16 第3章 第2节 第1课时 金属晶体、离子晶体-【正禾一本通】2024-2025学年高中化学选择性必修2同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版2019 双选）

第2节　几种简单的晶体结构模型 第1课时　金属晶体、离子晶体 [素养发展目标]　1.能用金属键和离子键的知识解释金属晶体或离子晶体的物理性质。　2.了解常见金属晶体的结构和常见离子晶体的晶胞结构。　3.了解晶格能的概念及含义。 一、金属晶体 1．概念及特征 概念 ①金属原子通过 ②金属键形成的晶体 成键微粒 ③金属阳离子和“自由电子” 微粒间作用力 ④金属键 晶体的堆积形式 等径圆球的堆积 2．常见金属晶体的结构 常见 金属 Ca、Al、Cu、Ag、Au、Pd、Pt Li、Na、K、Ba、W、Fe Mg、Zn、Ti 结构 示意图 3．物理性质 金属晶体具有⑤金属光泽，通常有良好的⑥导电、导热和延展性 二、离子晶体 1．概念 阴、阳离子通过离子键结合，在空间呈现周期性的重复排列而形成的晶体。 2．晶体类型 晶体类型 NaCl型 CsCl型 ZnS型 CaF2型 晶胞 配位数 6 8 4 实例 Li、Na、K和Rb的卤化物，AgF、MgO等 CsBr、CsI、NH4Cl等 BeO、BeS等 BaF2、PbF2、CeO2等 3．晶格能 (1)概念：将1 mol离子晶体完全气化为气态阴、阳离子所吸收的能量。 (2)意义：衡量离子键的强弱。晶格能越大，表示离子键越强，离子晶体越稳定。 (3)影响因素 ①晶格能与阴、阳离子所带电荷以及阴、阳离子间的距离有关。 ②与离子晶体的结构类型有关。 4．特性 (1)熔点、沸点较高，而且随着离子电荷的增加，离子间距的缩短，晶格能增大，熔点升高。 (2)一般易溶于水，而难溶于非极性溶剂。 (3)在固态时不导电，熔融状态或在水溶液中能导电。 学生用书↓第57页 1．金属的下列性质中和金属晶体的结构无关的是(　　) A．良好的导电性　　　　　 B．反应中易失电子 C．良好的延展性 D．良好的导热性 B　[金属的物理性质是由金属晶体所决定的，A、C、D三项都是金属共有的物理性质，这些性质都是由金属晶体所决定的。B项，金属易失电子是由金属原子的结构决定的，和晶体结构无关。] 2．下列有关离子晶体的叙述不正确的是(　　) A．1 mol氯化钠中有NA个NaCl分子 B．氯化钠晶体中，每个Na＋周围距离最近且相等的Cl－共有6个 C．氯化铯晶体中，每个Cs＋周围紧邻8个Cl－ D．平均每个NaCl晶胞中有4个Na＋、4个Cl－ A　[氯化钠属于离子晶体，不存在NaCl分子，故A项错误；由NaCl晶胞结构知B、D两项正确；由CsCl晶胞结构知C项正确。] 探究一　金属晶体的结构及性质 1．金属在发生变形延展时，金属键断裂吗？ 提示：不断裂。 2．金属在通常状况下都是晶体吗？金属晶体的性质与哪些因素有关？ 提示：不是，如汞。金属键和金属原子的堆积方式决定金属的性质。 3．影响金属键强弱的因素是什么？ 提示：金属阳离子的半径大小和“自由电子”数目(或金属阳离子所带电荷数)的多少。 1．典型金属晶体的结构特点 配位数：原子周围距离最近且相等的原子数目。 晶胞 配位数 晶胞中所含原子数 12 4 8 2 12 6 2．金属物理性质的解释 3．金属晶体熔点的影响因素 (1)金属晶体熔点的高低取决于金属键的强弱，一般金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属晶体内部金属键越强，晶体熔点越高。 (2)金属晶体的熔点差别较大，如Hg熔点很低，碱金属熔点较低，铁、钨等金属熔点很高。这是由于金属晶体的结构、金属阳离子和“自由电子”的作用力的强弱不同。 学生用书↓第58页 (3)一般，同一周期主族元素金属单质的熔点从左到右逐渐升高；同一主族元素金属单质的熔点自上而下逐渐降低。 (4)合金的熔点一般低于成分金属的熔点。 1．(双选)要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体熔点高低和硬度大小一般取决于金属键强弱，而金属键强弱与金属阳离子所带电荷的多少及半径大小有关。由此判断下列说法正确的是(　　) A．金属铝的熔点高于金属镁 B．碱金属单质的熔点从Li到Cs是逐渐升高的 C．金属铝的硬度大于金属钠 D．金属镁的硬度小于金属钙 AC　[镁离子比铝离子的半径大而所带的电荷少，所以金属镁比金属铝的金属键弱，熔点低、硬度小；从Li到Cs，离子的半径是逐渐增大的，所带电荷相同，金属键逐渐减弱，熔点逐渐降低，硬度逐渐减小；因铝离子的半径小而所带电荷多，使金属铝比金属钠的金属键强，金属铝比金属钠的熔点高、硬度大；因镁离子的半径小而所带电荷相同，使金属镁比金属钙的金属键强，金属镁比金属钙的熔点高、硬度大。] 探究二　离子晶体的结构与性质 1．离子晶体的化学式是表示真正的分子构成吗？ 提示：不是。离子晶体的化学式仅代表晶体中阴、阳离子个数比，并不代表分子构成，所以离子晶体中不存在分子。 2．为什么说离子晶体有较高的熔、沸点？ 提示：离子晶体的构成微粒为阴、阳离子，阴、阳离子间以较强的离子键结合。 3．火山喷出的岩浆中含有多种硫化物，为什么冷却时ZnS比HgS先析出？ 提示：二者均为离子晶体，ZnS晶格能大于HgS，因此ZnS先析出。 1．离子晶体的简单结构类型 晶体类型 晶胞示意图 结构特点 NaCl型(Li、Na、K和Rb的卤化物，AgF，MgO等) ①Na＋、Cl－的配位数均为6 ②每个Na＋(Cl－)周围紧邻(距离最近且相等)的Cl－(Na＋)构成正八面体 ③每个Na＋(Cl－)周围紧邻的Na＋(Cl－)有12个 ④每个晶胞中含4个Na＋、4个Cl－ CsCl型(CsBr、CsI、NH4Cl等) ①Cs＋、Cl－的配位数均为8 ②每个Cs＋(Cl－)周围紧邻的Cl－(Cs＋)构成正六面体 ③每个Cs＋(Cl－)周围紧邻的Cs＋(Cl－)有6个 ④每个晶胞中含1个Cs＋、1个Cl－ ZnS型(BeO、BeS等) ①Zn2＋、S2－的配位数均为4 ②每个Zn2＋(S2-)周围紧邻的S2－(Zn2＋)构成正四面体 ③每个晶胞中有4个S2－、4个Zn2＋ ④Zn2＋与S2－之间的最短距离为晶胞体对角线长的 CaF2型(BaF2、PbF2、CeO2等) ①Ca2＋的配位数为8，F－的配位数为4，二者的配位数之比等于二者电荷(绝对值)之比 ②每个F－周围紧邻的4个Ca2＋构成正四面体，每个Ca2＋周围紧邻的8个F－构成立方体 ③每个晶胞中有4个Ca2＋、8个F－ ④Ca2＋与F－之间的最短距离为晶胞体对角线长的 学生用书↓第59页 2．晶格能的应用 (1)判断离子晶体熔点、沸点的高低 (2)判断离子晶体热稳定性 一般晶格能越大，离子间作用力越强，离子晶体热稳定性越高。 3．离子晶体的判断方法 (1)依据组成晶体的微粒和微粒间的作用力判断。 (2)依据物质类别判断。活泼金属氧化物、强碱和绝大多数盐类都是离子晶体。 (3)依据导电性判断。离子晶体溶于水和熔融状态下均导电。 (4)依据熔点、沸点和溶解性判断。离子晶体熔点、沸点较高，多数能溶于水，难溶于有机溶剂。 2．下列是从NaCl或CsCl晶体结构图中分割出来的部分结构图，试判断属于NaCl晶体结构的图是(　　) A．图①和图③　　　　　　　 B．图②和图③ C．只有图① D．图①和图④ D　[NaCl晶体中，每个Na＋周围有6个Cl－，每个Cl－周围有6个Na＋；与每个Na＋等距离的Cl－有6个，且构成正八面体，同理，与每个Cl－等距离的Na＋也有6个，也构成正八面体，故可知图①和图④属于NaCl晶体结构。] 1．下列金属晶体中，自由电子与金属阳离子间作用最弱的是(　　) A．K　　　　　　　　 B．Na C．Mg D．Al A　[四种金属中钾的原子半径最大，价电子数较少，所以金属键最弱，即金属阳离子和自由电子间的作用最弱。] 2．下列叙述不正确的是(　　) A．离子晶体中一定含有阴、阳离子 B．离子晶体都是化合物 C．固态不导电、溶于水能导电，这一性质能说明某晶体一定是离子晶体 D．离子晶体一般具有较高的熔点 C　[固体不导电、溶于水能导电的不一定是离子晶体，如AlCl3。] 3．下列关于金属及金属键的说法正确的是(　　) A．金属键具有方向性和饱和性 B．金属键是金属阳离子与“自由电子”间的相互作用 C．金属导电是因为在外加电场作用下产生“自由电子” D．金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光 B　[金属键是存在于金属阳离子和“自由电子”之间的强的相互作用，不是存在于相邻原子之间的作用力，而是属于整块金属，没有方向性和饱和性，A错误；金属键是存在于金属阳离子和“自由电子”之间的强的相互作用，这些“自由电子”为所有阳离子共用，其本质也是电性作用，B正确；金属中存在金属阳离子和“自由电子”，当给金属通电时，“自由电子”定向移动而导电，C错误；金属具有光泽是因为自由电子能够吸收可见光，并迅速释放，D错误。] 4．同类晶体物质熔点的变化是有规律的，试分析下表所列两组物质熔点规律性变化的原因： A组物质 NaCl KCl CsCl 熔点(K) 1 074 1 049 918 B组物质 Na Mg Al 熔点(K) 317 923 933 晶体熔点的高低，决定于组成晶体微粒间的作用力的大小。A组是________晶体，晶体微粒之间通过________结合。B组晶体属于______晶体，价电子数由少到多的顺序是________________，离子半径由大到小的顺序是____________________，金属键强度由小到大的顺序是____________________________________________________。 解析：　A组中，NaCl、KCl、CsCl都是离子晶体，微粒之间通过离子键结合。B组中，Na、Mg、Al都是金属晶体，由于离子半径：r(Na＋)>r(Mg2＋)>r(Al3＋)，价电子数：Na<Mg<Al，因此，从Na到Al，金属键强度逐渐增强。 答案：　离子　离子键　金属　Na<Mg<Al r(Na＋)>r(Mg2＋)>r( Al3＋) 　Na<Mg<Al 课时作业(十四)　金属晶体、离子晶体 (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) 一、选择题(本题共8小题，每小题只有一个选项符合题意) 1．下列说法中正确的是(　　) A．固态能导电的晶体一定是金属晶体 B．固态不能导电，水溶液能导电的晶体一定是离子晶体 C．熔融状态能导电的晶体一定是离子晶体 D．固态不导电而熔融态能导电的晶体一定是离子晶体 D　[固态时能导电的晶体不一定是金属晶体，如硅和石墨等不是金属晶体，A错误；固态不能导电，水溶液能导电的晶体不一定是离子晶体，如冰醋酸等不是离子晶体，B错误；金属熔融状态也能导电，C错误；离子晶体是阴、阳离子组成的，固态时阴、阳离子不能自由移动，不导电，熔融状态时电离出自由移动的离子而导电，D正确。] 2．下列性质适合于离子晶体的是(　　) A．熔点1 070 ℃，易溶于水，水溶液能导电 B．熔点10.31 ℃，液态不导电，水溶液能导电 C．能溶于CS2，熔点112.8 ℃，沸点444.6 ℃ D．熔点97.81 ℃，质软，导电，密度0.97 g·cm－3 A　[离子晶体在液态(即熔融态)时导电，B项不是离子晶体；CS2是非极性溶剂，根据“相似相溶”的规律，C项也不是离子晶体；由于离子晶体质硬易碎，且固态时不导电，所以D项也不是离子晶体。] 3．下列关于金属晶体的叙述正确的是(　　) A．常温下，金属单质都以金属晶体形式存在 B．金属离子与自由电子之间有强烈的相互作用，在一定外力作用下，不因形变而消失 C．钙的熔点低于钾 D．温度越高，金属的导电性越好 B　[A项，汞在常温下为液态；C项，由于原子半径r(Ca)<r(K)且价电子数Ca>K，所以金属键Ca>K，故熔点Ca>K。] 4．金属钠晶体的晶胞为体心立方晶胞()，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．　　　C．　　　D．2a B　[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＝。] 5．在金属晶体中，金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属键越强，金属的熔、沸点越高。由此判断下列各组金属熔、沸点高低顺序，其中正确的是(　　) A．Mg>Al>Ca　　　　　　 B．Al>Na>Li C．Al>Mg>Ca D．Mg>Ba>Al C　[电荷数：Al3＋>Mg2＋＝Ca2＋＝Ba2＋>Li＋＝Na＋；而金属阳离子半径：r( Ba2＋)>r( Ca2＋)>r( Na＋)>r(Mg2＋)>r(Al3＋)>r(Li＋)，则A中熔、沸点Al>Mg，B中熔、沸点Li>Na，D中熔、沸点Al>Mg>Ba，都不符合题意。] 6．试根据学过的知识，判断KCl、NaCl、CaO、BaO四种晶体熔点的高低顺序可能是(　　) A．KCl>NaCl>BaO>CaO B．NaCl>KCl>CaO>BaO C．CaO>BaO>NaCl>KCl D．CaO>BaO>KCl>NaCl C　[离子晶体中阴、阳离子所带电荷越多，离子半径越小，晶格能越大，晶体的熔点越高。] 7．AB、CD、EF均为1∶1型离子化合物，根据下列数据判断它们的熔点由高至低的顺序是(　　) 化合物 AB CD EF 离子电荷数 1 1 2 键长(10－10m) 2.31 3.18 2.10 A．CD>AB>EF B．AB>EF>CD C．AB>CD>EF D．EF>AB>CD D　[离子所带电荷数越多，键长越短，则离子键越强，晶体的熔点越高，EF化合物的键长短，电荷多，则熔点最高。] 8．下列关于离子晶体CaF2的叙述正确的是(　　) A．CaF2的熔点低于CaCl2的熔点 B．Ca2＋与F－间仅存在静电吸引作用 C．CaF2中所含化学键为离子键，因此CaF2在熔融状态下能导电 D．阴、阳离子个数比为2∶1的物质，其晶体结构均与CaF2的晶体结构相同 C　[离子晶体的熔点与离子所带电荷、离子半径有关，离子半径越小，离子晶体的熔点越高，所以CaF2的熔点高于CaCl2，故A错误；Ca2＋与F－间存在静电吸引和静电排斥作用，故B错误；CaF2中的化学键为离子键，离子化合物在熔融时能发生电离，存在自由移动的离子，能导电，因此CaF2在熔融状态下能导电，故C正确；晶体的结构与电荷比、半径比有关，阴、阳离子个数比为2∶1的物质，与CaF2晶体的电荷比相同，若半径比相差较大，则晶体结构不相同，故D错误。] 二、选择题(本题包括4小题，每小题只有一个或两个选项符合题意) 9．一种金属晶体与一种离子晶体相比较，正确的是(　　) A．金属晶体能压成薄片，离子晶体不能 B．金属晶体一定比离子晶体硬度大 C．金属晶体一定比离子晶体熔点高 D．金属晶体固态时一定能导电，但离子晶体不能 AD　[金属晶体具有延展性，能压成薄片，而离子晶体质脆易碎，不能压成薄片。离子晶体的熔点和硬度普遍较高；金属晶体的熔点和硬度有的很高，也有的很低。金属晶体都有导电性，离子晶体熔融态时都能导电，固态时不导电。] 10．铁有δ、γ、α三种晶体结构，以下依次是δ、γ、α三种晶体在不同温度下转化的示意图。下列有关说法不正确的是(　　) A．δ­Fe晶体中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有8个 B．γ­Fe晶体中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有12个 C．α­Fe晶胞边长若为a cm，γ­Fe晶胞边长若为b cm，则两种晶体密度比为b3∶a3 D．将铁加热到1 500 ℃分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型不相同 C　[δ­Fe晶体中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有8个；γ­Fe晶体中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有12个；若α­Fe晶胞边长为a cm，γ­Fe晶胞边长为b cm，则两种晶体密度比为b3∶4a3；将铁加热到1 500 ℃分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型不同。] 11．如图是氯化铯晶体的晶胞(晶体中最小的重复结构单元)示意图，已知晶体中2个最近的Cs＋核间距为a cm，氯化铯(CsCl)的相对分子质量为M，NA为阿伏加德罗常数，则氯化铯晶体的密度为(　　) A． g·cm－3 B． g·cm－3 C． g·cm－3 D． g·cm－3 C　[ρ＝＝ g·cm－3＝ g·cm－3。] 12．高温下，超氧化钾晶体(KO2)呈立方体结构。如图为超氧化钾晶体的一个晶胞(晶体中最小的重复单元)。晶体中氧的化合价部分为0价，部分为－2价。则下列有关说法正确的是(　　) A．KO2中只存在离子键 B．超氧化钾的化学式为KO2，每个晶胞含有1个K＋和1个O C．该晶体结构可用X射线衍射实验进行检测 D．晶体中，0价氧原子与－2价氧原子的数目比为1∶2 C　[K＋与O形成离子键，O中O原子间形成共价键，故A错误；K＋位于顶点和面心，数目为8×＋6×＝4，O位于棱心和体心，数目为12×＋1＝4，即每个晶胞中含有4个K＋和4个O，故B错误；构成晶体的粒子在微观空间里呈现出周期性的有序排列，晶体的这一结构特征可以通过X射线衍射图谱反映出来，所以区分晶体和非晶体的最可靠的科学方法是对固体进行X射线衍射实验，故C正确；晶胞中K＋与O个数分别为4，所以晶胞中共有8个氧原子，根据电荷守恒－2价O原子数目为2，所以0价氧原子数目为8－2＝6，所以晶体中，0价氧原子与－2价氧原子的数目比为3∶1，故D错误。] 三、非选择题(本题包括3小题) 13．NaCl晶体模型如图所示： (1)在NaCl晶体中，每个Cl－周围同时吸引着____个Na＋；在NaCl晶胞中含有________个Na＋、________个Cl－，晶体中每个Na＋周围与它距离最近且相等的Na＋共有________个。 (2)对于氯化钠晶体，下列描述正确的是________(填字母)。 A．Na＋位于晶胞中立方体的棱上和体心 B．相邻的正、负离子核间距等于正负离子半径之和 C．与氯化铯晶体结构相同 D．每个Na＋与6个Cl－邻近 解析：　(1)在氯化钠晶体中，一个Na＋位于晶胞的中心，12个Na＋分别位于晶胞的12条棱上，则属于该晶胞的Na＋相当于3个(×12＝3，棱边上的每个Na＋同时被4个晶胞共有，属于该晶胞的Na＋仅占) ，因此一个晶胞中共含有4个Na＋；8个Cl－分别位于晶胞的8个顶点上，则属于该晶胞的Cl－相当于1个(×8＝1，顶点上的每个Cl－同时被8个晶胞共有，属于该晶胞的Cl－仅占) ，6个Cl－分别位于晶胞的6个面心上，则属于该晶胞的Cl－相当于3个(×6＝3，面心上的每个Cl－同时被2个晶胞共有，属于该晶胞的Cl－仅占)，所以一个晶胞中共含有4个Cl－。图中位于晶胞中心的Na＋实际上共有3个平面通过它，通过中心Na＋的每个平面都有4个Na＋位于平面的四角，这4个Na＋与中心Na＋距离最近且距离相等。所以在NaCl晶体中，每个Na＋周围与它距离最近且距离相等的Na＋共有12个，按相似的方法可推出每个Cl－周围与它最近且距离相等的Cl－也共有12个。 (2)由图知A正确；氯化钠晶体是面心立方最密堆积，氯化铯晶体结构是体心立方密堆积，所以C错误；氯化钠晶体中以Na＋为中心向三维方向伸展，有6个Cl－邻近，D正确；相邻的正、负离子核间距不等于正、负离子半径之和，B错误。 答案：　(1)6　4　4　12　(2)AD 14．铜和金可形成合金，请回答下列问题： (1)元素金(Au)处于周期表中的第6周期，与Cu同族，Au原子最外层电子排布式为________；一种铜金合金晶体具有图1所示的结构，在晶胞中Cu原子处于面心、Au原子处于顶点位置，则该合金中Cu原子与Au原子数量之比为__________；该晶体中，原子之间的作用力是______________，若该晶胞的边长为a cm，则该合金密度为__________g·cm－3(阿伏加德罗常数的值为NA)。 (2)上述晶体具有储氢功能，氢原子可进入到由Cu原子与Au原子构成的四面体空隙中。若将Cu原子与Au原子等同看待，该晶体储氢后的晶胞结构与CaF2的结构相似，该晶体储氢后的化学式应为________________。 解析：　(1)Au原子最外层电子排布式可类比Cu，只是电子层多两层，由于该合金晶体是面心立方最密堆积结构，晶胞内N(Cu)＝6×＝3，N(Au)＝8×＝1；1个晶胞质量为 g，则ρ＝ g·cm－3。 (2)CaF2晶胞中含有Ca2＋：8×＋6×＝4个，含F－8个，所以氢原子在晶胞内有8个，可以得储氢后的化学式为H8AuCu3。 答案：　(1)6s1　3∶1　金属键　　(2)H8AuCu3 15．回答下列问题： (1)CaC2晶体的晶胞结构如图所示，CaC2晶体中含有哑铃形C，使晶胞沿一个方向拉长。CaC2晶体中1个Ca2＋周围距离最近的C数目为________。 (2)已知CaO晶胞结构与NaCl相同，CaO晶体密度为a g·cm－3，NA表示阿伏加德罗常数，则CaO晶胞体积为________cm3。 (3)MgO具有NaCl型结构(如图)，其中阴离子采用面心立方最密堆积方式，X射线衍射实验测得MgO的晶胞参数为a＝0.420 nm，则r(O2－)为________nm。MnO也属于NaCl型结构，晶胞参数为a′＝0.448 nm，则r(Mn2＋)为________nm。 解析：　(1)一个Ca2＋吸引6个C，由于晶胞沿一个方向拉长，1个Ca2＋周围距离最近的C为4个。 (2)由于CaO与NaCl的晶胞同为面心立方结构，所以CaO晶胞中也含有4个钙离子和4个氧离子，因此CaO晶胞体积为 cm3＝ cm3。 (3)因为O2－采用面心立方最密堆积方式，所以面对角线长度是O2－半径的4倍，则有[4r(O2－)]2＝2a2，解得r(O2－)＝×0.420 nm≈0.148 nm；MnO也属于NaCl型结构，根据晶胞的结构可得2r(Mn2＋)＋2r(O2－)＝a′，代入数据解得r(Mn2＋)=0.076 nm。 答案：　(1)4　(2)　(3)0.148　0.076 学生用书↓第60页 学科网（北京）股份有限公司 $$