2018-2019學(xué)年高中化學(xué) 專題3 微粒間作用力與物質(zhì)性質(zhì) 第一單元 第2課時 金屬晶體學(xué)案 蘇教版選修3.docx

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第2課時　金屬晶體 [學(xué)習(xí)目標(biāo)定位]　1.認(rèn)識晶體的結(jié)構(gòu)特點，明確晶胞的概念，學(xué)會晶胞中微粒數(shù)的計算方法(均攤法)。2.熟知金屬晶體的原子堆積模型。 一　晶胞 1．由于晶體的微粒在微觀空間中是呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性排列，因此，在描述晶體在微觀空間里原子的排列時，常從晶體中“截取”一個具有代表性的基本單元。 (1)描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元叫做晶胞。 (2)一般來說，晶胞都是平行六面體。 (3)晶胞只是晶體微?？臻g里的一個基本單元，在它的上下左右前后無隙并置地排列著無數(shù)晶胞，而且所有晶胞的形狀及其內(nèi)部含有的原子種類、個數(shù)及幾何排列都是完全相同的。 2．金屬銅的晶胞為一面心立方晶胞，如圖所示。 回答下列問題： (1)位于頂角上的銅原子為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(shù)是4。 3．晶胞中微粒個數(shù)的計算(均攤法) 計算一個晶胞中實際擁有的微粒數(shù)，常用均攤法。即某個粒子為n個晶胞所共有，則該粒子的屬于這個晶胞。 (1)長方體(正方體)晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計算 ①處于頂點上的粒子，同時為8個晶胞所共有，每個粒子有1/8屬于該晶胞。 ②處于棱邊上的粒子，同時為4個晶胞所共有，每個粒子有1/4屬于該晶胞。 ③處于晶面上的粒子，同時為2個晶胞所共有，每個粒子有1/2屬于該晶胞。 ④處于晶胞內(nèi)部的粒子，則完全屬于該晶胞。 (2)非長方體(正方體)晶胞中粒子視具體情況而定，如石墨晶胞每一層內(nèi)碳原子排成六邊形，其頂點(1個碳原子)被三個六邊形共有，每個六邊形占1/3。 [歸納總結(jié)] 1．晶體是由無數(shù)個晶胞堆積得到的。知道晶胞的大小和形狀以及晶胞中粒子的種類、數(shù)目和粒子所處的空間位置，就可以認(rèn)識整個晶體的結(jié)構(gòu)。 2．晶胞中微粒個數(shù)的計算，其關(guān)鍵是正確分析晶胞中任意位置上的一個微粒被幾個晶胞所共用。不同形狀的晶胞，情況不同。 [活學(xué)活用] 1．現(xiàn)有甲、乙、丙(如下圖)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)，可推知：甲晶胞中x與y的個數(shù)比是__________，乙晶胞中a與b的個數(shù)比是__________，丙晶胞中有________個c離子，有________個d離子。 答案　4∶3　1∶1　4　4 解析　處于晶胞中心的x或a為該晶胞單獨占有，位于立方體頂點的微粒為8個立方體共有，位于立方體棱邊上的微粒為4個立方體共有，位于立方體面上的微粒為2個立方體共有，所以x∶y＝1∶6＝4∶3；a∶b＝1∶8＝1∶1；丙晶胞中c離子為12＋1＝4(個)，d離子為8＋6＝4(個)。 2．如圖所示是晶體結(jié)構(gòu)中具有代表性的最小重復(fù)單元(晶胞)的排列方式，圖中○—X、●—Y、?—Z。其對應(yīng)的化學(xué)式不正確的是(　　) 答案　B 解析　A圖中X、Y原(離)子的位置、數(shù)目完全等同，化學(xué)式XY正確；B圖化學(xué)式應(yīng)為XY，錯誤；C圖中X的數(shù)目：4＋1＝，Y的數(shù)目：4＝，化學(xué)式X3Y正確；D圖中X的數(shù)目：8＝1，Y的數(shù)目：6＝3，Z位于內(nèi)部，數(shù)目為1，化學(xué)式XY3Z正確。 二　金屬晶體中金屬原子的堆積方式 1．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)密置層放置時，平面的利用率比非密置層的要高。 2．金屬晶體的原子在三維空間里的4種堆積模型 (1)簡單立方堆積 將非密置層球心對球心地垂直向上排列，這樣一層一層地在三維空間里堆積，就得到簡單立方堆積(如下圖所示)。 金屬晶體的堆積方式——簡單立方堆積 這種堆積方式形成的晶胞是一個立方體，每個晶胞含一個原子，這種堆積方式的空間利用率為52%，配位數(shù)為6，這種堆積方式的空間利用率太低，只有金屬釙(Po)采取這種堆積方式。 (2)體心立方堆積 非密置層的另一種堆積方式是將上層金屬原子填入下層的金屬原子形成的凹穴中，并使非密置層的原子稍稍分離，每層均照此堆積，如下圖所示。堿金屬和鐵原子等都屬于此類堆積方式。 金屬晶體的堆積方式——體心立方堆積 這種堆積方式可以劃出立方晶胞，空間利用率比簡單立方堆積高得多，達到68%，每個球與上、下兩層的各4個球相鄰接，故配位數(shù)為8。 (3)六方堆積和面心立方堆積 密置層的原子按體心立方堆積的方式堆積，會得到兩種基本堆積方式——六方堆積和面心立方堆積。這兩種堆積方式都是金屬晶體的最密堆積，配位數(shù)均為12，空間利用率均為74%，但所得晶胞的形式不同(如下圖所示)。 　 六方堆積　 　　　面心立方堆積 金屬晶體的兩種最密堆積方式——六方堆積和面心 立方堆積 六方堆積如下圖所示，重復(fù)周期為兩層，按ABABABAB……的方式堆積。由于在這種排列方式中可劃出密排六方晶胞，故稱此排列為六方堆積。由此堆積可知，同一層上每個球與同層中周圍6個球相接觸，同時又與上下兩層中各3個球相接觸，故每個球與周圍12個球相接觸，所以其配位數(shù)是12。原子的空間利用率最大。Mg、Zn、Ti都是采用這種堆積方式。 面心立方堆積如上圖所示，按ABCABCABC……的方式堆積。將第一密置層記作A，第二層記作B，B層的球?qū)?zhǔn)A層中的三角形空隙位置，第三層記作C，C層的球?qū)?zhǔn)B層的空隙，同時應(yīng)對準(zhǔn)A層中的三角形空隙(即C層球不對準(zhǔn)A層球)。以后各層分別重復(fù)A、B、C層排列，這種排列方式三層為一周期，記為ABCABCABC……由于在這種排列中可以劃出面心立方晶胞，故稱這種堆積方式為面心立方堆積。Cu、Ag、Au等均采用此類堆積方式。 [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．常見的堆積模型 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 方堆積 Na、K、Fe 8 68% 2 密 置 層 六方 堆積 Mg、Zn、Ti 12 74% 6 面心立 方堆積 Cu、Ag、Au 12 74% 4 [活學(xué)活用] 3．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。 4. 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。 當(dāng)堂檢測 1．下列不屬于晶體的特點的是(　　) A．一定有固定的幾何外形 B．一定有各向異性 C．一定有固定的熔點 D．一定是無色透明的固體 答案　D 解析　本題主要考查晶體的特征：①規(guī)則的幾何外形，②具有各向異性，③有固定的熔點，④X射線衍射實驗，故A、B、C三項均正確；有些晶體帶有顏色，如常見的硫酸銅晶體，呈藍色，故D項錯誤。 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　硅晶體具有金屬光澤和較高熔點，但不屬于金屬晶體；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．下列有關(guān)金屬晶體的說法中正確的是(　　) A．常溫下都是晶體 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。 4．下列金屬的晶體結(jié)構(gòu)類型都屬于面心立方堆積的是(　　) A．Li、Na、Mg、CaB．Li、Na、K、Rb C．Pb、Ag、Cu、AuD．Be、Mg、Cu、Zn 答案　C 5．下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)每一個晶胞中均攤到________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)正確應(yīng)用均攤法確定一個晶胞中包含的各粒子的數(shù)目。 (2)應(yīng)用基本關(guān)系式：＝V，先求出晶胞的體積，然后根據(jù)V＝a3計算晶胞的邊長。40分鐘課時作業(yè) [基礎(chǔ)過關(guān)] 一、晶胞及其微粒數(shù)目的確定 1．下列有關(guān)晶胞的敘述，正確的是(　　) A．晶胞的結(jié)構(gòu)是晶體的結(jié)構(gòu) B．不同的晶體中晶胞的大小和形狀都相同 C．晶胞中的任何一個粒子都屬于該晶胞 D．已知晶胞的組成就可推知晶體的組成 答案　D 解析　由晶胞的定義可知A選項錯誤；相同晶體中晶胞的大小和形狀完全相同，不同晶體中晶胞的大小和形狀不一定相同，B選項錯誤；晶體中的大部分粒子被若干個晶胞所共有，不專屬于某個晶胞，C選項錯誤；知道晶胞的組成，利用“均攤法”，即可推知晶體的組成，D選項正確。 2．如圖 ，石墨晶體結(jié)構(gòu)的每一層里平均每個最小的正六邊形占有碳原子數(shù)目為(　　) A．2B．3 C．4D．6 答案　A 解析　據(jù)均攤法，從圖中可知，每個頂點上的碳原子為三個正六邊形共有，因而每個正六邊形占有的碳原子數(shù)目為6＝2。 3．MCl晶體具有立方體結(jié)構(gòu)， 其晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示，在該晶體中，每個M＋周圍與它最接近的且距離相等的M＋的個數(shù)共有(　　) A．6個B．8個 C．12個D．16個 答案　A 解析　根據(jù)MCl的晶胞結(jié)構(gòu)可以看出每個M＋的正上、正下、左、右、前、后各有一個M＋與之距離相等且最近，故每個M＋周圍與它最接近的且距離相等的M＋共有6個。 二、晶體化學(xué)式的確定方法 4．已知X、Y、Z 三種元素組成的化合物是離子晶體，其晶胞如圖所示，則下面表示該化合物的化學(xué)式正確的是(　　) A．ZXY3B．ZX2Y6 C．ZX4Y8D．ZX8Y12 答案　A 解析　由晶胞可知X占據(jù)8個頂點，屬于該晶胞的X＝8＝1；Y占據(jù)12條棱的中間，屬于該晶胞的Y＝12＝3；Z占據(jù)該晶胞的體心，屬于該晶胞的Z＝1。故該化合物的化學(xué)式為ZXY3。 5．已知 某晶體晶胞如圖所示，則該晶體的化學(xué)式為(　　) A．XYZ B．X2Y4Z C．XY4Z D．X4Y2Z 答案　C 解析　該晶體的晶胞是正方體形晶胞。該晶胞擁有的X原子數(shù)為8＝1。Y原子位于該晶胞體內(nèi)共有4個，因此該晶胞中擁有的Y原子數(shù)為4，Z只有1個，位于晶胞的體心上，故該晶體的化學(xué)式為XY4Z。 三、金屬晶體的原子堆積模型 6．金屬原子在二維空間里的放置有如圖所示的兩種方式，下列說法中正確的是(　　) A．圖a為非密置層，配位數(shù)為6 B．圖b為密置層，配位數(shù)為4 C．圖a在三維空間里堆積可得六方堆積和面心立方堆積 D．圖b在三維空間里堆積僅得簡單立方堆積 答案　C 解析　金屬原子在二維空間里有兩種排列方式，一種是密置層排列，一種是非密置層排列。密置層排列的空間利用率高，原子的配位數(shù)為6，非密置層的配位數(shù)較密置層小，為4。由此可知，圖a為密置層，圖b為非密置層。密置層在三維空間堆積可得到六方堆積和面心立方堆積兩種堆積方式，非密置層在三維空間堆積可得簡單立方堆積和體心立方堆積兩種堆積方式。所以，只有C選項正確。 7．有四種不同堆積方式的金屬晶體的晶胞如圖所示，有關(guān)說法正確的是(　　) A．①為簡單立方堆積，②為鎂型，③為鉀型，④為銅型 B．圖①至④每個晶胞含有的原子數(shù)分別為1、2、2、4 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(guān)系為①<②<③<④ 答案　B 解析　本題考查了金屬晶體的堆積方式。準(zhǔn)確理解并記憶金屬晶體的四種常見堆積方式是解答本題的關(guān)鍵。 ①為簡單立方堆積，②為鉀型，③為鎂型，④為銅型，A項中②與③判斷有誤；每個晶胞含有的原子數(shù)分別為①8＝1，②8＋1＝2，③8＋1＝2，④8＋6＝4，B項正確；晶胞③中原子的配位數(shù)應(yīng)為12，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(yīng)為④＝③>②>①。 四、金屬晶體的性質(zhì) 8．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無方向性有關(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。 9．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。 [能力提升] 10．結(jié)合金屬晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，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(jù)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(jié)合形成網(wǎng)狀晶體，熔點很高 C．固體有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性 (3)下列有關(guān)金屬晶體的判斷正確的是________。 A．簡單立方、配位數(shù)6、空間利用率68% B．鉀型、配位數(shù)6、空間利用率68% C．鎂型、配位數(shù)8、空間利用率74% D．銅型、配位數(shù)12、空間利用率74% 答案　(1)①Po　②Na、K、Fe?、跰g、Zn?、蹸u、Au (2)C　(3)D 解析　(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(shù)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。 (3)簡單立方配位數(shù)是6，空間利用率為52%，A項錯；鉀型配位數(shù)是8，空間利用率為68%，B項錯；鎂型配位數(shù)是12，空間利用率為74%，C項錯；銅型配位數(shù)是12，空間利用率為74%，D項正確。 11．(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，金屬的原子化熱越________，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、KB．Na、Mg、Al C．Li、Be、MgD．Li、Na、Mg 答案　(1)金屬離子和自由電子　金屬鍵　大　高　大　(2)B 解析　(2)金屬的熔、沸點與金屬原子的半徑大小及金屬的價電子數(shù)有關(guān)。價電子數(shù)越多，金屬鍵越強；原子半徑越小，金屬鍵越強。 12．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] 13．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。