3.3 金属晶体与离子晶体（解析版）
文档属性
| 名称 | 3.3 金属晶体与离子晶体（解析版） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 1.3MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2023-07-24 16:33:39 | ||
图片预览
文档简介
中小学教育资源及组卷应用平台
第三章 第三节 金属晶体与离子晶体
【学习目标】
1．理解金属键的概念和电子气理论，初步学会用电子气理论解释金属的物理性质。
2．理解离子晶体的结构模型及其性质的一般特点，了解离子晶体中离子晶体配位数及其影响因素。
3．知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普通存在的。
【素养目标】
1．通过学习金属晶体、离子晶体的结构与性质，激发学生探究热情与精神。进一步认识“结构决定物质性质”的客观规律。
2．从化学键变化上认识过渡晶体，理解纯粹的典型晶体在自然界中是不多的，培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科素养。
3．借助石墨晶体模型、氯化钠晶胞、氯化铯晶胞认识晶体的结构和性质，培养学生“证据推理与模型认知”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：金属键与金属晶体
1．金属键
(1)定义：金属阳离子和自由电子的较强的相互作用叫做金属键。
金属原子的电离能低，容易失去电子而形成阳离子和自由电子，阳离子整体共同吸引自由电子而结合在一起。这种金属离子与自由电子之间的较强作用就叫做金属键。
(2)成键微粒：金属阳离子和自由电子
(3)本质：金属阳离子和自由电子间的作用叫静电作用
(4)特征：没有饱和性和方向性
(5)金属键强弱的影响因素：金属元素的原子半径和单位体积内自由电子的数目及所带电荷的多少
【点拨】金属键的强弱差别很大。例如钠、钾的熔点低，存在的金属键较弱，铬的硬度较大，沸点高，存在的金属键的较强。同主族元素，随着核电荷数的增大，金属原子半径增大，金属键变弱，键能减小；同周期元素，随着核电荷数的增加，金属原子半径减小，金属键增强，键能增大，物质的熔沸点升高。
2．金属晶体
(1)定义：通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体，叫金属晶体。
(2)微粒间的相互作用：金属键
【点拨】注意：含金属阳离子的晶体中不一定含阴离子，含阳离子的晶体不一定含有离子键
(3)金属共同的物理性质：容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。
【点拨】在金属晶体中，充满着带负电的“电子气”，这些电子气的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件下电子气就会发生定向移动，因而形成电流，所以金属容易导电。
3．电子气理论
经典的金属键理论叫做“电子气理论”。它把金属键形象地描绘成从金属原子上“脱落”下来的大量自由电子形成可与气体相比拟的带负电的“电子气”，金属原子则“浸泡”在“电子气”的“海洋”之中。
【点拨】在金属晶体中，自由电子不专属于某几个特定的金属离子，它们几乎均匀地分布在整个晶体中，被许多金属离子所共有。金属离子的运动状态是在一定范围内振内，而不是自由移动。
4．金属通性的解释
⑴金属导电性的解释
在金属晶体中，存在许多自由电子，这些电子的移动是没有方向的，但是在外加电场的作用下，自由电子就会发生定向移动，因而形成电流，所以金属容易导电。
⑵金属导热性的解释
自由电子在运动时与金属阳离子碰撞，引起两者能量的交换。当金属某部分受热时，那个区域里的自由电子能量增加，运动速度加快，通过碰撞，把能量传给金属阳离子。自由电子在热的作用下与金属阳离子频繁碰撞把能量从温度高的部分传到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。
⑶金属延展性的解释
大多数金属具有较好的延展性，与金属离子和自由电子之间的较强作用有关。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，但不会改变原来的排列方式，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，所以在各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使在外力作用下，发生形变也不易断裂。因此，金属都有良好的延展性。
【点拨】当向金属晶体中掺人不同的金属或非金属原子时，就像在滚珠之间掺人了细小而坚硬的砂土或碎石一样，会使这种金属的延展性甚至硬度发生改变，这也是对金属材料形成合金以后性能发生改变的一种比较粗浅的解释。
纯金属内，所有原子的大小和形状都是相同的，原子的排列十分规整。而合金中加入了其他元素或大或小的原子，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难。因此合金比纯金属延展性要差。
(4)熔沸点
金属单质熔、沸点的高低和硬度的大小与金属键的强弱有关。金属键越强，金属晶体的熔、沸点越高，硬度越大。
一般来说，金属键的强度主要取决于金属元素的原子半径和单位体积内自由电子的数目(价电子数)。随着原子半径的增大，金属键逐渐减弱。单位体积内自由电子的数目(价电子数)越多，则金属键就越强。如钠、镁、铝的单位体积内价电子数目逐渐增多，金属键逐渐增强；Li、Na、K的原子半径逐渐增大，金属键逐渐减弱。所以由Li到Cs，熔、沸点逐渐降低，Na、Mg、Al的熔、沸点逐渐升高，硬度增大。
合金的熔点一般比它的各组分纯金属的熔点低。如生铁比纯铁的熔点低，钠-钾合金[w(K)在50%~80%范围内]在室温下呈液态。
(5)颜色
由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光线投射到它的表面上时，自由电子可以吸收所有频率的光，然后很快放出各种频率的光，这就使绝大多数金属呈现银灰色以至银白色光泽。而金属在粉末状态时，金属的取向杂乱，晶格排列得不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以金属粉末常呈暗灰色或黑色。
典例1．下图是金属晶体的“电子气”理论示意图。用该理论解释金属导电的原因是( )
A．金属能导电是因为含有金属阳离子
B．金属能导电是因为含有的自由电子在外电场作用下做定向运动
C．金属能导电是因为含有的电子作无规则运动
D．金属能导电是因为金属阳离子和自由电子的相互作用
【答案】B
【解析】“电子气”理论可以很好地解释金属的一些现象,如金属的导电、导热、延展性等。金属中含有金属阳离子和自由电子,在外加电场的作用下,自由电子定向移动形成电流。
典例2．关于金属性质和原因的描述不正确的是( )
A．金属一般具有银白色光泽，是物理性质，与金属键没有关系
B．金属具有良好的导电性，是因为金属晶体中共享了金属原子的价电子，形成了“电子气”，在外电场的作用下自由电子定向移动便形成了电流
C．金属具有良好的导热性能，是因为自由电子通过与金属离子发生碰撞，传递了能量
D．金属晶体具有良好的延展性，是因为金属晶体中的原子层可以滑动而不破坏金属键
【答案】A
【解析】金属中的自由电子吸收了可见光，又把各种波长的光大部分再反射出来，因而金属一般显银白色光泽；金属具有导电性是因为在外加电场作用下，自由电子定向移动形成电流；导热性是自由电子受热后，与金属离子发生碰撞，传递能量；良好的延展性是因为原子层滑动，但金属键未被破坏。
典例3．要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体熔、沸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原子半径大小及价电子数多少有关。由此判断下列说法正确的是( )
A．金属钾的熔点高于金属钙
B．碱金属单质的熔、沸点从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】A项，钾比钙的原子半径大且价电子数少于Ca，所以金属钾比金属钙的金属键弱，熔点低于金属钙；B项，从Li到Cs，原子的半径是逐渐增大的，价电子数相同，金属键逐渐减弱，熔、沸点逐渐降低；C项，因铝比钠的原子半径小且价电子数多，金属铝比金属钠的金属键强，所以金属铝的硬度大于金属钠；D项，因镁比钙的原子半径小且价电子数相同，金属镁比金属钙的金属键强，所以金属镁的硬度大于金属钙。
知识点二：离子晶体
1．定义：由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。
2．构成微粒：阴阳离子
3．微粒间的作用：阴阳离子间以离子键结合，离子内可能有共价键
【点拨】离子晶体不一定含有金属阳离子，如NH4Cl为离子晶体，不含有金属阳离子，但一定含有阴离子。
两种典型的离子晶体的晶胞（NaCl和CsCl的晶胞)
(1) 氯化钠晶体
由上图氯化钠晶体结构模型可得：每个Na+紧邻6个Cl-，每个Cl-紧邻6个Na+（上、下、左、右、前、后），这6个离子构成一个正八面体。设紧邻的Na+与Cl-间的距离为a，每个Na+与12个Na+等距离紧邻（同层4个、上层4个、下层4个）。由均摊法可得：该晶胞中所拥有的Na+数为4个，Cl-数为4个，晶体中Na+数与Cl-数之比为1：1，则此晶胞中含有4个NaCl结构单元。
(2)氯化铯晶体
每个Cs+紧邻8个Cl-，每个Cl-紧邻8个Cs+，这8个离子构成一个正立方体。设紧邻的Cs+与Cs+间的距离为a，则每个Cs+与6个Cs+等距离紧邻（上、下、左、右、前、后）。晶体中的Cs+与Cl-数之比为1：1。
【点拨】上面两例中每种晶体的正负离子的配位数相同，是由于正负离子电荷(绝对值)相同，于是正负离子的个数相同，结果导致正负离子配位数相等，如在NaCl中，Na＋扩和C1－的配位数均为6。如果正负离子的电荷不同，正负离子的个数必定不相同，结果，正负离子的配位数就不会相同。这种正负离子的电荷比也是决定离子晶体结构的重要因素，简称电荷因素。例如，在CaF2晶体中，Ca2＋和F－的电荷比(绝对值)是2：l，Ca2＋和F－的个数比是l：2。Ca2＋的配位数为8，F－的配位数为4。此外，离子晶体的结构类型还取决于离子键的纯粹程度(简称键性因素)。
5．离子晶体特点：
(1)较高的熔点和沸点，难挥发、难于压缩。
离子晶体的熔沸点，取决于构成晶体的阴阳离子间的离子键的强弱，而离子键的强弱，又可用离子半径衡量，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。
离子晶体中，由于离子键的强烈作用，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。
(2) 硬而脆，无延展性
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。
(3) 不导电，但熔化后或溶于水后能导电。
由于离子晶体中离子键作用较强，离子晶体不能自由移动，即晶体中无自由移动离子，因此，离子晶体不导电。当升高温度时，阴阳离子获得足够能量克服了离子间相互作用，成为自由移动的离子，在外界电场作用下，离子定向移动而导电。离子化合物溶于水时，阴阳离子受到水分子作用变成了自由移动的离子(或水合离子)，在外界电场作用下，阴阳离子定向移动而导电。
(4) 大多数离子晶体易溶于极性溶剂中，难溶于非极性溶剂中。
化学变化过程一定发生旧化学键的断裂和新化学键的形成，但破坏化学键或形成化学键的过程却不一定发生化学变化。
6．离子晶体的判断
判断一种物质是不是离子晶体，我们可以根据物质的分类、组成和性质等方面进行判断。
(1) 利用物质的分类
金属离子和酸根离子形成的大多数盐、强碱，NH4+与酸根离子形成的盐，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) 利用元素的组成
如：成键元素的电负性差大于1.7的物质，金属元素(特别是活泼的金属元素，第ⅠA、第ⅡA族元素)与非金属元素(特别是活泼的非金属元素，第ⅥA、第ⅦA族元素)组成的化合物，个别非金属元素间形成的化合物(如铵盐)等都是离子晶体。
(3) 利用物质的性质
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。
典例4．下列性质适合于离子晶体的是( )
①熔点1 070 ℃，易溶于水，水溶液能导电
②熔点10.31 ℃，液态不导电，水溶液能导电
③能溶于CS2，熔点112.8 ℃，沸点444.6 ℃
④熔点97.81 ℃，质软，导电，密度0.97 g/cm3
⑤熔点－218 ℃，难溶于水
⑥熔点3 900 ℃，硬度很大，不导电
⑦难溶于水，固体时导电，升温时导电能力减弱
⑧难溶于水，熔点高，固体不导电，熔化时导电
A．①⑧ B．②③⑥
C．①④⑦ D．②⑤
【答案】A
【解析】离子晶体液态时能导电，难溶于非极性溶剂，熔点较高、质硬而脆，固体不导电，故②③④⑤⑦均不符合离子晶体的特点；⑥中熔点达3 900 ℃，硬度很大应是原子晶体。故只有①⑧符合题意。
典例5．经研究证明，PCl5在固态时由空间构型分别为正四面体和正八面体的两种离子构成，下列关于PCl5的推断中正确的是( )
A．PCl5固体为分子晶体
B．PCl5晶体由[PCl3]2+和[PCl7]2-构成，且离子数之比为1∶1
C．PCl5晶体由[PCl4]+和[PCl6]-构成，且离子数之比为1∶1
D．PCl5晶体具有良好的导电性
【答案】C
【解析】由题意知，晶体由空间构型分别为正四面体和正八面体的两种离子构成，所以PCl5晶体由[PCl4]+和[PCl6]-按1∶1构成，为离子化合物，A、B错误，C正确，离子晶体中虽含有离子，但不能自由移动，不能导电，只有在熔融状态或水中才能导电，D错误。
典例6．钡在氧气中燃烧时得到一种钡的氧化物晶体，结构如图所示。有关说法不正确的是( )
A．该晶体属于离子晶体
B．该晶体的化学式为Ba2O2
C．该晶体的晶胞结构与NaCl相似
D．与每个Ba2＋距离相等且最近的Ba2＋共有12个
【答案】B
【解析】由晶胞结构及“均摊法”计算，一个晶胞中含Ba2＋：8×＋6×＝4(个)，含O22-：12×＋1＝4(个)，故晶体的化学式是BaO2，B项错误。
知识点三：四种晶体物理性质的比较
晶体类型 金属晶体 离子晶体 分子晶体 原子晶体
定义 金属原子通过金属键形成的晶体 阴、阳离子通过离子键形成的晶体 分子间通过分子间作用力形成的晶体 相邻原子间通过共价键结合而形成的立体网状结构的晶体
结构 基本 微粒 金属阳离子、自由电子 阴离子、阳离子 分子 原子
微粒间 作用力 金属键 离子键 范德华力或范德华力与氢键 共价键
性质 熔、沸点 一般较高，但差异大 较高 较低 高
硬度 一般较大，但差异大 较大 较小 大
延展性 好 脆 差 差
导电性 固态能导电 熔融态或溶于水时能导电 某些溶于水后能导电 一般不导电，个别为半导体
溶解性 不溶 多数溶于水 相似相溶 不溶
熔化时需克 服的作用力 金属键 离子键 范德华力或范德华力与氢键 共价键
物质类别 金属单质和合金 离子化合物 多数的非金属单质和共价化合物 少数的非金属单质和共价化合物
典例 K、Cu、Mg NaCl、CsCl、CaF2 干冰、冰、碘 金刚石、SiO2
【点拨】判断晶体的组成、结构和性质时常见的错误
1．离子晶体中一定有离子键，但不一定没有共价键，如NH4Cl等。
2．金属元素与非金属元素组成的晶体不一定就是离子晶体，如BeCl2、AlCl3。
3．具有导电性的晶体不一定就是金属晶体，如石墨、硅。
4．溶于水能导电的不一定是离子晶体，如HCl。
5．晶体中含有阳离子时，不一定有阴离子，但有阴离子时，则一定有阳离子，如金属或合金。
典例7．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】四种晶体在不同状态下的导电性区别如下：
分子晶体 原子晶体 金属晶体 离子晶体
固态 不导电 不导电(晶体硅导电) 导电 不导电
熔融状态 不导电 不导电 导电 可导电
水溶液 有的可导电 － － 可导电
典例8．下表是对应物质的熔点(℃)：
BCl3 Al2O3 Na2O NaCl AlF3 AlCl3 干冰 SiO2
－107 2 073 920 801 1 291 190 －57 1 723
下列判断正确的是( )
A．铝的化合物的晶体中都是离子晶体
B．表中只有BCl3和干冰是分子晶体
C．同族元素的氧化物只能形成相同类型的晶体
D．不同族元素的氧化物可形成相同类型的晶体
【答案】D
【解析】AlCl3的熔点低，属于分子晶体，A项错误；表中BCl3、AlCl3和干冰均是分子晶体，B项错误；同族元素的氧化物可形成不同类型的晶体，如CO2是分子晶体，二氧化硅是共价晶体，C项错误；表中Al2O3与Na2O均是离子晶体，Na与Al位于不同主族，D项正确。
知识点五：过渡晶体和混合型晶体
1．过渡晶体
第三周期前几种元素的氧化物中，化学键中离子键成分的百分数的变化趋势
氧化物 Na2O MgO Al2O3 SiO2
离子键的百分数/% 62 50 41 33
表中的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，这些晶体既不是纯粹的离子晶体也不是纯粹的共价晶体，只是离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体。
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Na2O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Al2O3、SiO2等。
Na2O、MgO、Al2O3、SiO2的离子键的百分数呈逐渐减小的趋势，P2O5、 SO3、Cl2O7都是分子晶体，原因是第三周期元素从左到右，电负性逐渐增强，与氧元素的电负性的差值逐渐减小。第三周期主族元素的氧化物的晶体的变化趋势为离子晶体→共价晶体→分子晶体。离子键成分的百分数更小了，而且共价键不再贯穿整个晶体，而是局限干晶体微观空间的一个个分子中了。
2．混合型晶体
既有共价键又有范德华力，同时还存在类似金属键的作用力，兼具共价晶体、分子晶体、金属晶体特征的晶体
性质：熔点很高、质软、易导电等
(1)石墨晶体模型
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。
(2)结构特点——层状结构
石墨结构中未参与杂化的p轨道
①石墨晶体是层状结构的，同层内碳原子采取sp2杂化，以共价键(σ键)结合，形成平面六元并环结构，层内的碳原子的核间距为142 pm，层间距离为335 pm，
②层与层之间靠范德华力维系。
③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。
④由于所有的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。因此，石墨有类似金属晶体的导电性，而且，由于相邻碳原子平面之间相隔较远，电子不能从一个平面跳跃到另-一个平面，所以石墨的导电性只能沿石墨平面的方向。像石墨这样的晶体，是一种混合型晶体。
核心价值与学科素养
典例9．某新型“防盗玻璃”为多层结构，每层中间嵌有极细的金属线，当玻璃被击碎时，与金属线相连的警报系统就会立即报警。“防盗玻璃”能报警是利用了金属的( )
A．延展性 B．导电性 C．弹性 D．导热性
【答案】B
【解析】新型“防盗玻璃”为多层结构，每层中间嵌有极细的金属线，当玻璃被击碎时，与金属线相连的警报系统就会立即报警，利用的是金属的导电性。
典例10．某复合型氧化物可用于制造航母中的热敏传感器，其晶胞结构如图所示，其中A为晶胞的顶点，A可以是Ca、Sr、Ba或Pb。当B是V、Cr、Mn或Fe时，这种化合物具有良好的电学性能。下列说法正确的是( )
A．金属Ca、Sr、Ba的熔点依次升高
B．用A、B、O表示的该复合型氧化物晶体的化学式为ABO3
C．在制造Fe薄片时，金属键完全断裂
D． V、Cr、Mn、Fe晶体中均存在金属阳离子和阴离子
【答案】B
【解析】金属Ca、Sr、Ba的熔点依次降低，A不正确；由晶胞结构可知，晶胞中含有A的数目为8×=1，含有B的数目为1，含有O的数目为6×=3，故用A、B、O表示的题给复合型氧化物晶体的化学式为ABO3，B正确；在制造Fe薄片时，金属键没有断裂，C不正确；V、Cr、Mn、Fe晶体均为金属晶体，其中均存在金属阳离子和自由电子，无阴离子存在，D不正确。
【跟踪练习】 基础过关
1． 下列有关金属键的叙述错误的是( )
A．金属键没有饱和性和方向性
B．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
C．金属键中的自由电子属于整块晶体
D．金属的性质和金属固体的形成都与金属键有关
【答案】B
【解析】A项，金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有的金属原子维系在一起，故金属键无饱和性和方向性；B项，金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈作用，既包括金属阳离子与自由电子之间的静电吸引作用，也包括金属阳离子之间及自由电子之间的静电排斥作用；C项，金属键中的自由电子被所有原子共用，属于整块晶体。
2． 氧化锌常作为金属缓蚀剂，其结构有很多种，其中一种立方晶胞结构如图，晶胞边长为a pm，下列说法错误的是( )
A．该晶体属于离子晶体
B．O原子与O原子的最短距离为a pm
C．Zn原子周围等距且最近的Zn原子数为6
D．该晶胞中含有4个O原子，4个Zn原子
【答案】C
【解析】氧化锌晶体属于离子晶体，选项A正确；O原子与O原子的最短距离为面对角线的一半，即 a pm，选项B正确；由晶胞示意图，取顶角Zn原子来看，其周围等距且最近的Zn原子为面上的Zn原子，顶角Zn原子属于12个面，故Zn原子周围等距且最近的Zn原子数为12，选项C错误；由图可知，该晶胞含4个O原子(晶胞内)，Zn原子位于晶胞的顶角和面上，故Zn原子的个数为8×＋6×＝4，选项D正确。
3． 如下图，在氯化钠晶体中，与每个Na＋等距离且最近的几个Cl－所围成的空间几何构型为( )
A．十二面体
B．正八面体
C．正六面体
D．正四面体
【答案】B
【解析】首先要理解最近的离子在什么位置，以一个晶胞为例，处在中心位置上的Na＋被六个面上的Cl－所包围，这6个Cl－离中心Na＋最近将六个面心的Cl－连成一个图形即正八面体，如图，也可以有其它连接方法。
4． 金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式，六方最密堆积、面心立方堆积和体心立方堆积，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．3:2:1 B．11:8:4
C．9:8:4 D．21:4:9
【答案】D
【解析】本题考查晶胞中微粒数的计算，用均摊法。晶胞a中所含原子＝12×＋2×＋3＝6个，晶胞b中所含原子＝8×＋6×＝4个，晶胞c中所含原子＝8×＋1＝2个。
5． CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体相似(如图所示),但CaC2晶体中由于哑铃形的存在,使晶胞沿一个方向拉长。则关于CaC2晶体的描述不正确的是( )
A．CaC2晶体的熔点较高、硬度也较大
B．与Ca2+距离相同且最近的构成的多面体是正六面体
C．与Ca2+距离相同且最近的有4个
D．CaC2晶胞中共含有4个Ca2+和4个
【答案】B
【解析】CaC2晶体属于离子晶体，故有较高的熔点和较大的硬度，A正确；因为晶胞沿一个方向拉长，故和Ca2+距离相同且最近的只有4个(与拉长方向垂直的同一面上)，4个构成的是正方形，B错；以Ca2+为中心，与之等距离且最近的是同一平面上的4个，C正确；该晶胞中含有Ca2+的个数=12×1/4+1=4，含有的个数=8×1/8+6×1/2=4，D正确。
能力达成
6． 如图，直线交点处的圆圈为NaCl晶体中Na＋或Cl－所处的位置。这两种离子在空间三个互相垂直的方向上都是等距离排列的。
(1)请将其中代表Na＋的圆圈涂黑(不必考虑体积大小)，以完成NaCl晶体结构示意图。
(2)晶体中，在每个Na＋的周围与它最接近的且距离相等的Na＋共有________个。
(3)在NaCl晶胞中正六面体的顶点上、面上、棱上的Na＋或Cl－为该晶胞与其相邻的晶胞所共有，一个晶胞中Cl－的个数等于________，即________(填计算式)；Na＋的个数等于________，即________(填计算式)。
(4)设NaCl的摩尔质量为Mr g·mol－1，食盐晶体的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA。食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离为________ cm。
【答案】(1)(答案不唯一，合理即可)
(2)12
(3)4 12×＋1＝4 4 8×＋6×＝4(答案不唯一，只要与第1问对应即可)
(4)·
【解析】(1)如图所示。(2)从体心Na＋看，与它最接近的且距离相等的Na＋共有12个。(3)根据离子晶体的晶胞，求阴、阳离子个数比的方法是均摊法。由此可知，如图NaCl晶胞中，含Na＋：8×＋6×＝4个；含Cl－：12×＋1＝4个。(4)设Cl－与Na＋的最近距离为a cm，则两个最近的Na＋间的距离为a cm，又：·NA＝Mr。即a＝。所以Na＋间的最近距离为：·。
A、B为两种短周期元素，A的原子序数大于B，且B原子的最外层电子数为A原子最外层电子数的3倍。A、B形成的化合物是中学化学常见的化合物，该化合物熔融时能导电。试回答下列问题
(1)A、B的元素符号分别是________、________。
(2)A、B所形成的化合物的晶体结构与氯化钠晶体结构相似，则每个阳离子周围吸引了________个阴离子；晶体中阴、阳离子个数之比为________。
(3)A、B形成的化合物的晶体的熔点比NaF晶体的熔点________，其判断的理由是
________________________________________________________________________。
【答案】(1)Mg O (2)6 1?1
(3)高 离子半径差别不大，但MgO中离子所带电荷较多，离子键强
【解析】该化合物熔融时能导电，说明A、B形成的化合物是离子化合物，A和B一种是活泼的金属元素，一种是活泼的非金属元素，再结合A的原子序数大于B，且B原子的最外层电子数为A原子最外层电子数的3倍，推断出A是Mg元素，B是O元素。MgO和NaF虽然离子半径差别不大，但MgO中离子所带电荷较多，离子键强。
钾和碘的相关化合物在化工、医药、材料等领域有着广泛的应用。回答下列问题：
(1)元素K的焰色反应呈紫红色，其中紫色对应的辐射波长为_______nm（填标号）。
A．404.4 B．553.5 C．589.2 D．670.8 E．766.5
(2)基态K原子中，核外电子占据最高能层的符号是_________，占据该能层电子的电子云轮廓图形状为___________。K和Cr属于同一周期，且核外最外层电子构型相同，但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低，原因是___________________________。
(3)X射线衍射测定等发现，I3AsF6中存在离子。离子的几何构型为_____________，中心原子的杂化形式为________________。
(4)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料，具有钙钛矿型的立方结构，边长为a=0.446 nm，晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置，如图所示。K与O间的最短距离为______nm，与K紧邻的O个数为__________。
(5)在KIO3晶胞结构的另一种表示中，I处于各顶角位置，则K处于______位置，O处于______位置。
【答案】（1）A （2）N 球形 K的原子半径较大且价电子数较少，金属键较弱
（3）V形 sp3 （4）0.315 12 （5）体心 棱心
【解析】（1）紫色波长400 nm～435 nm，因此选项A正确。（2）K位于第四周期IA族，电子占据最高能层是第四层，即N层，最后一个电子填充在s能级上，电子云轮廓图为球形；K的原子半径大于Cr的半径，且价电子数较少，金属键较弱，因此K的熔点、沸点比Cr低。（3）I3+与OF2互为等电子体，OF2属于V形，因此I3+几何构型为V形，其中心原子的杂化类型为sp3。（4）根据晶胞结构，K与O间的最短距离是面对角线的一半，即为nm＝0.315nm，根据晶胞的结构，距离K最近的O的个数为12个。（5）根据KIO3的化学式，以及晶胞结构，可知K处于体心，O处于棱心。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
21世纪教育网(www.21cnjy.com)
第三章 第三节 金属晶体与离子晶体
【学习目标】
1．理解金属键的概念和电子气理论，初步学会用电子气理论解释金属的物理性质。
2．理解离子晶体的结构模型及其性质的一般特点，了解离子晶体中离子晶体配位数及其影响因素。
3．知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普通存在的。
【素养目标】
1．通过学习金属晶体、离子晶体的结构与性质，激发学生探究热情与精神。进一步认识“结构决定物质性质”的客观规律。
2．从化学键变化上认识过渡晶体，理解纯粹的典型晶体在自然界中是不多的，培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科素养。
3．借助石墨晶体模型、氯化钠晶胞、氯化铯晶胞认识晶体的结构和性质，培养学生“证据推理与模型认知”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：金属键与金属晶体
1．金属键
(1)定义：金属阳离子和自由电子的较强的相互作用叫做金属键。
金属原子的电离能低，容易失去电子而形成阳离子和自由电子，阳离子整体共同吸引自由电子而结合在一起。这种金属离子与自由电子之间的较强作用就叫做金属键。
(2)成键微粒：金属阳离子和自由电子
(3)本质：金属阳离子和自由电子间的作用叫静电作用
(4)特征：没有饱和性和方向性
(5)金属键强弱的影响因素：金属元素的原子半径和单位体积内自由电子的数目及所带电荷的多少
【点拨】金属键的强弱差别很大。例如钠、钾的熔点低，存在的金属键较弱，铬的硬度较大，沸点高，存在的金属键的较强。同主族元素，随着核电荷数的增大，金属原子半径增大，金属键变弱，键能减小；同周期元素，随着核电荷数的增加，金属原子半径减小，金属键增强，键能增大，物质的熔沸点升高。
2．金属晶体
(1)定义：通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体，叫金属晶体。
(2)微粒间的相互作用：金属键
【点拨】注意：含金属阳离子的晶体中不一定含阴离子，含阳离子的晶体不一定含有离子键
(3)金属共同的物理性质：容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。
【点拨】在金属晶体中，充满着带负电的“电子气”，这些电子气的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件下电子气就会发生定向移动，因而形成电流，所以金属容易导电。
3．电子气理论
经典的金属键理论叫做“电子气理论”。它把金属键形象地描绘成从金属原子上“脱落”下来的大量自由电子形成可与气体相比拟的带负电的“电子气”，金属原子则“浸泡”在“电子气”的“海洋”之中。
【点拨】在金属晶体中，自由电子不专属于某几个特定的金属离子，它们几乎均匀地分布在整个晶体中，被许多金属离子所共有。金属离子的运动状态是在一定范围内振内，而不是自由移动。
4．金属通性的解释
⑴金属导电性的解释
在金属晶体中，存在许多自由电子，这些电子的移动是没有方向的，但是在外加电场的作用下，自由电子就会发生定向移动，因而形成电流，所以金属容易导电。
⑵金属导热性的解释
自由电子在运动时与金属阳离子碰撞，引起两者能量的交换。当金属某部分受热时，那个区域里的自由电子能量增加，运动速度加快，通过碰撞，把能量传给金属阳离子。自由电子在热的作用下与金属阳离子频繁碰撞把能量从温度高的部分传到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。
⑶金属延展性的解释
大多数金属具有较好的延展性，与金属离子和自由电子之间的较强作用有关。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，但不会改变原来的排列方式，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，所以在各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使在外力作用下，发生形变也不易断裂。因此，金属都有良好的延展性。
【点拨】当向金属晶体中掺人不同的金属或非金属原子时，就像在滚珠之间掺人了细小而坚硬的砂土或碎石一样，会使这种金属的延展性甚至硬度发生改变，这也是对金属材料形成合金以后性能发生改变的一种比较粗浅的解释。
纯金属内，所有原子的大小和形状都是相同的，原子的排列十分规整。而合金中加入了其他元素或大或小的原子，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难。因此合金比纯金属延展性要差。
(4)熔沸点
金属单质熔、沸点的高低和硬度的大小与金属键的强弱有关。金属键越强，金属晶体的熔、沸点越高，硬度越大。
一般来说，金属键的强度主要取决于金属元素的原子半径和单位体积内自由电子的数目(价电子数)。随着原子半径的增大，金属键逐渐减弱。单位体积内自由电子的数目(价电子数)越多，则金属键就越强。如钠、镁、铝的单位体积内价电子数目逐渐增多，金属键逐渐增强；Li、Na、K的原子半径逐渐增大，金属键逐渐减弱。所以由Li到Cs，熔、沸点逐渐降低，Na、Mg、Al的熔、沸点逐渐升高，硬度增大。
合金的熔点一般比它的各组分纯金属的熔点低。如生铁比纯铁的熔点低，钠-钾合金[w(K)在50%~80%范围内]在室温下呈液态。
(5)颜色
由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光线投射到它的表面上时，自由电子可以吸收所有频率的光，然后很快放出各种频率的光，这就使绝大多数金属呈现银灰色以至银白色光泽。而金属在粉末状态时，金属的取向杂乱，晶格排列得不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以金属粉末常呈暗灰色或黑色。
典例1．下图是金属晶体的“电子气”理论示意图。用该理论解释金属导电的原因是( )
A．金属能导电是因为含有金属阳离子
B．金属能导电是因为含有的自由电子在外电场作用下做定向运动
C．金属能导电是因为含有的电子作无规则运动
D．金属能导电是因为金属阳离子和自由电子的相互作用
【答案】B
【解析】“电子气”理论可以很好地解释金属的一些现象,如金属的导电、导热、延展性等。金属中含有金属阳离子和自由电子,在外加电场的作用下,自由电子定向移动形成电流。
典例2．关于金属性质和原因的描述不正确的是( )
A．金属一般具有银白色光泽，是物理性质，与金属键没有关系
B．金属具有良好的导电性，是因为金属晶体中共享了金属原子的价电子，形成了“电子气”，在外电场的作用下自由电子定向移动便形成了电流
C．金属具有良好的导热性能，是因为自由电子通过与金属离子发生碰撞，传递了能量
D．金属晶体具有良好的延展性，是因为金属晶体中的原子层可以滑动而不破坏金属键
【答案】A
【解析】金属中的自由电子吸收了可见光，又把各种波长的光大部分再反射出来，因而金属一般显银白色光泽；金属具有导电性是因为在外加电场作用下，自由电子定向移动形成电流；导热性是自由电子受热后，与金属离子发生碰撞，传递能量；良好的延展性是因为原子层滑动，但金属键未被破坏。
典例3．要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体熔、沸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原子半径大小及价电子数多少有关。由此判断下列说法正确的是( )
A．金属钾的熔点高于金属钙
B．碱金属单质的熔、沸点从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】A项，钾比钙的原子半径大且价电子数少于Ca，所以金属钾比金属钙的金属键弱，熔点低于金属钙；B项，从Li到Cs，原子的半径是逐渐增大的，价电子数相同，金属键逐渐减弱，熔、沸点逐渐降低；C项，因铝比钠的原子半径小且价电子数多，金属铝比金属钠的金属键强，所以金属铝的硬度大于金属钠；D项，因镁比钙的原子半径小且价电子数相同，金属镁比金属钙的金属键强，所以金属镁的硬度大于金属钙。
知识点二：离子晶体
1．定义：由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。
2．构成微粒：阴阳离子
3．微粒间的作用：阴阳离子间以离子键结合，离子内可能有共价键
【点拨】离子晶体不一定含有金属阳离子，如NH4Cl为离子晶体，不含有金属阳离子，但一定含有阴离子。
两种典型的离子晶体的晶胞（NaCl和CsCl的晶胞)
(1) 氯化钠晶体
由上图氯化钠晶体结构模型可得：每个Na+紧邻6个Cl-，每个Cl-紧邻6个Na+（上、下、左、右、前、后），这6个离子构成一个正八面体。设紧邻的Na+与Cl-间的距离为a，每个Na+与12个Na+等距离紧邻（同层4个、上层4个、下层4个）。由均摊法可得：该晶胞中所拥有的Na+数为4个，Cl-数为4个，晶体中Na+数与Cl-数之比为1：1，则此晶胞中含有4个NaCl结构单元。
(2)氯化铯晶体
每个Cs+紧邻8个Cl-，每个Cl-紧邻8个Cs+，这8个离子构成一个正立方体。设紧邻的Cs+与Cs+间的距离为a，则每个Cs+与6个Cs+等距离紧邻（上、下、左、右、前、后）。晶体中的Cs+与Cl-数之比为1：1。
【点拨】上面两例中每种晶体的正负离子的配位数相同，是由于正负离子电荷(绝对值)相同，于是正负离子的个数相同，结果导致正负离子配位数相等，如在NaCl中，Na＋扩和C1－的配位数均为6。如果正负离子的电荷不同，正负离子的个数必定不相同，结果，正负离子的配位数就不会相同。这种正负离子的电荷比也是决定离子晶体结构的重要因素，简称电荷因素。例如，在CaF2晶体中，Ca2＋和F－的电荷比(绝对值)是2：l，Ca2＋和F－的个数比是l：2。Ca2＋的配位数为8，F－的配位数为4。此外，离子晶体的结构类型还取决于离子键的纯粹程度(简称键性因素)。
5．离子晶体特点：
(1)较高的熔点和沸点，难挥发、难于压缩。
离子晶体的熔沸点，取决于构成晶体的阴阳离子间的离子键的强弱，而离子键的强弱，又可用离子半径衡量，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。
离子晶体中，由于离子键的强烈作用，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。
(2) 硬而脆，无延展性
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。
(3) 不导电，但熔化后或溶于水后能导电。
由于离子晶体中离子键作用较强，离子晶体不能自由移动，即晶体中无自由移动离子，因此，离子晶体不导电。当升高温度时，阴阳离子获得足够能量克服了离子间相互作用，成为自由移动的离子，在外界电场作用下，离子定向移动而导电。离子化合物溶于水时，阴阳离子受到水分子作用变成了自由移动的离子(或水合离子)，在外界电场作用下，阴阳离子定向移动而导电。
(4) 大多数离子晶体易溶于极性溶剂中，难溶于非极性溶剂中。
化学变化过程一定发生旧化学键的断裂和新化学键的形成，但破坏化学键或形成化学键的过程却不一定发生化学变化。
6．离子晶体的判断
判断一种物质是不是离子晶体，我们可以根据物质的分类、组成和性质等方面进行判断。
(1) 利用物质的分类
金属离子和酸根离子形成的大多数盐、强碱，NH4+与酸根离子形成的盐，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) 利用元素的组成
如：成键元素的电负性差大于1.7的物质，金属元素(特别是活泼的金属元素，第ⅠA、第ⅡA族元素)与非金属元素(特别是活泼的非金属元素，第ⅥA、第ⅦA族元素)组成的化合物，个别非金属元素间形成的化合物(如铵盐)等都是离子晶体。
(3) 利用物质的性质
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。
典例4．下列性质适合于离子晶体的是( )
①熔点1 070 ℃，易溶于水，水溶液能导电
②熔点10.31 ℃，液态不导电，水溶液能导电
③能溶于CS2，熔点112.8 ℃，沸点444.6 ℃
④熔点97.81 ℃，质软，导电，密度0.97 g/cm3
⑤熔点－218 ℃，难溶于水
⑥熔点3 900 ℃，硬度很大，不导电
⑦难溶于水，固体时导电，升温时导电能力减弱
⑧难溶于水，熔点高，固体不导电，熔化时导电
A．①⑧ B．②③⑥
C．①④⑦ D．②⑤
【答案】A
【解析】离子晶体液态时能导电，难溶于非极性溶剂，熔点较高、质硬而脆，固体不导电，故②③④⑤⑦均不符合离子晶体的特点；⑥中熔点达3 900 ℃，硬度很大应是原子晶体。故只有①⑧符合题意。
典例5．经研究证明，PCl5在固态时由空间构型分别为正四面体和正八面体的两种离子构成，下列关于PCl5的推断中正确的是( )
A．PCl5固体为分子晶体
B．PCl5晶体由[PCl3]2+和[PCl7]2-构成，且离子数之比为1∶1
C．PCl5晶体由[PCl4]+和[PCl6]-构成，且离子数之比为1∶1
D．PCl5晶体具有良好的导电性
【答案】C
【解析】由题意知，晶体由空间构型分别为正四面体和正八面体的两种离子构成，所以PCl5晶体由[PCl4]+和[PCl6]-按1∶1构成，为离子化合物，A、B错误，C正确，离子晶体中虽含有离子，但不能自由移动，不能导电，只有在熔融状态或水中才能导电，D错误。
典例6．钡在氧气中燃烧时得到一种钡的氧化物晶体，结构如图所示。有关说法不正确的是( )
A．该晶体属于离子晶体
B．该晶体的化学式为Ba2O2
C．该晶体的晶胞结构与NaCl相似
D．与每个Ba2＋距离相等且最近的Ba2＋共有12个
【答案】B
【解析】由晶胞结构及“均摊法”计算，一个晶胞中含Ba2＋：8×＋6×＝4(个)，含O22-：12×＋1＝4(个)，故晶体的化学式是BaO2，B项错误。
知识点三：四种晶体物理性质的比较
晶体类型 金属晶体 离子晶体 分子晶体 原子晶体
定义 金属原子通过金属键形成的晶体 阴、阳离子通过离子键形成的晶体 分子间通过分子间作用力形成的晶体 相邻原子间通过共价键结合而形成的立体网状结构的晶体
结构 基本 微粒 金属阳离子、自由电子 阴离子、阳离子 分子 原子
微粒间 作用力 金属键 离子键 范德华力或范德华力与氢键 共价键
性质 熔、沸点 一般较高，但差异大 较高 较低 高
硬度 一般较大，但差异大 较大 较小 大
延展性 好 脆 差 差
导电性 固态能导电 熔融态或溶于水时能导电 某些溶于水后能导电 一般不导电，个别为半导体
溶解性 不溶 多数溶于水 相似相溶 不溶
熔化时需克 服的作用力 金属键 离子键 范德华力或范德华力与氢键 共价键
物质类别 金属单质和合金 离子化合物 多数的非金属单质和共价化合物 少数的非金属单质和共价化合物
典例 K、Cu、Mg NaCl、CsCl、CaF2 干冰、冰、碘 金刚石、SiO2
【点拨】判断晶体的组成、结构和性质时常见的错误
1．离子晶体中一定有离子键，但不一定没有共价键，如NH4Cl等。
2．金属元素与非金属元素组成的晶体不一定就是离子晶体，如BeCl2、AlCl3。
3．具有导电性的晶体不一定就是金属晶体，如石墨、硅。
4．溶于水能导电的不一定是离子晶体，如HCl。
5．晶体中含有阳离子时，不一定有阴离子，但有阴离子时，则一定有阳离子，如金属或合金。
典例7．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】四种晶体在不同状态下的导电性区别如下：
分子晶体 原子晶体 金属晶体 离子晶体
固态 不导电 不导电(晶体硅导电) 导电 不导电
熔融状态 不导电 不导电 导电 可导电
水溶液 有的可导电 － － 可导电
典例8．下表是对应物质的熔点(℃)：
BCl3 Al2O3 Na2O NaCl AlF3 AlCl3 干冰 SiO2
－107 2 073 920 801 1 291 190 －57 1 723
下列判断正确的是( )
A．铝的化合物的晶体中都是离子晶体
B．表中只有BCl3和干冰是分子晶体
C．同族元素的氧化物只能形成相同类型的晶体
D．不同族元素的氧化物可形成相同类型的晶体
【答案】D
【解析】AlCl3的熔点低，属于分子晶体，A项错误；表中BCl3、AlCl3和干冰均是分子晶体，B项错误；同族元素的氧化物可形成不同类型的晶体，如CO2是分子晶体，二氧化硅是共价晶体，C项错误；表中Al2O3与Na2O均是离子晶体，Na与Al位于不同主族，D项正确。
知识点五：过渡晶体和混合型晶体
1．过渡晶体
第三周期前几种元素的氧化物中，化学键中离子键成分的百分数的变化趋势
氧化物 Na2O MgO Al2O3 SiO2
离子键的百分数/% 62 50 41 33
表中的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，这些晶体既不是纯粹的离子晶体也不是纯粹的共价晶体，只是离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体。
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Na2O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Al2O3、SiO2等。
Na2O、MgO、Al2O3、SiO2的离子键的百分数呈逐渐减小的趋势，P2O5、 SO3、Cl2O7都是分子晶体，原因是第三周期元素从左到右，电负性逐渐增强，与氧元素的电负性的差值逐渐减小。第三周期主族元素的氧化物的晶体的变化趋势为离子晶体→共价晶体→分子晶体。离子键成分的百分数更小了，而且共价键不再贯穿整个晶体，而是局限干晶体微观空间的一个个分子中了。
2．混合型晶体
既有共价键又有范德华力，同时还存在类似金属键的作用力，兼具共价晶体、分子晶体、金属晶体特征的晶体
性质：熔点很高、质软、易导电等
(1)石墨晶体模型
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。
(2)结构特点——层状结构
石墨结构中未参与杂化的p轨道
①石墨晶体是层状结构的，同层内碳原子采取sp2杂化，以共价键(σ键)结合，形成平面六元并环结构，层内的碳原子的核间距为142 pm，层间距离为335 pm，
②层与层之间靠范德华力维系。
③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。
④由于所有的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。因此，石墨有类似金属晶体的导电性，而且，由于相邻碳原子平面之间相隔较远，电子不能从一个平面跳跃到另-一个平面，所以石墨的导电性只能沿石墨平面的方向。像石墨这样的晶体，是一种混合型晶体。
核心价值与学科素养
典例9．某新型“防盗玻璃”为多层结构，每层中间嵌有极细的金属线，当玻璃被击碎时，与金属线相连的警报系统就会立即报警。“防盗玻璃”能报警是利用了金属的( )
A．延展性 B．导电性 C．弹性 D．导热性
【答案】B
【解析】新型“防盗玻璃”为多层结构，每层中间嵌有极细的金属线，当玻璃被击碎时，与金属线相连的警报系统就会立即报警，利用的是金属的导电性。
典例10．某复合型氧化物可用于制造航母中的热敏传感器，其晶胞结构如图所示，其中A为晶胞的顶点，A可以是Ca、Sr、Ba或Pb。当B是V、Cr、Mn或Fe时，这种化合物具有良好的电学性能。下列说法正确的是( )
A．金属Ca、Sr、Ba的熔点依次升高
B．用A、B、O表示的该复合型氧化物晶体的化学式为ABO3
C．在制造Fe薄片时，金属键完全断裂
D． V、Cr、Mn、Fe晶体中均存在金属阳离子和阴离子
【答案】B
【解析】金属Ca、Sr、Ba的熔点依次降低，A不正确；由晶胞结构可知，晶胞中含有A的数目为8×=1，含有B的数目为1，含有O的数目为6×=3，故用A、B、O表示的题给复合型氧化物晶体的化学式为ABO3，B正确；在制造Fe薄片时，金属键没有断裂，C不正确；V、Cr、Mn、Fe晶体均为金属晶体，其中均存在金属阳离子和自由电子，无阴离子存在，D不正确。
【跟踪练习】 基础过关
1． 下列有关金属键的叙述错误的是( )
A．金属键没有饱和性和方向性
B．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
C．金属键中的自由电子属于整块晶体
D．金属的性质和金属固体的形成都与金属键有关
【答案】B
【解析】A项，金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有的金属原子维系在一起，故金属键无饱和性和方向性；B项，金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈作用，既包括金属阳离子与自由电子之间的静电吸引作用，也包括金属阳离子之间及自由电子之间的静电排斥作用；C项，金属键中的自由电子被所有原子共用，属于整块晶体。
2． 氧化锌常作为金属缓蚀剂，其结构有很多种，其中一种立方晶胞结构如图，晶胞边长为a pm，下列说法错误的是( )
A．该晶体属于离子晶体
B．O原子与O原子的最短距离为a pm
C．Zn原子周围等距且最近的Zn原子数为6
D．该晶胞中含有4个O原子，4个Zn原子
【答案】C
【解析】氧化锌晶体属于离子晶体，选项A正确；O原子与O原子的最短距离为面对角线的一半，即 a pm，选项B正确；由晶胞示意图，取顶角Zn原子来看，其周围等距且最近的Zn原子为面上的Zn原子，顶角Zn原子属于12个面，故Zn原子周围等距且最近的Zn原子数为12，选项C错误；由图可知，该晶胞含4个O原子(晶胞内)，Zn原子位于晶胞的顶角和面上，故Zn原子的个数为8×＋6×＝4，选项D正确。
3． 如下图，在氯化钠晶体中，与每个Na＋等距离且最近的几个Cl－所围成的空间几何构型为( )
A．十二面体
B．正八面体
C．正六面体
D．正四面体
【答案】B
【解析】首先要理解最近的离子在什么位置，以一个晶胞为例，处在中心位置上的Na＋被六个面上的Cl－所包围，这6个Cl－离中心Na＋最近将六个面心的Cl－连成一个图形即正八面体，如图，也可以有其它连接方法。
4． 金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式，六方最密堆积、面心立方堆积和体心立方堆积，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．3:2:1 B．11:8:4
C．9:8:4 D．21:4:9
【答案】D
【解析】本题考查晶胞中微粒数的计算，用均摊法。晶胞a中所含原子＝12×＋2×＋3＝6个，晶胞b中所含原子＝8×＋6×＝4个，晶胞c中所含原子＝8×＋1＝2个。
5． CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体相似(如图所示),但CaC2晶体中由于哑铃形的存在,使晶胞沿一个方向拉长。则关于CaC2晶体的描述不正确的是( )
A．CaC2晶体的熔点较高、硬度也较大
B．与Ca2+距离相同且最近的构成的多面体是正六面体
C．与Ca2+距离相同且最近的有4个
D．CaC2晶胞中共含有4个Ca2+和4个
【答案】B
【解析】CaC2晶体属于离子晶体，故有较高的熔点和较大的硬度，A正确；因为晶胞沿一个方向拉长，故和Ca2+距离相同且最近的只有4个(与拉长方向垂直的同一面上)，4个构成的是正方形，B错；以Ca2+为中心，与之等距离且最近的是同一平面上的4个，C正确；该晶胞中含有Ca2+的个数=12×1/4+1=4，含有的个数=8×1/8+6×1/2=4，D正确。
能力达成
6． 如图，直线交点处的圆圈为NaCl晶体中Na＋或Cl－所处的位置。这两种离子在空间三个互相垂直的方向上都是等距离排列的。
(1)请将其中代表Na＋的圆圈涂黑(不必考虑体积大小)，以完成NaCl晶体结构示意图。
(2)晶体中，在每个Na＋的周围与它最接近的且距离相等的Na＋共有________个。
(3)在NaCl晶胞中正六面体的顶点上、面上、棱上的Na＋或Cl－为该晶胞与其相邻的晶胞所共有，一个晶胞中Cl－的个数等于________，即________(填计算式)；Na＋的个数等于________，即________(填计算式)。
(4)设NaCl的摩尔质量为Mr g·mol－1，食盐晶体的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA。食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离为________ cm。
【答案】(1)(答案不唯一，合理即可)
(2)12
(3)4 12×＋1＝4 4 8×＋6×＝4(答案不唯一，只要与第1问对应即可)
(4)·
【解析】(1)如图所示。(2)从体心Na＋看，与它最接近的且距离相等的Na＋共有12个。(3)根据离子晶体的晶胞，求阴、阳离子个数比的方法是均摊法。由此可知，如图NaCl晶胞中，含Na＋：8×＋6×＝4个；含Cl－：12×＋1＝4个。(4)设Cl－与Na＋的最近距离为a cm，则两个最近的Na＋间的距离为a cm，又：·NA＝Mr。即a＝。所以Na＋间的最近距离为：·。
A、B为两种短周期元素，A的原子序数大于B，且B原子的最外层电子数为A原子最外层电子数的3倍。A、B形成的化合物是中学化学常见的化合物，该化合物熔融时能导电。试回答下列问题
(1)A、B的元素符号分别是________、________。
(2)A、B所形成的化合物的晶体结构与氯化钠晶体结构相似，则每个阳离子周围吸引了________个阴离子；晶体中阴、阳离子个数之比为________。
(3)A、B形成的化合物的晶体的熔点比NaF晶体的熔点________，其判断的理由是
________________________________________________________________________。
【答案】(1)Mg O (2)6 1?1
(3)高 离子半径差别不大，但MgO中离子所带电荷较多，离子键强
【解析】该化合物熔融时能导电，说明A、B形成的化合物是离子化合物，A和B一种是活泼的金属元素，一种是活泼的非金属元素，再结合A的原子序数大于B，且B原子的最外层电子数为A原子最外层电子数的3倍，推断出A是Mg元素，B是O元素。MgO和NaF虽然离子半径差别不大，但MgO中离子所带电荷较多，离子键强。
钾和碘的相关化合物在化工、医药、材料等领域有着广泛的应用。回答下列问题：
(1)元素K的焰色反应呈紫红色，其中紫色对应的辐射波长为_______nm（填标号）。
A．404.4 B．553.5 C．589.2 D．670.8 E．766.5
(2)基态K原子中，核外电子占据最高能层的符号是_________，占据该能层电子的电子云轮廓图形状为___________。K和Cr属于同一周期，且核外最外层电子构型相同，但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低，原因是___________________________。
(3)X射线衍射测定等发现，I3AsF6中存在离子。离子的几何构型为_____________，中心原子的杂化形式为________________。
(4)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料，具有钙钛矿型的立方结构，边长为a=0.446 nm，晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置，如图所示。K与O间的最短距离为______nm，与K紧邻的O个数为__________。
(5)在KIO3晶胞结构的另一种表示中，I处于各顶角位置，则K处于______位置，O处于______位置。
【答案】（1）A （2）N 球形 K的原子半径较大且价电子数较少，金属键较弱
（3）V形 sp3 （4）0.315 12 （5）体心 棱心
【解析】（1）紫色波长400 nm～435 nm，因此选项A正确。（2）K位于第四周期IA族，电子占据最高能层是第四层，即N层，最后一个电子填充在s能级上，电子云轮廓图为球形；K的原子半径大于Cr的半径，且价电子数较少，金属键较弱，因此K的熔点、沸点比Cr低。（3）I3+与OF2互为等电子体，OF2属于V形，因此I3+几何构型为V形，其中心原子的杂化类型为sp3。（4）根据晶胞结构，K与O间的最短距离是面对角线的一半，即为nm＝0.315nm，根据晶胞的结构，距离K最近的O的个数为12个。（5）根据KIO3的化学式，以及晶胞结构，可知K处于体心，O处于棱心。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
21世纪教育网(www.21cnjy.com)