金属的通性表明金属具有类似的内部结构和相同的化学键类型 B金属原子之间的相互作用即为金属键 C电子很小，不可能是形成化学键的微粒 D金属键的强弱与金属阳离子的半径无关 解析：金属具有特殊的金属光泽、导电性、导热性及延展性等通性，多数金属具有较高的密度、硬度、熔点和沸点。这些共同性质表明金属具有类似的内部结构和相同的化学键类型。金属阳离子与自由电子之间存在着较强的相互作用，这种相互作用称为金属键。金属晶体中金属阳离子半径越小，离子电荷数越多，其金属阳离子与自由电子间的作用力越强。 答案：A 1二维空间模型 (1)非密置层 配位数为 ，如图所示：4 (2)密置层 配位数为 ，如图所示：6 2三维空间模型 (1)非密置层在三维空间堆积 简单立方堆积 相邻非密置层原子的原子核在 的堆积，空间利用率太低，只有金属 采用这种堆积方式。同一直线上同一直线上Po 体心立方堆积 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离。这种堆积方式所得的晶胞是一个含有两个原子的立方体，一个原子在立方体的 ，另一个原子在立方体的 ，其空间的利用率比简单立方堆积高，碱金属属于这种堆积方式。中心中心顶点顶点 (2)密置层在三维空间堆积 六方最密堆积 如图所示，按 的方式堆积。ABABABAB 面心立方最密堆积 如图所示，按 的方式堆积。ABCABCABC 金属晶体的原子堆积模型堆积模堆积模型型采纳这种堆采纳这种堆积的典型代表积的典型代表空间空间利用率利用率配配位数位数晶胞晶胞非非密密置置层层简简单立方单立方堆积堆积Po(钋钋)52%6体体心立方心立方堆积堆积(bcp)Na、K、Fe68%8堆积模型堆积模型采纳这种堆采纳这种堆积的典型代表积的典型代表空空间利间利用率用率配配位数位数晶胞晶胞非非密密置置层层密置密置层六方最层六方最密堆积密堆积(hcp)Mg、Zn、Ti74%12面心面心立方最密立方最密堆积堆积(ccp)Cu、Ag、Au74%12 2.已知铜的晶胞结构如图所示，则在铜的晶胞中所含铜原子数及配位数分别为() A14、6B14、8 C4、8 D4、12答案：答案：D 2011武汉高二质检)物质结构理论指出：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。根据研究表明，一般来说，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、沸点高于钙 C镁的硬度大于钾 D钙的熔、沸点高于钾 思路指引：解答本题时要注意以下两点： (1)金属晶体熔、沸点高低决定于金属键的强弱。 (2)金属阳离子所带电荷越多，半径越小，金属键越强。 此题考查的是金属晶体的性质，如硬度、熔沸点的比较，比较依据：看价电子数和原子半径，价电子数：MgK，KAl，MgCa，MgCa，综合分析：镁的硬度小于铝；镁的熔、沸点高于钙；镁的硬度大于钾；钙的熔、沸点高于钾。故A错误。 答案：A 金属晶体的熔点变化规律 金属晶体熔点变化差别较大。如：汞在常温下是液体，熔点很低(38.9 )，而铁等金属熔点很高(1 535 )。这是由于金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子与自由电子的作用力不同而造成的差别。 (1)一般情况下(同类型的金属晶体)，金属晶体的熔点由金属阳离子半径、所带的电荷数、自由电子的多少决定。阳离子半径越小，所带的电荷数越多，自由电子越多，相互作用力就越大，熔点就会相应升高。例如：熔点KNaMgNaKRbCs。 (2)一般合金的熔沸点比各成分金属的熔沸点低。 1. 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，熔点低 B固体或熔融后易导电，熔点在1 000 左右 C由共价键结合成网状结构，熔点高 D固体不导电，但溶于水或熔融后能导电 答案：B 有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示，有关说法正确的是() A为简单立方堆积，为镁型，为钾型，为铜型 B每个晶胞含有的原子数分别为：1个，2个，2个，4个 C晶胞中原子的配位数分别为：6，8，8，12 D空间利用率的大小关系为： 思路指引：本题考查了金属晶体的堆积方式。准确理解并记忆金属晶体的四种常见堆积方式是解答本题的关键。 答案：B 2下列几种金属晶体中，原子堆积方式与另外三种不同的是() A钠 B钾 C铁 D铜 解析：钠、钾、铁的原子堆积方式都是非密置层的一种堆积方式，即钾型，而铜属于密置层的一种堆积方式。方法技巧：在金属原子的堆积模式中应该特别注意非密置层和密置层的堆积模式和典型代表物，应用这些现有知识就可以解决一些金属晶体中原子堆积模式。再有就是应该注意在几种堆积模式中，晶胞中原子数目的计算。 答案：D C60、金刚石和石墨的结构模型如下图所示(石墨仅表示其中的一层结构)： (1)C60、金刚石和石墨三者的关系互为_。 A同分异构体 B同素异形体 C同系物 D同位素 (2)固态时，C60属于_(填“原子”或“分子”)晶体，C60分子中含有双键和单键，推测C60跟F2_(填“能”或“否”)发生加成反应。 (3)硅晶体的结构跟金刚石相似，1 mol硅晶体中含有硅硅单键的数目约是_NA个。二氧化硅的结构相当于在硅晶体结构中每个硅硅单键之间插入一个氧原子。二氧化硅的空间网状结构中，硅、氧原子形成的最小环上氧原子数目是_。 (4)石墨层状结构中，平均每个正六边形拥有的碳原子个数是_个。 答案：(1)B(2)分子能(3)26(4)2 石墨与金刚石 (1)石墨 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提供五个电子参加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，并通过自由电子在层间产生范德华力。石墨的很多性质与自由电子有关。 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。 石墨晶体的物理性质 由于石墨晶体结构的特殊性，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 金刚石金刚石石墨石墨晶体类型晶体类型原子晶体原子晶体混合晶体混合晶体构成微粒构成微粒碳原子碳原子碳原子碳原子微粒间的作用力微粒间的作用力CC共价键共价键CC共价键共价键分子间作用力碳分子间作用力碳原子的杂化方式原子的杂化方式sp3杂化杂化sp2杂化杂化碳原子成键数碳原子成键数43碳原子有无碳原子有无剩余价电子剩余价电子无无有一个有一个2p电子电子配位数配位数43晶体结构特征晶体结构特征正四面体空间网状结构正四面体空间网状结构平面六边形层状结构平面六边形层状结构金刚石金刚石石墨石墨晶体晶体结构结构物理物理性质性质高熔点、高硬度、不导电高熔点、高硬度、不导电熔点比金刚石还高，质熔点比金刚石还高，质软、滑腻、易导电软、滑腻、易导电最小最小碳环碳环六元环、不共面六元环、不共面六元环、共面六元环、共面 石墨具有原子晶体的一些性质，熔点比金刚石高。 质软、滑腻：石墨晶体是层状结构，层间没有化学键相连，是靠范德华力维系的，而范德华力很弱，使石墨具有质软、滑腻的性质。 因此石墨又具有分子晶体的一些性质。 导电性：由于石墨晶体中碳原子采取sp2杂化，三个sp2杂化轨道都参与形成CC共价键，每个碳原子还有一个未参加杂化的2p电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面，每个碳原子剩余的2p电子在整个碳原子平面中运动，被所有碳原子共用，因此石墨的导电性只能沿石墨平面方向(即导电的各向异性)。石墨有金属键，具有金属晶体的一些性质。 3. 在金刚石晶体中碳原子数与化学键数之比为_。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_，该晶体中碳原子数与化学键数之比为_。金刚石晶体与石墨晶体中的碳碳键长(d)相比较，d石 墨_d金刚石(填“”、“”或“”)。 答案：1 232 3 1不能用金属键理论解释的是 () A导电性 B导热性 C延展性 D锈蚀性 解析：金属键是金属阳离子与自由电子之间的静电作用，它决定了金属晶体的一些性质，可以解释金属晶体的导电性、导热性、延展性等金属晶体的物理性质，但不能解释其化学性质，例如锈蚀性。 答案：D 2下列对各组物质性质的比较中，正确的是 () A熔点：LiNaCuAlFe C密度：NaMgAl D空间利用率：体心立方堆积六方最密堆积面心立方最密堆积 解析：同主族的金属单质，原子序数越大，熔点越低，这是因为它们的价电子数相同，随着原子半径的增大，金属键逐渐减弱，所以A选项不对；Na、Mg、Al是同周期的金属单质，密度逐渐增大，故C项错误；不同堆积方式的金属晶体空间利用率分别是：简单立方堆积52%，体心立方最密堆积68%，六方最密堆积和面心立方最密堆积均为74%，因此D项错误；常用的金属导体中，导电性最好的是银，其次是铜，再次是铝、铁，所以B选项正确。 答案：B 3金属晶体堆积密度大，原子配位数高，能充分利用空间的原因是() A金属原子的价电子数少 B金属晶体中有自由电子 C金属原子半径大 D金属键没有饱和性和方向性 解析：金属晶体有多种堆积方式主要是由于金属键无饱和性和方向性。 答案：D 4教材中给出了几种晶体的晶胞如图所示： 所示晶胞分别表示的物质正确的排序是() A碘、锌、钠、金刚石 B金刚石、锌、碘、钠 C钠、锌、碘、金刚石 D锌、钠、碘、金刚石 解析：第一种晶胞为体心立方堆积，钾、钠、铁等金属采用这种堆积方式钾型；第二种晶胞为六方堆积，镁、锌、钛等金属采用这种堆积方式镁型；组成第三种晶胞的粒子为双原子分子，是碘；第四种晶胞的粒子结构为正四面体结构，为金刚石。 答案：C 5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2 300 ，沸点2 550 ，硬度大_。 (3)硒：熔点217 ，沸点685 ，溶于氯仿_。 (4)锑：熔点630.74 ，沸点1 750 ，导电_。 解析：(1)SiI4为低熔点化合物，为分子晶体；(2)熔沸点高，硬度大，是典型原子晶体；(3)硒易溶于CHCl3，为分子晶体；(4)固体导电为金属晶体。 答案：(1)分子晶体(2)原子晶体(3)分子晶体 (4)金属晶体 6(1)如图甲所示为二维平面晶体示意图，所表示的化学式为AX3的是_。 (2)图乙为一个金属铜的晶胞，请完成以下各题。 该晶胞“实际”拥有的铜原子数是_个。 该晶胞称为_。(填序号) A六方晶胞 B体心立方晶胞 C面心立方晶胞 此晶胞立方体的边长为a cm，Cu的相对原子质量为64，金属铜的密度为 g/cm3，则阿伏加德罗常数为_(用a、表示)。