学年人教版选修3 第三章 第三节 金属晶体 学案Word文档格式.docx
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二、金属晶体的原子堆积模型
1.二维空间放置方式
图示
堆积方式
非密置层
密置层
配位数
4
6
2.三维空间堆积模型
三、混合晶体——石墨晶体
1.晶体模型
2.结构特点——层状结构
(1)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。
由于所有的p轨道平行且相互重叠,使p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动。
(2)层与层之间靠范德华力维系。
3.晶体类型
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。
4.性质
熔点很高、质软、易导电等。
[自我检测]
1.判断正误,正确的打“√”;
错误的打“×
”。
(1)常温下,金属单质都以晶体形式存在。
( )
(2)金属键可以看作许多原子共用许多电子的相互作用,故也有方向性和饱和性。
(3)金属晶体的熔点一定比原子晶体低。
(4)晶体中有阳离子,必然含有阴离子。
(5)同主族金属元素自上而下,金属单质的熔点逐渐降低,体现金属键逐渐减弱。
(6)金属晶体的堆积模型仅与金属原子半径有关。
(7)金属晶体中体心立方堆积,配位数最多,空间利用率最大。
(8)石墨为混合晶体,因层间存在分子间作用力,故熔点低于金刚石。
答案
(1)×
(2)×
(3)×
(4)×
(5)√ (6)×
(7)×
(8)×
2.根据物质的性质,判断下列晶体类型:
(1)SiI4:
熔点120.5℃,沸点271.5℃,易水解________。
(2)硼:
熔点2300℃,沸点2550℃,硬度大________。
(3)硒:
熔点217℃,沸点685℃,溶于氯仿________。
(4)锑:
熔点630.74℃,沸点1750℃,导电________。
答案
(1)分子晶体
(2)原子晶体 (3)分子晶体
(4)金属晶体
3.已知下列金属晶体:
Na、Po、K、Fe、Cu、Mg、Zn、Au。
(1)属于简单立方堆积的是________;
(2)属于体心立方堆积的是________;
(3)属于六方最密堆积的是________;
(4)属于面心立方最密堆积的是________。
答案
(1)Po
(2)Na、K、Fe (3)Mg、Zn (4)Cu、Au
提升一 金属键对金属的物理性质的影响
【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 从基本构成微粒的性质看,金属键与离子键的实质类似,都属于电性作用,特征都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,金属键与共价键有类似之处,但两者又有明显的不同,如金属键无方向性和饱和性。
故选B。
答案 B
【名师点拨】
(1)金属键的特征
金属键无方向性和饱和性。
晶体中的电子不专属于某一个或几个特定的金属阳离子,而几乎是均匀地分布在整块晶体中,因此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,这就是金属键,因此金属键没有方向性和饱和性。
(2)金属键的强弱比较
一般来说,金属键的强弱主要取决于金属元素原子的半径和价电子数。
原子半径越大,价电子数越少,金属键越弱;
原子半径越小,价电子数越多,金属键越强。
(3)金属键对物质性质的影响
①金属键越强,晶体的熔、沸点越高。
②金属键越强,晶体的硬度越大。
2.金属晶体的性质
(1)金属晶体具有良好的导电性、导热性和延展性。
(2)熔、沸点:
金属键越强,熔、沸点越高。
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、沸点一般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;
而铁常温下为固体,熔点很高。
3.金属晶体物理特性分析
(1)金属键没有方向性,当金属受到外力作用时,晶体中的各原子层发生相对滑动而不会破坏金属键,金属发生形变但不会断裂,故金属晶体具有良好的延展性。
(2)金属材料有良好的导电性是由于金属晶体中的自由电子可以在外加电场作用下发生定向移动。
(3)金属的导热性是自由电子在运动时与金属原子碰撞而引起能量的交换,从而使能量从温度高的部分传到温度低的部分,使整块金属达到相同的温度。
【深度思考】
金属晶体的熔沸点一定高于分子晶体低于原子晶体吗?
提示
(1)金属晶体的熔、沸点也有可能高于原子晶体。
如金属钨的熔点高于硅。
(2)金属晶体的熔、沸点不一定比分子晶体的高。
如汞常温下为液体而蔗糖常温下为固体。
【变式训练1】
1.物质结构理论推出:
金属键越强,其金属的硬度越大,熔、沸点越高。
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>AlB.熔点:
Mg>Ca
C.硬度:
Mg>KD.熔点:
Ca>K
解析 根据题目所给信息,镁、铝原子的电子层数相同,价电子数:
Al>Mg,离子半径:
Al3+<Mg2+。
铝的原子半径比镁小,价电子数比镁多1个,因此铝的金属键较强、硬度较大。
答案 A
2.金属键的实质是( )
A.自由电子与金属阳离子之间的相互作用
B.金属原子与金属原子间的相互作用
C.金属阳离子与阴离子的吸引力
D.自由电子与金属原子之间的相互作用
解析 金属晶体由金属阳离子与自由电子构成,金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用即为金属键。
3.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
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;
金属具有导热性是因为自由电子受热后,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。
提升二 金属晶体中金属原子的堆积方式
【例2】 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( )
A.①为简单立方堆积,②为六方最密堆积,③为体心立方堆积,④为面心立方最密堆积
B.每个晶胞含有的原子数分别为①1,②2,③2,④4
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 ②为体心立方堆积,③为六方最密堆积,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=2,③1+8×
=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项错误;
四种晶体的空间利用率分别为52%、68%、74%、74%,所以D项错误,应为④=③>②>①。
1.堆积原理
组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时,在空间的排列大都服从紧密堆积原理。
这是因为在金属晶体中,金属键没有方向性和饱和性,因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围,并以密堆积方式降低体系的能量,使晶体变得比较稳定。
2.堆积模型
3.四种晶胞的空间利用率的计算
(1)在简单立方堆积中,各个原子是相互靠拢的,对于1个晶胞来说,含有1个金属原子,设立方体的边长为a,则其体积为a3,金属原子的半径为,则空间利用率为×
100%=×
100%≈52%。
(2)在体心立方堆积中,在立方体的体对角线上球是相互接触的。
如下图所示,设立方体的边长为a,原子半径为r,则a=4r,而1个晶胞中含有2个金属原子,所以空间利用率为×
100%≈68%。
(3)在六方最密堆积中,如下图,设原子半径为r,则底面边长为2r,底面高h=r,所以底面积S=2r×
r=2r2。
晶胞的高H=2×
r,
所以晶胞体积V晶胞=S×
H=2r2×
r=8r3,
2个原子的体积V球=2×
πr3。
空间利用率为×
100%≈74%。
(4)在面心立方最密堆积中,如图,设原子半径为r,晶胞边长为a,
则a=2r,V球=4×
πr3,
V晶胞=a3=(2r)3=16r3。
配位数相同的金属晶体,空间利用率相同吗?
提示 相同。
【变式训练】
4.金属钠晶体的晶胞为体心立方细胞(),晶胞的边长为a。
假定金属钠原子为等径的刚性球,且晶胞中处于体对角线上的三个球相切。
则钠原子的半径r为( )
A.B.
C.D.2a
解析 如果沿着某一面的对角线对晶胞作横切面,可得如图所示的结构,其中AB为晶胞的边长,BC为晶胞的面对角线,AC为晶胞的体对角线。
根据立方体的特点可知:
BC=a,结合AB2+BC2=AC2得:
r=。
5.金属晶体堆积密度大,原子配位数高,能充分利用空间的原因是( )
A.金属原子的价电子数较少
B.金属晶体中存在自由移动的电子
C.金属原子的原子半径较大
D.金属键不具有方向性和饱和性
解析 金属晶体中微粒之间的作用力是金属键,金属键不具有方向性和饱和性,所以金属原子能以最紧密的方式堆积,故金属晶体堆积密度大,原子的配位数高,这样能充分利用空间。
答案 D
6.对如图所示中某晶体的原子堆积模型进行分析,下列有关说法正确的是( )
A.该种堆积方式为六方最密堆积
B.该种堆积方式为体心立方堆积
C.该种堆积方式为面心立方最密堆积
D.金属Mg就属于此种最密堆积方式
解析 由图示知该堆积方式为面心立方最密堆积,A、B项错误,C项正确。
Mg是六方最密堆积,D项错误。
答案 C
7.金属晶体的原子堆积方式常有以下四种,请认真观察模型,回答下列问题:
(1)四种堆积模型的堆积名称依次是________、________、________、________。
(2)如下图所示甲中的堆积方式,空间利用率为________,只有金属________采用这种堆积方式
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