2018-2019版高中化學 第3章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)與物質(zhì)性質(zhì) 第2節(jié) 金屬晶體與離子晶體 第1課時學案 魯科版選修3.doc

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第1課時　金屬晶體 [學習目標定位]　1.進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.學會關于金屬晶體典型計算題目的分析方法。 一、金屬晶體及常見金屬晶體的結構型式 1．金屬晶體 (1)金屬原子通過金屬鍵形成的晶體稱為金屬晶體。 (2)金屬鍵是指金屬陽離子和自由電子之間的強的相互作用。 (3)由于自由電子為整個金屬所共有，所以金屬鍵沒有方向性和飽和性，從而導致金屬晶體最常見的結構型式具有堆積密度大，原子配位數(shù)高，能充分利用空間等特點。 2．常見金屬晶體的結構型式 金屬晶體可看作是金屬原子在三維空間(一層一層地)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 (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 例1　下列有關金屬晶體的堆積模型的說法正確的是(　　) A．金屬晶體中的原子在二維空間有三種放置方式 B．金屬晶體中非密置層在三維空間可形成兩種堆積方式，其配位數(shù)都是6 C．鎂型堆積和銅型堆積是密置層在三維空間形成的兩種堆積方式 D．金屬晶體中的原子在三維空間的堆積有多種方式，其空間利用率相同 答案　C 解析　A項，金屬晶體中的原子在二維空間只有非密置層和密置層兩種放置方式；B項，非密置層在三維空間可形成簡單立方堆積和體心立方堆積兩種堆積方式，其配位數(shù)分別是6和8；D項，金屬晶體中的原子在三維空間有四種堆積方式，其中鎂型和銅型堆積的空間利用率較高。 規(guī)律總結 金屬晶體的空間利用率大小關系為簡單立方堆積<體心立方密堆積<六方最密堆積＝面心立方最密堆積。 例2　Al的晶體中原子的堆積方式如圖甲所示，其晶胞特征如圖乙所示，原子之間相互位置關系的平面圖如圖丙所示。 若已知Al的原子半徑為d，NA代表阿伏加德羅常數(shù)，Al的相對原子原子質(zhì)量為M，請回答： (1)晶胞中Al原子的配位數(shù)為________，一個晶胞中Al原子的數(shù)目為________。 (2)該晶體的密度為__________(用字母表示)。 答案　(1)12　4　(2) 解析　(1)Al屬于…ABCABC…方式堆積的面心立方最密堆積，配位數(shù)為12，一個晶胞中Al原子的數(shù)目為8＋6＝4。(2)把數(shù)據(jù)代入公式ρV＝M得ρ(2d)3＝M，解得ρ＝。利用公式求金屬晶體的密度，關鍵是找出晶胞正方體的邊長。本題中面對角線的長度為4d，然后根據(jù)邊長的倍等于面對角線的長度可求得晶胞正方體的邊長。 方法規(guī)律——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(shù)，計算一個晶胞的質(zhì)量m＝(NA為阿伏加德羅常數(shù)，n為晶胞中所含微粒個數(shù)，M為所含微粒的摩爾質(zhì)量)。 (2)結合晶胞中的幾何關系，計算一個晶胞的體積，用m＝ρV的關系計算。 例3　金屬鈉晶體的晶胞為體心立方晶胞()，晶胞的邊長為a。假定金屬鈉原子為等徑的剛性球，且晶胞中處于體對角線上的三個球相切。則鈉原子的半徑r為(　　) A. B. C. D．2a 答案　B 解析　如果沿著某一面的對角線對晶胞作橫切面，可得如圖所示的結構，其中AB為晶胞的邊長，BC為晶胞的面對角線，AC為晶胞的體對角線。根據(jù)立方體的特點可知：BC＝a，結合AB2＋BC2＝AC2得：r＝。 二、金屬晶體的結構與物理性質(zhì) 1．金屬晶體具有良好的延展性。由于金屬通常采用密堆積方式，在鍛壓或捶打時，密堆積層的金屬原子之間比較容易產(chǎn)生滑動，但金屬密堆積層之間始終保持著金屬鍵的作用。 2．金屬晶體中原子的堆積方式也會影響金屬的性質(zhì)，如具有最密堆積結構的金屬的延展性往往比其他結構的延展性好。 3．金屬晶體熔、沸點的規(guī)律 (1)金屬的熔、沸點取決于金屬鍵的強弱，一般金屬原子的價電子數(shù)越多，原子半徑越小，金屬晶體內(nèi)部金屬鍵越強，晶體熔、沸點越高。 (2)金屬晶體的熔點差別較大，如Hg熔點很低，堿金屬熔點較低，鐵等金屬熔點很高。這是由于金屬晶體緊密堆積方式、金屬陽離子和自由電子的作用力不同造成的。 (3)同一周期主族金屬單質(zhì)的熔點由左到右逐漸升高；同一主族金屬單質(zhì)的熔點自上而下逐漸降低。 (4)合金的熔點一般低于成分金屬的熔點。 　 金屬的導電性、導熱性與自由電子的運動有關；金屬具有金屬光澤與自由電子有關；金屬的延展性與金屬鍵有關，金屬的熔點和硬度與金屬鍵的強弱有關。 例4　金屬晶體熔、沸點高低和硬度大小一般取決于金屬鍵的強弱，而金屬鍵的強弱與金屬陽離子所帶電荷的多少及半徑大小相關。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(zhì)的熔、沸點從Li到Cs逐漸增大 C．金屬鎂的熔點大于金屬鈉 D．金屬鎂的硬度小于金屬鈣 答案　C 解析　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；從Li到Cs，離子的半徑逐漸增大，金屬鍵逐漸減弱，熔、沸點和硬度都逐漸減??；金屬鎂比金屬鈉離子的半徑小而所帶電荷多，金屬鍵強，所以金屬鎂比金屬鈉的熔、沸點和硬度都大；鎂比鈣離子的半徑小，金屬鍵強，所以金屬鎂比金屬鈣的熔、沸點和硬度都大。 規(guī)律總結　 同周期金屬，從左到右熔、沸點依次升高；同主族金屬，從上到下熔、沸點依次降低。金屬的硬度和熔點相差很大，如金屬鎢的硬度很大，熔點很高(3 410 ℃)，而汞常溫下為液體，熔點很低(－38.9 ℃)。 1．金屬的下列性質(zhì)中和金屬晶體無關的是(　　) A．良好的導電性 B．反應中易失電子 C．良好的延展性 D．良好的導熱性 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構決定的，所以和金屬晶體無關。 2．下列關于金屬晶體的體心立方密堆積的結構型式的敘述中，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。 3．下列物質(zhì)的熔點依次升高的是(　　) A．Mg、Na、K B．Na、Mg、Al C．Na、Rb、Ca D．鋁、鋁硅合金 答案　B 解析　A項中K＋、Na＋、Mg2＋的半徑依次減小，Mg2＋的電荷數(shù)比K＋、Na＋的大，故各物質(zhì)熔點的順序為K＜Na＜Mg；同理分析，B項正確；C項中各物質(zhì)熔點的順序應為Rb＜Na＜Ca；D項中各物質(zhì)熔點的順序應為鋁硅合金＜鋁。 4．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(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　a晶胞中，頂點的微粒被6個晶胞共用，所以a中原子個數(shù)為12＋2＋3＝6；b中原子個數(shù)為8＋6＝4；c中原子個數(shù)為8＋1＝2。 5．回答下列問題： (1)1 183 K以下純鐵晶體的基本結構單元如圖1所示，1 183 K以上轉(zhuǎn)變?yōu)閳D2所示的基本結構單元，在兩種晶體中最鄰近的鐵原子間距離相同。 ①鐵原子的簡化電子排布式為___________________________________________________； 鐵晶體中鐵原子以________鍵相互結合。 ②在1 183 K以下的純鐵晶體中，與鐵原子等距離且最近的鐵原子數(shù)為________；在1 183 K以上的純鐵晶體中，與鐵原子等距離且最近的鐵原子數(shù)為________。 (2)銅的堆積方式屬于A1型最密堆積，其晶胞示意圖為________(填字母)。晶胞中所含的銅原子數(shù)為________個。金屬銅晶胞為面心立方最密堆積，邊長為a cm。又知銅的密度為ρ gcm－3，阿伏加德羅常數(shù)為________。 答案　(1)①[Ar]3d64s2　金屬　②8　12　(2)d　4　 mol－1 解析　(1)②在1 183 K以下的純鐵晶體中，與體心鐵原子等距離且最近的鐵原子是8個頂點的鐵原子；在1 183 K以上的純鐵晶體中，與面心鐵原子等距離且最近的鐵原子有12個。(2)銅晶胞為面心立方最密堆積，1個晶胞能分攤到4個Cu原子；1個晶胞的體積為a3 cm3；一個晶胞的質(zhì)量為a3ρ g；由＝a3ρ g，得NA＝ mol－1。 [對點訓練] 題組1　金屬晶體的結構與物理性質(zhì) 1．金屬的下列性質(zhì)中，與自由電子無關的是(　　) A．密度大小 B．容易導電 C．延展性好 D．易導熱 答案　A 解析　密度大小與自由電子無關，A符合題意；容易導電，是由于自由電子的定向移動形成電流，B不符合題意；金屬發(fā)生形變時自由電子仍然可以在金屬離子之間流動，使金屬不會斷裂，C不符合題意；金屬內(nèi)自由電子和金屬陽離子發(fā)生碰撞，所以易導熱，D不符合題意。 2．下列敘述中錯誤的是(　　) A．金屬單質(zhì)或其合金在固態(tài)和液態(tài)時都能導電 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　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移動，為整塊晶體所共有，所以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，所以D正確。 3．下列關于金屬晶體的敘述正確的是(　　) A．鈣的熔、沸點低于鉀 B．常溫下，金屬單質(zhì)都以晶體形式存在 C．含有陽離子的化合物晶體，不一定含有陰離子 D．金屬離子與自由電子之間的強烈作用，在一定外力作用下，不因形變而消失 答案　D 解析　原子半徑：CaK，所以金屬鍵：Ca>K，故熔、沸點：Ca>K，A項錯誤；Hg在常溫下為液態(tài)，B項錯誤；含有陽離子的化合物是離子化合物，一定含有陰離子，C項錯誤；在外力作用下，金屬原子的密堆積層發(fā)生相對滑動，因“自由電子”屬于整個金屬，故金屬鍵不會因形變而消失，D項正確。 4．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；常用的金屬導體中，導電性最好的是銀，其次是銅，再次是鋁、鐵，B項正確。 5．按下列四種有關性質(zhì)的敘述，可能屬于金屬晶體的是(　　) A．由分子間作用力結合而成，熔點低 B．固體或熔融后易導電，熔點在1 000 ℃左右 C．由共價鍵結合成網(wǎng)狀結構，熔點高 D．固體和熔融狀態(tài)不導電，但溶于水后可能導電 答案　B 解析　在固態(tài)和熔融狀態(tài)能導電的晶體是金屬晶體。 題組2　金屬晶體的結構型式 6．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構中，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。 7．已知某金屬單質(zhì)(如堿金屬)晶體中原子堆積方式如圖所示，則該堆積方式是(　　) A．簡單立方堆積 B．體心立方堆積 C．六方最密堆積 D．面心立方最密堆積 答案　B 8.關于鉀型晶體(如下圖所示)的結構的敘述中正確的是(　　) 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。 9．鎂系合金是最早問世的合金之一，經(jīng)X射線衍射實驗分析得鎂銅合金為面心立方結構，鎂鎳合金為六方最密堆積。鎂系合金的優(yōu)點是價格較低，缺點是要加熱到 250 ℃以上時才釋放出氫氣。下列有關說法不正確的是(　　) A．金屬銅的晶胞結構為 B．已知鈦和鎂的堆積方式相同，均為六方最密堆積，則其堆積方式為　 C．鎂銅合金晶體的原子空間利用率與鎂鎳合金相等 D．鎂鎳合金晶體的配位數(shù)為12 答案　A 解析　銅是面心立方最密堆積(結構如圖所示)，而A項中的圖為六方最密堆積，A項不正確；鈦和鎂晶體是按“…ABAB…”的方式堆積，B項正確；面心立方最密堆積和六方最密堆積的配位數(shù)均為12，空間利用率均為74%，C、D項正確。 10．《X射線金相學》中記載關于銅與金可形成兩種有序的金屬互化物，其結構如圖Ⅰ、Ⅱ所示。下列有關說法正確的是(　　) A．圖Ⅰ、Ⅱ中物質(zhì)的化學式相同 B．圖Ⅱ中物質(zhì)的化學式為CuAu3 C．圖Ⅱ中與每個銅原子緊鄰的銅原子有3個 D．設圖Ⅰ中晶胞的邊長為a cm，則圖Ⅰ中合金的密度為 gcm－3 答案　B 解析　圖Ⅰ中，銅原子個數(shù)為8＋2＝2，金原子個數(shù)為4＝2，故化學式為CuAu。圖Ⅱ中，銅原子個數(shù)為8＝1，金原子個數(shù)為6＝3，故化學式為CuAu3。圖Ⅱ中，銅原子位于立方體的頂點，故緊鄰的銅原子有6個。圖Ⅰ中，銅原子、金原子各為2個，晶胞的體積為a3 cm3，密度ρ＝m/V＝[(64＋197)a3] gcm－3＝ gcm－3。 11．有四種不同堆積方式的金屬晶體的晶胞如下圖所示，有關說法正確的是(　　) A．①為簡單立方堆積，②為六方最密堆積，③為體心立方密堆積，④為面心立方最密堆積 B．每個晶胞含有的原子數(shù)分別為①1個，②2個，③6個，④4個 C．晶胞中原子的配位數(shù)分別為①6，②8，③8，④12 D．空間利用率的大小關系為①<②<③<④ 答案　B 解析?、贋楹唵瘟⒎蕉逊e，②為體心立方密堆積，③為六方最密堆積，④為面心立方最密堆積，②與③判斷有誤，A項不正確；每個晶胞中含有的原子個數(shù)分別為①8＝1，②8＋1＝2，③12＋2＋3＝6，④8＋6＝4，B項正確；晶胞③中原子的配位數(shù)應為12，其他判斷正確，C項不正確；四種晶體的空間利用率分別為52%、68%、74%、74%，所以D項不正確，應為④＝③>②>①。 12．鐵有δ、γ、α三種晶體結構，以下依次是δ、γ、α三種晶體在不同溫度下轉(zhuǎn)化的示意圖。下列有關說法不正確的是(　　) A．δFe晶體中與每個鐵原子距離相等且最近的鐵原子有8個 B．γFe晶體中與每個鐵原子距離相等且最近的鐵原子有12個 C．αFe晶胞邊長若為a cm，γFe晶胞邊長若為b cm，則兩種晶體密度比為b3∶a3 D．將鐵加熱到1 500 ℃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　δFe晶體中與每個鐵原子距離相等且最近的鐵原子有8個；γFe晶體中與每個鐵原子距離相等且最近的鐵原子有12個；若αFe晶胞邊長為a cm，γFe晶胞邊長為b cm，則兩種晶體密度比為b3∶2a3；將鐵加熱到1 500 ℃分別急速冷卻和緩慢冷卻，得到的晶體類型不同。 [綜合強化] 13．金屬晶體的原子堆積方式常有以下四種方式，請認真觀察模型回答下列問題： (1)四種堆積模型的堆積名稱依次是________________、________________、___________、體心立方堆積。 (2)圖2與圖3兩種堆積方式中金屬原子的配位數(shù)______(填“相同”或“不相同”)，圖3的表示符號為________。 (3)采用圖4堆積方式的金屬的配位數(shù)是________。 (4)金屬鎂和銅分別采取上述圖示的________、________(填“圖1”“圖2”“圖3”或“圖4”)。 答案　(1)簡單立方堆積　A3型最密堆積　A1型最密堆積　(2)相同　…ABCABC…　(3)8　(4)圖2　圖3 14．銅和金可形成合金，請回答下列問題： (1)金屬銅采取如圖所示的堆積方式，可稱為________________堆積，則Cu晶體中Cu原子的配位數(shù)為________。 (2)元素金(Au)處于周期表中的第6周期，與Cu同族，Au原子最外層電子排布式為________；一種銅金合金晶體具有面心立方最密堆積的結構，在晶胞中Cu原子處于面心、Au原子處于頂點位置，則該合金中Cu原子與Au原子數(shù)量之比為________；該晶體中，原子之間的作用力是________，若該晶胞的邊長為a cm，則該合金密度為______ gcm－3(阿伏加德羅常數(shù)的值為NA)。 (3)上述晶體具有儲氫功能，氫原子可進入到由Cu原子與Au原子構成的四面體空隙中。若將Cu原子與Au原子等同看待，該晶體儲氫后的晶胞結構與CaF2的結構相似，該晶體儲氫后的化學式應為________。 答案　(1)面心立方最密　12 (2)6s1　3∶1　金屬鍵　 (3)H8AuCu3 解析　(1)Cu為面心立方最密堆積方式，Cu原子周圍最近且距離相等的Cu原子為12個，則Cu的配位數(shù)為12。 (2)Au原子最外層電子排布式可類比Cu，只是電子層多兩層，由于該合金晶體是面心立方最密堆積結構，晶胞內(nèi)N(Cu)＝6＝3，N(Au)＝8＝1；1個晶胞質(zhì)量為 g，則ρ＝ gcm－3。 (3)CaF2晶胞中含有Ca2＋：8＋6＝4個，含F(xiàn)－8個，所以氫原子在晶胞內(nèi)有8個，可以得儲氫后的化學式為H8AuCu3。 15．用X射線研究某金屬晶體，測得在邊長為360 pm的立方晶胞中含有4個金屬原子，此時金屬的密度為9.0 gcm－3。試回答： (1)此金屬晶體屬于________堆積。 (2)每個晶胞的質(zhì)量是________g。 (3)此金屬的相對原子質(zhì)量為________。 (4)此原子的原子半徑(pm)為________。 答案　(1)面心立方最密　(2)4.210－22　(3)63.21　(4)127.28 pm 解析　(1)根據(jù)題意，此金屬晶胞屬于面心立方晶胞類型(如圖所示) ， 一個晶胞所含有的金屬原子個數(shù)＝8＋6＝4。 (2)根據(jù)晶胞的邊長為360 pm，可得晶胞的體積為(3.610－8)3 cm3。根據(jù)質(zhì)量＝密度體積，可得晶胞的質(zhì)量＝9.0 gcm－3(3.610－8)3 cm3≈4.210－22 g。 (3)金屬的相對原子質(zhì)量＝NA原子的質(zhì)量＝6.0210234.210－224＝63.21。 (4)在面心立方晶胞中，晶胞的邊長＝，因此，該金屬原子的原子半徑＝360 pm≈127.28 pm。