金色晶体-人教版高中化学选修三导学笔记

第三节金属晶体[学习目标定位]1.知道金属键的含义和金属晶体的结构特点。2.能用电子气理论解释金属的一些物理性质，熟知金属晶体的原子堆积模型的分类及结构特点。一、金属键和金属晶体1.金属键(1)金属键的概念及形成条件①概念：金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用。②成键微粒：金属阳离子和自由电子。③成键条件：金属单质或合金。(2)金属键的本质描述金属键本质的最简单理论是“电子气理论”。它把金属键形象地描绘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”，被所有原子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起，形成一种“巨分子”。(3)金属键的特征金属键无方向性和饱和性。晶体里的电子不专属于某几个特定的金属离子，而是几乎均匀地分布在整个晶体里，把所有金属原子维系在一起，所以金属键没有方向性和饱和性。2.金属晶体(1)金属晶体通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的晶体，叫做金属晶体。(2)金属晶体物理特性分析①良好的延展性：金属键没有方向性，当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层发生相对滑动而不会破坏金属键，金属发生形变但不会断裂，故金属晶体具有良好的延展性。②良好的导电性：由于金属晶体中的自由电子可以在外加电场作用下发生定向移动。③金属的导热性：是自由电子在运动时与金属离子碰撞而引起能量的交换，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。3.金属晶体熔点的变化规律(1)金属阳离子半径越小，离子所带电荷数越多，自由电子越多，金属键越强，金属晶体的熔点越高。如K＜Na＜Mg＜Al，Li＞Na＞K＞Rb。(2)一般合金的熔点低于成分金属的熔点。(3)金属晶体熔点差别很大，如汞常温为液体，熔点很低(－38.9℃)，而铁等金属熔点很高(1535℃)。例1下列关于金属键的叙述中，正确的是()A.金属键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.金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光【考点】金属键和金属晶体【题点】金属键概念及本质答案B解析金属键无方向性和饱和性，A错误；金属晶体由金属阳离子和自由电子构成，在外加电场作用下自由电子定向移动即导电，C错误；金属具有金属光泽是因为自由电子对可见光的选择性吸收和反射，使得金属晶体具有金属光泽和一定颜色，D错误。例2下列各组金属熔、沸点高低顺序正确的是()A.MgAlCaB.AlNaLiC.AlMgCaD.MgBaAl【考点】金属键和金属晶体【题点】金属晶体的物理性质及其影响因素答案C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＋)，故C正确，A错误；B中LiNa，D中AlMgBa。二、金属晶体的堆积方式1.二维空间的堆积模型金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。把它们放置在平面上(即二维空间里)，可有两种方式——非密置层和密置层(如下图所示)。(1)晶体中一个原子周围距离相等且最近的原子的数目叫配位数。分析上图非密置层的配位数是4，密置层的配位数是6。(2)密置层放置，平面的利用率比非密置层的要高。2.三维空间的堆积模型(1)非密置层在三维空间堆积①简单立方堆积将非密置层球心对球心地垂直向上排列，这样一层一层地在三维空间里堆积，就得到简单立方堆积(如下图所示)。金属晶体的堆积方式——简单立方堆积这种堆积方式形成的晶胞是一个立方体，每个晶胞含一个原子，这种堆积方式的空间利用率为52%，配位数为6，这种堆积方式的空间利用率太低，只有金属钋(Po)采取这种堆积方式。②体心立方堆积非密置层的另一种堆积方式是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，每层均照此堆积，如下图所示。碱金属和铁原子都采取此类堆积方式，这种堆积方式又称钾型堆积。金属晶体的堆积方式——体心立方堆积这种堆积方式可以找出立方晶胞，空间利用率比简单立方堆积高得多，达到68%，每个球与上、下两层的各4个球相接触，故配位数为8。(2)密置层在三维空间堆积密置层的原子按体心立方堆积的方式堆积，会得到两种基本堆积方式——六方最密堆积和面心立方最密堆积。这两种堆积方式都是金属晶体的最密堆积，配位数均为12，空间利用率均为74%，但所得晶胞的形式不同(如下图所示)。六方最密堆积面心立方最密堆积①六方最密堆积六方最密堆积如下图所示，重复周期为两层，按ABABABAB……的方式堆积。由于在这种排列方式中可划出密置层六方晶胞，称为六方最密堆积，Mg、Zn、Ti都是采用这种堆积方式。②面心立方最密堆积面心立方最密堆积如上图所示，按ABCABCABC……的方式堆积。由于在这种排列中可以划出面心立方晶胞，故称这种堆积方式为面心立方最密堆积。Cu、Ag、Au等均采用此类堆积方式。(1)堆积原理组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时，在空间的排列大都服从紧密堆积原理。这是因为在金属晶体中，金属键没有方向性和饱和性，因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围，并以密堆积方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。(2)常见的堆积模型堆积模型采纳这种堆积的典型代表晶胞配位数空间利用率每个晶胞所含原子数非密置层简单立方堆积Po(钋)652%1体心立方堆积Na、K、Fe868%2密置层六方最密堆积Mg、Zn、Ti1274%2面心立方最密堆积Cu、Ag、Au1274%4例3下列关于金属晶体的堆积模型的说法正确的是()A.金属晶体中的原子在二维空间有三种放置方式B.金属晶体中非密置层在三维空间可形成两种堆积方式，其配位数都是6C.镁型堆积和铜型堆积是密置层在三维空间形成的两种堆积方式D.金属晶体中的原子在三维空间的堆积有多种方式，其空间利用率相同【考点】金属晶体的原子堆积模型及相关计算【题点】金属晶体的原子堆积模型答案C解析A项，金属晶体中的原子在二维空间只有非密置层和密置层两种放置方式；B项，非密置层在三维空间可以形成简单立方堆积和体心立方堆积两种堆积方式，其配位数分别是6和8；D项，金属晶体中的原子在三维空间有四种堆积方式，其中镁型和铜型堆积的空间利用率较高。例4金晶体是面心立方体，立方体的每个面上5个金原子紧密堆砌(如图，其余各面省略)，金原子半径为Acm。求：(1)金晶体中最小的一个立方体含有________个金原子。(2)金的密度为________g·cm－3(用带A的计算式表示)。(3)金原子空间占有率为________(Au的相对原子质量为197，用带A的计算式表示)。【考点】金属晶体的原子堆积模型及相关计算【题点】金属晶胞的相关计算答案(1)4(2)19742A3NA(3)0.74(或74%)解析(1)根据晶胞结构可知，金晶体中最小的一个立方体含有金原子数目为8×18＋6×12＝4。(2)金原子半径为Acm，则晶胞中面对角线是4Acm，所以晶胞的边长是22Acm，所以22A3·ρ197×NA＝4，解得ρ＝4×19722A3·NA。(3)晶胞的体积是(22A)3，而金原子占有的体积是4×43πA3，所以金原子空间占有率为4×43πA322A3＝4×43π223≈74%。三、混合晶体——石墨1.结构特点——层状结构(1)同层内，碳原子采用sp2杂化，以共价键相结合形成正六边形平面网状结构。所有碳原子的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。石墨的性质(1)导电性、导热性：石墨晶体中，形成大π键的电子可以在整个碳原子平面上运动，比较自由，相当于金属中的自由电子，类似金属键的性质，所以石墨能导电、导热，并且沿层的平行方向导电性强，这也是晶体各向异性的表现。(2)润滑性：石墨层间作用力为范德华力，结合力弱，层与层间可以相对滑动，使之具有润滑性，因而可以作润滑剂、铅笔芯等。例5碳元素的单质有多种形式，如图所示，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、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，它们互为________。(2)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化形式分别为________、________。(3)C60属于________晶体，石墨属于________晶体。(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。其原因是金刚石中只存在C—C间的________共价键，而石墨层内的C—C间不仅存在________共价键，还有________键。答案(1)同素异形体(2)sp3sp2(3)分子混合(4)σσπ(或大π或p-pπ)解析(1)金刚石、石墨、C60、碳钠米管都是由同种元素形成的不同单质，故它们互为同素异形体。(2)在金刚石中，每个碳原子都形成四个共价单键，故碳原子的杂化方式为sp3；石墨烯中碳原子采用sp2杂化。(3)一个“C60”就是一个分子，故C60属于分子晶体；石墨层与层之间是范德华力，而同一层中碳原子之间是共价键，故形成的晶体为混合晶体。(4)在金刚石晶体中，碳原子之间只形成共价单键，全部为σ键；在石墨层内的碳原子之间既有σ键又有π键。1.金属键的实质是()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【考点】金属键和金属晶体【题点】金属键概念及本质答案A解析金属晶体由金属阳离子与自由电子构成，微粒间的作用力称为金属键。2.下列性质体现了金属通性的是()A.铁能够被磁铁磁化B.铝在常温下不溶于浓硝酸C.铜有良好的延展性、导热性和导电性D.钠与水剧烈反应放出氢气【考点】金属键和金属晶体【题点】金属晶体的通性及解释答案C解析金属通性指的是金属的某些共有的性质，如“不透明、有金属光泽、有延展性、导热性、导电性”等。3.下列物质的熔点依次升高的是()A.Mg、Na、KB.Na、Mg、AlC.Na、Rb、CaD.铝、铝硅合金【考点】金属键和金属晶体【题点】金属晶体的物理性质及其影响因素答案B解析A项中K＋、Na＋、Mg2＋的半径依次减小，Mg2＋的电荷数比K＋、Na＋的大，故各物质熔点的顺序为KNaMg；同理分析，B项正确；C项中各物质熔点的顺序应为RbNaCa；而合金的熔点要比各成分元素单质的熔点低，故D中各物质熔点的顺序应为铝硅合金铝。4.下列有关金属晶体的说法中不正确的是()A.金属晶体是一种“巨分子”B.“电子气”为所有原子所共有C.简单立方堆积的空间利用率最低D.体心立方堆积的空间利用率最高【考点】金属晶体的综合【题点】金属晶体结构与性质的综合答案D解析根据金属晶体的电子气理论，可知A、B项正确；金属晶体的堆积方式中空间利用率分别是简单立方堆积52%，体心立方堆积68%，面心立方最密堆积和六方最密堆积均为74%，因此，简单立方堆积的空间利用率最低，六方最密堆积和面心立方最密堆积的空间利用率最高。5.石墨晶体是层状结构，在每一层内，每个碳原子都跟其他3个碳原子相结合，如图是其晶体结构的俯视图，则图中7个六元环完全占有的碳原子数是()A.10B.18C.24D.14答案D解析每个六元环平均占有的碳原子数为6×13＝2，7个六元环完全占有的碳原子数为2×7＝14。【考点】混合晶体——石墨【题点】石墨的结构6.金属晶体的原子堆积方式常有以下四种，请认真观察模型，回答下列问题：(1)四种堆积模型的堆积名称依次是_________、_________、_________、_________。(2)图甲方式的堆积，空间利用率为__________，只有金属________(填元素符号)采用这种堆积方式。(3)图乙与图丙两种堆积方式中金属原子的配位数__________(填“相同”或“不相同”)，图乙的空间利用率为__________。(4)采取图丁堆积方式的金属通常有__