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第三节 金属晶体与离子晶体
第1课时 金属晶体 离子晶体
1.知道金属键的特点,能利用金属键、电子气理论解释金属的一些物理性质。2.借助离子晶体模型认识离子晶体的结构和性质。能利用离子键的有关理论解释离子晶体的物理性质。3.通过对离子晶体模型的认识,理解离子晶体的结构特点,预测其性质。
金属键与金属晶体
知识点1
1.金属键
(1)概念:金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用。
(2)成键粒子: 和 。
(3)成键条件: 或 。
(4)成键本质。
电子气理论:金属原子脱落下来的 形成遍布整块晶体的“电子气”,被所有原子共用,从而把 维系在一起,形成像共价晶体一样的“巨分子”。
金属阳离子
自由电子
金属单质
合金
价电子
所有的金属原子
方向
(5)特征。
晶体中存在所有金属阳离子与所有自由电子之间“弥漫”的电性作用,故金属键没有 性和 性。
(6)影响因素。
①金属元素的原子半径:一般而言,金属元素的原子半径越小,金属键越强。
②金属原子价电子数:一般而言,金属元素的价电子数越多,金属键越强。
饱和
2.金属晶体
(1)概念:通过金属阳离子与 之间的较强作用形成的单质晶体,叫做金属晶体。
(2)结构:好像很多硬球一层一层很紧密地堆积,每一个金属原子的周围有较多相同的原子围绕着。
自由电子
(3)用电子气理论解释金属的物理性质。
相对滑动
不变
电子气
定向移动
降低
碰撞
[深度思考]
金属导电与电解质溶液导电的比较:
自由电子
项目 运动的粒子 过程中发生的变化 温度的影响
金属导电 升温,导电性
电解质溶液导电 升温,导电性
物理变化
减弱
阴、阳离子
化学变化
增强
3.金属晶体熔点的变化规律
下表给出了部分金属的相关数据:
金属 Na Mg Al Cr
原子价层电子排布式 3s1 3s2 3s23p1 3d54s1
原子半径/pm 186 160 143.1 124.9
熔点/℃ 97.72 651 660 1 907
金属元素的原子半径越小,价电子数越多,则金属键越强,金属的熔、沸点就越高,一般存在以下规律:
(1)同周期金属元素的单质,从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点逐渐 。
(2)同主族金属元素的单质,从上到下(如碱金属)熔、沸点逐渐 。
(3)合金的熔、沸点比其各成分金属的熔、沸点 。
(4)金属晶体熔点差别很大,如汞常温下为液体,熔点很低(-38.9 ℃),而金属铁熔点很高(1 535 ℃)。
升高
降低
低
1.判断正误。
(1)任何晶体中,若含有阳离子,则一定含有阴离子。( )
(2)金属键没有方向性和饱和性,金属中的电子在整个三维空间运动,属于整个金属。( )
(3)金属受外力作用时常常发生形变而不易折断是由于金属原子之间有较强的作用。( )
(4)共价晶体的熔点一定比金属晶体的高,分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。( )
(5)有金属光泽的一定属于共价晶体。( )
×
×
×
√
×
2.如图是金属晶体内部电子气理论图:
电子气理论可以用来解释金属的性质,下列说法正确的是( )
[A]金属能导电是因为金属阳离子在外加电场作用下定向移动
[B]金属能导热是因为自由电子在热的作用下相互碰撞,从而发生热的传导
[C]金属具有延展性是因为在外力的作用下,晶体中的各原子层间会出现相对滑动,但自由电子可以起到润滑的作用,使金属不会断裂
[D]合金与纯金属相比,由于增加了不同的金属或非金属,使电子数目增多,所以合金的延展性比纯金属的强,硬度比纯金属的小
C
【解析】 金属能导电是因为自由电子在外加电场作用下定向移动,A项错误;金属能导热是因为自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞,从而发生热的传导,B项错误;合金与纯金属相比,由于增加了不同的金属或非金属,相当于填补了金属阳离子之间的空隙,所以一般情况下合金的延展性比纯金属的弱,硬度比纯金属的大,D项错误。
3.下列金属熔点逐渐降低的是( )
[A]K>Na>Li [B]Be>Mg>Ca [C]Na>Mg>Al [D]Mg>Be>Li
【解析】 金属晶体的熔点受金属键强弱的影响,金属原子半径越小,价电子数越多,金属键越强,熔点越高。K、Na、Li原子半径依次减小,价电子数相同,金属键依次增强,熔点依次升高,A错误;Be、Mg、Ca原子半径依次增大,价电子数相同,金属键依次减弱,熔点依次降低,B正确;Na、Mg、Al原子半径依次减小,价电子数依次增多,金属键依次增强,熔点依次升高,C错误;Mg、Be金属键依次增强,熔点依次升高,Li价电子数少,金属键弱,熔点最低,D错误。
B
离子晶体
知识点2
1.结构特点
(1)构成粒子: 和 。
(2)作用力: 。
(3)配位数:一个离子周围最邻近的异电性离子的数目。
(4)特征:离子晶体中离子键没有方向性和饱和性,但每个阴(阳)离子的配位数 。
特别提醒:大量离子晶体的阴离子或阳离子不是单原子离子,有的还存在电中性分子。离子晶体中不仅有离子键还存在共价键、氢键等。
阳离子
阴离子
离子键
一定
2.常见的离子晶体
6
晶体类型 NaCl CsCl
晶胞
阳离子的配位数
阴离子的配位数
晶胞中所含离子数 Cl-:
Na+: Cs+:
Cl-:
8
6
8
4
4
1
1
[深度思考1]
常温时,判断氯化钠的分子式是否为NaCl,并说明理由:
。
否;常温时,氯化钠是离子晶体,是由离子构成的,没有单个分子,NaCl表示氯化钠中离子个数比
3.离子晶体的特性
不导电
性质 规律
熔、沸点 较高,且离子键越强,熔点越高(离子所带电荷数越多,离子半径越小,离子键越强)
溶解性 一般易溶于水,难溶于非极性溶剂
导电性 固态时 ,熔融状态或在水溶液中
导电
[深度思考2]
(1)NaCl的熔点为801 ℃,CsCl的熔点为645℃,试解释其原因:
。
(2)离子晶体不导电,而溶于水或在熔融状态下能导电,试解释其原因:
。
Na+、Cs+所带电荷一样,但Na+的半径小于Cs+的半径,NaCl中的离子键强于CsCl中的离子键,所以NaCl的熔点高于CsCl的熔点
晶体中阴、阳离子以离子键结合,离子不能自由移动,故不导电;离子晶体溶于水或在熔融状态下,离子键被破坏,产生了自由移动的离子,故能导电
1.判断正误。
(1)金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体。( )
(2)含阴离子的晶体一定含有金属离子。( )
(3)NaCl晶体中每个Na+周围有6个距离最近且相等的Na+。( )
(4)固态不能导电,水溶液能导电的晶体一定是离子晶体。( )
(5)熔融状态能导电的晶体一定是离子晶体。( )
(6)离子晶体受热熔化,破坏化学键,吸收能量,属于化学变化。( )
×
×
√
×
×
×
2.下列关于Na、Cs的化合物的说法错误的是( )
[A]NaCl为离子化合物,可推知CsCl也为离子化合物
[B]NaCl与CsCl相比,NaCl熔点更高
[C]NaCl与CsCl晶体中Cl-的配位数分别为6和 8
[D]NaCl与CsCl都属于AB型的离子晶体,所以阳离子与阴离子的半径比相同
D
【解析】 Cs与Na是同一主族元素,元素的金属性Cs>Na,若NaCl为离子化合物,可推知CsCl也为离子化合物,A正确;由于Na+半径比Cs+半径小,NaCl中的离子键比CsCl中的离子键强,离子键越强,断裂离子键消耗的能量就越高,物质的熔点就越高,所以NaCl的熔点比CsCl高,B正确;NaCl是离子晶体,1个Na+被6个Cl-吸引,1个Cl-被 6个 Na+吸引,所以NaCl晶体中Cl-的配位数为6,在CsCl晶体中,1个Cs+被8个Cl-吸引,1个Cl-被8个Cs+吸引,所以CsCl晶体中Cl-的配位数为8,C正确;Na+半径比Cs+半径小,则NaCl晶体和CsCl晶体中阳离子与阴离子的半径比不相等,D错误。
3.下列叙述正确的是( )
[A]离子晶体中,只存在离子键,不可能存在其他化学键
[B]共价晶体中,只存在共价键;稀有气体的原子能形成分子晶体
[C]NaHSO4、Na2O晶体中的阴、阳离子个数比均为1∶2
[D]阴、阳离子通过静电引力而形成的化学键叫离子键
B
4.下列有关离子晶体的数据大小比较错误的是( )
[A]硬度:MgO>CaO
[B]离子键的强度:NaF>NaCl
[C]阴离子的配位数:CsCl>NaCl
[D]熔点:NaF>MgF2
D
【解析】 r(Mg2+)A正确;阳离子都是Na+,阴离子所带电荷数相同,r(F-)r(Mg2+),且Na+、Mg2+所带电荷数依次增大,离子半径逐渐减小,所以NaF、MgF2的离子键强度依次增大,故熔点依次升高,D错误。
5.根据CsCl的晶胞结构分析,CsCl晶体中两距离最近的Cs+间距离为a,则每个Cs+周围与其距离为a的 Cs+数目为 ;每个Cs+周围距离相等且次近的Cs+数目为 ,距离为 ; 每个Cs+周围距离相等且第三近的Cs+数目为
,距离为 ;每个Cs+周围紧邻且等距的Cl-数目为 。
6
12
8
8第三节 金属晶体与离子晶体
第1课时 金属晶体 离子晶体
[学习目标] 1.知道金属键的特点,能利用金属键、电子气理论解释金属的一些物理性质。2.借助离子晶体模型认识离子晶体的结构和性质。能利用离子键的有关理论解释离子晶体的物理性质。3.通过对离子晶体模型的认识,理解离子晶体的结构特点,预测其性质。
知识点1 金属键与金属晶体
1.金属键
(1)概念:金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用。
(2)成键粒子:金属阳离子和自由电子。
(3)成键条件:金属单质或合金。
(4)成键本质。
电子气理论: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,形成像共价晶体一样的“巨分子”。
(5)特征。
晶体中存在所有金属阳离子与所有自由电子之间“弥漫”的电性作用,故金属键没有方向性和饱和性。
(6)影响因素。
①金属元素的原子半径:一般而言,金属元素的原子半径越小,金属键越强。
②金属原子价电子数:一般而言,金属元素的价电子数越多,金属键越强。
2.金属晶体
(1)概念:通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体,叫做金属晶体。
(2)结构:好像很多硬球一层一层很紧密地堆积,每一个金属原子的周围有较多相同的原子围绕着。
(3)用电子气理论解释金属的物理性质。
[深度思考]
金属导电与电解质溶液导电的比较:
项目 运动的粒子 过程中发 生的变化 温度的影响
金属 导电 升温,导电性
电解质 溶液 导电 升温,导电性
【答案】 自由电子 物理变化 减弱 阴、阳离子 化学变化 增强
3.金属晶体熔点的变化规律
下表给出了部分金属的相关数据:
金属 Na Mg Al Cr
原子价层电子排布式 3s1 3s2 3s23p1 3d54s1
原子半径/pm 186 160 143.1 124.9
熔点/℃ 97.72 651 660 1 907
金属元素的原子半径越小,价电子数越多,则金属键越强,金属的熔、沸点就越高,一般存在以下规律:
(1)同周期金属元素的单质,从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点逐渐升高。
(2)同主族金属元素的单质,从上到下(如碱金属)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,如汞常温下为液体,熔点很低(-38.9 ℃),而金属铁熔点很高(1 535 ℃)。
1.判断正误。
(1)任何晶体中,若含有阳离子,则一定含有阴离子。( × )
(2)金属键没有方向性和饱和性,金属中的电子在整个三维空间运动,属于整个金属。( √ )
(3)金属受外力作用时常常发生形变而不易折断是由于金属原子之间有较强的作用。( × )
(4)共价晶体的熔点一定比金属晶体的高,分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。( × )
(5)有金属光泽的一定属于共价晶体。( × )
2.如图是金属晶体内部电子气理论图:
电子气理论可以用来解释金属的性质,下列说法正确的是( )
[A]金属能导电是因为金属阳离子在外加电场作用下定向移动
[B]金属能导热是因为自由电子在热的作用下相互碰撞,从而发生热的传导
[C]金属具有延展性是因为在外力的作用下,晶体中的各原子层间会出现相对滑动,但自由电子可以起到润滑的作用,使金属不会断裂
[D]合金与纯金属相比,由于增加了不同的金属或非金属,使电子数目增多,所以合金的延展性比纯金属的强,硬度比纯金属的小
【答案】 C
【解析】 金属能导电是因为自由电子在外加电场作用下定向移动,A项错误;金属能导热是因为自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞,从而发生热的传导,B项错误;合金与纯金属相比,由于增加了不同的金属或非金属,相当于填补了金属阳离子之间的空隙,所以一般情况下合金的延展性比纯金属的弱,硬度比纯金属的大,D项错误。
3.下列金属熔点逐渐降低的是( )
[A]K>Na>Li [B]Be>Mg>Ca
[C]Na>Mg>Al [D]Mg>Be>Li
【答案】 B
【解析】 金属晶体的熔点受金属键强弱的影响,金属原子半径越小,价电子数越多,金属键越强,熔点越高。K、Na、Li原子半径依次减小,价电子数相同,金属键依次增强,熔点依次升高,A错误;Be、Mg、Ca原子半径依次增大,价电子数相同,金属键依次减弱,熔点依次降低,B正确;Na、Mg、Al原子半径依次减小,价电子数依次增多,金属键依次增强,熔点依次升高,C错误;Mg、Be金属键依次增强,熔点依次升高,Li价电子数少,金属键弱,熔点最低,D错误。
知识点2 离子晶体
1.结构特点
(1)构成粒子:阳离子和阴离子。
(2)作用力:离子键。
(3)配位数:一个离子周围最邻近的异电性离子的数目。
(4)特征:离子晶体中离子键没有方向性和饱和性,但每个阴(阳)离子的配位数一定。
特别提醒:大量离子晶体的阴离子或阳离子不是单原子离子,有的还存在电中性分子。离子晶体中不仅有离子键还存在共价键、氢键等。
2.常见的离子晶体
晶体类型 NaCl CsCl
晶胞
阳离子的 配位数 6 8
阴离子的 配位数 6 8
晶胞中所 含离子数 Cl-:4 Na+:4 Cs+:1 Cl-:1
[深度思考1]
常温时,判断氯化钠的分子式是否为NaCl,并说明理由:
。
【答案】 否;常温时,氯化钠是离子晶体,是由离子构成的,没有单个分子,NaCl表示氯化钠中离子个数比
3.离子晶体的特性
性质 规律
熔、沸点 较高,且离子键越强,熔点越高(离子所带电荷数越多,离子半径越小,离子键越强)
溶解性 一般易溶于水,难溶于非极性溶剂
导电性 固态时不导电,熔融状态或在水溶液中导电
[深度思考2]
(1)NaCl的熔点为801 ℃,CsCl的熔点为645℃,试解释其原因:
。
(2)离子晶体不导电,而溶于水或在熔融状态下能导电,试解释其原因:
。
【答案】 (1)Na+、Cs+所带电荷一样,但Na+的半径小于Cs+的半径,NaCl中的离子键强于CsCl中的离子键,所以NaCl的熔点高于CsCl的熔点
(2)晶体中阴、阳离子以离子键结合,离子不能自由移动,故不导电;离子晶体溶于水或在熔融状态下,离子键被破坏,产生了自由移动的离子,故能导电
1.判断正误。
(1)金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体。( √ )
(2)含阴离子的晶体一定含有金属离子。( × )
(3)NaCl晶体中每个Na+周围有6个距离最近且相等的Na+。( × )
(4)固态不能导电,水溶液能导电的晶体一定是离子晶体。( × )
(5)熔融状态能导电的晶体一定是离子晶体。( × )
(6)离子晶体受热熔化,破坏化学键,吸收能量,属于化学变化。( × )
2.下列关于Na、Cs的化合物的说法错误的是( )
[A]NaCl为离子化合物,可推知CsCl也为离子化合物
[B]NaCl与CsCl相比,NaCl熔点更高
[C]NaCl与CsCl晶体中Cl-的配位数分别为6和 8
[D]NaCl与CsCl都属于AB型的离子晶体,所以阳离子与阴离子的半径比相同
【答案】 D
【解析】 Cs与Na是同一主族元素,元素的金属性Cs>Na,若NaCl为离子化合物,可推知CsCl也为离子化合物,A正确;由于Na+半径比Cs+半径小,NaCl中的离子键比CsCl中的离子键强,离子键越强,断裂离子键消耗的能量就越高,物质的熔点就越高,所以NaCl的熔点比CsCl高,B正确;NaCl是离子晶体,1个Na+被6个Cl-吸引,1个Cl-被 6个 Na+吸引,所以NaCl晶体中Cl-的配位数为6,在CsCl晶体中,1个Cs+被8个Cl-吸引,1个Cl-被8个Cs+吸引,所以CsCl晶体中Cl-的配位数为8,C正确;Na+半径比Cs+半径小,则NaCl晶体和CsCl晶体中阳离子与阴离子的半径比不相等,D错误。
3.下列叙述正确的是( )
[A]离子晶体中,只存在离子键,不可能存在其他化学键
[B]共价晶体中,只存在共价键;稀有气体的原子能形成分子晶体
[C]NaHSO4、Na2O晶体中的阴、阳离子个数比均为1∶2
[D]阴、阳离子通过静电引力而形成的化学键叫离子键
【答案】 B
【解析】 离子晶体中,一定存在离子键,可能存在其他化学键,如NaOH中含有离子键和共价键,A错误;共价晶体中,原子间以共价键结合,因此只存在共价键,而稀有气体的原子是稳定结构,因此一个原子就是一个分子,能形成分子晶体,B正确;NaHSO4的阳离子是Na+,阴离子是HS,晶体中的阴、阳离子个数比为1∶1,C错误;阴、阳离子通过静电作用而形成的化学键叫离子键,静电作用包括静电引力和静电斥力,D错误。
4.下列有关离子晶体的数据大小比较错误的是( )
[A]硬度:MgO>CaO
[B]离子键的强度:NaF>NaCl
[C]阴离子的配位数:CsCl>NaCl
[D]熔点:NaF>MgF2
【答案】 D
【解析】 r(Mg2+)r(Na+)>r(Mg2+),且Na+、Mg2+所带电荷数依次增大,离子半径逐渐减小,所以NaF、MgF2的离子键强度依次增大,故熔点依次升高,D错误。
5.根据CsCl的晶胞结构分析,CsCl晶体中两距离最近的Cs+间距离为a,则每个Cs+周围与其距离为a的 Cs+数目为 ;每个Cs+周围距离相等且次近的Cs+数目为 ,距离为 ; 每个Cs+周围距离相等且第三近的Cs+数目为 ,距离为 ;每个Cs+周围紧邻且等距的Cl-数目为 。
【答案】 6 12 a 8 a 8
【解析】 以题图的一个Cs+为基准,与其最近的Cs+分别位于其上、下、前、后、左、右六个方位,有6个;与其次近的Cs+的距离为a,在1个晶胞中有3个,而1个Cs+为8个晶胞共有,故有8×3×=12(个);与其第三近的Cs+的距离为a,每个晶胞中有1个,故有8个;与其紧邻且等距的Cl-有8个。
课时作业
(分值:51分)
(选择题,每小题3分)
对点训练
知识点1 金属键与金属晶体
1.下列有关金属键的叙述中,错误的是( )
[A]金属键没有饱和性和方向性
[B]金属元素的单质在常温下均为金属晶体
[C]金属键中的电子属于整块金属
[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】 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,A正确;金属汞常温下为液态,B错误;金属键中的电子属于整块金属,C正确;金属的性质及金属固体的形成都与金属键有关,D正确。
2.根据下列晶体的相关性质,判断可能属于金属晶体的是( )
选项 晶体的相关性质
[A] 由分子间作用力结合而成,熔点低
[B] 固态或熔融态时易导电,熔点在1 000 ℃左右
[C] 由共价键结合成共价键三维骨架结构,熔点高
[D] 固体不导电,但溶于水或熔融后能导电
【答案】 B
【解析】 由分子间作用力结合而成的晶体属于分子晶体,A错误;金属晶体中有自由电子,能导电,绝大多数金属在常温下为固体,熔点较高,所以固态或熔融态时易导电,熔点在
1 000 ℃ 左右的晶体可能属于金属晶体,B正确;相邻原子之间通过共价键结合形成的共价键三维骨架结构的晶体属于共价晶体,C错误;固体不导电,说明晶体中无自由移动的带电粒子,则不可能为金属晶体,D错误。
3.金晶体的晶胞为面心立方最密堆积(如图所示)。设金原子的直径为d,用NA表示阿伏加德罗常数,在立方体的各个面的对角线上3个金原子彼此两两相切,M表示金的摩尔质量。则下列说法错误的是( )
[A]金晶体每个晶胞中含有4个金原子
[B]金属键无方向性,金属原子尽可能采取密堆积
[C]一个晶胞的体积是16d3
[D]金晶体的密度是
【答案】 C
【解析】 因为金晶体的晶胞是面心立方最密堆积,故每个晶胞中含有金原子数为8×+6×
=4,A正确;金属键无方向性,金属原子尽可能采取密堆积,B正确;因为立方体的各个面的对角线上3个金原子彼此两两相切,则该小立方体的棱长为d,体积为2d3,C错误;金晶体的密度为=,D正确。
知识点2 离子晶体
4.下列性质中,可以较充分说明某晶体是离子晶体的是( )
[A]具有较高的熔点
[B]固态不导电,水溶液能导电
[C]可溶于水
[D]固态不导电,熔融状态能导电
【答案】 D
【解析】 SiO2晶体熔点较高,但不是离子晶体,A不符合题意;HCl晶体的水溶液能导电,但不是离子晶体,B不符合题意;有些晶体如固体氨能溶于水,但不属于离子晶体,C不符合题意;离子晶体固态时不能导电,在熔融状态时可导电,D符合题意。
5.(2025·广东汕头月考)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。下列关于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Ca2+构成的多面体是正六面体
[C]与Ca2+距离相同且最近的Ca2+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Ca2+只有4个(与拉长方向垂直的同一面上),4个 Ca2+构成的是正方形,B错误;以Ca2+为中心,与之等距离且最近的Ca2+是同一平面上的4个,C正确;该晶胞中含有Ca2+的个数为12×+1=4,含有的个数为8×+6×=4,D正确。
6.MgO的晶胞结构如图所示。下列有关说法正确的是( )
[A]该晶体的晶胞结构与CsCl相似
[B]与每个Mg2+距离相等且最近的Mg2+共有8个
[C]一个晶胞中含有4个MgO
[D]晶体的熔点:CaO>MgO
【答案】 C
【解析】 MgO晶胞中位于顶点和面心的是Mg2+,位于棱上和体心的是O2-,则晶胞中Mg2+的个数为8×+6×=4,O2-的个数为12×+1=4,晶胞类型应与NaCl晶体的晶胞类型相似,A错误;与每个Mg2+距离相等且最近的Mg2+有12个,B错误;根据分析可知,一个晶胞中含有4个Mg2+和4个O2-,相当于一个晶胞中有4个MgO,C正确;CaO与MgO中阴、阳离子所带电荷数相同,Mg2+的半径小于Ca2+的半径,所以MgO的键能大于CaO的键能,则晶体熔点MgO>CaO,D错误。
能力提升
7.(2025·重庆月考)金属晶体的常见晶胞结构有a、b、c分别代表的三种结构示意图,则图示结构内金属原子个数比为( )
[A]3∶2∶1 [B]11∶8∶4
[C]9∶8∶4 [D]21∶14∶9
【答案】 A
【解析】 图a中所含原子的个数为12×+2×+3=6,图b中所含原子的个数为8×+6×=4,图c中所含原子的个数为8×+1=2。
8.超氧化钾被称为“化学氧自救剂”,主要用于煤矿井下急救。如图为超氧化钾晶体的一个晶胞(该晶胞结构与NaCl晶胞相似)。则下列有关说法正确的是( )
[A]固态超氧化钾可以导电
[B]超氧化钾晶体中只存在离子键
[C]超氧化钾的化学式为KO2,熔点高于NaO2
[D]K+位于构成的八面体空隙中,晶体中K+的配位数是6
【答案】 D
【解析】 固态超氧化钾没有可以自由移动的离子,不能导电,A错误;超氧化钾晶体中两个氧原子之间是共价键,B错误;两者都为离子晶体,其中钾离子半径大,故KO2中离子键弱,熔点低,C错误;由晶胞结构可知,K+位于构成的八面体空隙中,晶体中K+的配位数是6,D正确。
9.为了确定SbCl3、SbCl5、SnCl4是否为离子晶体可进行下列实验,其中合理的是( )
[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都是离子晶体
[B]测定SbCl3、SbCl5、SnCl4的熔点依次为 73.4 ℃、2.8 ℃、-33 ℃。结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4都不是离子晶体
[C]将SbCl3、SbCl5、SnCl4分别溶于水中,分别滴入用稀硝酸酸化的AgNO3溶液,均产生白色沉淀。结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4都是离子晶体
[D]测定SbCl3、SbCl5、SnCl4的水溶液的导电性,发现它们都可以导电。结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4都是离子晶体
【答案】 B
【解析】 离子晶体的熔、沸点较高,常温下一般为固体,故A错误;由熔点数据可知SbCl3、SbCl5、SnCl4的熔点均比较低,而离子晶体的熔点一般较高,故B正确;三种物质溶于水均生成HCl,HCl溶于水电离产生Cl-,也能与稀硝酸酸化的AgNO3溶液反应产生白色沉淀,不能得出SbCl3、SbCl5、SnCl4是离子晶体,故C错误;某些分子晶体溶于水后也可以发生电离而导电,如HCl等,故 D错误。
10.氢化铝钠(NaAlH4)等复合氢化物是重要的有机还原剂。NaAlH4晶胞结构如图所示,设阿伏加德罗常数的值为NA,下列说法错误的是( )
[A]Al中Al的杂化方式为sp3
[B]NaAlH4晶体中,Al的配位数为8
[C]Na+与Al之间的最短距离为a nm
[D]晶体的密度为g·cm-3
【答案】 D
【解析】 Al中Al的价层电子对数为4+=4,所以Al的杂化方式为sp3,A正确;
NaAlH4晶体中,以体心的Al为例,与之紧邻且等距的Na+位于晶胞棱上、晶胞中上层立方体左右侧面心、晶胞中下层立方体前后面面心,与Al紧邻且等距的Na+有8个,即Al的配位数为8,B正确;Na+与Al之间的最短距离为下底面面对角线长的一半,为a nm,C正确;晶胞中Al数目为1+8×+4×=4,Na+数目为6×+4×=4,晶胞质量为g,晶胞体积为(a×10-7×a×10-7×2a×10-7)cm3,则晶体的密度为g·cm-3=
g·cm-3,D错误。
11.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(灰球代表Fe,白球代表Mg)。则下列说法错误的是( )
[A]铁镁合金的化学式可表示为Mg2Fe
[B]晶胞中有14个铁原子
[C]晶体中存在的化学键类型为金属键
[D]该晶胞的质量是 g(NA表示阿伏加德罗常数的值)
【答案】 B
【解析】 1个晶胞中含有铁原子的数目为8×+6×=4,含有镁原子的数目为8,故化学式可表示为Mg2Fe,A正确,B错误;金属合金仍为金属,晶体中有金属键,C正确;一个晶胞中含有4个“Mg2Fe”,其质量为 g= g,D正确。
12.(6分)镁、铜等金属离子是人体内多种酶的辅因子。工业上从海水中提取镁时,先制备无水氯化镁,然后将其熔融电解,得到金属镁。
(1)(2分)以MgCl2为原料用熔融盐电解法制备镁时,常加入NaCl、KCl或CaCl2等金属氯化物,其主要作用除了降低熔点之外还有 。
(2)(2分)已知MgO的晶体结构属于NaCl型。某同学画出的MgO晶胞结构示意图如图所示,请改正图中错误: 。
(3)(2分)Mg是第三周期元素,该周期部分元素氟化物的熔点见下表:
氟化物 NaF MgF2 SiF4
熔点/K 1 266 1 534 183
解释表中氟化物熔点差异的原因:
。
【答案】 (1)增大熔融盐中的离子浓度,从而增强熔融盐的导电性
(2)⑧应为黑色
(3)NaF与MgF2为离子晶体,SiF4为分子晶体,所以NaF与MgF2的熔点远比SiF4的高,又因为Mg2+的半径小于Na+的半径,且Mg2+的电荷数大于Na+的电荷数,所以MgF2的离子键强度大于NaF的离子键强度,故MgF2的熔点高于NaF的熔点
【解析】 (1)NaCl、KCl、CaCl2等金属氯化物在熔融盐中电离,其作用除了降低熔点外,还能够增大熔融盐中的离子浓度,增强导电性。
(2)因为氧化镁与氯化钠的晶胞相似,所以在晶体中每个Mg2+周围应该有6个O2-,每个O2-周围应该有6个Mg2+,根据此规则可得⑧应该改为黑色。
(3)物质的熔点与晶体的类型有关,如果形成的是分子晶体,则其熔点较低,而如果形成的是离子晶体,则其熔点较高。在离子晶体中,离子半径越小,所带电荷数越多,则形成的离子键越强,所得物质的熔、沸点越高。三种物质中,氟化钠和氟化镁是离子晶体,而氟化硅是分子晶体。
13.(12分)由汞(Hg)、锗(Ge)、锑(Sb)形成的一种新物质M为潜在的拓扑绝缘体材料。M晶体(晶胞如图c所示)可视为锗晶体(立方晶胞如图a所示)中部分Ge被Hg和Sb取代后形成,M的摩尔质量为Mr g·mol-1。
请回答下列问题。
(1)(4分)已知汞的价层电子排布式为5d106s2,它位于周期表的 区,M晶胞中与Ge距离最近的Sb共有 个。
(2)(2分)下列说法正确的是 (填字母)。
A.1个Ge晶胞中含有4个Ge
B.Ge晶胞中Ge的杂化方式为sp3杂化
C.M的化学式为HgGeSb2
D.M晶体的密度为g·cm-3
(3)(6分)①锗晶体类型为 ,Ge与C同族,但Ge不能像C那样原子之间可以形成双键或三键,从原子结构角度解释原因: 。
②图b不是晶胞单元的理由是 。
【答案】 (1)ds 4
(2)BC
(3)①共价晶体 锗原子半径大,原子间形成的σ键较长,p-p轨道“肩并肩”重叠程度很小或几乎不能重叠,难以形成π键 ②图b所示结构不是晶体的最小重复单元,不具有“无隙并置”的特点
【解析】 (1)Hg的价层电子排布式为5d106s2,则Hg为第六周期第ⅡB族元素,位于元素周期表的ds区;由晶胞结构可知,M晶胞中位于体心的锗原子与4个距离最近的锑原子构成四面体形结构。
(2)由晶胞结构可知,晶胞中位于顶点、面心和体内的锗原子个数为8×+6×+4=8,A错误;每个锗原子与其周围的4个锗原子形成4个单键,故锗原子采取sp3杂化,B正确;Sb均位于晶胞内,因此1个晶胞中含有Sb的原子个数为8,Ge位于晶胞顶点、面心、体心,因此
1个晶胞中含有Ge的原子个数为1+8×+4×=4;Hg位于棱边、面心,因此1个晶胞中含有Hg的原子个数为6×+4×=4,则该晶胞中粒子个数比Hg∶Ge∶Sb=4∶4∶8=1∶1∶2,最简式为HgGeSb2,C正确;由晶胞结构可知,M的最简式为HgGeSb2,设晶体的密度为
d g·cm-3,由晶胞的质量公式可得=(10-7)3x2yd,解得d=,D错误。
(3)①根据晶胞的结构可知,锗晶体和同族的金刚石晶型一样,面心立方基础上在(,,)等几个位置各补上一个原子,每个锗原子配位数为4,为共价晶体;虽然Ge与C是同族元素,C之间可以形成双键、三键,但Ge的原子半径大,难以通过“肩并肩”方式形成π键,所以Ge之间难以形成双键或三键。②对比图b和图c可得M晶体的晶胞中上下两个单元内的原子位置不完全相同,图b所示结构不是晶体的最小重复单元,不具有“无隙并置”的特点。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)第三节 金属晶体与离子晶体
第1课时 金属晶体 离子晶体
课时作业
(分值:51分)
(选择题,每小题3分)
对点训练
知识点1 金属键与金属晶体
1.下列有关金属键的叙述中,错误的是( )
[A]金属键没有饱和性和方向性
[B]金属元素的单质在常温下均为金属晶体
[C]金属键中的电子属于整块金属
[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】 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,A正确;金属汞常温下为液态,B错误;金属键中的电子属于整块金属,C正确;金属的性质及金属固体的形成都与金属键有关,D正确。
2.根据下列晶体的相关性质,判断可能属于金属晶体的是( )
选项 晶体的相关性质
[A] 由分子间作用力结合而成,熔点低
[B] 固态或熔融态时易导电,熔点在1 000 ℃左右
[C] 由共价键结合成共价键三维骨架结构,熔点高
[D] 固体不导电,但溶于水或熔融后能导电
【答案】 B
【解析】 由分子间作用力结合而成的晶体属于分子晶体,A错误;金属晶体中有自由电子,能导电,绝大多数金属在常温下为固体,熔点较高,所以固态或熔融态时易导电,熔点在
1 000 ℃ 左右的晶体可能属于金属晶体,B正确;相邻原子之间通过共价键结合形成的共价键三维骨架结构的晶体属于共价晶体,C错误;固体不导电,说明晶体中无自由移动的带电粒子,则不可能为金属晶体,D错误。
3.金晶体的晶胞为面心立方最密堆积(如图所示)。设金原子的直径为d,用NA表示阿伏加德罗常数,在立方体的各个面的对角线上3个金原子彼此两两相切,M表示金的摩尔质量。则下列说法错误的是( )
[A]金晶体每个晶胞中含有4个金原子
[B]金属键无方向性,金属原子尽可能采取密堆积
[C]一个晶胞的体积是16d3
[D]金晶体的密度是
【答案】 C
【解析】 因为金晶体的晶胞是面心立方最密堆积,故每个晶胞中含有金原子数为8×+6×
=4,A正确;金属键无方向性,金属原子尽可能采取密堆积,B正确;因为立方体的各个面的对角线上3个金原子彼此两两相切,则该小立方体的棱长为d,体积为2d3,C错误;金晶体的密度为=,D正确。
知识点2 离子晶体
4.下列性质中,可以较充分说明某晶体是离子晶体的是( )
[A]具有较高的熔点
[B]固态不导电,水溶液能导电
[C]可溶于水
[D]固态不导电,熔融状态能导电
【答案】 D
【解析】 SiO2晶体熔点较高,但不是离子晶体,A不符合题意;HCl晶体的水溶液能导电,但不是离子晶体,B不符合题意;有些晶体如固体氨能溶于水,但不属于离子晶体,C不符合题意;离子晶体固态时不能导电,在熔融状态时可导电,D符合题意。
5.(2025·广东汕头月考)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。下列关于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Ca2+构成的多面体是正六面体
[C]与Ca2+距离相同且最近的Ca2+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Ca2+只有4个(与拉长方向垂直的同一面上),4个 Ca2+构成的是正方形,B错误;以Ca2+为中心,与之等距离且最近的Ca2+是同一平面上的4个,C正确;该晶胞中含有Ca2+的个数为12×+1=4,含有的个数为8×+6×=4,D正确。
6.MgO的晶胞结构如图所示。下列有关说法正确的是( )
[A]该晶体的晶胞结构与CsCl相似
[B]与每个Mg2+距离相等且最近的Mg2+共有8个
[C]一个晶胞中含有4个MgO
[D]晶体的熔点:CaO>MgO
【答案】 C
【解析】 MgO晶胞中位于顶点和面心的是Mg2+,位于棱上和体心的是O2-,则晶胞中Mg2+的个数为8×+6×=4,O2-的个数为12×+1=4,晶胞类型应与NaCl晶体的晶胞类型相似,A错误;与每个Mg2+距离相等且最近的Mg2+有12个,B错误;根据分析可知,一个晶胞中含有4个Mg2+和4个O2-,相当于一个晶胞中有4个MgO,C正确;CaO与MgO中阴、阳离子所带电荷数相同,Mg2+的半径小于Ca2+的半径,所以MgO的键能大于CaO的键能,则晶体熔点MgO>CaO,D错误。
能力提升
7.(2025·重庆月考)金属晶体的常见晶胞结构有a、b、c分别代表的三种结构示意图,则图示结构内金属原子个数比为( )
[A]3∶2∶1 [B]11∶8∶4
[C]9∶8∶4 [D]21∶14∶9
【答案】 A
【解析】 图a中所含原子的个数为12×+2×+3=6,图b中所含原子的个数为8×+6×=4,图c中所含原子的个数为8×+1=2。
8.超氧化钾被称为“化学氧自救剂”,主要用于煤矿井下急救。如图为超氧化钾晶体的一个晶胞(该晶胞结构与NaCl晶胞相似)。则下列有关说法正确的是( )
[A]固态超氧化钾可以导电
[B]超氧化钾晶体中只存在离子键
[C]超氧化钾的化学式为KO2,熔点高于NaO2
[D]K+位于构成的八面体空隙中,晶体中K+的配位数是6
【答案】 D
【解析】 固态超氧化钾没有可以自由移动的离子,不能导电,A错误;超氧化钾晶体中两个氧原子之间是共价键,B错误;两者都为离子晶体,其中钾离子半径大,故KO2中离子键弱,熔点低,C错误;由晶胞结构可知,K+位于构成的八面体空隙中,晶体中K+的配位数是6,D正确。
9.为了确定SbCl3、SbCl5、SnCl4是否为离子晶体可进行下列实验,其中合理的是( )
[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都是离子晶体
[B]测定SbCl3、SbCl5、SnCl4的熔点依次为 73.4 ℃、2.8 ℃、-33 ℃。结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4都不是离子晶体
[C]将SbCl3、SbCl5、SnCl4分别溶于水中,分别滴入用稀硝酸酸化的AgNO3溶液,均产生白色沉淀。结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4都是离子晶体
[D]测定SbCl3、SbCl5、SnCl4的水溶液的导电性,发现它们都可以导电。结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4都是离子晶体
【答案】 B
【解析】 离子晶体的熔、沸点较高,常温下一般为固体,故A错误;由熔点数据可知SbCl3、SbCl5、SnCl4的熔点均比较低,而离子晶体的熔点一般较高,故B正确;三种物质溶于水均生成HCl,HCl溶于水电离产生Cl-,也能与稀硝酸酸化的AgNO3溶液反应产生白色沉淀,不能得出SbCl3、SbCl5、SnCl4是离子晶体,故C错误;某些分子晶体溶于水后也可以发生电离而导电,如HCl等,故 D错误。
10.氢化铝钠(NaAlH4)等复合氢化物是重要的有机还原剂。NaAlH4晶胞结构如图所示,设阿伏加德罗常数的值为NA,下列说法错误的是( )
[A]Al中Al的杂化方式为sp3
[B]NaAlH4晶体中,Al的配位数为8
[C]Na+与Al之间的最短距离为a nm
[D]晶体的密度为g·cm-3
【答案】 D
【解析】 Al中Al的价层电子对数为4+=4,所以Al的杂化方式为sp3,A正确;
NaAlH4晶体中,以体心的Al为例,与之紧邻且等距的Na+位于晶胞棱上、晶胞中上层立方体左右侧面心、晶胞中下层立方体前后面面心,与Al紧邻且等距的Na+有8个,即Al的配位数为8,B正确;Na+与Al之间的最短距离为下底面面对角线长的一半,为a nm,C正确;晶胞中Al数目为1+8×+4×=4,Na+数目为6×+4×=4,晶胞质量为g,晶胞体积为(a×10-7×a×10-7×2a×10-7)cm3,则晶体的密度为g·cm-3=
g·cm-3,D错误。
11.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(灰球代表Fe,白球代表Mg)。则下列说法错误的是( )
[A]铁镁合金的化学式可表示为Mg2Fe
[B]晶胞中有14个铁原子
[C]晶体中存在的化学键类型为金属键
[D]该晶胞的质量是 g(NA表示阿伏加德罗常数的值)
【答案】 B
【解析】 1个晶胞中含有铁原子的数目为8×+6×=4,含有镁原子的数目为8,故化学式可表示为Mg2Fe,A正确,B错误;金属合金仍为金属,晶体中有金属键,C正确;一个晶胞中含有4个“Mg2Fe”,其质量为 g= g,D正确。
12.(6分)镁、铜等金属离子是人体内多种酶的辅因子。工业上从海水中提取镁时,先制备无水氯化镁,然后将其熔融电解,得到金属镁。
(1)(2分)以MgCl2为原料用熔融盐电解法制备镁时,常加入NaCl、KCl或CaCl2等金属氯化物,其主要作用除了降低熔点之外还有 。
(2)(2分)已知MgO的晶体结构属于NaCl型。某同学画出的MgO晶胞结构示意图如图所示,请改正图中错误: 。
(3)(2分)Mg是第三周期元素,该周期部分元素氟化物的熔点见下表:
氟化物 NaF MgF2 SiF4
熔点/K 1 266 1 534 183
解释表中氟化物熔点差异的原因:
。
【答案】 (1)增大熔融盐中的离子浓度,从而增强熔融盐的导电性
(2)⑧应为黑色
(3)NaF与MgF2为离子晶体,SiF4为分子晶体,所以NaF与MgF2的熔点远比SiF4的高,又因为Mg2+的半径小于Na+的半径,且Mg2+的电荷数大于Na+的电荷数,所以MgF2的离子键强度大于NaF的离子键强度,故MgF2的熔点高于NaF的熔点
【解析】 (1)NaCl、KCl、CaCl2等金属氯化物在熔融盐中电离,其作用除了降低熔点外,还能够增大熔融盐中的离子浓度,增强导电性。
(2)因为氧化镁与氯化钠的晶胞相似,所以在晶体中每个Mg2+周围应该有6个O2-,每个O2-周围应该有6个Mg2+,根据此规则可得⑧应该改为黑色。
(3)物质的熔点与晶体的类型有关,如果形成的是分子晶体,则其熔点较低,而如果形成的是离子晶体,则其熔点较高。在离子晶体中,离子半径越小,所带电荷数越多,则形成的离子键越强,所得物质的熔、沸点越高。三种物质中,氟化钠和氟化镁是离子晶体,而氟化硅是分子晶体。
13.(12分)由汞(Hg)、锗(Ge)、锑(Sb)形成的一种新物质M为潜在的拓扑绝缘体材料。M晶体(晶胞如图c所示)可视为锗晶体(立方晶胞如图a所示)中部分Ge被Hg和Sb取代后形成,M的摩尔质量为Mr g·mol-1。
请回答下列问题。
(1)(4分)已知汞的价层电子排布式为5d106s2,它位于周期表的 区,M晶胞中与Ge距离最近的Sb共有 个。
(2)(2分)下列说法正确的是 (填字母)。
A.1个Ge晶胞中含有4个Ge
B.Ge晶胞中Ge的杂化方式为sp3杂化
C.M的化学式为HgGeSb2
D.M晶体的密度为g·cm-3
(3)(6分)①锗晶体类型为 ,Ge与C同族,但Ge不能像C那样原子之间可以形成双键或三键,从原子结构角度解释原因: 。
②图b不是晶胞单元的理由是 。
【答案】 (1)ds 4
(2)BC
(3)①共价晶体 锗原子半径大,原子间形成的σ键较长,p-p轨道“肩并肩”重叠程度很小或几乎不能重叠,难以形成π键 ②图b所示结构不是晶体的最小重复单元,不具有“无隙并置”的特点
【解析】 (1)Hg的价层电子排布式为5d106s2,则Hg为第六周期第ⅡB族元素,位于元素周期表的ds区;由晶胞结构可知,M晶胞中位于体心的锗原子与4个距离最近的锑原子构成四面体形结构。
(2)由晶胞结构可知,晶胞中位于顶点、面心和体内的锗原子个数为8×+6×+4=8,A错误;每个锗原子与其周围的4个锗原子形成4个单键,故锗原子采取sp3杂化,B正确;Sb均位于晶胞内,因此1个晶胞中含有Sb的原子个数为8,Ge位于晶胞顶点、面心、体心,因此
1个晶胞中含有Ge的原子个数为1+8×+4×=4;Hg位于棱边、面心,因此1个晶胞中含有Hg的原子个数为6×+4×=4,则该晶胞中粒子个数比Hg∶Ge∶Sb=4∶4∶8=1∶1∶2,最简式为HgGeSb2,C正确;由晶胞结构可知,M的最简式为HgGeSb2,设晶体的密度为
d g·cm-3,由晶胞的质量公式可得=(10-7)3x2yd,解得d=,D错误。
(3)①根据晶胞的结构可知,锗晶体和同族的金刚石晶型一样,面心立方基础上在(,,)等几个位置各补上一个原子,每个锗原子配位数为4,为共价晶体;虽然Ge与C是同族元素,C之间可以形成双键、三键,但Ge的原子半径大,难以通过“肩并肩”方式形成π键,所以Ge之间难以形成双键或三键。②对比图b和图c可得M晶体的晶胞中上下两个单元内的原子位置不完全相同,图b所示结构不是晶体的最小重复单元,不具有“无隙并置”的特点。
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