2018-2019學(xué)年高中化學(xué) 第3章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)與物質(zhì)性質(zhì) 第2節(jié) 第1課時 金屬晶體學(xué)案 魯科版選修3.docx

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第1課時　金屬晶體 [學(xué)習(xí)目標(biāo)定位]　1.進(jìn)一步熟悉金屬晶體的概念和特征，能用金屬鍵理論解釋金屬晶體的物理性質(zhì)。2.知道金屬晶體中晶胞的堆積方式。3.學(xué)會關(guān)于金屬晶體典型計算題目的分析方法。 一　金屬晶體中的原子在空間的堆積方式 1．將金屬的密堆積方式、對應(yīng)晶胞類型及其實例進(jìn)行連線。 密堆積方式　　　　晶胞類型　　　　實例 A1　六方 Mg A3　面心 Cu 答案　 2．金屬晶體可看作是金屬原子在三維空間(一層一層地)中堆積而成。其堆積模式有以下四種。這四種堆積模式又可以根據(jù)每一層中金屬原子的二維放置方式不同分為兩類：非密置層的堆積(包括簡單立方堆積和體心立方密堆積)，密置層堆積(包括六方最密堆積和面心立方最密堆積)。填寫下表： 堆積模型 采納這種堆積的典型代表 晶胞 配位數(shù) 空間利用率 每個晶胞所含原子數(shù) 非 密 置 層 簡單立方 堆積 Po(釙) 6 52% 1 體心立方 密堆積(A2 型) Na、K、Fe 8 68% 2 密 置 層 六方最密 堆積(A3型) Mg、Zn、Ti 12 74% 6 面心立方 最密堆積 (A1型) Cu、Ag、Au 12 74% 4 [歸納總結(jié)] 1．堆積原理 組成晶體的金屬原子在沒有其他因素影響時，在空間的排列大都服從緊密堆積原理。這是因為在金屬晶體中，金屬鍵沒有方向性和飽和性，因此都趨向于使金屬原子吸引更多的其他原子分布于周圍，并以密堆積方式降低體系的能量，使晶體變得比較穩(wěn)定。 2．堆積模型 [活學(xué)活用] 1．金屬晶體堆積密度大，原子配位數(shù)高，能充分利用空間的原因是(　　) A．金屬原子的價電子數(shù)少 B．金屬晶體中有“自由電子” C．金屬原子的原子半徑大 D．金屬鍵沒有飽和性和方向性 答案　D 解析　這是因為分別借助于沒有方向性和飽和性的金屬鍵形成的金屬晶體的結(jié)構(gòu)中，都趨向于使原子吸引盡可能多的其他原子分布于周圍，并以密堆積的方式降低體系的能量，使晶體變得比較穩(wěn)定。 2．關(guān)于 鉀型晶體(如右圖所示)的結(jié)構(gòu)的敘述中正確的是(　　) A．是密置層的一種堆積方式 B．晶胞是六棱柱 C．每個晶胞內(nèi)含2個原子 D．每個晶胞內(nèi)含6個原子 答案　C 解析　鉀型晶體的晶胞為立方體，是非密置層的一種堆積方式，其中有8個頂點原子和1個體心原子，晶胞內(nèi)含有8＋1＝2個原子，選項C正確。 二　關(guān)于金屬晶體的計算 1．右圖是金屬鎢晶體中的一個晶胞的結(jié)構(gòu)示意圖，它是一種體心立方結(jié)構(gòu)。實驗測得金屬鎢的密度為19.30gcm－3， 鎢的相對原子質(zhì)量是183.9。假設(shè)金屬鎢原子為等徑剛性球，試完成下列問題： (1)每一個晶胞中分?jǐn)偟絖_________個鎢原子。 (2)計算晶胞的邊長a＝________。 (3)計算鎢的原子半徑r(提示：只有體對角線上的各個球才是彼此接觸的)。 答案　(1)2　(2)3.1610－8cm　(3)1.3710－8cm 解析　(1)據(jù)均攤法，每個晶胞中分?jǐn)偟降逆u原子數(shù)為1＋8＝2(個)。 (2)鎢的相對原子質(zhì)量為183.9,1mol02mol鎢原子，其質(zhì)量為2mol183.9gmol－1＝367.8g， 故1mol鎢晶胞的體積為≈19.057cm3， 由題意a36.021023＝19.057cm3，a＝3.1610－8cm。 (3)由a2＋a2＋a2＝(4r)2 得3(3.1610－8cm)2＝16r2， r≈1.3710－8cm。 2．鋁單質(zhì)的晶胞結(jié)構(gòu)如圖甲所示，原子之間相對位置關(guān)系的平面圖如圖乙所示。 若已知鋁原子半徑為d，NA表示阿伏加德羅常數(shù)，相對原子質(zhì)量為M，則該晶體的密度可表示為______________________________________________________________。 據(jù)上圖計算，鋁原子采取的面心立方堆積的空間利用率為______________。 答案　　74% 解析　由圖甲可知每個晶胞中含有的鋁原子數(shù)為8＋6＝4。由圖乙知晶胞的棱長為＝2d。 若該晶體的密度為ρ，則ρ(2d)3＝M， ρ＝。 空間利用率為100%≈74%。 [歸納總結(jié)] 1．熟練掌握各典型晶胞中含有金屬原子數(shù)的計算方法。 2．要有較好的立體幾何知識和空間想象能力。 [活學(xué)活用] 3．金屬晶體中金屬原子有三種常見的堆積方式：六方最密堆積、面心立方最密堆積和體心立方密堆積。下圖(a)、(b)、(c)分別代表這三種晶胞的結(jié)構(gòu)，其晶胞內(nèi)金屬原子個數(shù)比為(　　) A．3∶2∶1 B．11∶8∶4 C．9∶8∶4 D．21∶14∶9 答案　A 解析　晶胞(a)中所含原子數(shù)＝12＋2＋3＝6，晶胞(b)中所含原子數(shù)＝8＋6＝4，晶胞(c)中所含原子數(shù)＝8＋1＝2。 4．某固體僅由一種元素組成，其密度為5.0gcm－3。用X射線研究該固體的結(jié)構(gòu)時得知：在邊長為10－7cm的正方體中含有20個原子，則此元素的相對原子質(zhì)量最接近于下列數(shù)據(jù)中的(　　) A．32 B．120 C．150 D．180 答案　C 解析　一個正方體的體積為(10－7cm)3＝10－21cm3，質(zhì)量為510－21g，則1mol該元素原子的質(zhì)量為510－21/206.021023＝150.5g，其數(shù)值與該元素的相對原子質(zhì)量相等，所以選C。  當(dāng)堂檢測 1．金屬的下列性質(zhì)中和金屬晶體無關(guān)的是(　　) A．良好的導(dǎo)電性 B．反應(yīng)中易失電子 C．良好的延展性 D．良好的導(dǎo)熱性 答案　B 解析　A、C、D都是金屬共有的物理性質(zhì)，這些性質(zhì)都是由金屬晶體所決定的。金屬易失電子是由金屬原子的結(jié)構(gòu)決定的，所以和金屬晶體無關(guān)。 2．下列敘述中錯誤的是(　　) A．金屬單質(zhì)或其合金在固態(tài)和熔融態(tài)時都能導(dǎo)電 B．晶體中存在離子的一定是離子晶體 C．金屬晶體中的自由電子為整塊晶體所共有 D．鈉比鉀的熔點高是因為鈉中金屬陽離子與自由電子之間的作用力強 答案　B 解析　金屬中有自由移動的電子，因此在固態(tài)和熔融態(tài)時均可導(dǎo)電，A正確；離子晶體中存在陰、陽離子，而在金屬晶體中存在金屬陽離子和自由電子，所以B錯誤；自由電子在整塊金屬中可自由運動，為整個金屬晶體所共有，C正確；金屬晶體的熔點高低取決于金屬鍵的強弱，金屬鍵越強，金屬晶體的熔點越高；反之，越低。金屬鍵即為金屬陽離子和自由電子之間強烈的相互作用，所以D正確。 3．兩種金屬A和B，已知A、B常溫下為固態(tài)，且A、B屬于質(zhì)軟的輕金屬，由A、B熔合而成的合金不可能具有的性質(zhì)有(　　) A．導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延展性較純A或純B金屬強 B．常溫下為液態(tài) C．硬度較大，可制造飛機 D．有固定的熔點和沸點 答案　D 解析　合金為混合物，通常無固定組成，因此熔、沸點通常不固定；金屬形成合金的熔點比各組成合金的金屬單質(zhì)低，如Na、K常溫下為固體，而Na—K合金常溫下為液態(tài)；輕金屬Mg—Al合金的硬度比Mg、Al高。 4．關(guān)于金屬晶體的體心立方密堆積的結(jié)構(gòu)型式的敘述中，正確的是(　　) A．晶胞是六棱柱 B．屬于A2型密堆積 C．每個晶胞中含有4個原子 D．每個晶胞中含有5個原子 答案　B 解析　金屬晶體的體心立方密堆積的晶胞是平行六面體，體心立方密堆積的堆積方式為立方體的頂點和體心各有1個原子，屬于A2型密堆積，每個晶胞中含有8＋1＝2個原子。 5．在金屬晶體中最常見的三種堆積方式有： (1)配位數(shù)為8的是________堆積。 (2)配位數(shù)為________的是面心立方最密堆積。 (3)配位數(shù)為____________的是________堆積。其中以ABAB方式堆積的________和以ABCABC方式堆積的________空間利用率相等，就堆積層來看，二者的區(qū)別是在第______層。 答案　(1)體心立方密　(2)12　(3)12　六方最密　六方最密堆積　面心立方最密 堆積　三 40分鐘課時作業(yè) [基礎(chǔ)過關(guān)] 一、金屬晶體及其物理特性 1．下列有關(guān)金屬晶體的說法中正確的是(　　) A．常溫下金屬單質(zhì)都是晶體 B．最外層電子數(shù)少于3個的都是金屬 C．任何狀態(tài)下都有延展性 D．都能導(dǎo)電、傳熱 答案　D 解析　Hg常溫下是液態(tài)，不是晶體，A項錯誤；H、He最外層電子數(shù)都少于3個，但它們不是金屬，B項錯誤；金屬的延展性指的是能抽成細(xì)絲、軋成薄片的性質(zhì)，在液態(tài)時，由于金屬具有流動性，不具備延展性，所以C項也是錯誤的；金屬晶體中存在自由電子，能夠?qū)щ?、傳熱，因此D項是正確的。 2．下列性質(zhì)中可證明某單質(zhì)屬于金屬晶體的是(　　) A．有金屬光澤 B．具有較高熔點 `C.熔融態(tài)不導(dǎo)電 D．固態(tài)導(dǎo)電且延展性好 答案　D 解析　硅晶體有金屬光澤，屬于原子晶體；金剛石等原子晶體都具有較高熔點；金屬晶體熔融態(tài)導(dǎo)電，固態(tài)也導(dǎo)電，并具有良好的延展性。 3．金屬晶體能導(dǎo)電的原因是(　　) A．金屬晶體中的金屬陽離子與自由電子間的作用較弱 B．金屬晶體中的自由電子在外加電場作用下可發(fā)生定向移動 C．金屬晶體中的金屬陽離子在外加電場作用下可發(fā)生定向移動 D．金屬晶體在外加電場作用下可失去電子 答案　B 解析　根據(jù)金屬鍵理論，自由電子是屬于整個晶體的，在外加電場作用下，發(fā)生了定向移動從而導(dǎo)電，故B項正確；有的金屬中金屬鍵較強，但依然導(dǎo)電，故A項錯誤；金屬導(dǎo)電是靠自由電子的定向移動，而不是金屬陽離子發(fā)生定向移動，故C項錯誤；金屬導(dǎo)電是物理變化，而不是失去電子的化學(xué)變化，故D項錯誤。 二、金屬晶體性質(zhì)比較 4．下列敘述正確的是(　　) ①同周期金屬元素的原子半徑越大晶體熔點越高?、谕芷诮饘僭氐脑影霃皆叫【w熔點越高?、弁髯褰饘僭氐脑影霃皆酱缶w熔點越高　④同主族金屬元素的原子半徑越小晶體熔點越高 A．①③ B．②④ C．①④ D．③④ 答案　B 5．下列有關(guān)金屬的說法正確的是(　　) A．鋰的熔點比鈉的低 B．鎂的硬度大于鋁的硬度 C．溫度越高，金屬中自由電子的運動速度越快，所以金屬的導(dǎo)電性越強 D．金屬的延展性與金屬鍵沒有方向性有關(guān) 答案　D 解析　同主族金屬元素隨著電子層數(shù)的增加，原子半徑逐漸增大，金屬鍵逐漸減弱，金屬的熔點逐漸降低，故A錯誤；同周期金屬元素隨著核電荷數(shù)的增加，原子半徑逐漸減小，金屬鍵逐漸增強，金屬的硬度逐漸增大，故B錯誤；溫度越高，金屬中自由電子無規(guī)則運動速度越快，在電場作用下做定向移動的能力越弱，故金屬的導(dǎo)電性越差，故C錯誤；由于金屬鍵沒有方向性，當(dāng)金屬受外力作用時，金屬原子之間發(fā)生相對滑動，但金屬原子之間仍然保持金屬鍵的作用，故金屬表現(xiàn)出良好的延展性，D正確。 6．下列對各物質(zhì)性質(zhì)的比較中，正確的是(　　) A．熔點：Li＜Na＜K B．導(dǎo)電性：Ag＞Cu＞Al＞Fe C．密度：Na＞Mg＞Al D．空間利用率：鉀型＜鎂型＜銅型 答案　B 解析　按Li、Na、K的順序，金屬鍵逐漸減弱，熔點逐漸降低，A項錯；按Na、Mg、Al的順序，密度逐漸增大，C項錯；不同堆積方式的金屬晶體空間利用率：簡單立方為52%，鉀型為68%，鎂型和銅型均為74%，D項錯；常用的金屬導(dǎo)體中，導(dǎo)電性最好的是銀，其次是銅，再次是鋁、鐵，B項正確。 三、金屬晶體中金屬原子的堆積方式 7．下列金屬的晶體結(jié)構(gòu)類型都屬于面心立方最密堆積型的是(　　) A．Li、Na、Mg、Ca B．Li、Na、K、Rb C．Pb、Ag、Cu、Au D．Be、Mg、Cu、Zn 答案　C 8．下列有關(guān)金屬晶體的說法中不正確的是(　　) A．金屬晶體是一種“巨分子” B．“自由電子”為所有原子所共有 C．簡單立方堆積的空間利用率最低 D．體心立方密堆積的空間利用率最高 答案　D 解析　根據(jù)金屬晶體的金屬鍵理論，選項A、B都是正確的。金屬晶體的堆積方式中空間利用率分別是簡單立方堆積52%，體心立方密堆積68%，面心立方最密堆積和六方最密堆積均為74%。因此簡單立方堆積的空間利用率最低，六方最密堆積和面心立方最密堆積的空間利用率最高。 9．金屬晶體的堆積方式、空間利用率和配位數(shù)關(guān)系正確的是(　　) ①釙Po——簡單立方堆積——52%——6 ②鈉Na——鉀型——74%——12 ③鋅Zn——鎂型——68%——8 ④銀Ag——銅型——74%——12 A．①② B．①③ C．②③ D．①④ 答案　D 解析?、阝浶涂臻g利用率為68%，配位數(shù)為8；③中Zn為鎂型，空間利用率為74%，配位數(shù)為12；①④堆積方式、空間利用率和配位數(shù)均正確。 10．鐵有δ、γ、α三種晶體結(jié)構(gòu)，以下依次是δ、γ、α三種晶體不同溫度下轉(zhuǎn)化的圖示。有關(guān)說法不正確的是(　　) A．δ－Fe晶體中與每個鐵原子距離相等且最近的鐵原子有8個 B．γ－Fe晶體中與每個鐵原子距離相等且最近的鐵原子有12個 C．如圖α－Fe晶胞邊長若為acm，γ－Fe晶胞邊長若為bcm，則兩種晶體密度比為b3∶a3 D．將鐵加熱到1500℃分別急速冷卻和緩慢冷卻，得到的晶體類型不相同 答案　C 解析　δ－Fe晶體中與每個鐵原子距離相等且最近的鐵原子有8個(設(shè)晶胞邊長為ccm，則兩個鐵原子間的最近距離為cm)；γ－Fe晶體中與每個鐵原子距離相等且最近的鐵原子有12個(γ－Fe晶胞邊長若為bcm，則兩個鐵原子間的最近距離應(yīng)為bcm)。若α－Fe晶胞邊長為acm，γ－Fe晶胞邊長為bcm，則兩種晶體密度比為b3∶2a3。將鐵加熱到1500℃分別急速冷卻和緩慢冷卻，得到的晶體類型不同。 [能力提升] 11. 最近發(fā)現(xiàn)一種由鈦(Ti)原子和碳原子構(gòu)成的氣態(tài)團簇分子，分子模型如圖所示，其中圓圈表示碳原子，黑點表示鈦原子，則它的化學(xué)式為(　　) A．TiC B．Ti13C14 C．Ti4C7 D．Ti14C13 答案　D 解析　此題一定要注意此結(jié)構(gòu)為一個具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的大分子，不是晶胞。在此題目中，只需數(shù)出兩種原子的數(shù)目即可(Ti14C13)。 12．回答下列問題： (1)金屬晶體的構(gòu)成微粒是_______________________________________________， 微粒間的相互作用稱為________。這種作用力越強，晶體的熔、沸點越________，硬度越________。 (2)金屬鍵的強弱與金屬價電子數(shù)的多少有關(guān)，價電子數(shù)越多，金屬鍵越強；與金屬原子的半徑大小也有關(guān)，金屬原子半徑越大，金屬鍵越弱。據(jù)此判斷下列金屬熔點逐漸升高的是________。 A．Li、Na、K B．Na、Mg、Al C．Li、Be、Mg D．Li、Na、Mg (3)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體心立方密堆積的是____________。 ③六方最密堆積的是____________。 ④面心立方最密堆積的是__________。 答案　(1)金屬離子和自由電子　金屬鍵　高　大　(2)B (3)①Po?、贜a、K、Fe?、跰g、Zn　④Cu、Au 13．根據(jù)你的生活經(jīng)驗和下表所提供的信息，分析并回答下列問題。 物理性質(zhì) 物理性質(zhì)比較 導(dǎo)電性(以銀為100) 銀銅金鋁鋅鐵 1009974612717 密度/gcm－3 金鉛銀銅鐵鋅鋁 19.311.310.58.927.867.142.7 熔點/℃ 鎢鐵銅金銀鋁錫 3410153510831064962660232 硬度(以金剛石為10) 鉻　鐵　銀　　　銅　　　金　　　鋁　　鉛 9　4～52.5～4　2.5～3　2.5～3　2～2.9　1.5 (1)為什么菜刀、錘子等通常用鐵制而不用鉛制？ (2)銀的導(dǎo)電性比銅好，為什么導(dǎo)線一般用銅制而不用銀制？ (3)為什么燈泡里的燈絲用鎢制而不用錫制？ (4)上述物理性質(zhì)中與自由電子關(guān)系最為密切的是____________________________。 答案　(1)因為鐵的硬度比鉛大，且鉛有毒，故常用鐵而不用鉛制作菜刀、錘子等。 (2)銀和銅的導(dǎo)電性相近，但銀比銅貴得多，且電線用量大，所以用銅不用銀作導(dǎo)線。 (3)因為鎢的熔點高(3410℃)，而錫的熔點(232℃)太低，通電時錫就熔化了，所以用鎢絲而不用錫絲做燈泡的燈絲。 (4)導(dǎo)電性 解析　在確定金屬的用途時，要考慮其硬度、熔點、導(dǎo)電性等多種性質(zhì)，有時還要考慮價格、資源、是否便利、是否有毒、是否利于回收等因素。正確解答本題還要會讀題，充分利用題中所給信息進(jìn)行比較解題。 14．Mn、Fe均為第4周期過渡金屬元素，兩元素的部分電離能數(shù)據(jù)列于下表： 元素 Mn Fe 電離能/kJmol－1 I1 717 759 I2 1509 1561 I3 3248 2957 回答下列問題： (1)Mn元素基態(tài)原子的價電子層的電子排布式為__________，比較兩元素的I2、I3可知，氣態(tài)Mn2＋再失去一個電子比氣態(tài)Fe2＋再失去一個電子難。對此你的解釋是___________ ________________________________________________________________________。 (2)金屬鐵的晶體在不同溫度下有兩種堆積方式，晶胞分別如下圖所示。面心立方晶胞和體心立方晶胞中實際含有的Fe原子個數(shù)之比為________，F(xiàn)e原子配位數(shù)之比為________。 答案　(1)3d54s2　Mn2＋轉(zhuǎn)化為Mn3＋時，3d能級由較穩(wěn)定的3d5半充滿狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的3d4狀態(tài)(或Fe2＋轉(zhuǎn)化為Fe3＋時，3d能級由不穩(wěn)定的3d6狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的3d5半充滿狀態(tài))　(2)2∶1　3∶2 解析　(1)根據(jù)錳在元素周期表中的位置可寫出其價電子排布，由于Mn2＋轉(zhuǎn)化為Mn3＋時，3d能級由較穩(wěn)定的3d5半充滿狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的3d4狀態(tài)(或Fe2＋轉(zhuǎn)化為Fe3＋時，3d能級由不穩(wěn)定的3d6狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的3d5半充滿狀態(tài))，所以，氣態(tài)Mn2＋再失去一個電子比氣態(tài)Fe2＋再失去一個電子難。 (2)根據(jù)題給晶胞的結(jié)構(gòu)，在每個體心立方晶胞中含有的鐵原子數(shù)目是2個(配位數(shù)是8)，在每個面心立方晶胞中含有的鐵原子數(shù)目是4個(配位數(shù)是12)。 [拓展探究] 15．金晶體的最小重復(fù)單元(也稱晶胞)是面心立方體，即在立方體的8個頂點各有一個金原子，各個面的中心有一個金原子，每個金原子被相鄰的晶胞共用。金原子的直徑為dcm，用NA表示阿伏加德羅常數(shù)，M表示金的摩爾質(zhì)量(單位：gmol－1)。 (1)金晶體每個晶胞中含有________個金原子。 (2)欲計算一個晶胞的體積，除假定金原子是剛性小球外，還應(yīng)假定________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)一個晶胞的體積為________cm3。 (4)金晶體的密度為________gcm－3。 答案　(1)4　(2)在立方體各個面的對角線上的3個金原子緊密排列且相鄰的兩個金原子處于相切狀態(tài) (3)2d3　(4) 解析　處于立方體頂點的金屬原子為8個晶胞共用，此晶胞只占；處于面心上的金屬原子為2個晶胞共用，此晶胞只占。