2022-2023学年下学期高二化学人教版（2019）选择性必修2第三节　金属晶体与离子晶体(共46张PPT)

(共46张PPT)
第三节　金属晶体与离子晶体
第三章
2022-2023学年下学期高二化学人教版（2019）选择性必修2
素养目标
1.结合常见的离子化合物和金属单质的实例,认识这些物质的构成微粒、微粒间相互作用与物质性质的关系,培养宏观辨识与微观探析的核心素养。
2.知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的。
3.借助离子晶体、金属晶体等模型认识晶体的结构特点,预测物质的性质,形成证据推理与模型认知的核心素养。
【知识铺垫】
1.体温计中的水银是 汞 单质,为金属单质,常温下是 液 态。
2.氯化铵是由 和 Cl- 构成的 离子 化合物(填“离子”或“共价”)。
【自主梳理】
一、金属键与金属晶体
1.金属键
2.金属晶体
(1)定义:原子间以金属键结合形成的晶体。
(2)用“电子气”理论解释金属的性质
延展性—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,但原来的排列方式不变,金属原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
↓
导电性—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
↓
导热性—“电子气”中的自由电子在运动时与金属原子发生碰撞,从而引起两者能量的交换
　除金属晶体能导电外,非金属中的石墨也能导电
【微思考1】含有阳离子的晶体一定含有阴离子吗
提示 不一定。金属晶体中含有阳离子,但是没有阴离子。
二、离子晶体
1.定义
离子晶体是由阴离子和阳离子相互作用而形成的晶体。
2.性质
离子晶体硬度较大,难于压缩;由固态变为液态或气态时需要破坏较强的
离子键,熔、沸点较高,难挥发。
3.常见离子晶体的结构类型
晶体中无小分子
离子 晶体 晶胞 阴离子周围距离最近的阳离子数 阳离子周围距离最近的阴离子数 晶胞均摊
离子数目
NaCl 6 6 Na+数目4
Cl-数目4
离子 晶体 晶胞 阴离子周围 距离最近的 阳离子数 阳离子周围 距离最近的 阴离子数 晶胞均摊
离子数目
CsCl 8 8 Cs+数目1
Cl-数目1
【微思考2】含有阴离子的晶体一定含有金属离子吗
提示 含有阴离子的晶体,一定含有阳离子,但不一定是金属阳离子,如铵盐。
三、过渡晶体与混合型晶体
1.过渡晶体
四类典型晶体分别是分子晶体、共价晶体、金属晶体和离子晶体等,但纯粹的典型晶体是不多的,大多数晶体是它们之间的过渡晶体。
如:第三周期元素的氧化物。
氧化物 Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO2 Cl2O7
离子键的 百分数/% 62 50 41 33 都是分子晶体,表明离子键成分的百分数更小
从表中数据可见,前四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,这些晶体既不是纯粹的离子晶体也不是纯粹的共价晶体,而是离子晶体和共价晶体之间的过渡晶体。
通常把偏向离子晶体的过渡晶体当作离子晶体,如Na2O等;偏向共价晶体的过渡晶体当作共价晶体,如Al2O3、SiO2等。
2.混合型晶体——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结构。所有碳原子的p轨道相互平行且相互重叠,p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动。
②层与层之间以范德华力相结合。
(2)晶体类型
石墨晶体属于混合型晶体。
(3)物理性质:①导电性,②导热性,③润滑性。
【微思考3】石墨晶体中,层内C—C的键长为142 pm,而金刚石中C—C的键长为154 pm,回答下列问题。
(1)熔点:石墨　　　　金刚石(填“>”“<”或“=”)。
(2)石墨中C—C的键长小于金刚石中C—C键长的原因:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
提示 (1)>
(2)金刚石中只存在C—C间的σ键,而石墨中层内的C—C间不仅存在σ键,还存在π键,电子云重叠程度大,所以C—C间的键长短
【自我检测】
1.判断下列说法的正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)金属在拉成丝或者压成薄片的过程中,金属键遭到了破坏(　　)
(2)含有离子的晶体一定是离子晶体(　　)
(3)离子晶体受热熔化时破坏化学键,吸收能量,属于化学变化(　　)
(4)纯粹的典型晶体是没有的(　　)
(5)金属晶体可导电,离子晶体不导电(　　)
×
×
×
×
√
2.下列有关金属键的叙述错误的是(　　)
A.金属键没有方向性
B.金属键中的电子属于整块金属,具有流动性
C.金属键是金属阳离子和脱落下来的价电子之间存在的强烈的静电吸引作用
D.金属的导电性、导热性和延展性都与金属键有关
答案 C
解析 金属键是金属阳离子和脱落下来的价电子之间存在的强烈的静电作用,包括静电引力和静电斥力。金属键影响物质的物理性质,如导电性、导热性和延展性等。
课堂篇 素养提升
探究1
金属晶体的结构与性质特点
【问题探究】
1.试用“电子气”理论解释为什么金属具有良好的①延展性、②导电性、③导热性。
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,但原来的排列方式不变,而且弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用,并且“电子气”没有破坏,所以金属有良好的延展性。
②金属晶体中的自由电子在电场中定向移动而形成电流,呈现良好的导电性。
③“电子气”中的自由电子在运动时频繁与金属原子碰撞,从而引起能量传递,呈现良好的导热性。
2.试用金属键解释Na、Mg、Al的熔点逐渐升高的原因。
提示 Na、Mg、Al的原子半径逐渐减小,价电子数逐渐增多,金属键逐渐增强,所以熔点逐渐升高。
3.纯铝硬度不大,形成硬铝合金后,硬度很大,金属形成合金后为什么有些物理性质会发生很大的变化
提示 金属晶体中掺入不同的金属或非金属原子时,影响了金属的延展性和硬度。
【深化拓展】
1.对金属晶体的组成、性质的正确理解
(1)金属单质和合金在固态时都属于金属晶体。
(2)金属晶体中含有金属阳离子,但没有阴离子。
(3)金属导电的微粒是自由电子,电解质溶液导电的微粒是自由移动的阳离子和阴离子;前者导电过程中不生成新物质,为物理变化,后者导电过程中有新物质生成,为化学变化。因而,两者导电的本质不同。
2.金属晶体熔、沸点高低的比较
金属阳离子半径越小,所带电荷越多,则金属键越强,金属的熔、沸点就越高,一般存在以下规律:
(1)同周期金属单质(如Na、Mg、Al),从左到右熔、沸点逐渐升高。
(2)同主族金属单质(如碱金属),从上到下熔、沸点逐渐降低。
(3)合金的熔、沸点比其各成分金属的熔、沸点低。
(4)金属晶体熔点差别很大,如汞在常温下为液体,熔点很低(-38.9 ℃),而铁等金属熔点很高(1 535 ℃)。
【素能应用】
典例1下列关于金属键的叙述不正确的是(　　)
A.金属键是金属阳离子和自由电子间的强烈相互作用,也是一种电性作用
B.金属键可以看作许多原子共用许多电子所形成的强烈的相互作用,所以与共价键类似,也有方向性和饱和性
C.金属键是金属阳离子和自由电子间的相互作用,故金属键无方向性和饱和性
D.构成金属键的自由电子在整个金属内部的三维空间中做自由运动
答案 B
解析 从构成基本粒子的性质来看,金属键也是一种电性作用,其特征是无方向性和饱和性。自由电子是由金属原子提供的,并且在整个金属内部的三维空间内运动,为整个金属的所有原子所共用,从这个角度看,金属键与共价键有类似之处,但二者又有明显的区别,如金属键无方向性和饱和性等。
易错提醒金属晶体性质的认识误区
(1)金属晶体在受外力作用下,各层之间发生相对滑动,但金属键并没有被破坏。
(2)共价晶体的熔点不一定都比金属晶体的高,如金属钨的熔点就高于一般的共价晶体。
(3)分子晶体的熔点不一定都比金属晶体的低,如汞在常温下是液体,熔点很低。
变式训练1要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体熔点高低和硬度大小一般取决于金属键的强弱,而金属键的强弱与金属阳离子所带电荷的多少及半径大小有关。由此判断下列说法正确的是(　　)
A.金属镁的熔点高于金属铝
B.碱金属单质的熔点从Li到Cs是逐渐升高的
C.金属铝的硬度大于金属钠
D.金属镁的硬度小于金属钙
答案 C
解析 镁离子比铝离子的半径大且所带的电荷少,所以金属镁比金属铝中的金属键弱,与铝相比较,镁的熔点低、硬度小;从Li到Cs,离子的半径逐渐增大,离子所带电荷相同,故金属键逐渐减弱,熔点逐渐降低,硬度逐渐减小;因铝离子的半径比钠离子小且所带电荷多,故金属铝比金属钠中的金属键强,所以金属铝比金属钠的熔点高、硬度大;因镁离子的半径比钙离子小,所带电荷与钙离子相同,故金属镁比金属钙中的金属键强,所以金属镁比金属钙的熔点高、硬度大。
探究2
离子晶体的结构与性质特点
【问题探究】
1.如图所示是从NaCl和CsCl晶体中分割出来的部分结构图。
试分析哪些图是从NaCl和CsCl晶体中分别提取出来的
提示 从NaCl晶体中分别提取出来的是(1)和(4);从CsCl晶体中分别提取出来的是(2)和(3)。
2.已知:CaCO3、(NH4)2SO4、CuSO4·5H2O、Cu(NH3)4SO4·H2O 等均为离子晶体。分析这些离子晶体中都含有哪些微观粒子 晶体内部存在哪些类型的作用力
提示 构成离子晶体的微粒有阴离子和阳离子,还有电中性分子;晶体内部的作用力除离子键外还存在共价键、氢键和范德华力等。
3.下表所示NaCl、CsCl的熔、沸点比HCl的明显高很多,结合晶体类型,你能推测其原因吗 预测MgO和NaCl的熔、沸点的高低
物质 HCl NaCl CsCl
熔点/℃ -114.18 801 645
沸点/℃ -85 1 413 1 290
提示 HCl的晶体类型为分子晶体,熔、沸点较低。NaCl、CsCl、MgO均为离子晶体,一般构成离子晶体的阴、阳离子半径越小,含有的电荷越多,其离子键越强,晶体的熔、沸点越高,故熔、沸点MgO>NaCl。
【深化拓展】
1.离子晶体的组成、结构、性质特点
(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微粒个数比,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。
(3)离子晶体中离子键没有方向性和饱和性,但每个阴(阳)离子周围排列的带相反电荷的离子数目都是固定的(配位数一定)。
(4)常见的离子晶体包括强碱、活泼金属的氧化物、大部分盐。
(5)一般同类型的离子晶体的熔、沸点高低、硬度大小比较,可以通过离子键强弱来比较,离子半径越小,所带电荷越多,对应的离子键越强,晶体熔、沸点越高。
2.四类晶体的比较
晶体类型 离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
构成晶体 的粒子 阴、阳离子 原子 分子 金属阳离子
和自由电子
粒子间 的作用 离子键 共价键 范德华力(有的含有氢键) 金属键
作用力大小 (一般而言) 较强 很强 弱 有的较强,有的较弱
晶体类型 离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
判断作用 力大小的 参考数据 离子电荷数、离子半径 键能、键长(与原子半径相关) 组成和结构相似时,比较相对分子质量(必要时还要考虑是否存在氢键) 离子半径、离子所带电荷数
熔点 较高 高 低 差别较大(汞常温下为液态,钨的熔点为3 410 ℃)
硬度 略硬而脆 大 较小 差别较大
晶体类型 离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
导热和 导电性 不良导体(熔融后或溶于水导电) 不良导体 不良导体(部分溶于水发生电离后导电) 良导体
溶解性 多数易溶 一般不溶 相似相溶 一般不溶于水,少数与水反应
机械加工性能 不良 不良 不良 优良
延展性 差 差 差 优良
【素能应用】
典例2为了确定SbCl3、SbCl5、SnCl4是否为离子化合物,进行下列实验。其中合理、可靠的是(　　)
A.观察常温下的状态,SbCl5是苍黄色液体,SnCl4为无色液体。结论:SbCl5和SnCl4都是离子化合物
B.测定SbCl3、SbCl5、SnCl4的熔点依次为73.5 ℃、2.8 ℃、-33 ℃。结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4都不是离子化合物
C.将SbCl3、SbCl5、SnCl4溶于水中,滴入HNO3酸化的AgNO3溶液,产生白色沉淀。结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4都是离子化合物
D.测定SbCl3、SbCl5、SnCl4水溶液的导电性,发现它们都可以导电。结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4都是离子化合物
答案 B
解析 离子晶体中含有离子键,离子键是阴、阳离子之间强烈的相互作用,故离子晶体往往有较高的熔点,A项错而B项正确;滴入HNO3酸化的AgNO3溶液,产生白色沉淀,只能说明这些物质溶于水时产生了Cl-,有的共价化合物溶于水时也能产生Cl-(如HCl),C错;有些共价化合物的水溶液也能导电,如HCl,D错。
归纳总结 离子晶体的判断
(1)根据物质的分类
大多数盐(包括铵盐)、强碱,活泼金属的氧化物和过氧化物(如Na2O和Na2O2),部分氢化物(如NaH)、部分硫化物等都是离子晶体。
(2)根据元素的性质和种类
①根据电负性:如成键元素的电负性差值大于1.7的物质;
②根据元素在周期表中的位置:金属元素(如第ⅠA、ⅡA族元素等)与非金属元素(如第ⅥA、ⅦA族元素等)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,但熔融状态或溶于水时能导电,大多数离子晶体易溶于极性溶剂而难溶于非极性溶剂。
变式训练2下列关于晶体的说法一定正确的是(　　)
A.分子晶体中都存在共价键
B.CaTiO3晶体(如图所示)中每个Ti4+和12个O2-相紧邻
C.SiO2晶体中每个硅原子与两个氧原子以共价键相结合
D.金属晶体的熔点都比分子晶体的熔点高
CaTiO3的晶体结构模型(图中Ca2+、O2-、Ti4+
分别位于立方体的体心、面心和顶点)
答案 B
解析 稀有气体都是单原子分子,它们的晶体中不存在共价键,A项不正确;在题目所给晶体结构模型中,每个Ti4+周围有3个O2-与之相邻,则晶体中每Ti4+周围共有3×8× =12个O2-,B项正确;在SiO2的晶体中Si、O以单键相结合,故每个硅原子与4个氧原子相结合,C项不正确;金属汞的熔点比I2、蔗糖等分子晶体的熔点低,D项不正确。
素养脉络
随堂检测
1.金属晶体的下列性质中,不能用金属晶体结构加以解释的是(　　)
A.易导电
B.易导热
C.有延展性
D.易锈蚀
答案 D
2.下列关于金属及金属键的说法正确的是(　　)
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之间的相互作用
C.金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子
D.金属的熔点都很高
答案 B
3.下列有关离子晶体的叙述中,不正确的是(　　)
A.1 mol氯化钠晶胞中有4NA个Na+
B.氯化钠晶体中,每个Na+周围距离最近且相等的Cl-共有4个
C.醋酸钠属于离子晶体,含非极性键
D.平均每个NaCl晶胞中含有4个Na+、4个Cl-
答案 B
解析 由NaCl晶胞结构可知,1 mol氯化钠晶胞中有4NA个Na+、4NA个Cl-,A、D两项正确;由NaCl晶胞结构可知,每个Na+周围距离最近且相等的Cl-共有6个,B项错误;醋酸钠中存在碳碳非极性键,C项正确。
4.下列说法中正确的是(　　)
A.固态时能导电的物质一定是金属晶体
B.熔融状态能导电的晶体一定是离子晶体
C.水溶液能导电的晶体一定是离子晶体
D.固态不导电而熔融态导电的晶体一定是离子晶体
答案 D
解析 石墨在固态时也能导电,但不是金属晶体,A错误;金属晶体在熔融态时也能导电,B错误;某些分子晶体溶于水也能导电,C错误;离子晶体在固态时不导电,在熔融态时可导电,D正确。
5.下列7种物质:①白磷(P4)　②水晶　③氯化铵　④氢氧化钙　⑤氟化钠　⑥过氧化钠　⑦石墨,固态时都为晶体,回答下列问题(填写序号):
(1)不含金属离子的离子晶体是　　　,只含离子键的离子晶体是　　　,既有离子键又有非极性键的离子晶体是　　　,既有离子键又有极性键的离子晶体是　　　　。
(2)既含范德华力又有非极性键的晶体是　　　　,熔化时既要克服范德华力又要破坏化学键的是　　,熔化时只破坏共价键的是　　　。
答案 (1)③　⑤　⑥　③④
(2)①⑦　⑦　②
解析 (1)属于离子晶体的有③④⑤⑥,其中③只含非金属元素,NaF中只含有离子键,Na2O2中含有离子键和非极性共价键,NH4Cl和Ca(OH)2中含有离子键和极性共价键。
(2)分子晶体中含范德华力,只有白磷、石墨晶体中既有范德华力又有共价键,水晶中只含共价键。
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