3.1 金属键 金属晶体(Word教参)-【优化指导】2025-2026学年高中化学选择性必修第二册（苏教版2019）

第一单元　金属键　金属晶体 课程标准 核心素养目标 　　1.能描述金属晶体中金属键的成键特征。 2．能用金属键理论解释金属的典型性质。 3．能借助模型说明常见金属晶体中晶胞的构成。 4．能举例说明合金的优越性能。 　　1.宏观辨识与微观探析：金属晶体的结构特点，比较金属晶体性质的差异。 2．证据推理与模型认知：能说明金属晶体中的微粒及其微粒间的相互作用，认识简单的晶胞。 [对应学生用书P46] 一、金属键与金属特性 1．金属键 (1)概念 金属原子失去部分或全部外围电子 形成的金属离子与自由电子之间存在着强烈的相互作用。 (2)形成 金属原子失去部分或全部外围电子形成的金属离子与“脱落”下的自由电子相互作用。 2．金属特性 (1)导电性 在外电场作用下，自由电子在金属内部会发生定向移动，从而形成电流。温度升高，金属的导电性减弱。 (2)导热性 金属受热时，自由电子与金属离子(或金属原子)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。 (3)延展性 金属键没有方向性，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然保持金属键的作用，不会断裂。 3．金属键的强弱 (1)原子化热 金属键的强弱可以用金属的原子化热来衡量。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)影响因素 金属键的强弱与金属元素的原子半径、单位体积内自由电子的数目有关。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，金属键越强。 (3)与金属的物理性质的关系 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．晶体：具有规则几何外形的固体物质。通常条件下，大多数金属单质也是晶体。在金属晶体中，金属原子如同半径相等的小球一样，彼此相切、紧密堆积成晶体。 2．晶胞：能够反映晶体结构特征的基本重复单位。相邻晶胞之间没有任何间隙，并置排列，金属晶体是晶胞在空间连续重复延伸而形成的。 3．金属原子在平面内的两种排列方式：非密置层(一个原子周围有4个原子)和密置层(一个原子周围有6个原子)。 4．晶胞中微粒个数的计算(均摊法) (1)均摊是指每个晶胞平均拥有的微粒数目。如某个微粒为n个晶胞所共有，则该微粒有属于这个晶胞。 (2)立方体晶胞中不同位置的微粒数的计算 ①处于顶点的微粒，同时为8个晶胞共享，每个微粒有属于该晶胞； ②处于棱上的微粒，同时为4个晶胞共享，每个微粒有属于该晶胞； ③处于面上的微粒，同时为2个晶胞共享，每个微粒有属于该晶胞； ④处于晶胞内部的微粒，则完全属于该晶胞。 5．合金的组成和性质 (1)合金：把两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。 (2)合金的性能：比它的各成分金属具有许多良好的物理的、化学的、机械的性能。通常，多数合金的熔点比它的各成分金属的熔点低，而强度和硬度比它的各成分金属大。 ◆拓展延伸 ◆名师点拨 电解质导电和金属导电的区别 物质类别 电解质 金属晶体 导电时 的状态 水溶液或 熔融状态下 晶体状态 导电粒子 自由移动 的离子 自由电子 导电时发 生的变化 化学变化 物理变化 导电能力随 温度的变化 温度升高， 导电能力增强 温度升高， 导电能力减弱 ◆名师点拨 图示金属原子的排列方式 等径圆球的平面(层)排列方式有两种，即密置层和非密置层。 ◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”) (1)金属键是金属离子与自由电子之间的吸引力。 (　　×　　) (2)任何固体中，含有阳离子时，一定含有阴离子。 (　　×　　) (3)金属单质中，金属键越强，金属的还原性越弱。 (　　√　　) (4)熔、沸点：Li>Na>K>Rb，硬度：Na<Mg<Al<Cr。 (　　√　　) [对应学生用书P48] 探究一__金属键与金属特性的关系 记忆金属又叫形状记忆合金。20世纪70年代，世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状功能的合金。记忆合金是一种颇为特别的金属条，它极易被弯曲，我们把它放进盛着热水的玻璃缸内，金属条伸直；将它放入冷水里，金属条则恢复了原状。这些都是由一种有记忆力的金属做成的，它的微观结构有两种相对稳定的状态，在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状，在较低的温度下合金可以被拉伸，但若对它重新加热，它会记起它原来的形状，而变回去。这种材料就叫做记忆金属。它主要是镍钛合金材料。 一些常见的记忆金属制品 [问题设计] (1)记忆合金是否具有一定的导热性？为什么？ 提示：具有。因为记忆合金中也存在金属阳离子和自由电子，二者相互碰撞可以传递热量。 (2)根据图示可知，记忆金属在医学上有何应用？ 提示：镍钛合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。例如，血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。(答案合理即可) (3)金属或合金的性质与金属的结构有关，结合下表信息回答问题。 金属 Na Mg Al Cr 原子外围 电子排布 3s1 3s2 3s23p1 3d54s1 原子半径/pm 186 160 143.1 124.9 原子化热/ (kJ·mol-1) 108.4 146.4 326.4 397.5 熔点/℃ 97.5 650 660 1 900 ①表格中金属的原子化热大小关系怎样排序？ 提示：金属的原子化热大小关系为Na<Mg<Al<Cr。 ②表格中金属的熔点从高到低的顺序怎样排列？ 提示：金属的熔点由高到低的顺序为Cr> Al>Mg> Na。 ③通过分析表格数据，总结决定金属熔点高低的因素是什么？ 提示：决定金属熔点高低的因素是金属键的强弱，金属键越强，金属的熔点越高。金属元素的原子半径越小、单位体积内自由电子数目(或金属离子的电荷数)越多，金属键越强。 1．金属键 金属键的特征 金属键无方向性和饱和性。金属晶体中的自由电子不专属于某一个或某几个特定的金属离子，而是几乎均匀地分布在整块晶体中，把所有金属原子维系在一起，所以金属键没有方向性和饱和性。 2．金属晶体的性质 (1)金属晶体具有良好的导电性、导热性和延展性。 (2)熔、沸点：金属键越强，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合金的熔、沸点一般比其各成分金属的熔、沸点低。 ④金属晶体熔点差别很大，如汞常温下为液体，熔点很低；而铁常温下为固体，熔点很高。 [名师总结] 【例1】 关于金属键的叙述错误的是 (　　) A．金属键没有方向性和饱和性 B．金属键是金属离子和自由电子之间存在的强烈的静电吸引作用 C．金属键中的电子属于整块金属 D．金属的性质和金属固体的形成都与金属键有关 B　解析：金属键是金属离子和自由电子之间存在的强烈的相互作用，包括静电吸引作用和静电排斥作用。 1．下列关于金属单质的叙述正确的是 (　　) A．常温下，金属单质都以固体形式存在 B．金属键在一定外力作用下，不因形变而消失 C．钙的熔、沸点低于钾的 D．温度越高，金属的导电性越好 B　解析：常温下，金属单质汞以液体形式存在，A错误；原子半径：Ca<K，自由电子的数目：Ca>K，金属原子半径越小、自由电子的数目越多，金属键越强，金属的熔、沸点越高，故钙的熔、沸点高于钾的，C错误；温度越高，自由电子能量越高，难以束缚，金属的导电性越差，D错误。 探究二__金属晶体 银手镯质软， 弯曲程度很大但不易折断。说一说金属晶体的原子是如何排列的呢？ [问题设计] (1)金属原子的密堆积是什么意思？ 提示：微粒之间的作用力使微粒间尽可能地相互接近，使它们占有最小的空间。 (2)金属晶体中原子的配位数是什么？ 提示：在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数。 (3)晶体中原子的空间利用率是什么？ 提示：晶体的空间被微粒占满的体积百分数，用它来表示紧密堆积的程度。 (4)红砷镍矿(NiAs)是常见的镍矿之一，是一种六方晶体(底面为60°和120°的菱形)，其晶胞如图所示，图中深色小球为Ni，浅色大球为As。已知NiAs的晶胞边长分别为a pm和c pm，阿伏加德罗常数的值为NA。 ①红砷镍矿晶胞所含的镍、砷原子数分别是多少？ 提示：As位于晶胞内部，原子数目为2；Ni位于六方晶胞的顶点和棱上，原子数目为×4＋×4＋×2＋×2＝2。 ②一个红砷镍矿晶胞的质量为多少？ 提示：。 ③一个红砷镍矿晶胞的体积是多少？ 提示：a2c×10-30 cm3。 ④红砷镍矿的密度如何表示？ 提示：晶胞密度ρ＝＝＝ g·cm-3。 1．同层等径圆球的密堆积方式 采用密置层排列能够降低体系的能量。 2．多层等径圆球的密堆积方式 第一层：密置层排列。 第二层：将球对准1、3、5位(或2、4、6位)。 A层与B层平行错开，使B层每个球的球心恰好对应于A层中相邻三个球所围成的空隙的中心，使两层紧密接触，每一个球与另一层的三个球相接触，达到最密堆积，称为密置双层。 在密置双层的基础上再堆积第三层C时有两种排列方式：第一种排列是C层的圆球球心与A层的圆球球心相对应，C层相当于A层。于是每两层形成一个周期，即ABAB堆积方式。 第二种排列是第三层C层圆球球心的位置，既与A层圆球球心的位置错开，也与B层圆球球心的位置错开。 3．非密置层在三维空间的堆积 4．金属密堆积常见的堆积方式 (1)面心立方堆积 面心立方密堆积方式的金属晶体：Ca、Al、Pb、Pt、Au、Ag、Cu。 (2)体心立方堆积 体心立方密堆积方式的金属晶体：Li、Na、K、Ba、W、Fe。 (3)六方堆积 　 六方密堆积方式的金属晶体：Mg、Zn、Ti。 5．晶体结构有关计算 (2)晶体密度计算公式：ρ＝，其中N为1个晶胞中所含“分子”数目， M为摩尔质量，NA为阿伏加德罗常数的值，V为1个晶胞的体积。 (3)晶胞质量＝晶胞含有的微粒的质量＝晶胞含有的微粒数×。 (4)空间利用率＝×100%。 (5)金属晶体中体心立方堆积、面心立方堆积中的几组公式(设棱长为a) ①面对角线长＝a； ②体对角线长＝a； ③体心立方堆积4r＝a(r为原子半径)； ④面心立方堆积4r＝a(r为原子半径)。 [名师总结] 三种典型 堆积方式 面心立方 堆积 体心立方 堆积 六方堆积 常见金属 Ca，Cu，Au， Al、Pb、Pt，Ag Li、Na、K、 Ba、W、Fe Mg、Zn、Ti 结构 示意图 配位数 12 8 12 空间 利用率 74% 68% 74% 晶胞中的 微粒数 4 2 2 【例2】 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　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＝。 2．(1)镧系合金是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰菲利浦实验室首先研制出来。它的最大优点是容易活化，其晶胞结构如图所示。它的化学式为________。 (2)镁系合金是最早问世的合金之一，经X射线衍射实验分析得，镁铜合金为面心立方结构，镁镍合金为六方堆积。镁系合金的优点是价格较低，缺点是要加热到250 ℃以上时才释放出氢气。下列有关说法不正确的是______(填标号)。 A．金属铜的晶胞结构为 B．已知钛和镁的堆积方式相同，均为六方堆积，则其堆积方式为 C．镁铜合金晶体的原子空间利用率为74% D．镁镍合金晶体的配位数为12 (3)《X射线金相学》中记载关于铜与金可形成两种有序的金属互化物，其结构如图。下列有关说法正确的是________(填标号)。 A.图Ⅰ、Ⅱ中物质的化学式相同 B．图Ⅱ中物质的化学式为CuAu3 C．图Ⅱ中与每个铜原子紧邻的铜原子有3个 D．若图Ⅰ中晶胞的边长为a cm，则图Ⅰ中合金的密度为 g·cm-3 答案：(1)LaNi5　(2)A　(3)B 解析：(1)根据晶胞结构图可知，面心上的原子为2个晶胞所共有，顶点上的原子为6个晶胞所共有，棱上的原子为3个晶胞所共有，内部的原子为整个晶胞所共有，所以晶胞中La原子有3个，Ni原子有15个，则镧系合金的化学式为LaNi5。 (2)铜是面心立方堆积结构(如图所示)，而A项中的图为六方堆积结构，A项不正确；钛和镁晶体是按“ABAB…”的方式堆积，B项正确；面心立方堆积和六方堆积的配位数均为12，空间利用率均为74%，C、D项正确。故答案为A。 (3)图Ⅰ中，铜原子数为8×＋2×＝2，金原子数为4×＝2，故化学式为CuAu。图Ⅱ中，铜原子数为8×＝1，金原子数为6×＝3，故化学式为CuAu3。图Ⅱ中，铜原子位于立方体的顶点，故紧邻的铜原子有6个。图Ⅰ中，铜原子、金原子各为2个，晶胞的体积为a3cm3，密度ρ＝＝×(64＋197)÷a3 g·cm-3＝ g·cm-3。 [对应学生用书P52] 1．下列关于金属晶体的叙述正确的是 (　　) A．用铂金做首饰不能用金属键理论解释 B．固态和熔融时易导电，熔点在1 000 ℃左右的晶体可能是金属晶体 C．Al、Na、Mg的熔点逐渐升高 D．温度越高，金属的导电性越好 B　解析：用铂金做首饰利用了金属晶体的延展性，能用金属键理论解释，A错误；金属晶体在固态和熔融时能导电，其熔点差异很大，故题设条件下的晶体可能是金属晶体，B正确；一般来说，金属中单位体积内自由电子的数目越多，金属元素的原子半径越小，金属键越强，故金属键的强弱顺序为Al>Mg>Na，其熔点的高低顺序为Al>Mg>Na，C错误；金属的导电性随温度的升高而降低，温度越高，其导电性越差，D错误。 2．下列叙述不正确的是 (　　) A．金属键无方向性和饱和性，原子配位数较高 B．晶体尽量采取紧密堆积方式，以使其变得比较稳定 C．因为共价键有饱和性和方向性，所以共价晶体不遵循“紧密堆积”原理 D．金属铜和镁均以“ABAB…”方式堆积 D　解析：Mg以“ABAB…”方式堆积，但Cu以“ABCABC…”方式堆积。 3．钠钾合金在通常状况下呈液态，可用作快中子反应堆的热交换剂。以下是对钠钾合金具有导热性的主要原因的分析，其中正确的是 (　　) A．钠钾合金的熔点很低 B．钠、钾原子的电离能都很小 C．钠钾合金中有自由电子 D．钠钾合金中有金属离子 C　解析：本题考查合金的性质与用途。钠钾合金以金属键相结合，其导热原理跟金属晶体相同。 4．金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式，六方堆积、面心立方堆积和体心立方堆积，如图a、b、c分别代表这三种晶胞的结构，其晶胞内金属原子个数比为 (　　) A．3∶2∶1　　　　　B．11∶8∶4 C．9∶8∶4 D．21∶4∶9 A　解析：本题考查晶胞中微粒数的计算，用均摊法。晶胞a中所含原子数为12×＋2×＋3＝6，晶胞b中所含原子数为8×＋6×＝4，晶胞c中所含原子数为8×＋1＝2。 5．如下图所示为金属原子的四种基本堆积模型，请回答以下问题： (1)以上原子堆积方式中，空间利用率最低的是________(在图中选择，填字母)，由非密置层互相错位堆积而成的是________。 (2)金属铜的晶胞模型是________，每个晶胞含有__________个Cu原子，每个Cu原子周围有________个紧邻的Cu原子。 答案：(1)A　B　(2)C　4　12 解析：A为简单立方堆积，为非密置层排列，空间利用率最低。金属铜采取面心立方最密堆积，每个晶胞内含有的铜原子个数为8×＋6×＝4。取顶点上的一个铜原子，离它最近的铜原子共有12个。 [课时梯级训练(8)P138] 学科网（北京）股份有限公司 $$