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課程標準要求學業(yè)質量水平1．借助金屬晶體模型認識金屬晶體的結構特點。2．能利用金屬鍵理論解釋金屬的一些物理性質。1．能采用模型、符號等多種方式對物質的結構進行綜合表征。(水平3)2．能說明物質間的組成和微粒間作用力的差異對物質性質的影響。(水平3)一、金屬鍵與金屬特性1．金屬鍵：金屬離子與自由電子之間強烈的相互作用。2．金屬性質與解釋性質原因導電性在外電場作用下，自由電子在金屬內部會發(fā)生定向運動而形成電流導熱性金屬某一部分受熱時，該區(qū)域自由電子運動速率增大，自由電子與金屬離子的碰撞頻率增加，通過自由電子的運動把能量從溫度高的區(qū)域傳到溫度低的區(qū)域延展性金屬鍵沒有方向性，當金屬受到外力作用時，金屬原子之間發(fā)生相對滑動，各層金屬原子之間仍然保持金屬鍵的作用，因此金屬在外力作用下可以發(fā)生形變3．金屬鍵強弱的判斷及其對金屬性質的影響一般而言，金屬元素的原子半徑越小，單位體積內自由電子的數(shù)目越多，金屬鍵越強，金屬晶體的硬度越大，熔點、沸點越高。二、金屬晶體1．形成通常條件下，大多數(shù)金屬單質及其合金都是金屬晶體。在金屬晶體中，金屬原子如同半徑相等的小球一樣，彼此相切、緊密堆積成晶體。2．組成單元——晶胞能夠反映晶體結構特征的基本重復單位叫做晶胞。金屬晶體是金屬晶胞在空間連續(xù)重復延伸而形成的。3．金屬原子在二維平面中放置的兩種方式金屬晶體中的原子可看成直徑相等的球體，把它們放置在平面上(即二維空間里)，可有兩種排列方式：非密置層和密置層(如下圖所示)。(1)晶體中一個原子周圍距離相等且最近的原子的數(shù)目叫做配位數(shù)。分析上圖，非密置層的配位數(shù)是4，密置層的配位數(shù)是6。(2)密置層放置平面的利用率比非密置層的要大。4．合金的組成和性質(1)合金：一種金屬與另一種或幾種金屬(或非金屬)的融合體。(2)合金的性能：通常，多數(shù)合金的熔點比它的成分金屬的熔點要低，而強度和硬度比它的成分金屬要大。1．巧判斷(對的畫“√”，錯的畫“×”)(1)常溫下，金屬單質都以晶體形式存在。(×)(2)金屬鍵可以看作為許多原子共用許多電子的相互作用，故也有方向性和飽和性。(×)(3)金屬晶體的熔點一定比共價晶體的低。(×)(4)金屬晶體中有陽離子，必含有陰離子。(×)(5)同主族的金屬元素自上而下，金屬單質的熔點逐漸降低，表現(xiàn)為金屬鍵逐漸減弱。(√)2．金屬鍵的實質是()A．自由電子與金屬陽離子之間的相互作用B．金屬原子與金屬原子間的相互作用C．金屬陽離子與陰離子的吸引力D．自由電子與金屬原子之間的相互作用A[金屬鍵就是金屬中的金屬陽離子與自由電子間的相互作用，其本質上是一種電性作用。]3．鋁的熔點、沸點比鎂高的原因是()A．鎂比鋁活潑B．鋁的化合價比鎂高C．鋁的外圍電子比鎂多、原子半徑比鎂小D．鋁能與酸堿反應C[金屬鋁和鎂均為金屬晶體，金屬晶體的熔點、沸點與金屬鍵的強弱有關。與鎂原子比較，鋁原子的半徑較小，外圍電子數(shù)較多，故鋁的金屬鍵也比鎂的金屬鍵強，鋁的熔點、沸點比鎂高。][對應學生用書P44]學習任務一探究金屬鍵與金屬物理性質的關系金屬晶體中的金屬鍵示意圖1．含有陽離子的晶體中一定含有陰離子嗎？提示不一定。如金屬晶體中只有陽離子和自由電子，沒有陰離子。2．純鋁硬度小，但形成硬鋁合金后，硬度很大。金屬形成合金后為什么有些物理性質會發(fā)生很大變化？提示金屬晶體中摻入不同的金屬或非金屬原子時，其組成和晶體結構變化，性質隨之變化。3．金屬鍵強弱的影響因素有哪些？提示由于金屬鍵是自由電子(帶負電)和金屬陽離子(帶正電)之間的電性作用，所以金屬陽離子電荷越多，半徑越小，則金屬鍵越強。由于金屬原子的堆積方式影響著空間利用率，因此它也是金屬鍵強弱的影響因素之一。1．金屬鍵(1)金屬鍵的特征金屬鍵無方向性和飽和性。晶體中的電子不專屬于某一個或某幾個特定的金屬陽離子，而幾乎是均勻地分布在整塊晶體中，晶體中存在金屬陽離子與自由電子之間“彌漫”的電性作用，這種電性作用就是金屬鍵，因此金屬鍵沒有方向性和飽和性。(2)金屬鍵的強弱一般來說，金屬鍵的強弱主要取決于金屬元素原子的半徑和價電子數(shù)。原子半徑越大，價電子數(shù)越少，金屬鍵越弱；原子半徑越小，價電子數(shù)越多，金屬鍵越強。(3)金屬鍵對物質性質的影響①金屬鍵越強，晶體的熔點、沸點越高。②金屬鍵越強，晶體的硬度越大。2．金屬晶體的性質(1)金屬晶體具有良好的導電性、導熱性和延展性。(2)金屬晶體的熔點、沸點的變化①同周期金屬元素從左到右，其單質(如Na、Mg、Al)的熔點、沸點升高。②同主族金屬元素從上到下，其單質(如堿金屬)的熔點、沸點降低。③合金的熔點、沸點一般比其組成成分金屬的熔點、沸點低。④金屬晶體的熔點差別很大，如汞在常溫下為液體，熔點很低；而鐵在常溫下為固體，熔點很高。3．金屬晶體物理特性分析(1)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，故金屬晶體具有良好的延展性。(2)金屬材料有良好的導電性是由于金屬晶體中的自由電子可以在外加電場作用下發(fā)生定向移動。(3)金屬的導熱性是自由電子在運動時與金屬陽離子碰撞而引起能量的交換，能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分，致使整塊金屬達到相同的溫度。1．下圖是金屬晶體內部存在的金屬鍵示意圖。金屬鍵理論可以用來解釋金屬的性質，其中正確的是()A．金屬能導電是因為金屬陽離子在外加電場作用下定向移動B．金屬能導熱是因為自由電子在熱的作用下相互碰撞，從而發(fā)生熱的傳導C．金屬具有延展性是因為在外力的作用下，金屬陽離子各層間會出現(xiàn)相對滑動，但自由電子可以起到“潤滑”的作用，使金屬不會斷裂D．與純金屬相比，合金中增加了不同的金屬或非金屬，致使合金中的電子增多，所以合金的延展性比純金屬強，硬度比純金屬小C[金屬能導電是因為自由電子在外加電場作用下定向移動；金屬能導熱是因為能量高的自由電子與金屬陽離子碰撞，從而發(fā)生能量(熱)的傳導；與純金屬相比，合金中增加了不同的金屬或非金屬，相當于填補了金屬陽離子之間的空隙，所以一般情況下合金的延展性比純金屬弱，硬度比純金屬大。]2．要使金屬晶體熔化必須破壞其中的金屬鍵。金屬晶體的熔點、沸點高低和硬度大小一般取決于金屬鍵的強弱，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．金屬鎂的硬度大于金屬鋁B．堿金屬單質的熔點、沸點從Li到Cs是逐漸升高的C．金屬鎂的熔點大于金屬鈉D．金屬鎂的硬度小于金屬鈣C[鎂離子比鋁離子的半徑大且所帶的電荷少，所以金屬鎂比金屬鋁的金屬鍵弱，熔點、沸點較低，硬度較??；從Li到Cs，金屬離子的半徑是逐漸增大的，所帶電荷相同，金屬鍵逐漸減弱，熔點、沸點逐漸降低，硬度逐漸減小；與鈉離子相比，鎂離子的半徑小且所帶電荷多，金屬鎂比金屬鈉的金屬鍵強，所以金屬鎂比金屬鈉的熔點、沸點高，硬度較大；鎂離子的半徑比鈣離子小，又二者所帶電荷相同，金屬鎂比金屬鈣的金屬鍵強，所以金屬鎂比金屬鈣的熔點、沸點高，硬度較大。]學習任務二晶胞的有關計算下圖是銅晶胞中所填入的原子及其切割示意圖。結合示意圖分析問題?，F(xiàn)有下圖所示的甲、乙、丙三種晶體的晶胞(甲中X處于晶胞的中心，乙中A處于晶胞的中心)。1．分析銅晶胞的切割示意圖，你能獲取哪些有關晶胞原子組成的信息？提示晶胞頂點的原子是8個晶胞共用的，晶胞面上的原子是2個晶胞共用的。2．甲晶體中X與Y的個數(shù)比是多少？乙晶體中A與B的個數(shù)比是多少？提示甲晶體中，體心X的個數(shù)為1個，頂點Y的個數(shù)為6×(個)，所以N(X)∶N(Y)＝1∶＝4∶3。乙晶體中，體心A的個數(shù)為1個，頂點B的個數(shù)為8×＝1(個)，所以N(A)∶N(B)＝1∶1。3．丙晶體中，每個晶胞包含的C離子、D離子各有多少個？提示丙晶體中，C離子的個數(shù)為12×＋1＝4(個)，D離子的個數(shù)為8×＋6×＝4(個)。4．若晶胞是六棱柱，那么頂點上的1個微粒被幾個六棱柱共用？提示被6個六棱柱共用。1．晶胞的特點(1)晶胞一般是平行六面體，其3條邊的長度不一定相等，也不一定互相垂直。晶胞的形狀和大小由具體晶體的結構所決定。(2)整個晶體就是晶胞按一定規(guī)律在三維空間重復排列而成的。每個晶胞上下左右前后無隙并置地排列著與其一樣的無數(shù)晶胞，決定了晶胞的8個頂點、平行的面以及平行的棱完全相同。2．晶胞中微粒數(shù)目的計算——均攤法如某個微粒為n個晶胞所共有，則該微粒有屬于這個晶胞。(1)立方晶胞中微粒數(shù)的計算方法如下：下圖所示的NaCl晶胞中，Na＋占據(jù)立方體的體心和12條棱的棱心，Cl－占據(jù)立方體的8個頂點和6個面心。Na＋在晶胞中的數(shù)目為12×(棱心)＋1×1(體心)＝4(個)，Cl－在晶胞中的數(shù)目為8×(頂點)＋6×(面心)＝4(個)。因此，在NaCl晶胞中，Na＋個數(shù)與Cl－個數(shù)比為1∶1，即NaCl晶體的化學式為NaCl。(2)非長方體(正方體)晶胞中微粒個數(shù)視具體情況而定。如石墨晶胞中，每一層內碳原子排成六邊形，其頂點(1個碳原子)被3個六邊形共有，每個六邊形占個碳原子。1．某物質的晶體中含X、Y、Z三種元素，三種元素原子的排列方式如下圖所示(其中前后兩面面心上的Y原子沒有畫出)，晶體中X、Y、Z的原子個數(shù)比為()A．1∶2∶1 B．1∶3∶1C．2∶2∶1 D．1∶3∶3B[根據(jù)均攤法可得，X位于頂點，被8個晶胞共用，每個晶胞占個X原子，X的個數(shù)為8×＝1(個)；Y位于面上，被2個晶胞共用，每個晶胞占個Y原子，Y的個數(shù)為6×＝3(個)；Z位于體心，全部屬于1個晶胞，即Z原子的個數(shù)為1(個)，三種原子的個數(shù)比為1∶3∶1。]2．右圖為高溫超導領域里的一種化合物——鈣鈦礦的晶體結構，該結構是晶體中具有代表性的最小重復單位。(阿伏加德羅常數(shù)為6.02×1023mol－1)(1)在該化合物的晶體結構中，每個鈦離子周圍與它最近且距離相等的氧離子、鈣離子、鈦離子各有______個、______個、________個。(2)該晶體結構中，氧、鈦、鈣的離子個數(shù)比是________________，該物質的化學式可表示為________。(3)若鈣、鈦、氧三種元素的相對原子質量分別為a、b、c，晶體結構圖中正方體邊長(鈦原子之間的距離)為dnm(1nm＝10－9m)，則該晶體的密度為____________g·cm－3解析(1)以鈦離子為頂點，應有8個立方晶胞緊靠在一起，這樣鈦原子成為空間直角坐標系的中心原子，它的三維方向上前后左右上下最近且相鄰各有1個氧離子(鈦離子)，共6個，它周圍的8個立方晶胞內各含1個鈣離子。(2)該晶胞中含氧離子的個數(shù)為12×＝3(個)，鈣離子的個數(shù)為1個，鈦離子的個數(shù)為8×＝1(個)，故氧、鈦、鈣離子的個數(shù)比為3∶1∶1，它的化學式可表示為CaTiO3。(3)1mol晶體的質量等于(a＋b＋3c)g，1mol晶體的體積為d3×10－21×6.02×1023cm3，其密度為ρ＝＝＝g·cm－3。答案(1)686(2)3∶1∶1CaTiO3(3)[歸納總結]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(shù)；n表示1mol晶胞中晶體的物質的量；M表示晶體的摩爾質量；a3×ρ×NA表示1mol晶胞的質量。釔鋇銅氧是一種新型節(jié)能高溫超導體，其晶胞結構如下圖所示。研究發(fā)現(xiàn)，此高溫超導體中的Cu元素有兩種價態(tài)，分別為＋2和＋3；Y元素的化合價為＋3，Ba元素的化合價為＋2。(1)根據(jù)晶胞結構推斷該物質的化學式。提示由晶胞結構圖可知，該晶胞中N(Cu)＝8×＋8×＝3(個)，N(Ba)＝2(個)，N(Y)＝1(個)，N(O)＝12×＋8×＝7(個)，即該物質的化學式為YBa2Cu3O7。(2)計算該物質中Cu2＋與Cu3＋的個數(shù)比。提示根據(jù)題中各元素的化合價，再結合化合物中各元素的正負化合價的代數(shù)和為零可知，＋2價銅與＋3價銅的化合價之和為7，N(Cu2＋)∶N(Cu3＋)＝2∶1。(1)在金屬晶體里有陽離子，但沒有陰離子，可見晶體中有陽離子時不一定有陰離子，若有陰離子，則一定有陽離子。(2)有金屬光澤的晶體不一定是金屬晶體，如晶體硅有金屬光澤，但它屬于共價晶體；晶體碘有金屬光澤，但它屬于分子晶體。[對應學生用書P48]1．下列性質體現(xiàn)了金屬通性的是()A．鐵能夠被磁鐵磁化B．鋁在常溫下不溶于濃硝酸C．銅有良好的延展性、導熱性和導電性D．鈉與水劇烈反應放出氫氣C[金屬通性指的是金屬的某些共有的性質，如不透明，有金屬光澤，有延展性、導熱性、導電性等。]2．下列關于晶體的說法正確的是()A．晶體中只要有陽離子，就一定有陰離子B．晶體中只要有陰離子，就一定有陽離子C．有金屬光澤的晶體一定是金屬晶體D．根據(jù)晶體能否導電可判斷晶體是否屬于金屬晶體B[金屬晶體較特殊，有金屬陽離子而沒有陰離子；晶體中只要有陰離子，根據(jù)電荷守恒，就一定有陽離子；有金屬光澤的晶體不一定是金屬晶體，如晶體碘、晶體硅；能導電的晶體不一定是金屬晶體，如石墨。]3．金屬能導電的原因是()A．金屬晶體中的金屬陽離子與自由電子