第三节 金属晶体
教学建议
利用【新知导学·夯基础】,帮助学生进行知识梳理,形成知识体系;通过“练一练”,解决学生存在的难点、障碍点和辨析清相关的概念等问题。
以金属延展性示意图为依据,结合思考题,探究金属键及其影响因素,并据此解释金属物理性质。通过例题和变式训练巩固基础知识。
利用金属堆积方式示意图,进一步探究金属的堆积原理,并比较几种不同堆积模型空间利用率之间的关系。通过例题和变式训练巩固基础知识。
参考资料
记忆合金
记忆合金在外力作用下会产生变形,当把外力去掉,在一定的温度条件下,能恢复原来的形状。由于它具有百万次以上的恢复功能,因此叫作“记忆合金”。当然它不可能像人类大脑思维记忆,更准确地说应该称之为“记忆形状的合金”。此外,记忆合金还具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点,因此应用十分广泛。科学家们现在已经发现了几十种不同记忆功能的合金,比如钛镍合金、金镉合金、铜锌合金等。
形状记忆合金可以分为三种:
(1)单程记忆效应。
形状记忆合金在较低的温度下变形,加热后可恢复变形前的形状,这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
(2)双程记忆效应。
某些合金加热时恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。
(3)全程记忆效应。
加热时恢复高温相形状,冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状,称为全程记忆效应。第三节 金属晶体
课时演练·促提升
A组
1.金属键的强弱与金属价电子数多少有关,价电子数越多金属键越强,与金属阳离子的半径大小也有关,半径越大,金属键越弱。据此判断下列金属熔点逐渐升高的是( )
A.Li Na K B.Na Mg Al
C.Li Be Mg D.Li Na Mg
解析:金属熔点的高低与金属阳离子半径大小及金属价电子数有关。价电子数越多,阳离子半径越小,金属键越强。B项中三种金属在同一周期,价电子数分别为1、2、3,且半径由大到小,故熔点由高到低的顺序是Al>Mg>Na。
答案:B
2.下列各组物质中,按熔点由低到高的顺序排列正确的是( )
①O2、I2、Hg ②CO、Al、SiO2 ③Na、K、Rb ④Na、Mg、Al
A.①③ B.①④ C.②③ D.②④
解析:①中Hg在常温下为液态,而I ( http: / / www.21cnjy.com )2为固态,故①错;②中SiO2为原子晶体,其熔点最高,CO是分子晶体,其熔点最低,故②正确;③中Na、K、Rb价电子数相同,其阳离子半径依次增大,金属键依次减弱,熔点逐渐降低,故③错;④中Na、Mg、Al价电子数依次增多,离子半径逐渐减小,金属键依次增强,熔点逐渐升高,故④正确。
答案:D
3.下列叙述正确的是( )
A.金属受外力作用时常常发生变形而不易折断,这是由于金属原子之间有较强的作用
B.通常情况下,金属里的自由电子会发生定向移动而形成电流
C.金属是借助自由电子的运动,把能量从温度高的部分传到温度低的部分
D.金属的导电性随温度的升高而减弱
解析:金属受外力作用时常常发生变形 ( http: / / www.21cnjy.com )而不易折断,这是因为金属晶体中各层会发生相对滑动,但不会改变原来的排列方式,故A项不正确;金属里的自由电子要在外电场作用下才能发生定向移动产生电流,故B项不正确;金属的导热性是由于自由电子碰撞金属原子将能量进行传递,故C项不正确。
答案:D
4.几种晶体的晶胞如图所示:
( http: / / www.21cnjy.com )
所示晶胞从左到右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:第一种晶胞为体小立方堆积,钾、钠、铁等 ( http: / / www.21cnjy.com )金属采用这种堆积方式;第二种晶胞为六方最密堆积,镁、锌、钛等金属采用这种堆积方式;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.下列有关金属晶体判断正确的是( )
A.简单立方、配位数6、空间利用率68%
B.钾型、配位数6、空间利用率68%
C.镁型、配位数8、空间利用率74%
D.铜型、配位数12、空间利用率74%
解析:简单立方空间利用率为52%,故A项错;钾型配位数为8,故B项错;镁型配位数为12,故C项错。
答案:D
( http: / / www.21cnjy.com )
6.关于右图不正确的说法是( )
A.此种最密堆积为面心立方最密堆积
B.该种堆积方式称为铜型
C.该种堆积方式可用符号
……ABCABC……表示
D.该种堆积方式称为镁型
解析:从图示可看出,该堆积 ( http: / / www.21cnjy.com )方式的第一层和第四层重合,所以这种堆积方式属于铜型堆积,这种堆积方式可用符号“…ABCABC…”表示,属面心立方最密堆积,而镁属于六方堆积,所以选项D不正确。
答案:D
7.关于下列四种金属堆积模型的说法正确的是( )
( http: / / www.21cnjy.com )
A.图1和图4为非密置层堆积,图2和图3为密置层堆积
B.图1~图4分别是简单立方堆积、体心立方堆积、面心立方堆积、体心立方堆积
C.图1~图4每个晶胞所含有原子数分别为1、2、2、4
D.图1~图4堆积方式的空间利用率分别为52%、68%、74%、74%
解析:图1、图2为非密置 ( http: / / www.21cnjy.com )层堆积,图3、图4为密置层堆积,A项错误;图1~图4分别是简单立方堆积、体心立方堆积、面心立方堆积和六方最密堆积,B项错误;图1~图4每个晶胞所含有的原子数(利用均摊法计算)分别为1、2、4、2,C项错误;D项正确。
答案:D
8.某固体仅由一种元素组成,其密度为5.0 g·cm-3,用X-射线研究该固体的结构时得知:在边长1×10-7 cm的正方体中含有20个原子,则此元素的相对原子质量最接近下列数据中的( )
A.32 B.120 C.150 D.180
解析:M=Vm·ρ=×6.02×1023 mol-1×5.0 g·cm-3≈150 g·mol-1,故Mr=150。
答案:C
9.C、Si、Ge、Sn是同族元素,该族元素单质及其化合物在材料、医药等方面有重要应用,请回答下列问题:
(1)Ge原子的核外电子排布式为 。
(2)C、Si、Sn三种元素的单质中,能够形成金属晶体的是 。
(3)按要求指出下列氧化物的空间构型、成键方式或性质。
①CO2分子的空间构型及碳氧之间的成键方式 ;
②SiO2晶体的空间构型及硅氧之间的成键方式 。
解析:(1)Ge与碳同族且属第四周期, ( http: / / www.21cnjy.com )因此其电子排布式可写为1s22s22p63s23p63d104s24p2。(2)C、Si、Sn中Sn是金属元素,故其单质为金属晶体。(3)①CO2分子为直线形,碳氧原子之间以共价键(σ键与π键)结合。②Si—O通过共价键形成四面体结构,四面体之间又通过共价键形成空间网状结构而构成原子晶体,成键方式为共价键。
答案:(1)1s22s22p63s23 ( http: / / www.21cnjy.com )p63d104s24p2 (2)Sn (3)①直线形;共价键(σ键与π键) ②Si—O通过共价键形成四面体结构,四面体之间通过共价键形成空间网状结构;共价键(σ键)
10.金晶体的最小重复单元(也称晶 ( http: / / www.21cnjy.com )胞)是面心立方体,如图所示,即在立方体的8个顶点各有一个金原子,各个面的中心有一个金原子,每个金原子被相邻的晶胞所共有。金原子的直径为d,用NA表示阿伏加德罗常数的值,M表示金的摩尔质量。
(1)金晶体的每个晶胞中含有 个金原子。
(2)欲计算一个金晶胞的体积,除假定金原子是刚性小球外,还应假定 。
(3)一个晶胞的体积是 。
(4)金晶体的密度是 。
解析:(1)由题中对金晶体晶胞的叙述,可求出每个晶胞中所拥有的金原子个数,即8×+6×=4。
(2)金原子的排列是紧密堆积形式的,每个面心的原子和四个顶点的原子要相互接触。
(3)右图是金晶体中原子之间相互位置关系的平面图,AC为金原子直径的2倍,AB为立方体的边长,由图可得,立方体的边长为d,所以一个晶胞的体积为(d)3=2d3。
(4)一个晶胞的质量等于4个金原子的质量,所以ρ=。
答案:(1)4 (2)每个面心的原子和四个顶点的原子相互接触 (3)2d3 (4)
B组
1.下列关于金属晶体的叙述正确的是( )
A.用铂金做首饰不能用金属键理论解释
B.固态和熔融时易导电,熔点在1 000 ℃左右的晶体可能是金属晶体
C.Al、Na、Mg的熔点逐渐升高
D.温度越高,金属的导电性越好
解析:A项,用铂金做首饰利用了金属晶体的延展性,能用金属键理论解释。B项,金属晶体在固态和熔融时能导电,其熔点差异很大,故题设条件下的晶体可能是金属晶体。C项,一般来说,金属中单位体积内自由电子的数目越多,金属元素的原子半径越小,金属键越强,故金属键的强弱顺序为Al>Mg>Na,其熔点的高低顺序为Al>Mg>Na。D项,金属的导电性随温度的升高而降低,温度越高,其导电性越差。
答案:B
2.下列有关金属元素特征的叙述中正确的是( )
A.金属元素的原子只有还原性,离子只有氧化性
B.金属元素在化合物中一定显正价
C.金属元素在不同化合物中的化合价均不同
D.金属单质的熔点总是高于分子晶体
解析:金属在化合物中一定显正价,B项正确 ( http: / / www.21cnjy.com );金属元素的原子只有还原性,但离子如Fe2+既有氧化性,又有还原性,A项错误;金属元素有的是变价元素,有的化合价没变化,C项错误;金属晶体的熔沸点差距较大,有些金属晶体的熔沸点很低,如Hg在常温下是液体,D项错误。
答案:B
3.物质结构理论推出:金属键越强,其 ( http: / / www.21cnjy.com )金属的硬度越大,熔点越高。且研究表明,一般来说,金属阳离子半径越小,所带电荷越多,则金属键越强,由此判断下列说法错误的是( )
A.硬度:Mg>Al B.熔点:Mg>Ca
C.硬度:Mg>K D.熔点:Ca>K
解析:根据金属的物理性质与金属键的强弱进行分析。
根据题目所给信息,镁和铝原子的电子层数 ( http: / / www.21cnjy.com )相同,价电子数:Al>Mg,离子半径:Al3+
Mg2+,金属键:Mg>Ca,镁的熔点高于钙,所以B项正确。用以上比较方法推出,价电子数: Mg>K,离子半径:Mg2+K,镁的硬度大于钾,所以C项正确。钙和钾元素位于同一周期,价电子数:Ca>K,离子半径:K+>Ca2+,金属键:Ca>K,钙的熔点高于钾,所以D项正确。
答案:A
4.金属钠晶体为体心立方晶胞, ( http: / / www.21cnjy.com )实验测得钠的密度为ρ(g·cm-3)。已知钠的相对原子质量为a,阿伏加德罗常数为NA(mol-1),假定金属钠原子为等径的刚性小球且处于体对角线上的三个球相切。则钠原子的半径r(cm)为( )
A. B.
C. D.
解析:该晶胞中实际含钠原子2个,晶胞边长为,则ρ=,进一步化简后可得答案。
答案:C
5.下列说法中正确的是( )
A.BF3和NF3的立体构型都为平面三角形
B.互为手性异构体的分子的化学式相同
C.熔点:Na-K合金<氯化钠<钠 金刚石
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:NF3为三角锥形分子,A项错误; ( http: / / www.21cnjy.com )互为手性异构体的分子,其化学式相同,只是立体结构不同,B项正确;合金的熔点比成分金属的低,钠的熔点低于氯化钠,故熔点顺序为Na-K合金<钠<氯化钠 金刚石,C项错误;六方最密堆积和面心立方最密堆积的空间利用率均为74%,D项错误。
答案:B
6.有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示,下列有关说法正确的是( )
( http: / / www.21cnjy.com )
A.①为简单立方堆积,②为镁型,③为钾型,④为铜型
B.每个晶胞含有的原子数分别为①1个,②2个,③2个,④4个
C.晶胞中原子的配位数分别为①6,②8,③8,④12
D.空间利用率的大小关系为①<②<③<④
解析:①为简单立方堆积,②为钾型,③为镁型 ( http: / / www.21cnjy.com ),④为铜型,②与③判断有误,A项错误;每个晶胞含有的原子数分别为①8×=1,②8×+1=2,③8×+1=2,④8×+6×=4,B项正确;晶胞③中原子的配位数应为12,其他判断正确,C项不正确;四种晶体的空间利用率分别为52%、68%、74%、74%,所以D项不正确,应为④=③>②>①,
答案:B
7.铜在我国有色金属材料的消费中仅次于铝,广泛地应用于电气、机械制造、国防等领域。回答下列问题:
(1)铜原子基态电子排布式为 ;
(2)用晶体的X射线衍射法可以测得阿伏加德罗常数。对金属铜的测定得到以下结果:晶胞为面心立方最密堆积,边长为361 pm。又知铜的密度为9.00 g·cm-3,则铜晶胞的体积是 cm3、晶胞的质量是 g,阿伏加德罗常数为 [列式计算,已知Ar(Cu)=63.6];
(3)氯和钾与不同价态的铜可 ( http: / / www.21cnjy.com )生成两种化合物,这两种化合物都可用于催化乙炔聚合,其阴离子均为无限长链结构(如下图),a位置上Cl原子的杂化轨道类型为 。已知其中一种化合物的化学式为KCuCl3,另一种的化学式为 ;
(4)金属铜单独与氨水或单独与过氧化氢 ( http: / / www.21cnjy.com )都不能反应,但可与氨水和过氧化氢的混合溶液反应,其原因是 ,反应的化学方程式为 。
答案:(1)1s22s22p63s23p63d104s1
(2)4.70×10-23 4.23×10-22
NA==6.01×1023 mol-1
(3)sp3 K2CuCl3
(4)过氧化氢为氧化剂,氨与Cu形成配离子,两者相互促进使反应进行 Cu+H2O2+4NH3Cu(NH3+2OH-
8.(2014山东理综)石墨烯(图甲)是一种由单层碳原子构成的平面结构新型碳材料,石墨烯中部分碳原子被氧化后,其平面结构会发生改变,转化为氧化石墨烯(图乙)。
( http: / / www.21cnjy.com )
(1)图甲中,1号C与相邻C形成σ键的个数为 。
(2)图乙中,1号C的杂化方式是 ,该C与相邻C形成的键角 (填“>”“<”或“=”)图甲中1号C与相邻C形成的键角。
(3)若将图乙所示的氧化石墨烯分散在H2O中,则氧化石墨烯中可与H2O形成氢键的原子有 (填元素符号)。
(4)石墨烯可转化为富勒烯(C60),某金属M与C60可制备一种低温超导材料,晶胞如图丙所示,M原子位于晶胞的棱上与内部。该晶胞中M原子的个数为 ,该材料的化学式为 。
( http: / / www.21cnjy.com )
图丙
解析:(1)两个成键原子间有且只有一个σ键,1号C与周围3个碳原子形成3个σ键。
(2)图乙中,1号C形成了4个σ键,杂 ( http: / / www.21cnjy.com )化方式为sp3,形成四面体结构,1号C与相邻C形成的键角为109.5°;而甲中1号C形成平面三角形结构,1号C与相邻C形成的键角为120°,因此图乙中的键角小。
(3)氧化石墨烯中的氧原子与H2O中的氢原子,氧化石墨烯中的氢原子与H2O中的氧原子都可以形成氢键。
(4)棱上有12个M原子,内部有9个,晶 ( http: / / www.21cnjy.com )胞中M原子的个数为12×+9=12,C60位于晶胞的顶点和面心上,其个数为8×+6×=4,化学式为M3C60。
答案:(1)3
(2)sp3 <
(3)O、H
(4)12 M3C60