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第三节 金
属
晶
体
一、金属键与金属晶体
1.金属键
(1)概念:___________和_________之间的较强作用力。
(2)成键微粒:___________和_________。
(3)成键条件:金属单质或合金。
(4)成键本质
金属原子脱落下来的_______形成遍布整块晶体的“_______”,被所有原子共
用,从而把所有的金属原子维系在一起。
必备知识·自主学习
金属阳离子
自由电子
金属阳离子
自由电子
价电子
电子气
2.金属晶体:
(1)概念:原子间以_______结合形成的晶体。
(2)用电子气理论解释金属的性质。
金属键
3.金属晶体的原子堆积模型
(1)二维空间模型:
金属原子在二维平面里放置有_________和_______两种方式,配位数分别为__
和__。如图:
非密置层
密置层
4
6
(2)三维空间模型:
①非密置层在三维空间堆积。
a.简单立方堆积。
相邻非密置层原子的原子核在___________的堆积,只有金属_______采用这种
堆积方式,其空间利用率太低。
同一直线上
钋(Po)
b.体心立方堆积。
将上层金属原子填入_________________________中,并使非密置层的原子稍稍
分离。其空间的利用率比简单立方堆积___,属于该堆积方式的主要有碱金属等。
下层的金属原子形成的凹穴
高
②密置层在三维空间堆积。
a.六方最密堆积。
如图所示,按_________……的方式堆积。
ABABABAB
b.面心立方最密堆积。
如图所示,按__________……的方式堆积。
ABCABCABC
【自主探索】
(1)含有阳离子的晶体中一定含有阴离子吗?
提示:不一定。如在金属晶体中只有阳离子和自由电子,没有阴离子。
(2)金属晶体的熔点一定比分子晶体的熔点高吗?
提示:不一定。金属晶体的熔点差异很大,如钨熔点很高,超过3
000
℃,有的很低,如汞在常温下为液态。
(3)判断下列说法是否正确。
①金属钠形成的晶体中,每个钠原子周围与其距离最近的钠原子有8个。
( )
提示:√。钠原子为体心立方堆积,配位数为8。
②金属镁形成的晶体中,每个镁原子周围与其距离最近的原子有6个。
( )
提示:×。金属镁为六方最密堆积,配位数为12。
(4)(情境思考)花丝工艺又称为细金工艺,是将金、银、铜等抽成细丝,以堆垒编织等技法制成。镶嵌则是把金银薄片打成器皿,然后錾出图案,或用锼弓锼出图案,并镶嵌宝石而成。由一根根花丝到成为一件完整的作品,要依靠堆、垒、编、织、掐、填、攒、焊八大工艺,而每种工艺细分起来又是千变万化。
金属被压成薄片、拉丝、制成导线的过程中金属的化学性质有没有改变?
提示:没有改变。金属被压成薄片、拉丝、制成导线的过程仅是改变金属形状的物理变化,其成分没有改变。
二、混合晶体——石墨晶体
1.结构特点——层状结构:
(1)同层内,碳原子采用___杂化,以_______相结合形成_________平面网状结构。
所有碳原子的p轨道平行且相互重叠,p电子可在整个平面中运动。
(2)层与层之间以_________相结合。
2.晶体类型:石墨晶体中,既有_______,又有_______和_________,属于_______
___。
sp2
共价键
正六边形
范德华力
共价键
金属键
范德华力
混合晶
体
【自主探索】
R单质的晶体在不同温度下有两种原子堆积方式,晶胞分别如图所示。A中原子
堆积方式为_____________堆积,A、B中R原子的配位数之比为_________。?
体心立方
2∶3
关键能力·合作学习
知识点一 金属晶体的结构与性质?
1.金属晶体的原子堆积模型:
堆积模型
采纳这种堆积
的典型代表
空间利用率
配位数
晶胞
简单立方堆积
Po(钋)
52%
6
体心立方堆积
Na、K、Fe
68%
8
堆积模型
采纳这种堆积
的典型代表
空间利用率
配位数
晶胞
六方最密堆积
Mg、Zn、Ti
74%
12
面心立方最密
堆积
Cu、Ag、Au
74%
12
2.金属晶体的性质:
(1)金属导电与电解质溶液导电的比较:
运动的微粒
过程中发生的变化
温度的影响
金属导电
自由电子
物理变化
升温,导电
性减弱
电解质溶
液导电
阴、阳离子
化学变化
升温,导电
性增强
(2)金属熔、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,从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点升高。
②同主族金属单质,从上到下(如碱金属)熔、沸点降低。
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,如汞常温为液体,熔点很低(-38.9
℃),而铁等金属熔点很高(1
535
℃)。
【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)原子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原子晶体。
(3)分子晶体的熔点不一定都比金属晶体的低,如汞常温下是液体,熔点很低。
【合作探究】
(1)(思维升华)金属原子的核外电子在金属晶体中都为自由电子吗?(宏观辨识与微观探析)
提示:因金属的原子半径大,最外层电子受原子核的吸引力小,易脱落而成为自由电子。
(2)(思维升华)金属键可以看成是许多原子共用许多电子所形成的强烈相互作用,和共价键类似。金属键有饱和性和方向性吗?(证据推理与模型认知)
提示:没有。金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈相互作用,自由电子为整个金属的所有阳离子所共有,故金属键没有方向性和饱和性。
【典例示范】
【典例】(2020·银川高二检测)下列说法正确的是
( )
A.钛和钾都采取图1的堆积方式
B.图2为金属原子在二维空间里的非密置层放置,此方式在三维空间里堆积,仅得简单立方堆积
C.图3是干冰晶体的晶胞,晶胞棱长为a
cm,则在每个CO2周围最近且等距离的CO2有8个
D.图4是一种金属晶体的晶胞,它是金属原子在三维空间以密置层采取ABCABC…堆积的结果
【解题指南】解答本题时要注意以下两点:
(1)熟知金属晶体的四种堆积模型;
(2)明确晶胞的结构特点。
【解析】选D。A、钛采取图1的堆积方式,而钾采取体心立方堆积方式,A错误;B、按照图2的方式,在三维空间里的堆积可以得到2种方式,一种是简单立方堆积,一种是体心立方堆积,B错误;C、在干冰的晶胞中,在每个二氧化碳周围距离相等且最近的二氧化碳有12个,C错误;D、图4是金属原子在三维空间里以密置层采取ABCABC…面心立方最密堆积,D正确。
【素养训练】
1.(2020·昆明高二检测)如图是金属晶体内部的电子气理论示意图,仔细观察并用电子气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电子且无规则运动
D.金属能导电是因为金属阳离子和自由电子的相互作用
【解析】选B。组成金属晶体的微粒为金属阳离子和自由电子,在外加电场作用下电子可发生定向移动,故能导电,与金属阳离子无关。
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】选D。①中Hg在常温下为液态,而I2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。
【补偿训练】
1.金属原子在二维空间里的放置有如图所示的两种方式,下列说法中正确的是
( )
A.图(a)为非密置层,配位数为6
B.图(b)为密置层,配位数为4
C.图(a)在三维空间里堆积可得六方最密堆积和面心立方最密堆积
D.图(b)在三维空间里堆积仅得简单立方堆积
【解析】选C。金属原子在二维空间里有两种排列方式,一种是密置层排列,一种是非密置层排列。密置层排列的空间利用率高,原子的配位数为6,非密置层的配位数较密置层小,为4。由此可知,题图中(a)为密置层,(b)为非密置层。密置层在三维空间堆积可得到六方最密堆积和面心立方最密堆积两种堆积模型,非密置层在三维空间堆积可得简单立方堆积和体心立方堆积两种堆积模型。
2.(2020·双鸭山高二检测)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、面心立方最密堆积和体心立方堆积,下图(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∶14∶9
【解析】选A。晶胞(a)中所含原子=12×1/6+2×1/2+3=6;晶胞(b)中所含原子=8×1/8+6×1/2=4;晶胞(c)中所含原子=8×1/8+1=2;其晶胞内金属原子个数比为6∶4∶2=3∶2∶1,A正确。
3.铁是一种重要的过渡元素,能形成多种物质,如作染料的普鲁士蓝(化学式为KFe[Fe(CN)6])。
(1)Fe3+基态核外电子排布式为________________。?
(2)在普鲁士蓝中,存在的化学键有离子键、____________和____________。?
(3)一定条件下,CN-可氧化为OCN-。OCN-中三种元素的电负性由大到小的顺序为________________;碳原子采取sp杂化,1
mol该物质中含有的π键数目为
_____________________________。?
(4)与CN-互为等电子体的一种分子为____________。(填化学式)?
(5)常温条件下,铁的晶体采用如图所示的堆积方式,则这种堆积模型的配位数为________,如果铁的原子半径为a
cm,阿伏加德罗常数的值为NA,则此种铁单质的密度表达式为________
g·cm-3。?
【解析】(1)Fe位于第4周期第Ⅷ族,26号元素,因此Fe3+的基态核外电子排布式
为[Ar]3d5。(2)普鲁士蓝属于配合物,存在离子键,配位离子中存在配位键和共
价键。(3)同周期从左向右电负性增大,即O>N>C;C是sp杂化,因此1
mol
OCN-中
存在2
mol
π键,即数目为2NA。(4)本题考查等电子体的判断,等电子体是原子
总数相等,价电子总数相同的微粒,与CN-互为等电子体的分子是CO或N2。(5)此
堆积模型为体心立方堆积,因此配位数为8,晶胞中铁原子的个数为8×
+1=2,
晶胞的质量为
g,铁原子的半径是a
cm,相邻的铁原子的距离是体对角线
的一半,即体对角线为4a,则晶胞的边长为
cm,体积为
cm3,因此密度为
2×
g·cm-3。
答案:(1)[Ar]3d5 (2)共价键 配位键
(3)O>N>C 2NA (4)CO(或N2)
(5)8 2×
知识点二 有关金属晶体晶胞的计算?
1.金属晶体中晶胞空间利用率的计算:
(1)计算晶胞中含有几个原子。
(2)找出原子半径r与晶胞边长a的关系。
(3)利用公式计算金属原子的空间利用率:
×100%
①简单立方堆积空间利用率=
×100%=
×100%≈52.36%
②体心立方堆积空间利用率=
×100%=
×100%=
×100%
≈68.02%
③面心立方最密堆积空间利用率=
×100%=
×100%≈74.1%
2.利用均摊法计算金属晶体的密度的方法:
(1)首先利用均摊法确定一个晶胞中平均含有的原子数目。
(2)其次确定金属原子的半径和晶胞边长之间的关系。
具体方法是:根据晶胞中金属原子的位置,灵活运用数学上立体几何的对角线(体对角线或面对角线)和边长的关系,将金属原子的半径和晶胞的边长放在同一个直角三角形中,通过解直角三角形即可。
(3)计算金属晶体的密度。
首先求一个晶胞的质量:m=NM/NA,N表示一个晶胞中平均含有的金属原子数,M表示金属的摩尔质量,NA表示阿伏加德罗常数。然后求金属晶体的密度:密度ρ=m/V,V表示一个晶胞的体积。
【典例示范】
【典例】(2020·太原高二检测)(1)如图甲所示为二维平面晶体示意图,化学式表示为AX3的是________。?
(2)图乙为一个金属铜的晶胞,请完成以下各题:
①该晶胞“实际”拥有的铜原子数是________个;?
②该晶胞称为________(填序号);?
A.六方晶胞 B.体心立方晶胞 C.面心立方晶胞
③此晶胞立方体的边长为a
cm,Cu的相对原子质量为64,金属铜的密度为
ρ
g·cm-3,则阿伏加德罗常数为________(用a、ρ表示)。?
(3)《X射线金相学》中记载关于铜与金可形成两种有序的金属互化物,其结构如图所示。下列有关说法正确的是______。?
A.图Ⅰ、Ⅱ中物质的化学式相同
B.图Ⅱ中物质的化学式为CuAu3
C.图Ⅱ中与每个铜原子紧邻的铜原子有3个
D.设图Ⅰ中晶胞的边长为a
cm,则图Ⅰ中合金的密度为
g·cm-3
【解题指南】解答本题注意以下两点:
(1)熟知金属晶体的四种常见堆积模型。
(2)明确均摊法计算晶胞中含有金属原子个数的方法。
【解析】(1)由题图甲中直接相邻的原子数可以求得a、b中两类原子数之比分
别为1∶2、1∶3,求出化学式分别为AX2、AX3,故答案为b。
(2)用“切割分摊法”:①8×
+6×
=4;②面心立方晶胞;③
·64=ρ·a3,NA=
。
(3)题图Ⅰ中,铜原子数为8×
+2×
=2,金原子数为4×
=2,化学式为
CuAu。题图Ⅱ中,铜原子数为8×
=1,金原子数为6×
=3,故化学式为CuAu3。
题图Ⅱ中,铜原子位于立方体的顶点,故紧邻的铜原子有6个。题图Ⅰ中,铜原子、
金原子各为2个,晶胞的体积为a3
cm3,密度ρ=
×(64+197)÷a3=
g·cm-3。
答案:(1)b (2)①4 ②C ③
(3)B
【规律方法】
晶体粒子与M、ρ(晶体密度,g·cm-3)之间的关系
若1个晶胞中含有x个微粒,则1
mol该晶胞中含有x
mol微粒,其质量为xM
g;又1个晶胞的质量为ρa3
g(a3为晶胞的体积,单位为cm3),则1
mol晶胞的质量为ρa3NA
g,因此有xM=ρa3NA。
【素养训练】
(2020·合肥高二检测)金晶体的最小重复单元(也称晶胞)如图所示,即在立方体的8个顶点各有1个金原子,各个面的中心有1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1个金晶胞的体积,除假定金原子是刚性小球外,还应假定________。?
(3)1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4个顶点的原子要相互
接触。
(3)如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=2
d3。
(4)1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4个顶点的原子相互接触 (3)2
d3
(4)
【补偿训练】
1.(2020·衡阳模拟)关于体心立方堆积晶体(如图)结构的叙述中正确的是
( )
A.是密置层的一种堆积方式
B.晶胞是六棱柱
C.每个晶胞内含2个原子
D.每个晶胞内含6个原子
【解析】选C。体心立方堆积晶体的晶胞为立方体,是非密置层的一种堆积方式,
其中有8个顶点和1个体心,晶胞内含有原子个数为8×
+1=2。
2.(2020·银川高二检测)如图,铁有δ、γ、α三种同素异形体,三种晶体在不同温度下能发生转化。下列说法不正确的是
( )
A.δ-Fe晶胞中含有2个铁原子,每个铁原子等距离且最近的铁原子有8个
B.晶体的空间利用率:δ-Fe
>
γ-Fe>
α-Fe
C.设γ-Fe晶胞中铁原子的半径为d,则γ-Fe晶胞的体积是16
d
3
D.已知铁的相对原子质量为a,阿伏加德罗常数为NA(mol-1),δ-Fe晶胞的密度为
ρ
g·cm-3,则铁原子的半径r(cm)=
【解析】选B。δ-Fe晶胞中含有Fe的个数为1+8×
=2。由图可知,每个铁原
子等距离且最近的铁原子有8个,A正确;设Fe原子的半径为r,晶胞的棱长为a。
δ-Fe晶胞含有Fe的个数为2,因其含有体心,则有
a=4r,则a=
r,则其空
间利用率为
×100%≈68%;γ-Fe晶胞中含有Fe的个数为4,因其含面心,
则有
a=4r,解得a=2
r,则其空间利用率为
×100%≈74%;α-Fe晶胞
中含有Fe的个数为1,有a=2r,则其空间利用率为
×100%≈52%;故晶体的空
间利用率:γ-Fe>δ-Fe
>
α-Fe,B错误;若γ-Fe晶胞中铁原子的半径为d,则立
方体的面对角线长为4d,所以立方体的棱长为2
d,则该晶胞的体积为(2
d)3
=16
d3,C正确;δ-Fe晶胞中含有Fe的个数为2,则该晶胞的体积为
,则其
棱长为
,该晶胞的体对角线为棱长的
倍,也是原子半径的4倍,即
4r=
,解得r=
,D正确。
3.如下图所示为金属原子的四种基本堆积模型,请回答以下问题:
(1)以上原子堆积方式中,空间利用率最低的是________(在图中选择,填字母,
下同),由非密置层互相错位堆积而成的是________。?
(2)金属铜的晶胞堆积模型是________,每个晶胞含有________个铜原子,每个
铜原子周围有________个紧邻的铜原子。?
【解析】A为简单立方堆积,为非密置型,空间利用率最低。金属铜采取面心立
方最密堆积,每个晶胞内含有的铜原子个数为8×
+6×
=4。取顶角上的一
个铜原子分析,离它最近的铜原子共有12个。
答案:(1)A B (2)C 4 12
【备选考点】金刚石与石墨的比较
金刚石
石墨
晶体类型
原子晶体
混合晶体
构成微粒
碳原子
碳原子
微粒间的作用力
C—C共价键
C—C共价键、分子间作用力、金属键
碳原子的杂化方式
sp3杂化
sp2杂化
碳原子成键数
4
3
碳原子有无
剩余价电子
无
有一个2p电子
配位数
4
3
金刚石
石墨
晶体结构特征
正四面体空间网状结构
平面六边形层状结构
晶体结构
物理性质
高熔点、高硬度、不导电
熔点比金刚石还高,质软、
滑腻、易导电
最小碳环
六元环、不共面
六元环、共面
【易错提醒】金刚石和石墨的认识误区
(1)金刚石和石墨晶体虽然都有六元环,但是石墨晶体中的六元环是平面结构,而金刚石中是立体结构。
(2)石墨晶体不是原子晶体,而是原子晶体与分子晶体之间的一种过渡型晶体。
【针对练习】
1.下列有关石墨晶体的说法正确的是
( )
A.由于石墨晶体导电,所以它是金属晶体
B.由于石墨的熔点很高,所以它是原子晶体
C.由于石墨质软,所以它是分子晶体
D.石墨晶体是一种混合晶体
【解析】选D。石墨晶体中既有共价键,又有金属键,还有范德华力,因此它是一种混合晶体。
2.C60、金刚石和石墨的结构模型如图所示(石墨仅表示其中的一层结构):
(1)C60、金刚石和石墨三者的关系互为________。?
A.同分异构体
B.同素异形体
C.同系物
D.同位素
(2)固态时,C60属于________(填“原子”或“分子”)晶体,C60分子中含有双键和单键,推测C60跟F2________(填“能”或“不能”)发生加成反应。?
(3)硅晶体的结构跟金刚石相似,1
mol硅晶体中含有硅硅单键的数目约是________NA个。二氧化硅的结构相当于在硅晶体结构中每个硅硅单键之间插入一个氧原子。二氧化硅的空间网状结构中,硅、氧原子形成的最小环上氧原子数目是________。?
(4)石墨层状结构中,平均每个正六边形拥有的碳原子个数是________个。?
【解析】(2)C60晶体中存在不饱和的碳碳双键,在一定条件下能与F2发生加成反
应。(3)晶体硅的结构与金刚石相似,存在以硅原子为中心和顶点的正四面体结
构单元,每个硅原子形成4个Si—Si键,但一个Si—Si键为2个硅原子共有,故一
个硅原子可形成2个Si—Si键,即1
mol硅原子能形成2
mol
Si—Si键。(4)石墨
中每个碳原子形成3条C—C键,故每个碳原子为3个六边形共用,每个六边形拥有
碳原子个数为6×
=2个。
答案:(1)B (2)分子 能 (3)2 6 (4)2
【课堂小结】
【三言两语话重点】
1.金属阳离子与自由电子之间强烈的相互作用形成金属键。
2.金属阳离子与自由电子通过金属键形成金属晶体。
3.金属键无方向性、饱和性;金属原子的半径越小,价电子数越多,金属键越强,晶体的熔沸点越高、硬度越大。
4.金属晶体的四种堆积模型:简单立方堆积、体心立方堆积、六方最密堆积、面心立方最密堆积。
课堂检测·素养达标
1.(2020·忻州高二检测)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金属
D.金属的性质和金属固体的形成都与金属键有关
【解析】选B。金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈相互作用,自由电子为整个金属的所有阳离子所共有,所以金属键没有方向性和饱和性,A正确;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的强烈静电作用,既包括吸引也包括排斥作用,B错误;自由电子在金属中自由运动,为整个金属的所有阳离子所共有,C正确;金属晶体中的金属键决定了金属的性质和金属固体的形成,D正确。
2.(教材改编)金属的下列性质中与金属晶体无关的是
( )
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
【解析】选B。A、C、D都是金属的物理通性,这些性质是由金属晶体所决定的;金属易失电子是由金属原子的结构决定的,与金属晶体无关。
3.(2020·太原高二检测)金属具有延展性的原因是
( )
A.金属原子半径都较大,价电子数较少
B.金属受外力作用变形时,金属阳离子与自由电子间仍保持较强烈的作用
C.金属中大量自由电子受外力作用时,运动速率加快
D.自由电子受外力作用时能迅速传递能量
【解析】选B。金属价电子较少,容易失去电子,能说明有还原性,A错误;金属键存在于整个金属中,且一般较强,难以断裂。金属通常采取最密集的堆积方式,锻压或者锤打时,金属原子之间容易滑动,但不影响紧密的堆积方式,故有延展性,B正确;金属延展性是原子的相对滑动,而不是电子的运动,C错误;自由电子传递能量,与延展性无关,可以影响金属的导热性,D错误。
4.(2020·石家庄模拟)如图为金属镉的堆积方式,下列说法正确的是( )
A.此堆积方式属于非最密堆积
B.此晶胞类型为面心立方堆积
C.配位数(一个金属离子周围紧邻的
金属离子的数目)为8
D.镉的堆积方式与铜的堆积方式不同
【解析】选D。据图可看出,镉的堆积方式为“…ABAB…”形式,为A3型堆积,即六方最密堆积,而铜的堆积方式为面心立方最密堆积,故A、B两项错误,D项正确;六方最密堆积的配位数为12,中间一层为6个,上下两层各有3个,C项错误。
5.(2020·成都高二检测)下列有关金属晶体的说法中错误的是
( )
A.温度越高,金属的导电性越差
B.金属晶体中非密置层在三维空间可形成两种堆积方式,其配位数都是6
C.镁型堆积和铜型堆积是密置层在三维空间形成的两种堆积方式,其配位数都是12
D.金属离子与自由电子之间的强烈作用,在一定外力作用下,不因形变而消失
【解析】选B。温度越高,电阻越大,金属的导电性越差,故A正确;金属晶体中非密置层在三维空间可形成两种堆积方式,为简单立方堆积、体心立方堆积,其配位数分别是6、8,故B错误;镁型堆积和铜型堆积是密置层在三维空间形成的两种堆积方式,其配位数都是12,故C正确;金属离子与自由电子之间的强烈作用,即金属键,在一定外力作用下,不因形变而消失,故D正确。
6.
(2020·唐山模拟)已知铜的晶胞结构如图所示,则在铜的晶胞中所含铜原子数及配位数分别是
( )
A.14、6
B.14、8
C.4、8
D.4、12
【解析】选D。(1)晶胞中所含原子的计算方法:晶胞顶点上的原子占
,棱上
的原子占
,面上的原子占
,体心上的原子为1,根据以上规律就可计算晶胞
所含的原子数。(2)金属晶体中金属原子的配位数即为距离该原子最近的金属
原子的数目。在Cu的晶胞中,顶角原子为8个晶胞共用,面上的铜原子为两个晶
胞共用,因此,金属铜的一个晶胞的原子数为8×
+6×
=4。在Cu的晶胞中,
与每个顶点的铜原子距离相等的铜原子共有12个,因此其配位数为12。
7.(2020·福州高二检测)如图是元素周期表的一部分。已知R的核电荷数小于36,气态氢化物沸点:MHn>YHn。
(1)表中五种元素第一电离能最大的是______________(填元素符号),Y的最简
单氢化物分子的立体构型为____________,基态R原子中有__________个未成对
电子。?
(2)Y的最高价氧化物熔点比M的最高价氧化物熔点低,原因是______________
________________________,YZ-中σ键与π键的个数比为
________________。?
(3)
中Y原子的杂化方式是______________,写出一种与
互为等电子
体的粒子______________________(用化学符号表示)。?
(4)Z的一种常见氢化物能与硫酸铜反应生成配合物。请用结构简式表示该配合物中的阳离子:__________________________________________________。?
(5)如图为某金属单质的面心立方晶胞结构示意图,该晶体中配位数是__________;测得此晶体的密度为2.7
g·cm-3,晶胞的边长为0.405
nm,则此金属原子的相对原子质量为__________________(结果保留整数)。?
【解析】R的核电荷数小于36,由元素在周期表中相对位置,可知X、Y、Z处于第2周期,M处于第3周期,R处于第4周期,气态氢化物沸点:MHn>YHn,氢化物YHn分子之间没有氢键,H与Al之间不能形成气态氢化物,则Y为C、M为Si、R为Ge、X为B、Z为N。
(1)同主族自上而下第一电离能减小,同周期随原子序数增大,元素第一电离能呈增大趋势,氮元素2p能级为半满稳定状态,第一电离能高于同周期相邻元素,表中五种元素第一电离能最大的是N,Y的最简单氢化物为CH4,分子的立体构型为正四面体。基态R原子外围电子排布式为4s24p2,有2个未成对电子。
(2)Y的最高价氧化物为分子晶体,M的最高价氧化物为原子晶体,故Y的最高价氧
化物熔点比M的最高价氧化物熔点低,CN-与氮气分子互为等电子体,CN-中C与N之
间形成3对共用电子对,则σ键与π键的数目比为1∶2。
(3)
中C孤电子对数=
=0,价层电子对数=3+0=3,C的杂化方式是
sp2,一种与
互为等电子体的粒子为
(或Si
等)。
(4)Z的一种常见氢化物能与硫酸铜反应生成配合物,该配合物中的阳离子是
。
(5)以顶点原子研究,与之相邻的原子处于面心,每个顶点为8个晶胞共用,每个
面心为2个晶胞共用,该晶体中配位数是3×
=12,晶胞中原子数目为8×
+6×
=4,设金属的相对原子质量为M,则
g=2.7
g·cm-3×
(0.405×10-7
cm)3,解得M=27。
答案:(1)N 正四面体 2
(2)Y的最高价氧化物是分子晶体,M的最高价氧化物是原子晶体 1∶2
(3)sp2杂化
(或Si
等)
(4)
(5)12 27
【补偿训练】
(2020·贵阳高二检测)金属钨晶体中晶胞的结构模型如图所示。实际测得金属钨的密度为ρ,钨的相对原子质量为M,假定钨原子为等直径的刚性球,请回答下列问题:
(1)每一个晶胞分摊到__________个钨原子。?
(2)晶胞的边长a为__________。?
(3)钨的原子半径r为__________(只有体对角线上的各个球才是彼此接触的)。?
(4)金属钨原子形成的体心立体结构的空间利用率为__________。?
【解析】(1)晶胞中每个顶点的钨原子为8个晶胞所共有,体心的钨原子完全为
该晶胞所有,故每一个晶胞分摊到2个钨原子。(2)每个晶胞中含有2个钨原子,
则每个晶胞的质量m=
,又因每个晶胞的体积V=a3,所以晶胞密度ρ=
,a=
。(3)钨晶胞体对角线的长度为钨原子半径的4倍,即4r=
a,r=
(4)每个晶胞含有2个钨原子,2个钨原子的体积V′=2×
πr3=
,则该体
心立方结构的空间利用率=
×100%≈68%。
答案:(1)2 (2)
(3)
(4)68%课时素养评价
十三 金
属
晶
体
(40分钟 70分)
一、选择题(本题包括8小题,每小题5分,共40分)
1.下列有关金属导电原因的叙述,正确的是
( )
A.金属在通电时发生电离生成金属阳离子和自由离子
B.金属导电与电解质溶液导电的原因相同
C.在外加电场作用下,金属晶体中的自由电子发生定向移动
D.金属在外加电场作用下,金属阳离子和电子都发生定向移动
【解析】选C。构成金属晶体的微粒为金属阳离子和自由电子,A错误;在外加电场作用下,金属晶体中的自由电子发生定向移动产生电流,金属阳离子不能定向移动,C正确,D错误;电解质溶液导电是由于阴离子和阳离子在电场中的定向移动引起的,B错误。
2.(2020·福州高二检测)下列关于金属晶体的叙述中正确的是
( )
A.用铂金制作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.Li、Na、K的熔点逐渐升高
D.金属导电和熔融电解质(或电解质溶液)导电的原理一样
【解析】选B。用铂金制作首饰利用了金属晶体的延展性,能用金属键理论解释,故A错误;金属晶体在固态和熔融态下都能导电,其熔点由于金属的不同差异很大,熔点在1
000
℃左右的晶体可能是金属晶体,故B正确;原子半径越小,金属性越强,则Li、Na、K的熔点逐渐降低,故C错误;金属导电是自由电子导电,电解质溶液导电是阴阳离子导电,原理不一样,故D错误。
3.(2020·成都高二检测)下列关于金属及金属键的说法正确的是
( )
A.金属键具有方向性与饱和性
B.金属键是金属阳离子与自由电子间的相互作用
C.金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子
D.金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光
【解析】选B。金属键没有方向性和饱和性,A项错误;金属导电是因为在外加电场作用下,自由电子产生定向移动,C项错误;由于自由电子的存在使金属很容易吸收光子而发生跃迁,发出特定波长的光波,因而金属往往有特定的金属光泽,D项错误。
4.(2020·陇川高二检测)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阳离子所带电荷的多少及半径大小相关。由此判断下列说法正确的是
( )
A.金属镁的硬度大于金属铝
B.碱金属单质的熔、沸点从Li到Cs是逐渐增大的
C.金属镁的熔点大于金属钠
D.金属镁的硬度小于金属钙
【解析】选C。镁离子比铝离子的半径大而所带的电荷少,所以金属镁比金属铝的金属键弱,熔、沸点和硬度都小,A错误;从Li到Cs,离子的半径是逐渐增大的,所带电荷相同,金属键逐渐减弱,熔、沸点和硬度都逐渐减小,B错误;因离子的半径小而所带电荷多,使金属镁比金属钠的金属键强,所以金属镁比金属钠的熔、沸点和硬度都大,C正确;因离子的半径小而所带电荷相同,使金属镁比金属钙的金属键强,所以金属镁比金属钙的熔、沸点和硬度都大,D错误。
【补偿训练】
(2020·长春高二检测)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的强烈相互作用,其实质与离子键类似,也是一种电性作用
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,所以与共价键类似,也有方向性和饱和性
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
【解析】选B。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的强烈相互作用,其实质与离子键类似,也是一种电性作用,A正确;金属键可以看作是许多离子共用许多电子所形成的强烈的相互作用,所以与共价键不同,没有方向性和饱和性,B不正确;金属键是带异性电荷的金属阳离子和自由电子间的相互作用,故金属键无饱和性和方向性,C正确;
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,D正确。
5.(2020·盐城高二检测)下列各项叙述中,正确的是
( )
A.分子晶体中不一定存在分子间作用力
B.价电子排布为4s24p1的元素位于第4周期第ⅠA族,是s区元素
C.已知金属钛的晶胞是面心立方结构(如图),则钛晶体1个晶胞中钛原子数为4个
D.水是一种非常稳定的化合物,这是由于氢键所导致
【解析】选C。分子晶体中一定存在分子间作用力,故A错误;价电子排布为4s24p1的元素位于第4周期第ⅢA族,是p区元素,故B错误;已知金属钛的晶胞是面心立方结构,则钛晶体1个晶胞中钛原子数为+=4个,故C正确;水是一种非常稳定的化合物,这是由于共价键所导致,氢键只能影响物理性质,故D错误。
6.(2020·成都高二检测)关于金属晶体的六方最密堆积的结构形式的叙述正确的是
( )
A.晶胞是六棱柱
B.晶胞是六面体
C.每个晶胞中含4个原子
D.每个晶胞中含17个原子
【解析】选B。金属晶体的六方最密堆积结构形式的晶胞是六棱柱的1/3,A错误;金属晶体的六方最密堆积结构形式的晶胞是六棱柱的1/3,即平行六面体,B正确;每个晶胞中绝对占有2个原子,C错误;每个晶胞中有8个顶点和1个内部原子,
晶胞中绝对占有2个原子,D错误。
7.(2020·长沙高二检测)在金属晶体中,如果金属原子的价电子数越多,金属阳离子的半径越小,自由电子与金属阳离子间的作用力越大,金属的熔点越高。由此判断下列各组金属熔点的高低顺序,其中正确的是
( )
A.Mg>Al>Ca
B.Al>Na>Li
C.Al>Mg>Ca
D.Mg>Ba>Al
【解析】选C。金属原子的价电子数:Al>Mg=Ca=Ba>Li=Na,金属阳离子的半径:
r(Ba2+)>r(Ca2+)>r(Na+)>r(Mg2+)>r(Al3+)>r(Li+),则C正确。
8.(2020·郑州高二检测)下列说法中错误的是
( )
A.冰中既存在范德华力,又存在氢键
B.简单立方是非密置层三维堆积形成的,面心立方是由密置层三维堆积形成的
C.所有共价键都有方向性,形成氢键的三个相关原子可以不在一条直线上
D.金属晶体的导电、导热性都与自由电子有关,离子晶体在一定条件下可以导电
【解析】选C。冰属于分子晶体,含有范德华力,同时也存在分子间氢键,故A正确;简单立方是非密置层三维堆积形成的,面心立方是由密置层三维堆积形成的,故B正确;氢原子的电子排在1s轨道上,为球形结构,形成的共价键没有方向性,故C错误;金属晶体的导电、导热性与自由电子有关,离子晶体在熔融状态或水溶液里能够导电,故D正确。
【补偿训练】
1.(2020·兰州高二检测)下列有关金属的说法正确的是
( )
A.金属原子的核外电子在金属晶体中都是自由电子
B.金属导电的实质是金属阳离子在外电场作用下的定向移动
C.金属原子在化学变化中失去的电子数越多,其还原性越强
D.体心立方晶胞和面心立方晶胞中实际含有的原子个数之比为1∶2
【解析】选D。因金属的最外层电子受原子核的吸引小,则金属原子中的最外层电子在晶体中为自由电子,而不是所有的核外电子,A错误;金属导电的实质是自由电子定向移动而产生电流的结果,B错误;金属原子在化学变化中失去电子越容易,其还原性越强,C错误;体心立方晶胞中原子在顶点和体心,则原子个数为1+8×1/8=2,面心立方晶胞中原子在顶点和面心,原子个数为8×1/8+6×1/2=4,原子的个数之比为2∶4=1∶2,D正确。
2.(双选)下列关于石墨的说法正确的是
( )
A.由于石墨是层状结构,所以其晶体类型是原子晶体
B.石墨晶体中最小环上有6个碳原子,每个环实际占有2个碳原子
C.石墨晶体中最小环上有6个碳碳键,每个环实际占有3个碳碳键
D.石墨与金刚石之间的转化是物理变化
【解析】选B、C。石墨是层状结构,所以其晶体类型兼有原子晶体的特点,但不能认为石墨是原子晶体,A错误;石墨晶体中最小环上有6个碳原子,每个碳原子被3个环共有,根据均摊法,每个环实际占有2个碳原子,B正确;石墨晶体中最小环上有6个碳碳键,每个碳碳键被2个环共有,所以每个环实际占有3个碳碳键,C正确;石墨与金刚石之间的转化是化学变化,D错误。
3.(2020·南京模拟)下列说法正确的是
( )
A.S2-电子排布式:1s22s22p63s23p4
B.在金属晶体中,自由电子与金属离子或金属原子的碰撞有能量传递,可以用此来解释金属的物理性质是导热性
C.金属键可以看成是许多原子共用许多电子所形成的强烈相互作用,所以和共价键类似,也有饱和性和方向性
D.某物质的晶体中含A、B、C三种元素,其排列方式如图所示,晶胞中A、B、C的原子个数比为1∶2∶2
【解析】选B。S2-电子排布式:1s22s22p63s23p6,A错误;金属自由电子受热后运动速率增大,与金属离子碰撞频率增大,传递了能量,故金属有良好的导热性,B正确;金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈相互作用,自由电子为整个金属的所有阳离子所共有,所以金属键没有方向性和饱和性,而共价键有方向性和饱和性,C错误;根据图片知,该小正方体中A原子个数=8×=1,B原子个数=4×
=2,C原子个数=1,所以晶体中A、B、C的原子个数比为1∶2∶1,D错误。
二、非选择题(本题包括2小题,共30分)
9.(16分)(2020·南京高二检测)从如图中选择。
(1)金属钠的晶胞模型是__________,每个钠原子周围有__________个紧邻的钠原子。?
(2)金属铜的晶胞模型是______________,每个铜原子周围有__________个紧邻的铜原子。?
(3)金属导电靠______,电解质溶液导电靠______。?
(4)根据下列叙述,判断一定为金属晶体的是______。?
A.由分子间作用力形成,熔点很低
B.由共价键结合形成网状晶体,熔点很高
C.固体有良好的导电性、导热性和延展性
(5)已知下列金属晶体:Po、K、Mg、Au,其堆积方式为
①简单立方堆积的是____________;②体心立方堆积的是__________;③六方最密堆积的是__________;④面心立方最密堆积的是______________。?
【解析】(1)金属钠的堆积方式为体心立方堆积,每个晶胞中含有2个钠原子,其配位数为8,每个钠原子周围有8个紧邻的钠原子。(2)金属铜的堆积方式为面心立方最密堆积,每个晶胞含有4个铜原子,配位数为12,每个铜原子周围有12个紧邻的铜原子。(3)金属导电靠的是金属晶体中含有的自由电子,电解质溶液导电靠的是电解质在溶液中电离出来的自由移动的离子。(4)金属晶体是由金属键形成的,由分子间作用力形成的晶体是分子晶体,故A错误;由共价键结合形成网状晶体,熔点很高,对应的是原子晶体,故B错误;金属晶体具有良好的导电性、导热性和延展性,故C正确。(5)金属晶体有四种堆积方式,分别是简单立方堆积、体心立方堆积、六方最密堆积、面心立方最密堆积,简单立方堆积代表是Po;体心立方堆积代表是K、Fe和Na;六方最密堆积代表是Mg、Zn和Ti;面心立方最密堆积代表是Cu、Ag和Au。
答案:(1)B 8 (2)D 12 (3)自由电子 自由移动的离子 (4)C
(5)①Po ②K ③Mg ④Au
10.(14分)(2020·齐齐哈尔高二检测)(1)金属镍及其化合物在合金材料以及催化剂等方面应用广泛。回答下列问题:
①NiO、FeO的晶体结构类型均与NaCl的相同,Ni2+和Fe2+的离子半径分别为69
pm和78
pm,则熔点:FeO________(填“<”或“>”)NiO。
?
②铁有δ、γ、α三种同素异形体,各晶胞结构如图所示,则δ、α两种晶胞中铁原子的配位数之比为________。?
(2)元素金(Au)处于周期表中的第六周期,与Cu同族,一种铜金合金晶体具有立方最密堆积的结构,在晶胞中Cu原子处于面心,Au原子处于顶点位置,则该合金中Cu原子与Au原子数目之比为________;该晶体中,原子之间的相互作用是________。?
【解析】(1)①NiO、FeO的晶体结构类型均与氯化钠的相同,说明二者都是离子晶体,离子晶体的熔点与离子键的强弱有关,离子所带电荷数越多,离子半径越小,离子键越强,熔点越高。由于Ni2+的离子半径小于Fe2+的离子半径,所以熔点是NiO>FeO。
②δ、α两种晶胞中铁原子的配位数分别是8和6,所以δ、α两种晶胞中铁原子的配位数之比是4∶3。
(2)元素金(Au)处于周期表中的第六周期,与Cu同族,则最外层电子数为1,则价电子排布式为5d106s1,在晶胞中Cu原子处于面心,N(Cu)=6×=3,Au原子处于顶点位置,N(Au)=8×=1,则该合金中Cu原子与Au原子数目之比为3∶1,为金属晶体,原子间的作用力为金属键。
答案:(1)①< ②4∶3 (2)3∶1 金属键
(20分钟 30分)
一、选择题(本题包括2小题,每小题5分,共10分)
11.(2020·绵阳高二检测)石墨晶体是层状结构(如图)。以下有关石墨晶体的说法正确的一组是
( )
①石墨中存在两种作用力;②石墨是混合晶体;③石墨中的C为sp2杂化;④石墨熔点、沸点都比金刚石低;⑤石墨中碳原子数和C—C键数之比为1∶2;⑥石墨和金刚石的硬度相同;⑦石墨层内导电性和层间导电性不同;⑧每个六元环完全占有的碳原子数是2
A.全对
B.除⑤外
C.除①④⑤⑥外
D.除⑥⑦⑧外
【解析】选C。①不正确,石墨中存在三种作用力,一种是范德华力,一种是共价键,还有一种是金属键;②正确;③正确,石墨中的C为sp2杂化;④不正确,石墨熔点比金刚石高;⑤不正确,石墨中碳原子数和C—C键数之比为2∶3;⑥不正确,石墨质软,金刚石的硬度大;⑦正确;⑧正确,每个六元环完全占有的碳原子数是6×1/3=2。
12.(2020·福州高二检测)下列有关晶体结构的说法正确的是
( )
A.金属晶体的体心立方堆积的结构中,每个晶胞中含有2个原子
B.通常状况下,60
g
SiO2晶体中含有的分子数为NA(NA表示阿伏加德罗常数)
C.金属铜的晶胞为面心立方晶胞,晶胞中每个铜原子的配位数为6
D.1
mol金刚石含4
mol
C—C键,金刚石网状结构中,由共价键形成的碳原子环,最小的环上有6个碳原子
【解析】选A。体心立方堆积的结构中,每个晶胞中含有的原子数=1+8×=2,A正确;SiO2晶体是原子晶体,不存在分子,B错误;金属铜的晶胞为面心立方晶胞,晶胞中每个铜原子的配位数为12,C错误;1
mol金刚石含有1
mol
C原子,每个碳原子形成4×=2个C—C键,因此1
mol金刚石含2
mol
C—C键,金刚石晶体结构为,金刚石网状结构中,由共价键形成的碳原子环,最小的环上有6个碳原子,D错误。
【补偿训练】
金属钠晶体为体心立方晶胞,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】选C。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。
二、非选择题(本题包括1小题,共20分)
13.(2020·西安高二检测)早期发现的一种天然二十面体准晶颗粒由Al、Cu、Fe三种金属元素组成,回答下列问题:
(1)①铜元素位于周期表中________区。Cu2+的价电子排布图为___________
___________。?
②锰、铁、钴三种元素的逐级电离能如下表:
电离能/kJ·mol-1
I1
I2
I3
I4
Mn
717.3
1
509.0
3
248
4
940
Fe
762.5
1
561.9
2
957
5
290
Co
760.4
1
648
3
232
4
950
铁元素的第三电离能明显低于锰元素和钴元素,其原因是?
__。
③实验室可用赤血盐K3[Fe(CN)6]检验Fe2+,在赤血盐中铁元素的化合价为________,中心离子的配位数为________。
(2)利用反应:X+C2H2+NH3→Cu2C2+NH4Cl(未配平)可检验乙炔。
①化合物X晶胞结构如图,据此可知X的化学式为________。?
②乙炔分子中σ键与π键数目之比为_______,碳原子的杂化方式为_______;
N空间构型为__?
(用文字描述)。
(3)Al单质中原子采取面心立方最密堆积,其晶胞边长为0.405
nm,列式表示Al单质的密度?
g·cm-3(不必计算出结果)。
【解析】(1)①铜原子价电子排布式为3d104s1,位于ds区,Cu2+是Cu原子失去2个电子,即价电子排布图为;②Fe价电子排布式为3d64s2,Mn的价电子排布式为3d54s2,Co价电子排布式为3d74s2,
Co的核电荷数多于Fe,电子离开时克服的引力较大,所以Co的第三电离能比Fe大,Mn2+是半充满结构(3d5),再电离一个电子所需的能量较高,所以Mn的第三电离能也比Fe大;③K显+1价,CN显-1价,整个化合价代数和为0,因此Fe的价态是+3价,CN-是Fe的配离子,因此中心离子的配位数为6;(2)①Cu位于顶点和面心,个数为8×1/8+6×1/2=4,Cl位于晶胞内部,有4个,因此化学式为CuCl;②乙炔结构简式为HC≡CH,成键原子间只能有1个σ键,碳碳三键中有2个π键,因此1
mol乙炔中σ键和π键数目的比值为3∶2;碳有2个σ键,无孤电子对,杂化类型为sp;N中N有4个σ键,无孤电子对,即杂化类型为sp3,空间构型为正四面体;(3)晶胞中Al的个数为8×1/8+6×1/2=4,则晶胞的质量为4×27/NA
g,晶胞的体积为(0.405×10-7)3cm3,根据密度的定义,则密度为
g·cm-3。
答案:(1)①
ds ②Co的核电荷数多于Fe,电子离开时克服的引力较大,所以Co的第三电离能比Fe大。Mn2+是半充满结构(3d5),再电离一个电子所需的能量较高,所以Mn的第三电离能也比Fe大
③+3 6
(2)①CuCl ②3∶2 sp杂化 正四面体
(3)
