3.1 金属键 金属晶体 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学苏教版（2020）选择性必修第二册

3.1　金属键　金属晶体
【学习目标】
1.理解金属键的实质,知道影响金属键强弱的因素,并能用金属键理论解释金属的典型性质。
2.了解晶体、晶胞的概念,能借助模型说明常见金属晶体中晶胞的构成,并能用均摊法分析晶胞组成。
【合作探究】
任务1　金属键与金属特性
【学习情境】
我们熟悉的金属的物理性质既有一定的相似性,如导电性、导热性、延展性,也有很大的差异性,如金属钨的熔点达到3390 ℃,而金属汞的熔点为-39 ℃。你知道金属为什么具有这些物理性质吗 形成金属晶体的作用力是什么 金属晶体又是如何构成的
【新知生成】
1.金属键
(1)概念:　　　　　　与　　　　　　之间强烈的相互作用。
(2)成键微粒:　　　　　　和　　　　　　。
(3)存在:存在于　　　　　　和合金中。
(4)影响金属键强弱的因素:金属元素的原子半径越　　　,单位体积内自由电子的数目越　　　　,金属键越强。
(5)金属的原子化热:是指　　　　 mol金属固体完全气化成相互远离的气态原子时吸收的能量。意义:衡量金属键的强弱,金属的原子化热数值越大,金属键越　　　　。
(6)金属键的强弱对金属单质物理性质的影响:金属键越强,金属晶体的熔、沸点越　　,硬度越　　　　。
2.金属的物理特性分析
(1)导电性:金属中的　　　　可以在外加电场作用下发生定向移动,从而形成电流。
(2)导热性:通过　　　　　　的运动把能量从温度高的区域传到温度低的区域,从而使整块金属达到同样的温度。
(3)延展性:金属键　　　　方向性,当金属受到外力作用时,金属中的各原子层发生相对滑动,各层金属原子之间仍然保持　　　　的作用,金属发生形变,表现出良好的延展性。
【答案】1.(1)金属离子　自由电子　(2)金属阳离子 自由电子　(3)金属单质　(4)小　多　(5)1　强　(6)高　大
2.(1)自由电子　(2)自由电子　(3)没有　金属键
【核心突破】
　　典例1　下列关于金属键的叙述中,不正确的是 (　　)
A.金属键是金属阳离子和自由电子这两种带异性电荷的微粒间强烈的相互作用,是一种电性作用
B.金属键可以看作是许多原子共用许多电子所形成的强烈的相互作用,有方向性和饱和性
C.金属键是带异性电荷的金属阳离子和自由电子间的强烈的相互作用,故金属键无饱和性和方向性
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】从基本构成微粒的性质看,金属键属于电性作用,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,为整个金属的所有阳离子所共有,从这个角度看,金属键无方向性和饱和性。
　　典例2　金属的下列性质中与金属键无关的是 (　　)
A.良好的导电性
B.反应中易失电子
C.良好的延展性
D.良好的导热性
【答案】B
【解析】导电性、延展性、导热性都是金属共有的物理性质,这些性质都是由金属键所决定的,金属易失电子是由原子的结构决定的,所以和金属键无关。
归纳总结　1.自由电子不是专属于某个特定的金属阳离子,即每个金属阳离子均可享有所有的自由电子,但都不可能独占某个或某几个自由电子,电子在整块金属中自由运动。
2.金属晶体熔、沸点高低及硬度大小的比较方法:
　　训练1　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】当玻璃被击碎时,与金属线相连的警报系统就会立即报警,说明当玻璃被击碎时,形成闭合回路,利用了金属的导电性。
　　训练2　下列对各组物质性质的比较中,正确的是 (　　)
A.熔点:LiMg
C.密度:Na>Mg>Al D.硬度:Mg【答案】B
【解析】Li—Na—K,金属键减弱,熔点降低,A项错误;Na—Mg—Al,密度逐渐增大,C项错误;Mg的半径小于K,外围电子数Mg的多于K,Mg的金属键强于K,硬度:Mg>K,D项错误。
任务2　金属晶体
【学习情境】
晶胞与晶体就好比砖块与墙、蜂室与蜂巢的关系。
【新知生成】
1.概念
(1)晶体:内部粒子(原子、离子或分子)在空间呈现有规则重复排列,外观具有　　　　　　的固体物质。
(2)晶胞:能够反映晶体结构特征的　　　　　　　　　。
2.金属晶体的常见堆积方式
(1)金属原子在二维平面中放置的两种方式: 　　　　、　　　　。
(2)金属晶体的原子在三维空间里的4种堆积模型:
堆积方式 实例
　　　堆积 钋
　　　堆积 钠、钾、铬、钼、钨等
　　　堆积 金、银、铜、铅等
　　　堆积 镁、锌、钛等
　　3.均摊法分析晶胞的组成
(1)均摊法:指在一个晶胞中按比例均摊出该晶胞中的每个粒子的个数,如某个粒子为n个晶胞所共有,则该粒子有　　　　属于该晶胞。
(2)长方体形(正方体形)晶胞中不同位置原子数的计算:
处在立方体顶点的金属原子为　　个晶胞所共享,处于立方体棱上的金属原子为　　个晶胞所共享,处于立方体面上的金属原子为　　　　　个晶胞所共享,处于立方体体心的金属原子　　　　属于该晶胞。
4.合金的组成和性质
(1)组成:一种金属与另一种或几种金属(或非金属)的融合体。
(2)性质:多数合金的熔点比它的成分金属的熔点要 　　　　,而强度和硬度比它的成分金属要　　　　。
【答案】1.(1)规则几何外形　(2)基本重复单位
2.(1)非密置层　密置层　(2)简单立方　体心立方 面心立方　六方
3.(1)　(2)8　4　2　完全
4.(2)低　大
【核心突破】
　　典例3　最近发现,只含镁、镍和碳三种元素的晶体竟然也具有超导性。鉴于这三种元素都是常见元素,从而该晶体引起了广泛关注。该新型超导材料的一个晶胞(碳原子用小球“”表示,镍原子用小球“”表示,镁原子用大球“”表示)如图所示,则该晶体的化学式为 (　　)
A.Mg2CNi3 　 B.MgC2Ni　 C.MgCNi2　 D.MgCNi3
【答案】D
【解析】根据该晶体的结构知该晶胞内Mg原子个数为8×=1,C原子个数为1,Ni原子个数为6×=3,所以该晶体的化学式为MgCNi3。
　　典例4　完成下列各小题:
(1)元素铜的一种氯化物晶体的晶胞结构如图所示,则该氯化物的化学式是　　　。
(2)Cu2O为半导体材料,在其立方晶胞内部有4个氧原子,其余氧原子位于面心和顶点,则该晶胞中有　　个铜原子。
(3)某晶体晶胞结构模型如下图所示,则该晶体的化学式是　　　　　　　,在晶体中1个Ti原子、1个Co原子周围距离最近的O原子数目分别为　　　　个、　　　　个。
【答案】(1)CuCl　(2)16　(3)CoTiO3　6　12
【解析】(1)晶胞中灰球代表的微粒有4个,白球代表的微粒有6×+8×=4个,所以化学式为CuCl。
(2)晶胞中含氧原子个数为×8+×6+4=8,则该晶胞中铜原子数目是氧原子的2倍,即16个。
(3)晶胞中含O:6×=3个,含Co:8×=1个,含Ti:1个,故化学式为CoTiO3。Ti原子位于晶胞的中心,其周围距离最近的O原子位于6个面的中心,所以周围距离最近的O原子数目为6个;Co原子位于晶胞的顶点,O原子位于晶胞的面心,所以Co原子周围距离最近的O原子数目为12个。
归纳总结　1.长方体形(正方体形)晶胞中不同位置的粒子数的计算:
2.六棱柱晶胞中不同位置的粒子数的计算:
　　训练3　某晶体的晶胞为如图所示的正三棱柱,该晶体中X、Y、Z三种微粒数之比是 (　　)
A.3∶9∶4 B.1∶4∶2 C.2∶9∶4 D.3∶8∶4
【答案】B
【解析】题图中是1个正三棱柱结构的晶胞,它分摊到的微粒为顶点微粒的,底面棱上微粒的,侧面棱上微粒的及内部的所有微粒,X都在顶点上,6个Y在顶面和底面棱上,3个Y在侧面棱上,Z位于内部,所以X、Y、Z三种微粒数之比为∶∶1=1∶4∶2。　
　　训练4　铁镁合金是目前已发现的储氢密度较高的储氢材料之一,其晶胞结构如图所示(黑球代表Fe,白球代表Mg)。则铁镁合金的化学式为　　　　　　　。
【答案】Mg2Fe
【解析】依据均摊规则,晶胞中共有8×+6×=4个铁原子,8个镁原子,故化学式为Mg2Fe。
课堂小结
【随堂检测】
1.下列说法正确的是 (　　)
A.金属晶体具有良好的延展性与金属键无关
B.外围电子数越多的金属原子,对应元素的金属性越强
C.Na、Mg、Al的熔点逐渐降低
D.含有金属元素的离子不一定是阳离子
【答案】D
【解析】金属晶体具有良好的延展性是由于各原子层发生相对滑动,但金属键未被破坏,与金属键有关,A项错误;外围电子数多的金属原子,对应元素的金属性不一定强,如Fe的外围电子数比Na多,但Fe的金属性却没有Na强,B项错误;Na、Mg、Al的外围电子数依次增多,原子半径逐渐减小,金属键依次增强,熔点逐渐升高,C项错误;含有金属元素的离子不一定是阳离子,如Al是阴离子,D项正确。
2.有两种金属A和B,已知A、B在常温下均为固态,且A、B属于质软的轻金属,由A、B熔合而成的合金不可能具有的性质是 (　　)
A.导电、导热、延展性比纯A或B金属强
B.常温下为液态
C.硬度较大,可制造飞机
D.有固定的熔点和沸点
【答案】D
【解析】两种金属形成的合金为混合物,通常无固定组成,因此,其熔、沸点通常不固定。合金的熔点比组成它的金属单质低,如Na、K常温下为固体,而Na-K合金在常温下为液态。轻金属Mg-Al合金的硬度比Mg、Al高。
3.仔细观察右图,这种堆积方式是 (　　)
A.体心立方
B.简单立方
C.六方
D.面心立方
【答案】B
【解析】题图所示的堆积方式为简单立方堆积,该堆积方式的空间利用率最低,只有52%,配位数为6,所以B项正确。
4.金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式,如图所示,a、b、c分别代表这三种晶胞的结构,其晶胞a、b、c内金属原子个数比为 (　　)
a　b　c
A.3∶2∶1 B.11∶8∶4 C.9∶8∶4 D.21∶14∶9
【答案】A
【解析】a晶胞中,顶点的微粒被6个晶胞共用,所以a中原子个数为12×+2×+3=6;b中原子个数为8×+6×=4;c中原子个数为8×+1=2。
5.东晋《华阳国志·南中志》卷四中已有关于白铜的记载,云南镍白铜(铜镍合金)闻名中外,曾主要用于造币,亦可用于制作仿银饰品。回答下列问题:
(1)基态Ni原子的电子排布式为　 ;
Ni2+与Cu2+的3d能级上未成对电子数之比为 　　　　　　。
(2)单质铜及镍都是由　　　　键形成的晶体。
(3)Cu、N两元素形成的某种化合物的晶胞结构如图所示。该化合物的化学式为　　　　。
【答案】(1)1s22s22p63s23p63d84s2{或[Ar]3d84s2}　2∶1　(2)金属　(3)Cu3N
【解析】(3)晶胞中Cu原子数目为12×=3,N原子数目为×8=1,该化合物的化学式为Cu3N。
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