第3章 第3节 金属晶体与离子晶体-【一本】高中化学知识大盘点

第三节 金属晶体与离子晶体5年3男 必备知识 知识点1 金属键与金属晶体 ◆特别提醒 1.金属键 金属晶体中的自由电子 不专属于某个特定的金 金属晶体中金属阳离子与自由电子之间的强相互 定义 属阳离子，能在整块金 作用 属中自由移动。 成键粒子 金属阳离子和自由电子 Q0000 成键条件 金属单质或合金 10d0e0 o900⑧ 电子气理论：金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块 成键本质 晶体的“电子气”，被所有原子所共用，从而把所有的金属 ® 选 学以致用 原子维系在一起，形成像共价晶体一样的“巨分子” 下列生活中的问题，不 金属阳离子所带电荷数及阳离子的半径大小。一般 能用金属键理论的知识 影响因素 来说，金属阳离子所带电荷数越多、半径越小，金属键 修 解释的是() 2 就越强 A.用铁制品制炊具 B.铁易生锈 特征 没有方向性和饱和性 第三章 C.用铂金制首饰 2. 金属晶体 D.用金属铝制导线 (1)定义：金属阳离子与自由电子之间通过金属键形成的 晶 答案：B 晶体。 结 ◆特别提醒 (2)用电子气理论解释金属的物理性质 ①金属晶体的熔点差别 很大，如常温下汞是液 在外加电场的作用下，金属晶体中的自由电子定向移动 质 体，熔点很低；铁是固 形成电流 体，熔点很高。 导电性 ②金属晶体具有导电 通电 性，但是具有导电性的 95o8w⊙ 物质不一定是金属，如 金属晶体中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁 石墨、聚乙炔等。 导热性 碰撞，从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分， ◆知识拓展 使整块金属达到相同的温度 金属导电能力与 当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就会发生相 温度的关系 对滑动，但不会改变原来的排列方式，而且弥漫在金属 金属阳离子只在一定范 原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂 围内振动，而不会自由 延展性 移动，温度升高，碰撞次 的作用，所以金属有良好的延展性 数增多，电阻增大，金属 外力→ 导电能力变弱。 ●330● 3.金属晶体的堆积模型—等径圆球密堆积 金属键没有方向性，所以金属晶体可以看成是由直径相等的 ◆知识拓展 圆球在三维空间堆积而成的。等径圆球的密堆积方式有面心 离子液体 立方最密堆积、体心立方堆积和六方最密堆积。 离子液体是室温或者稍 (1)在二维空间的堆积方式有两种，如图所示： 高于室温时呈液态的离 子化合物，大多数离子 液体含有体积很大的 阴、阳离子。常见的阴 非密置层 密置层 (2)在三维空间的堆积方式 离子如四氯铝酸根离子 ①非密置层有两种堆积方式 (AICL)、六氟磷酸根离 堆积方式 简单立方堆积 体心立方堆积 子(PF)、四氟硼酸根 离子(BF)等，常见的 ↓689 89 部1阳器 阳离子如季铵离子 晶胞结构 6689 (RN+,即NH的H 88 被烃基R取代得到的离 ②密置层有两种堆积方式 子)以及带烃基侧链的 择性 堆积方式 晶胞结构 咪唑、嘧啶等有环状含 修 氨结构的有机胺正离子 等。传统的有机溶剂大 六方最密 B 6: 多易挥发，而离子液体 堆积 A 难挥发、极性强，是很好 三章 A 的溶剂。此外，离子液 体有良好的导电性，可 面心立方最 以用作电化学中的电 B 8 密堆积 67 解质。 晶体结构与性质 4.典型的金属晶体的组成和结构◆ 难点》 晶胞结构与数量 堆积方式 特点 关系 典型代表为Po ①晶胞中包含的微粒数为1 ②配位数为6 简单立方 堆积 ③空间利用率= V球×100%= =2 3- a3X100633 8rX100%52% ●331● 续表 晶胞结构与数量 学以致用 堆积方式 关系 特点 铁镁合金是目前已发现 典型代表为Na、K、Fe 的储氢密度较高的储氢 ①晶胞中包含的微粒数为2 材料之一，其晶胞结构 ②配位数为8 如图所示（黑球代表Fe, 体心立方 ③空间利用率= V趣×100%= 了扇跑 白球代表Mg)。下列说 堆积 4=√3a 体对角线) 2X 3- 2X4 法不正确的是() ×100%= - a3 v3 100%≈68% 典型代表为Cu、Pt、Au ①晶胞中包含的微粒数为4 A铁镁合金的化学式 ②配位数为12 为Mg2Fe 面心立方 ③空间利用率= V建×100%= 了 择性 B.晶胞中Fe与Mg的 最密堆积 4=/2a 面对角线)4X 4X4 配位数均为4 3-3 ×100%= - 修 C.晶体中存在的化学键 2 类型为金属键 100%≈74% 第三章 D该晶胞的质量是g 典型代表为Mg、Zn、Ti ①晶胞中包含的微粒数为6 (NA表示阿伏加德罗 ②配位数为12 晶体 常数的值) V婆X100%= 答案：B ③空间利用率一 构与性质 六方最密 堆积 6x导w S底X2h + 100% 6X 3- 26 × 3 6×多×2x×3rX26 37 100%≈74% ◆特别提醒 知识点2离子晶体 ①离子晶体除含有阴、 阳离子外，有的还存在 1.离子键◆ 重点 电中性的分子，如 电负性较大 的非金属元 得到电子 H20等。 阴离子 素的原子 静电吸引和静 ②离子晶体中不仅有离 形成过程 电排斥平衡 离子键 保持一定的 子键还可能存在共价 电负性较小 失去电子 核间距 的金属元素 阳离子 键、范德华力或氢键等。 的原子 离子化合物 ●332● 续表 静电作用，阴、阳离子之间的静电作用包括静电吸引和 ® 实质 学以致用 静电排斥两种作用 (海南卷节选)MnS晶 离子键的强弱取决于阴、阳离子所带电荷数及阴、阳离 胞与NaCl晶胞属于同 影响因素 子半径的大小。一般来说，离子所带电荷越多，半径越 种类型。前者的熔，点明 小，离子键越强 显高于后者，其主要原 特征 没有方向性和饱和性 因是 2.离子晶体 答案：MnS中阴、阳离子 (1)定义：由阳离子和阴离子相互作用而形成的晶体。 所带电荷数比NaCl中 (2)作用力：离子键。 的多，离子键的强度 (3)物理性质 更大 ①熔、沸点较高：离子晶体中有较强的离子键，要使它们由固 态变为液态或气态，需消耗较多的能量破坏离子键。 ②硬度较大，难以压缩。 珍知识拓展 ③固体不导电，熔融状态或溶于水能导电：a.离子晶体中离子 离子晶体稳定存在的条件 不能自由移动，因此离子晶体不导电；b.当升高温度熔化（或 择性必修 异性离子相切、同性离 溶于水)后，阴、阳离子获得足够的能量（或受到水分子的作 子相离。 用)克服了离子间的相互作用力，成为能自由移动的离子，在 第 外加电场的作用下，离子定向移动而导电。 三章 ④大多数离子晶体易溶于极性溶剂（如水）中，难溶于非极性 溶剂（如汽油、苯、CCL4)中。 ⑤延展性差：离子晶体中阴、阳离子交替出现，层与层之间如 果发生滑动，同性离子相邻而使斥力增大导致不稳定，所以离 晶体结构与性质 子晶体延展性差。 3典型的离子晶体的组成和结构一 重难点 ◆知识拓展 晶胞示意图 结构特点 正八面体空隙 ①每个晶胞中含4个Na+和4个C。 在面心立方最密堆积晶 距离Na+最近的Cl的数目 胞中，6个面心原子在 ②Nat和C的配位数均为6，Na+与CI的最 空间构成的几何结构是 正八面体，围成的空隙 近距离为2a,每个Na(C)周围紧邻（距离 是正八面体空隙。每个 最近且相等)的C(Na)构成正八面体 晶胞平均有4个正八面 NaCl ③每个Na+(CI)周围紧邻的Na+(CI)有 体空隙。 12个，距离为号。 ●333● 续表 ◆知识拓展 晶胞示意图 结构特点 离子晶体的晶格能 ①每个晶胞中含1个Cs和1个C1。 1mol离子晶体里的正 ②Cs+和C1的配位数均为8，Cs+与CI的 负离子完全气化而远离 所需要吸收的能量叫晶 最近距离为。，每个Cs+(C)周围紧邻的 格能，通常取正值，单位 C1(Cs+)构成立方体。 为kJ·mol1。晶格能 CsCl ③每个Cs+(CI)周围紧邻的Cs+(C1-)有6 可以衡量离子键的强 个，距离为a 弱。结构相似的离子晶 体，晶格能越大，离子键 ①每个晶胞中含4个Zn2+和4个S2-。 越强，离子晶体越稳定， ②Zn2+、S-的配位数均为4，Zn2+与S的最 且熔点越高，硬度越大。 S2- 近距离为，每个Z+(S)周围紧邻的 但是从本质上来看，离 ●Zn24 S(Zn2+)构成正四面体。 选 子晶体的晶格能和离子 ZnS ③每个Zn2+(S2-)周围紧邻的Zn2+(S2-)有 键的键能含义不同，数 值也不相等。 12个，距离为。 修 知识拓展 2 离子极化 ①每个晶胞中含4个Ca+和8个F。 第三章 在电场的作用下产生的 ②Ca2+的配位数为8，F的配位数为4，Ca2 离子中电子分布发生偏 与F的最近距离为。，每个P周围紧邻的 晶 移的现象称为离子极 CaF2 4个Ca2+构成正四面体，每个Ca2+周围紧邻 结 化。离子极化可能导致 的8个F构成立方体 阴、阳离子的外层轨道 发生重叠，使得许多离 4.离子晶体的判断 质 子键不同程度地显示共 金属离子和酸根离子、OH形成的大多数盐 价性，甚至出现键型变 强碱，活泼金属的氧化物和过氧化物（如NazO 异。如AgF→AgCI→ 根据物质的类别 和NazO2),活泼金属的氢化物（如NaH),以及 AgBr→AgI,共价性依 活泼金属的硫化物等都是离子晶体 次增强，AgI已成为以 共价键为主的结构。 如成键元素的电负性之差大于1.7的物质，金 根据元素的性质属元素（特别是活泼的金属元素，IA、ⅡA族 和种类 元素)与非金属元素（特别是活泼的非金属元 素，IA、IA族元素)组成的化合物 离子晶体一般具有较高的熔、沸点，难挥发，硬 而脆；固体不导电，但熔融或溶于水后能导电， 根据物质的性质 大多数离子晶体易溶于极性溶剂而难溶于非 极性溶剂 ●334● 知识点3过渡晶体与混合型晶体 1.过渡晶体 (1)四类典型的晶体是指分子晶体、共价晶体、金属晶体和离 子晶体。 (2)过渡晶体：介于典型晶体之间的晶体。四类典型晶体都有 过渡晶体存在。 ①几种氧化物的化学键中离子键成分的百分数 氧化物 Na2O MgO Al2O SiO2 离子键的百分数/% 62 50 41 33 表中的4种氧化物晶体中的化学键既不是纯粹的离子键，也 不是纯粹的共价键，这些晶体既不是纯粹的离子晶体也不是 纯粹的共价晶体，只是离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体。 ②偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体 接近，因而通常当作离子晶体来处理，如Na2O等。同样，偏 向共价晶体的过渡晶体则当作共价晶体来处理，如A12O3、 SiO2等。 择性必修 ③第三周期后几种元素的氧化物的晶体，如PzO、SO、C1O, 都是分子晶体，表明离子键成分的百分数更小了，而且共价键 学以致用 不再贯穿整个晶体，而是局限于晶体微观空间的一个个分子 第 黑磷晶体的结构是与石 中了。 三章 墨类似的层状结构，如 2.混合型晶体 图所示。下列有关说法 (1)石墨晶体的结构模型 不正确的是() C原子个数：C一C个数：六元环数目=2：3：1 晶体结构与性质 A.黑磷晶体中片层间 142pm 石墨结构中未参与杂化 的作用力为范德 石墨晶体中的二维平面结构 石墨的层状结构的p轨道 华力 (2)石墨晶体的结构特点一层状结构，有共价晶体的性质 B.黑磷与白磷均可导电 ①同层内碳原子采取Sp杂化，以共价键（σ键）结合，形成平 C.黑磷晶体的熔、沸点 面六元并环结构。 比白磷的高 ②层与层之间靠范德华力维系。，有分子晶体的性质 D.1mol黑磷晶体中含 ③石墨的二维平面结构内，每个碳原子的配位数为3，有一个 有1.5molP-P 未参与杂化的2p电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面，形成 答案：B 大π键，从而使石墨在沿平面方向有导电性。有金属晶体的性质 。335● (3)晶体类型：石墨晶体中，存在共价键（层内）和范德华力（层 间)，同时还具有金属键的特性（电子气理论），属于混合型晶体。 学以致用 知识点4四类典型晶体的比较 下列关于微粒间的相互 作用的说法正确的是 1.四类典型晶体的比较 重点 ①所有金属与所有非金 晶体类型 离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体 属之间都能形成离子键 构成晶体 金属阳离子和 ②金属的导电性、延展 阴、阳离子 原子 分子 的粒子 自由电子 性均与金属键有关 分子间作用 ③金属晶体的熔、沸点 粒子间的 离子键 共价键 力（范德华 金属键 不一定高于分子晶体 相互作用 力或氢键) ④晶体的熔、沸点：金刚 石>SiC>Si 确定相互 氢键、相对 离子所带 ⑤分子晶体中共价键的 作用强弱 键长（原子 分子质量离子半径、价 电荷数、离 择性 键能越大，晶体的熔、沸 的 一 般 半径) 和分子 电子数 子半径 点越高 方法 极性 修 ⑥离子键的强弱：NaF> 2 熔、沸点 较高 很高 较低 差别较大 NaClNaBrNaI 硬度 硬而脆 很大 较小 差别较大 第三章 ⑦ HO CHO -CHO 不良导体 不良导体 比 OH 的熔、 不良导体 晶 (熔融态或 (部分溶于 导电性 沸点低 (个别为半 良导体 溶于水后 水发生电 答案：②③④⑥ 导体) 导电) 离后导电) 与性质 般不溶于 多数易溶 般不溶 溶解性 相似相溶 水，少数与水 于水 于水 反应 到 学以致用 机械加工 ①（辽宁卷改编）单质硫 不良 不良 不良 优良 性能 和氢气在低温、高压下 可形成一种新型超导材 延展性 差 差 差 优良 料，该晶体属于分子晶 2.判断晶体类型的方法◆重难点 体。(×) ②（江苏卷改编）碳单 (1)依据构成晶体的微粒和微粒间的相互作用判断 质、晶体硅、SiC均为共 (2)依据物质的类别判断 价晶体。(X) ①金属氧化物（如K2O、Na2O2等）、强碱（如NaOH、KOH 等)和绝大多数盐是离子晶体。 ●336● ②大多数非金属单质(P4、S、C6等)、非金属氢化物、非金属 氧化物(P4O6、P4Oo,但SiO2除外)、酸、绝大多数有机物（有 ③（山东卷节选）立方型 机盐除外)是分子晶体。 SiC是与金刚石成键、 ③金属单质与合金是金属晶体。 结构均相似的共价晶 ④部分非金属单质（如金刚石、晶体硅、晶体硼、晶体储）、部分 体，因此立方型SiC具 非金属化合物（如SiC、SiO2、BN、AlN、Si3N4等）是共价晶体。 有很高的硬度。（√） ④（北京卷节选）醋酸钠 (通常与C、Si、B、Ge、N五种元素相关的单质和化合物为共价 晶体与冰都是离子晶 晶体) 体。(X) (3)依据晶体的熔点判断 提示：分子晶体为不良导 ①离子晶体的熔点较高，常在数百至一千摄氏度。 体，超导材料导电性强。 ②共价晶体熔点高，常在一千至几千摄氏度。 ③分子晶体熔点低，常在数百摄氏度以下至很低温度。 ④金属晶体多数熔点高，但也有熔点较低的。 (注意 常温下为液态的物质，说明其熔点较低；常温下为气态的物 质，说明其沸点较低。 ◆特别提醒 择性必修 (4)依据导电性判断 ①某些离子晶体的熔点 高于某些共价晶体的熔 ①离子晶体在水溶液中及熔融状态下能导电。 点。如MgO(2852℃)> 第 ②共价晶体一般为电的不良导体。 Si02(1710℃)。 三章 ③分子晶体为电的不良导体，但分子晶体中的电解质（主要指 ②某些分子晶体的熔，点 酸和非金属氢化物)溶于水后能使分子内的化学键断裂形成 高于某些金属晶体的熔 晶体 能自由移动的离子而导电。 点。如碱金属的熔点 ④金属晶体是电的良导体。 较低。 与性 (5)依据硬度和机械性能判断 ③个别金属的熔点高于 ①离子晶体硬度较大或硬而脆。 某些共价晶体的熔点。 ②共价晶体硬度大。 如钨(3410℃)>Si02 ③分子晶体硬度小且较脆。 (1710℃)。 ④金属晶体多数硬度大，但也有较低的，且具有延展性。 ④合金的熔，点一般低于 3.晶体熔、沸点高低的比较方法 各成分金属的熔点。 (1)比较不同类型晶体的熔、沸点 ⑤石墨属于混合型晶 体，但层内原子之间碳 ①一般规律：共价晶体>离子晶体>分子晶体。 碳共价键的键长比金刚 ②金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等的熔、沸点很高， 石中碳碳共价键的键长 汞、铯等的熔、沸点很低 短，所以石墨的熔、沸点 (2)比较同种类型晶体的熔、沸点（共价晶体和分子晶体的熔、 高于金刚石的。 沸点的比较详见P327) 。337● ①离子晶体：一般来说，阴、阳离子所带的电荷越多，离子半径 越小，离子间的作用力就越强，离子晶体的熔、沸点就越高。 如熔点：MgO>NaCl>CsCl. ②金属晶体：金属阳离子的半径越小，离子所带电荷越多，金 属键就越强，金属的熔、沸点就越高。如熔、沸点：Na< Mg<Al。 ◆特别提醒 知识点5晶胞中微粒的投影◆ 难点 ①若两个原子的连线平 行于投影方向，则这两 在晶胞中进行的投影一般是指正平行投影，借助于投影线（平 个原子在投影面上会出 行于投影方向的辅助线)可以确定原子在投影面中的位置。 现重叠，所以投影图中 1.沿某晶轴（坐标轴）方向的投影（以立方晶胞为例） 的原子不一定包含晶胞 晶胞类型 晶胞图 投影图 中的所有原子。 ②相同的投影图可能具 选 有不同的晶胞结构，如 体心立方晶胞 金刚石晶胞和CaF2晶 胞的内部结构是不完全 修 相同的，但是其沿坐标 2 面心立方晶胞 … 轴方向上的投影图是相 第三章 同的。 国 晶 到学以致用 金刚石晶胞 …O… 立方砷化硼(BAs)有潜 结 力成为比硅更优良的半 导体材料，BAs的晶胞 质 结构如图所示。 氯化钠晶胞 -As (0.0.0)0 (总结 晶胞在xy面上的投影 (1)处于内部的粒子在三个坐标轴方向上的投影均落在正方 99 形的内部。 图为 。(X) (2)处于顶角的粒子在三个坐标轴方向上的投影均落在正方 形的顶角处。 (3)处于面上的粒子在垂直于面的方向上的投影落在正方形 内部，其他两个方向上的投影落在正方形的边上。 (4)处于棱上的粒子在沿棱方向上的投影落在正方形的顶角 处，其他两个方向上的投影落在正方形的边上。 ●338● 2.沿面对角线方向的投影（以立方晶胞为例） 晶胞类型 晶胞图 投影图 珍知识拓展 沿体对角线方向的投影 体心立方晶胞 面心立方晶胞 面心立方晶胞 060 金刚石晶胞 氯化钠晶胞 选择性必修 Ca2*OF- (总结 CaF2晶胞 (1)处于内部的粒子的投影落在长方形的内部。 (2)除了处在投影面上顶角上的粒子，其他处于顶角的粒子的 三章 投影落在长方形的边上。 (3)处于面上的粒子的投影落在长方形的内部和边上。 (4)处于棱上的粒子的投影落在长方形的内部和边上。 晶体结构与性质 高频考点 ●●● 金属晶体与离子晶 考点1 体的结构与应用 5年9考 例1(1)（全国乙卷节选）在金属材 料中添加A1Cr2颗粒，可以增强材 料的耐腐蚀性、硬度和机械性能。 A1Cr2具有体心四方结构，如图1所示。设 a=504 pm 图1 图2 Cr和Al的原子半径分别为rc和rAN,则金属 (2)(全国乙卷节选)AgI晶体中I厂作体心 原子的空间占有率为 %(列出计算 立方堆积（如图2所示），Ag+主要分布在由 表达式)。 I厂构成的四面体、八面体等空隙中。在电场 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