专题3 第1单元 金属键 金属晶体-【金版教程】2024-2025学年高中化学选择性必修2创新导学案教用word（苏教版2019）

化学　选择性必修2[SJ] 第一单元　金属键　金属晶体 1.能描述金属晶体中金属键的成键特征，能用金属键理论解释金属的典型性质。2.能借助模型说明常见金属晶体中晶胞的构成。3.能举例说明合金的优越性能。 一　金属键与金属特性 1．金属键 (1)概念：金属离子与自由电子之间强烈的相互作用。 (2)特征：没有方向性和饱和性。 2．金属特性 性质 解释 导电性 在外电场作用下，自由电子在金属内部发生定向运动，形成电流 导热性 金属受热时，自由电子与金属离子(或金属原子)的碰撞频率增加，自由电子把能量传给金属离子(或金属原子)，从而把能量从温度高的区域传到温度低的区域 延展性 由于金属键无方向性，在外力作用下，金属原子之间发生相对滑动，各层金属原子之间仍保持金属键的作用 3.金属的原子化热与金属键的强弱 (1)金属的原子化热是指1 mol金属固体完全气化成相互远离的气态原子时吸收的能量。 (2)一般而言，金属元素的原子半径越小、单位体积内自由电子的数目越多，原子化热越大，金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。 二　金属晶体 1．金属晶体的常见堆积方式 (1)二维排列方式 排列方式 非密置层 密置层 图示 (2)堆积方式 堆积方式 典例 简单立方堆积 钋(Po) 体心立方堆积 钠、钾、铬、钼、钨 六方堆积 镁、锌、钛 面心立方堆积 金、银、铜、铅 2.晶胞 (1)概念：反映晶体结构特征的基本重复单位。 (2)结构：晶胞一般都是平行六面体，晶体是晶胞在空间连续重复延伸而形成的。 (3)立方晶胞中微粒数目的计算 ①晶胞的顶点原子是8个晶胞共用。 ②晶胞棱上的原子是4个晶胞共用。 ③晶胞面上的原子是2个晶胞共用。 ④处于体心的原子完全属于该晶胞。 3．合金 一种金属与另一种或几种金属(或非金属)的融合体。 1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 (1)常温下，金属都以晶体形式存在。(　　) (2)固态时能导电是判断金属的标志。(　　) (3)金属晶体的自由电子属于整块金属。(　　) (4)金属键的强弱决定金属晶体的熔点和硬度。(　　) (5)金属铜的堆积方式属于面心立方堆积。(　　) 答案：(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)√ 2．下列关于金属键的叙述不正确的是(　　) A．金属键是金属离子和自由电子这两种带异性电荷的微粒间的强烈相互作用，其实质与离子键类似，也是一种电性作用 B．金属键可以看作是许多原子共用许多电子所形成的强烈的相互作用，有方向性和饱和性 C．金属键是带异性电荷的金属离子和自由电子间的强烈的相互作用，金属键无饱和性和方向性 D．构成金属键的自由电子在整个金属内部的三维空间中做自由运动 答案：B 解析：自由电子是由金属原子提供的，并且在整个金属内部的三维空间内运动，为整个金属的所有阳离子所共有，从这个角度看，金属键无方向性和饱和性。 3．下列关于金属晶体导电的叙述中，正确的是(　　) A．金属晶体内的电子在外加电场条件下可以发生自由移动 B．在外加电场作用下，金属晶体内的金属阳离子相对滑动 C．在外加电场作用下，自由电子在金属晶体内发生定向移动 D．温度越高导电性越强 答案：C 解析：金属导电的原理是：在外加电场作用下自由电子发生定向移动，A、B错误；金属的导电性与温度成反比，即温度越高，导电性越弱，D错误。 4．下列金属晶体中，自由电子与金属阳离子间的作用力最弱的是(　　) A．Na B．K C．Mg D．Al 答案：B 5．对图中某金属晶体结构的模型进行分析，下列有关说法正确的是(　　) A．该种堆积方式称为六方堆积 B．该种堆积方式称为体心立方堆积 C．该种堆积方式称为面心立方堆积 D．金属Mg就属于此种堆积方式 答案：C 解析：由图示知该堆积方式为面心立方堆积，A、B错误，C正确，Mg是六方堆积，D错误。 6．如图所示是晶体结构中具有代表性的基本重复单位(晶胞)的排列方式，图中○－X、●－Y、⊗－Z。其对应的化学式不正确的是(　　) 答案：B 解析：A图中X、Y原(离)子的位置、数目完全等同，化学式为XY，正确；B图化学式应为XY，错误；C图中X的数目：4×＋1＝，Y的数目：4×＝，化学式为X3Y，正确；D图中X的数目：8×＝1，Y的数目：6×＝3，Z位于内部，数目为1，化学式为XY3Z，正确。 知识点一　金属晶体的物理性质 1．金属的光泽 金属中的自由电子容易吸收可见光的能量从而跃迁到较高能级，在返回原能级时以光的形式放出能量。而金属在粉末状态时，晶面十分杂乱，晶格排列也不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以失去光泽。 2．金属键与金属晶体性质的关系 金属晶体中的金属键强弱主要取决于原子的结构，原子半径越小，外围电子数越多，金属键越强，金属的熔、沸点越高。 (1)同周期金属单质，从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点升高。 (2)同主族金属单质，从上到下(如碱金属)熔、沸点降低。 (3)一般来说，合金的熔、沸点比其各成分金属的熔、沸点低。 (4)金属晶体熔点差别很大，如汞常温为液体，熔点很低(－38.9 ℃)，而铁等金属熔点很高(1535 ℃)。 3．金属导电性与电解质导电性的比较 金属导电的微粒是自由电子，电解质溶液导电的微粒是自由移动的阳离子和阴离子；前者导电过程中不生成新物质，为物理变化，后者导电过程中有新物质生成，为化学变化。因而，二者导电的本质不同。 金属晶体中只有金属阳离子，无阴离子。 1．金属晶体的熔、沸点之间的差距是由于(　　) A．金属键的强弱不同 B．金属的化合价不同 C．金属晶体中自由电子数目的多少不同 D．金属的阳离子的半径大小不同 答案：A 2．关于金属性质和原因的描述不正确的是(　　) A．金属有金属光泽，与金属键无关 B．金属具有良好的导电性，是因为在金属晶体中共享了金属原子的自由电子，形成了“电子气”，在外加电场的作用下自由电子定向移动便形成了电流，所以金属易导电 C．金属具有良好的导热性能，是因为自由电子在受热后，加快了运动速率，自由电子通过与金属离子(或原子)发生碰撞，传递了能量 D．金属晶体具有良好的延展性，是因为金属晶体中的原子层可以滑动而不破坏金属键 答案：A 知识点二　金属晶体堆积方式 1．堆积原理 组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时，在空间的排列大都服从紧密堆积原理。这是因为在金属晶体中，金属键没有方向性和饱和性，因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围，并以密堆积方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。 2．堆积方式 3．金属晶体的四种堆积方式对比 堆积方式 典型代表 空间利用率 配位数 晶胞 简单立方堆积 Po(钋) 52% 6 体心立方堆积 Na、K、Fe 68% 8 六方堆积 Mg、Zn、Ti 74% 12 面心立方堆积 Cu、Ag、Au 74% 12 (1)空间利用率 ①空间利用率指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比。 ②空间利用率的计算 空间利用率＝×100% (2)晶体中一个原子周围距离相等且最近的原子的数目叫配位数。非密置层的配位数是4，密置层的配位数是6。 (3)密置层放置时，平面的利用率比非密置层的要高。 3．有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示，有关说法正确的是(　　) A．a为简单立方堆积，b为六方堆积，c为体心立方堆积，d为面心立方堆积 B．每个晶胞含有的原子数分别为a：1个，b：2个，c：2个，d：4个 C．晶胞中原子的配位数分别为a：6，b：8，c：8，d：12 D．空间利用率的大小关系为a<b<c<d 答案：B 解析：a为简单立方堆积，b为体心立方堆积，c为六方堆积，d为面心立方堆积，A错误；每个晶胞含有的原子数分别为a：8×＝1个，b：8×＋1＝2个，c：4×＋4×＋1＝2个，d：8×＋6×＝4个，B正确；晶胞c中原子的配位数应为12，C错误；四种晶体的空间利用率分别为52%、68%、74%、74%，应为d＝c>b>a，D错误。 4．结合金属晶体的结构和性质，回答以下问题。 (1)已知下列金属晶体：Na、Po、K、Fe、Cu、Mg、Zn、Au，其堆积方式为 ①简单立方堆积的是____________； ②体心立方堆积的是____________； ③六方堆积的是____________； ④面心立方堆积的是____________。 (2)根据下列叙述，判断一定为金属晶体的是________(填字母)。 A．由分子间作用力形成，熔点很低 B．由共价键结合形成网状晶体，熔点很高 C．固体有良好的导电性、导热性和延展性 答案：(1)①Po　②Na、K、Fe　③Mg、Zn　④Cu、Au　(2)C 知识点三　晶胞及晶体的相关计算 1．晶胞的特点 (1)晶胞三条边的长度不一定相等，也不一定互相垂直。晶胞的形状和大小由具体晶体的结构所决定。 (2)整个晶体就是晶胞按其周期性在三维空间重复排列而成。每个晶胞上下左右前后无隙并置地排列着与其一样的无数晶胞。 2．晶体化学式的确定 (1)首先利用均摊法确定一个晶胞中平均含有的原子数目：如某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有属于这个晶胞。 立方体 正六棱柱 正三棱柱 顶点 被共有晶胞数 8 6 12 对晶胞贡献 棱上 被共有晶胞数 4 水平4竖3 水平4竖6 对晶胞贡献 水平竖 水平竖 面上 被共有晶胞数 2 2 2 对晶胞贡献 内部 被共有晶胞数 1 1 1 对晶胞贡献 1 1 1 (2)求化学式。晶体的化学式表示的是晶体中各类原子或离子的最简整数比，因此根据均摊法确定一个晶胞中所含微粒数目后，求出各微粒个数的最简整数比，即可得出该晶体的化学式。 3．晶胞参数 晶胞的形状和大小可以用6个参数来表示，包括晶胞的棱长a、b、c和棱相互间的夹角α、β、γ，此即晶胞参数。立方晶胞中，晶胞参数a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°。 5．金属晶体的常见晶胞结构有图a、图b、图c，则图示结构中金属原子个数比为(　　) A．3∶2∶1 B．11∶8∶4 C．9∶8∶4 D．21∶14∶9 答案：A 解析：图a中所含原子的个数为12×＋2×＋3＝6，图b中所含原子的个数为8×＋6×＝4，图c中所含原子的个数为8×＋1＝2。 6．如图所示的甲、乙、丙三种晶体： 试写出： (1)甲晶体的化学式(X为阳离子)为________。 (2)乙晶体中A、B、C三种粒子的个数比是________。 (3)丙晶体中每个D周围结合E的个数是________个。 答案：(1)X2Y　(2)1∶3∶1　(3)8 解析：甲中X位于立方体体心，为1个，Y位于立方体顶点，实际占有×4＝个；X∶Y＝1∶＝2∶1，所以甲的化学式为X2Y。乙中A占有×8＝1个，B占有×6＝3个，C占有1个，由此推出N(A)∶N(B)∶N(C)＝1∶3∶1。丙中D周围的E的个数与E周围D的个数相同，E周围有8个D，所以D周围有8个E。 7．1183 K以下纯铁晶体的基本重复单位如图1所示，1183 K以上转变为图2所示的基本重复单位，在两种晶体中最邻近的铁原子间距离相同。 (1)铁原子的简化电子排布式为____________；铁晶体中铁原子以________键相互结合。 (2)在1183 K以下的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子数为________；在1183 K以上的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子数为________。 答案：(1)[Ar]3d64s2　金属　(2)8　12 解析：(2)在1183 K以下的纯铁晶体中，与体心铁原子等距离且最近的铁原子是8个顶点的铁原子；在1183 K以上的纯铁晶体中，与面心铁原子等距离且最近的铁原子有3×8×＝12个。 课时作业 题号 1 2 3 4 5 6 7 难度 ★ ★ ★ ★ ★★ ★ ★★ 对点 金属键与金属晶体的特性 金属键、金属的性质 晶体的堆积方式及相关计算 金属熔、沸点高低的比较 晶胞化学式的确定 金属晶体的堆积方式及相关计算 晶胞的相关计算 题号 8 9 10 11 12 13 难度 ★★★ ★★ ★★ ★★ ★ ★★ 对点 原子坐标的确定、晶胞投影及相关计算 晶胞的相关计算 晶胞的相关计算 晶胞的相关计算 金属的原子化热、晶胞的相关计算 晶胞的堆积方式及相关计算 一、选择题(每小题只有1个选项符合题意) 1．下列叙述中正确的是(　　) A．金属的熔点都很高 B．金属晶体中有阳离子，但没有阴离子 C．Mg晶体中1个Mg2＋跟2个价电子有较强的作用 D．金属晶体发生形变时，其内部金属离子与自由电子相互作用不再存在 答案：B 2．下列关于金属键或金属的性质说法正确的是(　　) ①金属的导电性是由金属阳离子和自由电子的定向运动实现的　②金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的静电吸引作用　③第3周期金属元素Na、Mg、Al的沸点依次升高　④金属键没有方向性和饱和性，其中的电子在整个三维空间运动，属于整个金属 A．①② B．②③ C．③④ D．①④ 答案：C 解析：金属导电是因为在外加电场的作用下，自由电子发生定向运动，而金属阳离子并没有运动，①错误；金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的相互作用，并非仅存在静电吸引作用，②错误；一般情况下，金属阳离子所带电荷越多，半径越小，金属键越强，金属单质的熔、沸点越高，硬度越大，Na＋、Mg2＋、Al3＋三种离子的离子半径依次减小、离子所带电荷依次增多，金属键越来越强，③正确；金属键的特征：一是没有方向性和饱和性，二是所有电子在三维空间运动，属于整个金属，④正确。 3．已知金属钾的晶胞如图所示，下列有关叙述正确的是(　　) A．该晶胞属于密置层的一种堆积方式 B．该晶胞是六棱柱 C．每个晶胞平均拥有9个K原子 D．每个K原子周围距离最近且相等的K原子有8个 答案：D 解析：根据金属钾的晶胞结构图可知，在晶胞中钾原子分布在晶胞的体心和八个顶点，是体心立方堆积，是一种非密置层堆积，故A错误；该晶胞呈立方体，不是六棱柱，故B错误；利用均摊法可计算出每个晶胞中所含有的原子数为8×＋1＝2，每个晶胞有2个K原子，故C错误。 4．判断下列各组金属熔点高低顺序，其中正确的是(　　) A．Mg>Al>Ca B．Al>Na>Li C．Al>Mg>Ca D．Mg>Ba>Al 答案：C 解析：外围电子数：Al>Mg＝Ca＝Ba>Li＝Na，金属阳离子半径：r(Ba2＋)>r(Ca2＋)>r(Na＋)>r(Mg2＋)>r(Al3＋)>r(Li＋)，金属键由强到弱：Al>Mg>Ca＞Ba，故C正确，A、D错误；Li的金属键强于Na，故B错误。 5．一种储氢合金的晶胞结构如图所示。在晶胞中Cu原子处于面心，Au原子处于顶点位置。实现储氢功能时，氢原子可进入由Cu原子与Au原子构成的四面体空隙中心，若所有四面体空隙都填满，该晶体储氢后的化学式为(　　) A．AuCuH8 B．AuCu3H4 C．AuCu3H8 D．Au3CuH8 答案：C 解析：由题图可知，该晶胞中Au原子数目为8×＝1，Cu原子数目为6×＝3，Cu原子与Au原子构成的四面体空隙有8个，可以填充8个H，因此储氢后该晶体的化学式为AuCu3H8。 6．下列有关金属晶体的说法中，正确的是(　　) A．简单立方堆积的晶胞中原子配位数是8 B．晶胞中配位数为12的金属，一定是面心立方堆积 C．锌的晶胞类型与铜相同 D．铁的晶胞中空间利用率为68% 答案：D 解析：金属晶体有四种堆积方式，分别是简单立方堆积、体心立方堆积、六方堆积、面心立方堆积，对应晶体中原子的配位数分别是6、8、12、12，A、B错误；锌为六方堆积，铜为面心立方堆积，所以锌的晶胞类型与铜不相同，C错误；铁为体心立方堆积，空间利用率为68%，D正确。 7．金属钠晶体为体心立方晶胞()，晶胞的边长为a。假定金属钠原子为等径的刚性球，且晶胞中处于体对角线上的三个球相切。则钠原子的半径r为(　　) A． B．a C．a D．2a 答案：B 解析：如果沿着某一面的对角线对晶胞作横切面，可得如图所示的结构，其中AB为晶胞的边长，BC为晶胞的面对角线，AC为晶胞的体对角线。根据立方体的特点可知：BC＝a，结合AB2＋BC2＝AC2得r＝a。 8．金属钼的一种晶胞为体心立方堆积(图1)，以晶胞参数为单位长度建立坐标系(图2)，该晶胞沿其体对角线方向上的投影如图3所示，若晶胞参数为a pm。下列说法错误的是(　　) A．若图1中原子1的坐标为(0，0，0)，则图1中原子2的坐标为 B．若晶胞参数为a pm，则图3中原子3和原子4的连线长度为a pm C．图3中原子3和原子4在同一平面上 D．1 mol该晶胞含有的钼原子数为9NA 答案：D 解析：若图1中原子1的坐标为(0，0，0)，由于原子2位于晶胞的体心，则图1中原子2的坐标为，A正确；图3是金属钼晶胞沿其体对角线上的投影，原子3与原子4在晶胞中的顶点，并且位于面对角线，故原子3和原子4连线长度为a pm，B、C正确；1个晶胞中，位于顶点的钼原子个数：8×＝1，位于体心的钼原子个数为1，故1个晶胞中含有2个钼原子，则1 mol晶胞含有钼原子个数为2NA，D错误。 9．(2024·湖南省岳阳市知源高中高三月考)锂与生活息息相关，个人携带的笔记本电脑、手机、蓝牙耳机等数码产品中应用的锂离子电池中就含有丰富的锂元素。锂晶胞为六方堆积(如图)，图中底边长为a pm，高为b pm，设NA为阿伏加德罗常数的值，下列说法错误的是(　　) A．该结构中含有6个Li原子 B．该结构中Li的配位数为6 C．锂晶体的密度为×1030 g·cm－3 D．锂离子电池放电时，Li＋从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极 答案：B 解析：根据晶胞计算，Li原子位于顶点、面心和体内，个数为12×＋2×＋3＝6，A正确；根据晶胞的结构，该结构中Li的配位数为12，B错误；根据ρ＝＝＝ g·cm－3＝×1030 g·cm－3，C正确；电池放电时，阳离子向正极移动，所以Li＋从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，D正确。 10．铁有δ­Fe、γ­Fe、α­Fe三种同素异形体，三种晶体在不同温度下可以发生转化。如图是三种晶体的晶胞，下列说法正确的是(　　) A．三种同素异形体的性质相同 B．γ­Fe晶胞中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有6个 C．α­Fe晶胞中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有6个 D．将铁加热到1500 ℃分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型相同 答案：C 解析：由于三种同素异形体的结构不同，所以三者的性质不同，A错误；γ­Fe晶胞中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子数为12，B错误；α­Fe晶胞中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子数为6，C正确；将铁加热到1500 ℃分别急速冷却和缓慢冷却，会得到晶体类型不相同的铁，D错误。 11．金晶体的晶胞结构如图所示。设金原子的直径为d，用NA表示阿伏加德罗常数的值，M表示金的摩尔质量。则下列说法错误的是(　　) A．金晶体每个晶胞中含有4个金原子 B．金属键无方向性 C．晶胞的体积是16d3 D．金晶体的密度是 答案：C 解析：A项，Au原子处于立方体的顶点与面心上，故晶胞中含有的Au原子数目为8×＋6×＝4，正确；B项，金属晶体中，金属键无方向性，正确；C项，在立方体的各个面的对角线上有3个金原子，金原子的直径为d，故面对角线的长度为2d，晶胞棱长为×2d＝d，故晶胞的体积为(d)3＝2d3，错误；D项，晶胞中含有4个Au原子，故晶胞的质量为，晶胞的体积为2d3，故金晶体的密度为＝，正确。 二、非选择题 12．铜及其合金是人类较早使用的金属材料，铜的化合物在生活和生产中有着广泛的应用。 (1)铜的熔点比钙的高，可推知________的原子化热更小。 (2)金属铜的晶体中每个铜原子周围距离相等且最近的铜原子个数为12，则其晶胞为________(填标号)。 (3)某磷青铜的晶胞结构如图所示。 ①该磷青铜的化学式为__________________。 ②该磷青铜晶体中与Cu原子距离相等且最近的Sn原子有________个，这些Sn原子所呈现的空间结构为____________。 答案：(1)钙　(2)B (3)①SnCu3P　②4　平面正方形 解析：(1)铜的熔点比钙的高，是因为铜中的金属键比钙中的金属键强，即铜的原子化热比钙的原子化热大。 (3)①根据该磷青铜的晶胞结构可知，该晶胞中含有Cu的个数为6×＝3，Sn的个数为8×＝1，P的个数为1，所以该磷青铜的化学式为SnCu3P。 13．(1)如图1所示为二维平面晶体示意图，所表示的化学式为AX3的是________。 (2)如图2所示为一个金属铜的晶胞，请完成以下各题。 ①该晶胞“实际”拥有的铜原子数是______个。 ②该晶胞称为________(填标号)。 A．六方晶胞 B．体心立方晶胞 C．面心立方晶胞 D．简单立方晶胞 ③此晶胞立方体的边长为a cm，Cu的相对原子质量为64，金属铜的密度为ρ g·cm－3，则阿伏加德罗常数的值为______________(用a、ρ表示)。 答案：(1)②　(2)①4　②C　③ 解析：(1)由图1中直接相邻的原子数可以求得①②中两类原子数之比分别为1∶2、1∶3，求出化学式分别为AX2、AX3。 (2)①用“均摊法”求解，8×＋6×＝4；③·64＝ρ·a3，NA＝。 17 学科网（北京）股份有限公司 $$