2023-2024學年蘇教版新教材選擇性必修二 專題3第一單元 金屬鍵 金屬晶體 學案

第一單元金屬鍵金屬晶體[學業(yè)要求解讀]1.能描述金屬晶體中金屬鍵的成鍵特征，能用金屬鍵理論解釋金屬的典型性質。2.能借助模型說明常見金屬晶體中晶胞的構成。3.能舉例說明合金的優(yōu)越性能。學習任務一金屬鍵與金屬特性1．金屬鍵(1)概念：指金屬離子與自由電子之間強烈的相互作用。(2)成鍵微粒：金屬陽離子和自由電子。(3)特征：沒有方向性和飽和性。(4)存在：存在于金屬單質和合金中。2．金屬的特性(1)物理特性分析①良好的導電性：金屬中的自由電子可以在外加電場作用下發(fā)生定向運動，從而形成電流。②金屬的導熱性：是自由電子在運動時與金屬離子碰撞而引起能量的交換，從而使能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分，使整塊金屬達到相同的溫度。③良好的延展性：金屬鍵沒有方向性，當金屬受到外力作用時，金屬中的各原子層發(fā)生相對滑動而不會破壞金屬鍵，金屬發(fā)生形變但不會斷裂，故金屬具有良好的延展性。(2)物理性質的影響因素金屬NaMgAl原子外圍電子排布3s13s23s23p1原子半徑/pm186160143.1原子化熱/kJ·mol－1108.4146.4326.4熔點/℃97.5650660由上表中數據可知：金屬元素的原子半徑越小、單位體積內自由電子的數目越多，原子化熱越大，金屬鍵越強，金屬晶體的熔點越高，硬度越大。[思考1]金屬鍵的形成原因是什么？提示：金屬原子的部分或全部外圍電子受原子核的束縛比較弱。在金屬晶體內部，它們可以從原子上“脫落”下來，形成自由移動的電子。金屬原子失去部分或全部外圍電子形成的金屬離子與自由電子之間存在著強烈的相互作用，這種強烈的相互作用稱為金屬鍵。[思考2]金屬具有導電性、導熱性及延展性的原因是什么？提示：(1)導電性：在金屬晶體中，存在著大量的自由電子，這些電子在外加電場的作用下發(fā)生定向移動形成電流，所以金屬具有良好的導電性。(2)導熱性：金屬具有導熱性，是由于金屬晶體中的自由電子在加熱條件下與金屬原子(或金屬離子)頻繁碰撞，從而把能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分，使整塊金屬達到相同的溫度。(3)延展性：由于金屬鍵沒有方向性，當金屬受到外力作用時，晶體中的各原子層就會發(fā)生相對滑動，各層金屬原子之間仍然保持金屬鍵的作用，因而金屬即使在外力作用下發(fā)生形變也不易斷裂，具有良好的延展性。1．自由電子不是專屬于某個特定的金屬陽離子，即每個金屬陽離子均可享有所有的自由電子，但都不可能獨占某個或某幾個自由電子，電子在整塊金屬中自由運動。2．金屬導電的微粒是自由電子，電解質溶液導電的微粒是自由移動的陽離子和陰離子；前者導電過程中不生成新物質，為物理變化，后者導電過程中有新物質生成，為化學變化。因而，二者導電的本質不同。3．金屬原子半徑越小，價電子數越多，金屬鍵越強，金屬晶體的熔、沸點越高，硬度越大。如熔點：K<Na<Mg<Al，硬度：Li>Na>K>Rb。4．金屬晶體熔點差別很大，如汞常溫為液體，熔點很低(－38.9℃)，而鐵熔點很高(1535℃5．一般來說，合金的熔點低于成分金屬的熔點。如熔點：生鐵<純鐵。6．溫度越高，金屬的導電能力越弱。下列關于金屬的敘述正確的是()A．用鉑金制作首飾不能用金屬鍵理論解釋B．固態(tài)或熔融后易導電、熔點在1000℃C．Li、Na、Mg的熔點逐漸升高D．溫度越高，金屬的導電性越好【思路點撥】(1)明確金屬晶體的性質特點。(2)用金屬鍵理論加以解釋。【解析】選項A，用鉑金制作首飾是利用了金屬晶體具有延展性，能用金屬鍵理論解釋；選項B，金屬晶體在固態(tài)或熔融態(tài)下都能導電，大多數金屬在常溫下為固體，熔點較高，故題設條件下的晶體可能是金屬晶體；選項C，一般情況下，金屬鍵的強弱與金屬原子價電子數的多少有關，價電子數越多，金屬鍵越強，與金屬原子的半徑大小也有關，金屬原子的半徑越大，金屬鍵越弱。金屬鍵強弱為Mg>Li>Na，其熔點也為Mg>Li>Na；選項D，金屬的導電性隨溫度升高而降低，溫度越高，其導電性越差。【答案】B1．要使金屬熔化必須破壞其中的金屬鍵。金屬熔、沸點高低和硬度大小一般取決于金屬鍵強弱，而金屬鍵與金屬陽離子所帶電荷的多少及半徑大小有關。由此判斷下列說法正確的是()A．金屬鎂的熔點大于金屬鋁B．堿金屬單質的熔、沸點從Li到Cs是逐漸增大的C．金屬鋁的硬度大于金屬鈉D．金屬鎂的硬度小于金屬鈣解析：選C。鎂離子比鋁離子的半徑大而所帶的電荷少，所以金屬鎂比金屬鋁的金屬鍵弱，熔、沸點和硬度都小，A項錯誤；從Li到Cs，離子的半徑是逐漸增大的，所帶電荷相同，金屬鍵逐漸減弱，熔、沸點和硬度都逐漸減小，B項錯誤；因離子的半徑小而所帶電荷多，使金屬鋁比金屬鈉的金屬鍵強，所以金屬鋁比金屬鈉的熔、沸點和硬度都大，C項正確；因離子的半徑小而所帶電荷相同，使金屬鎂比金屬鈣的金屬鍵強，所以金屬鎂比金屬鈣的熔、沸點和硬度都大，D項錯誤。學習任務二金屬晶體由于金屬鍵無方向性而易于形成三維的緊密堆積結構，迄今為止具有離域電子特性的單原子層的金屬結構未見報道。清華大學李亞棟院士團隊利用弱配體聚乙烯吡咯烷酮(PVP)穩(wěn)定的甲醛還原金屬銠，成功制備出世界上第一例單原子層厚度的納米金屬銠片，球差電鏡和同步輻射研究均證實了這一新穎的單原子層金屬結構。理論研究發(fā)現，單原子層銠片中存在著一種新型的離域大化學鍵，有助于穩(wěn)定其單層金屬結構。該項研究進展為進一步推動金屬納米與團簇、豐富發(fā)展重金屬元素的化學成鍵理論研究具有重要意義，為探索金屬原子單層結構與性能研究提供了重要啟示。那么，金屬晶體有怎樣的結構呢？1．概念(1)晶體：內部粒子(原子、離子或分子)在空間呈現有規(guī)則重復排列，外觀具有規(guī)則幾何外形的固體物質，通常條件下，大多數金屬單質及其合金屬于晶體。(2)晶胞：能夠反映晶體結構特征的基本重復單位。金屬晶體是金屬晶胞在空間連續(xù)重復延伸而形成的。(3)金屬晶體：通過金屬陽離子與自由電子之間的強烈的作用而形成的晶體。2．均攤法分析晶胞的組成(1)均攤法：指在一個晶胞中按比例均攤出該晶胞中的每個粒子，如某個粒子為n個晶胞所共有，則該粒子有屬于該晶胞。如下圖所示的晶胞中不同位置的粒子數的計算：(2)金屬銅的晶胞為面心立方晶胞，如圖所示。觀察分析上圖，回答下列問題：①位于頂點上的銅原子為8個晶胞共有。②位于面心上的銅原子為2個晶胞共有。③晶體銅中完全屬于某一晶胞的銅原子數是4。[思考3]連線題。金屬原子堆積圖式堆積方式配位數A.(1)體心立方①6B.(2)面心立方②8C．(3)六方堆積③12D．(4)簡單立方提示：A—(4)—①B—(1)—②C—(2)—③D—(3)—③。[思考4]結合金屬晶體的結構和性質，回答以下問題。(1)已知下列金屬晶體：Na、Po、K、Fe、Cu、Mg、Zn、Au，其堆積方式為①簡單立方堆積的是________；②體心立方堆積的是________；③六方堆積的是________；④面心立方堆積的是________。(2)根據下列敘述，判斷一定為金屬晶體的是________。A．由分子間作用力形成，熔點很低B．由共價鍵結合形成網狀晶體，熔點很高C．固體有良好的導電性、導熱性和延展性提示：(1)①Po②Na、K、Fe③Mg、Zn④Cu、Au(2)C(1)簡單立方堆積的空間利用率太低，只有金屬Po采取這種方式。體心立方堆積是上層金屬原子填入下層的金屬原子形成的凹穴中，這種堆積方式的空間利用率比簡單立方堆積的高，多數金屬是這種堆積方式。六方堆積按ABAB……方式堆積，面心立方堆積按ABCABC……方式堆積，六方堆積常見金屬為Mg、Zn、Ti，面心立方堆積常見金屬為Cu、Ag、Au。(2)C項，導電性、導熱性、延展性是金屬的通性。1．晶胞中微粒數的確定(1)長方體(正方體)晶胞中不同位置的微粒數的計算①處于頂點上的微粒，同時為8個晶胞所共有，每個微粒有屬于該晶胞。②處于棱邊上的微粒，同時為4個晶胞所共有，每個微粒有屬于該晶胞。③處于晶面上的微粒，同時為2個晶胞所共有，每個微粒有屬于該晶胞。④處于晶胞內部的微粒，則完全屬于該晶胞。(2)非長方體(正方體)晶胞中微粒對晶胞的貢獻應視具體情況而定。如六棱柱頂點上的微粒被6個晶胞共用，該頂點個微粒屬于該晶胞，棱上的微粒有屬于該晶胞。(3)由晶胞確定化學式要注意是“分子結構”還是“晶體結構”。若是分子結構，其化學式由圖中所有實際存在的原子個數決定，且原子個數可以不互質(即原子個數比可以不約簡)。2．金屬晶體四種堆積模型的比較堆積模型采納這種堆積的典型代表晶胞配位數空間利用率每個晶胞所含原子數非密置層簡單立方堆積Po(釙)652%1體心立方堆積Na、K、Fe868%2密置層六方堆積Mg、Zn、Ti1274%6面心立方堆積Cu、Ag、Au1274%4(1)Cu2O在稀硫酸中生成Cu和CuSO4。銅晶胞結構如圖所示，銅晶體中每個銅原子周圍距離最近的銅原子數目為____________________。(2)Al單質為面心立方晶體，其晶胞參數a＝0.405nm，晶胞中鋁原子的配位數為________。列式表示Al單質的密度為________________g·cm－3(不必計算出結果)?！窘馕觥?1)銅晶胞為面心立方晶胞，故每個銅原子周圍距離最近的銅原子為12個。(2)面心立方堆積晶體中，原子的配位數為12；該晶胞中含有Al原子數目為×8＋×6＝4，根據(0.405×10－7)3ρ＝，解得ρ＝g·cm－3?！敬鸢浮?1)12(2)12【題后歸納】(1)立方晶胞中各物理量的關系a3×ρ×NA＝n×Ma：表示晶胞的棱長；ρ：表示晶體的密度；NA：表示阿伏加德羅常數；n：表示晶胞中所含微粒個數；M：表示晶胞所含微粒的摩爾質量；a3×ρ×NA表示1mol晶胞的質量。(2)晶胞密度的計算方法①以晶胞為研究對象，運用均攤法或切割法分析每個晶胞中含有的微粒數，計算一個晶胞的質量m＝(NA為阿伏加德羅常數，n為晶胞中所含微粒個數，M為所含微粒的摩爾質量)。②結合晶胞中的幾何關系，計算一個晶胞的體積，用m＝ρ·V的關系計算。2．下圖是硼和鎂形成的化合物的晶體結構單元，鎂原子間形成正六棱柱，且棱柱的上下底面還各有1個鎂原子；6個硼原子位于棱柱內。則該化合物的化學式可表示為()A．MgB B．MgB2C．Mg2B D．Mg3B2解析：選B。用均攤法求出正六棱柱中各原子的個數，進而求出兩種原子的個數比。根據示意圖進行分析，該“單元”的Mg與B原子數如下：位于正六棱柱頂點的Mg原子為6個六棱柱共用(正六邊形內角為120°)，每個頂點的鎂原子屬于該基本單元的；上下底面上的Mg原子為2個正六棱柱共用，屬于該單元的，則該結構單元含有的Mg原子的個數為12×＋2×＝3。B原子：6個B原子位于棱柱內，完全屬于該結構單元。該結構單元的Mg原子與B原子個數之比為3∶6＝1∶2，化學式為MgB2。3．如圖所示，金屬晶體中金屬原子有三種常見的堆積方式，a、b、c分別代表這三種晶胞的結構，其晶胞a、b、c內金屬原子個數比為________。解析：a晶胞中原子個數：12×＋2×＋3＝6，b晶胞中原子個數：8×＋6×＝4，c晶胞中原子個數：8×＋1＝2。答案：3∶2∶11．下列有關金屬鍵的敘述錯誤的是()A．金屬鍵沒有飽和性和方向性B．金屬鍵是金屬陽離子和自由電子之間強烈的靜電吸引作用C．金屬鍵中的自由電子屬于整塊金屬D．金屬的性質和金屬固體的形成都與金屬鍵有關解析：選B。金屬鍵是金屬陽離子和自由電子之間的強烈的相互作用，自由電子不專屬于某個特定的金屬陽離子，而是在整塊固態(tài)金屬中自由移動，所以金屬鍵沒有方向性和飽和性，A、C正確；金屬鍵是金屬陽離子和自由電子之間強烈的靜電作用，既包括吸引作用也包括排斥作用，B錯誤；金屬晶體中的金屬鍵決定了金屬的性質和金屬固體的形成，D正確。2．下列敘述錯誤的是()A．構成金屬的粒子是金屬陽離子和自由電子B．金屬晶體內部都有自由電子C．金屬晶體內自由電子分布不均勻，專屬于某個特定的金屬離子D．同一類晶體間熔點(或沸點)相差最大的是金屬晶體解析：選C。金屬晶體是由金屬陽離子和自由電子構成的，自由電子幾乎均勻分布在金屬晶體內，不專屬于某一個或幾個特定的金屬離子，故A、B正確，C錯誤；由于金屬鍵的強度差別很大，不同金屬晶體的熔、沸點相差較大，故D正確。3．某晶體的晶胞結構如圖所示，這種晶體中A、B、C三種原子的數目之比為()A．3∶9∶4 B．1∶4∶2C．2∶9∶4 D．3∶8∶5解析：選B。該晶胞中含A原子個數為6×＝，B原子個數為6×＋3×＝2，C原子個數為1，則A、B、C原子的個數比為∶2∶1＝1∶4∶2。4．現有四種晶體，其構成粒子(均為單原子核粒子)排列方式如圖所示，其化學式正確的是()解析：選C。B粒子位于8個頂點，晶胞內含有B粒子的個數為1，1個A粒子位于體心，所以化學式應為AB，A錯誤；1個X粒子位于體心，Y粒子位于6個面心，Z粒子位于8個頂點，晶胞內含有X、Y、Z三種粒子的個數分別為1、3、1，C正確；B項所示結構不是完整晶胞，而是一個晶胞的，其完整晶胞和D項相同，D項中A粒子位于8個頂點和6個面心，晶胞內含有A粒子的個數為4，B粒子位于12條棱心和體心，晶胞內含有B粒子的個數為4，所以化學式應為AB，同理可得B項中晶體化學式為EF，B、D錯誤。5．Ni2＋與Mg2＋、O2－形成晶體的晶胞結構如圖所示(Ni2＋未畫出)，則該晶體的化學式為________。解析：氧離子位于立方體晶胞的棱上，氧離子個數為12×＝3，所以該晶胞含有3個氧離子；鎂離子位于立方體晶胞的4個面上，鎂離子個數為4×＝2，該晶胞中含有2個鎂離子，根據化學式中元素化合價代數和為0，該晶胞中含有1個Ni2＋，該晶體的化學式為Mg2NiO3。答案：Mg2NiO31．金屬鉀、銅的部分結構和性質的數據如下表所示，則下列說法錯誤的是()金屬KCu原子外圍電子排布4s13d104s1原子半徑/pm255128原子化熱/kJ·mol－190.0339.3熔點/℃63.41083A.單位體積內自由電子數目：K<CuB．金屬鍵強弱順序為K<CuC．金屬的硬度大小順序為K<CuD．兩者最外層電子數目相等，因此其金屬鍵的強弱只能取決于原子半徑大小解析：選D。決定金屬鍵強弱的因素是單位體積內自由電子數目和原子半徑的大小，金屬鍵越強，金屬的熔、沸點越高，硬度越大；金屬單位體積內自由電子的數目則取決于金屬的外圍電子數目，而不是金屬的最外層電子數目。2．金屬具有的通性是()①具有良好的導電性②具有良好的導熱性③具有延展性④都具有較高的熔點⑤都是固體⑥都具有很大的硬度A．①②③ B．②④⑥C．④⑤⑥ D．①③⑤解析：選A。金屬并不一定具有較高的熔點，汞在常溫下是液態(tài)，鈉、鉀等的硬度都不大，所以④⑤⑥均錯誤。3．鋁鈉合金有著廣泛的應用，現有三種晶體：①鋁、②鈉、③鋁鈉合金，它們的熔點從低到高的順序是()A．①②③ B．②①③C．③②① D．③①②解析：選C。三種晶體中，一般合金的熔點低于各組成金屬單質的熔點，而鋁與鈉比較，鈉的熔、沸點較低，故答案為C。4．下列能夠表示出每個晶胞中所含實際微粒個數的面心立方晶胞的是()解析：選B。A項和B項是面心立方晶胞，其中B項是經過切割后的面心立方晶胞，它能表示出此晶胞中所含微粒的實際數目，C項和D項是體心立方晶胞。5．最近發(fā)現，只含鎂、鎳和碳三種元素的晶體竟然也具有超導性。該新型超導晶體的一個晶胞如圖所示，則該晶體的化學式為()A．Mg2CNi3 B．MgC2NiC．MgCNi2 D．MgCNi3解析：選D。Mg處于晶胞的頂點上，故有8×＝1個；Ni處于晶胞的面心，故有6×＝3個；C處于晶胞的體心，完全屬于該晶胞，故該晶體的化學式為MgCNi3。6．科學家把C60和K摻雜在一起制造出的物質具有超導性能，其晶胞結構如圖所示。該物質中K和C60的個數之比為()A．1∶1 B．2∶1C．3∶1 D．4∶1解析：選C。根據均攤法可知，該晶胞中K的個數為2×6×＝6，C60的個數為1＋8×＝2，所以該物質中K和C60的個數之比為6∶2＝3∶1。7．如圖所示為一種由鈦原子和碳原子構成的氣態(tài)團簇分子的結構模型，則它的化學式為()A．Ti4C4 B．C．Ti14C13 D．Ti解析：選C。本題易錯之處是把“氣態(tài)團簇分子”當作晶胞處理，而錯選A或B。由于該結構為“氣態(tài)團簇分子”的結構，給出的結構就是一個“完整”的分子，因此結構中的每個原子都是構成分子的一部分。因該“氣態(tài)團簇分子”結構中含有14個Ti原子和13個C原子，故該物質的化學式為Ti14C138．金屬鈉晶體的晶胞為體心立方堆積，實驗測得鈉的密度為ρg·cm－3。已知鈉的相對原子質量為a，設阿伏加德羅常數的值為NA，假定金屬鈉原子為等徑的剛性小球且處于體對角線上的三個球相切。則鈉原子的半徑r為()A.cm B．cmC．cm D．cm解析：選C。因為金屬鈉晶體的晶胞為體心立方堆積，所以每個晶胞中含有鈉原子數為1＋8×＝2，設晶胞邊長為xcm，根據ρ＝得，ρ＝NA，所以x＝，晶胞的體對角線長為棱長的倍，則體對角線長為cm，所以鈉原子半徑r＝cm。9．金晶體的晶胞結構如圖所示，為面心立方最密堆積。設金原子的直徑為d，用NA表示阿伏加德羅常數，在立方體的各個面的對角線上，3個金原子彼此兩兩相切，M表示金的摩爾質量。則下列說法錯誤的是()A．金晶體每個晶胞中含有4個金原子B．金屬鍵無方向性，金屬原子盡可能采取密堆積C．一個晶胞的體積是16d3D．金晶體的密度是解析：選C。因為是面心立方最密堆積，故每個晶胞中含有金原子數為8×＋6×＝4，A正確；金屬鍵無方向性，金屬原子盡可能采取密堆積，B正確；因為立方體的各個面的對角線上3個金原子彼此兩兩相切，則該晶胞立方體的棱長為d，體積為2d3，C錯誤；金晶體的密度為＝，D正確。10．物質的性質決定了物質的用途，下面列出了金屬的幾種性質：①導熱性、②導電性、③還原性、④延展性、⑤具有金屬光澤。請在下面金屬用途后的橫線上填上金屬主要性質對應的序號。(每空限選一個)(1)用鋁錠制成包裝用的鋁箔________。(2)用鋁制成的高壓鋁鍋________。(3)用鐵粉回收照相業(yè)廢液中的銀________。(4)電信業(yè)中大量使用的銅絲、金屬電纜________。解析：(1)用鋁錠制成包裝用的鋁箔利用了鋁的延展性，故答案為④。(2)用鋁制成的高壓鋁鍋利用了鋁的導熱性，故答案為①。(3)用鐵粉回收照相業(yè)廢液中的銀利用了鐵的還原性，故答案為③。(4)用銅絲、金屬做電纜利用了金屬的導電性，故答案為②。答案：(1)④(2)①(3)③(4)②11．某晶體的晶胞結構如圖所示，X(?)位于立方體頂點，Y(○)位于立方體體心。試分析：(1)晶體中每一個Y同時吸引著________個X，每個X同時吸引著________個Y，該晶體的化學式是________。(2)晶體中在每個X周圍與它最接近且距離相等的X共有________個。(3)晶體中距離最近的2個X分別與1個Y形成的兩條線的夾角為________。解析：此題考查的知識點是晶體的空間結構。(1)同時吸引的微粒個數即指在某微粒周圍距離最近的其他種類的微粒個數，觀察圖可知，Y位于立方體的體心，X位于立方體的頂點，每個Y同時吸引著4個X，而每個X同時被8個立方體共用，每個立方體的體心都有1個Y，所以每個X同時吸引著8個Y，X、Y的個數比為1∶2，所以化學式為XY2或Y2X。(2)晶體中每個X周圍與它最接近的X之間的距離應為如圖所示立方體的面對角線。位置關系分為在此X的上層、下層和同一層，每層均有4個，共有12個。(3)若將4個X連接，構成1個正四面體，Y位于正四面體的中心，可聯(lián)系CH4的鍵角，知該夾角為109°28′。對于晶體結構，要善于用宏觀的空間結構來分析粒子的微觀結構，利用立體幾何的知識，分清各原子、離子、分子在空間的相對位置，熟悉一些常見晶體的空間結構，是解答此類題目的關鍵。答案：(1)48XY2(或Y2X)(2)12(3)109°28′12．用X射線研究某金屬晶體，測得在邊長為360pm的立方晶胞中含有4個金屬原子，此時金屬的密度為9.0g·cm－3。試回答：(1)每個晶胞的質量是________g。(2)此金屬的相對原子質量為________。(3)此原子的原子半徑(pm)為________。解析：(1)根據題意，此金屬晶胞如圖所示：一個晶胞所含有的金屬原子個數＝8