3.3 金属晶体与离子晶体 知识清单 2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修2

选修二 第三章 第三节 金属晶体与离子晶体 知识点总结 ( 1 )选修2 第三章第三节 金属晶体与离子晶体 学科网（北京）股份有限公司 知识点一：金属键与金属晶体 1、电子气理论 金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有金属原子维系在一起。“电子气”使得金属阳离子和自由电子之间存在强烈的相互作用，这一理论称为“电子气理论”，这种作用叫金属键。“电子气”把所有的金属原子维系在一起，形成一种“巨分子”。由于电子带负电，金属阳离子带正电，所以二者之间形成一种静电作用。 2、金属键 （1）概念：金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用。 （2）成键微粒：金属阳离子和自由电子。 （3）成键条件：金属单质或合金。 （4）金属键的特征：自由电子可以在整块金属中自由移动，因此金属键没有方向性和饱和性。 3、金属晶体 （1） 金属晶体的概念 通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体，叫做金属晶体。 注意： ①在金属晶体中，自由电子不专属于某几个特定的金属阳离子，它们几乎均匀地分布在整个晶体中，被许多金属阳离子所共用。 ②金属阳离子的运动状态是在一定范围内振动，而不是自由移动。 （2） 金属晶体的结构特点 金属单质（除汞外）在常温下一般都是固体。在金属中，金属原子容易失去最外层电子变成金属阳离子。金属原子失去电子后形成的金属离子按一定规律堆积，失去的电子在整个晶体里自由运动，称为自由电子。金属离子与自由电子之间存在着较强的作用，使许多金属离子结合在一起形成金属晶体。 （3）金属晶体的性质及“电子气”理论的应用 ①导电性 金属晶体中存在许多自由电子，这些自由电子的运动是没有方向性的，但在外加点场的作用下，自由电子会发生定向移动形成电流，所以金属易导电。 注意：金属导电的粒子是电子，电解质在熔融状态下或溶于水后导电的微粒是阳离子和阴离子；金属导电过程不生成新物质，属于物理变化，而电解质导电的同时要在阴、阳两极生成新物质，属于化学变化，故二者导电的本质是不同的。 ②导热性 加热时，自由电子在运动时与金属离子碰撞而引起能量的交换，从而使能量从温度高的部分传到温度低的部分，使整块金属达到相同的温度。 ③延展性 当金属受到外力时，晶体中的各原子层就会发生相对滑动，由于金属离子与自由电子之间的相互作用没有方向性，受到外力后，相互作用没有被破坏，金属虽然发生了形变但不会导致断裂。 ④颜色 由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光辐射到它的表面上时，自由电子可以吸收所有频率的光，然后很快释放出各种频率的光，这就使得绝大多数金属呈现银灰色以至银白色光泽。而金属在粉末状态时，金属的晶面取向杂乱，晶格排列不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以金属粉末常呈暗灰色或黑色。 总结： ①金属晶体在受外力作用下，各层之间发生相对滑动，但金属键并没有被破坏； ②金属晶体中只有金属阳离子，无阴离子； ③原子晶体的熔点不一定都比金属晶体的高，如金属钨的熔点就高于一般的原子晶体； ④分子晶体的熔点不一定就比金属晶体的低，如汞常温下是液体，熔点很低。 4、二维空间模型 （1） 密置层和非密置层 金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。把它们放置在平面上（即二维空间里），可有如图所示的两种形式。 ①密置层：每个圆球与其他六个球相切，这种排列方式达到了最紧密堆积，这样形成的层称为密置层。 ②非密置层：每个圆球与其他四个球相切，这种排列方式不是最密堆积，这样形成的层称为非密置层。 （2） 配位数 在密堆积中，一个原子周围所邻接的原子数目称为配位数。如果把金属原子视为一个球体，则一个圆球周围靠得最近的圆球数为配位数数。例如，上述的密置层的配位数为6，非密置层的配位数为4。 5、三维空间模型 （1） 非密置层在三维空间堆积 ①简单立方堆积 相邻非密置层原子的原子核在同一直线的堆积，空间利用率低为52%，配位数为6，只有金属钋（Po）采用这种堆积方式。如图所示 ②体心立方堆积（钾型） 将上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中，并使非密置层的原子稍稍分离。这种堆积方式所得的晶胞是一个含有两个原子的立方体，一个原子在立方体的顶角，另一个原子在立方体的中心，其空间的利用率比简单立方堆积高，达到68%，每个球与上、下两层的各4个球相邻接，故配位数为8，碱金属属于这种堆积方式。如图： 密置层在三维空间堆积 ①六方最密堆积（镁型） 如图所示，按ABABABAB……的方式堆积。 ②面心立方最密堆积（铜型） 如图所示，按ABCABCABC……的方式堆积。 六方最密堆积和面心立方最密堆积属于金属晶体的最紧密堆积方式，配位数均为12，空间利用率均为74%，但所得晶胞的形式不同。 金属晶体采用密堆积的原因：由于金属键没有饱和性和方向性，金属原子能从各个方向相互靠近，从而导致金属晶体最常见的结构形式是堆积密度大，原子配位数高，能充分利用空间。 知识点二：离子晶体 1、离子键 （1） 定义：阴、阳离子间通过静电作用所形成的化学键叫做离子键。 （2） 成键元素：活泼金属元素（如K、Na、Ca、Ba等，主要是第ⅠA族和第ⅡA族元素）和活泼非金属元素（如F、Cl、Br、O等，主要是第ⅥA族和第ⅦA族元素）相互结合时多形成离子键。 （3） 成键原因：活泼金属原子容易失去电子而形成阳离子，活泼非金属原子容易得到电子形成阴离子，再通过静电作用形成离子键。 注意：离子键只存在于离子化合物中；强碱、活泼金属氧化物、大多数盐都是离子化合物。 2、离子晶体 （1） 定义：阴阳离子通过离子键结合成的晶体。 在离子晶体中，阴阳离子间只存在离子键。不存在分子，化学式表示晶体中阴阳离子个数的最简比。 注意：在离子晶体中，阴阳离子采用不等径圆球密堆积。 （2） 结构特点： 注意：①在离子晶体中，虽然阴阳离子间以离子键结合，但离子内可能有共价键。 ②离子晶体不一定含有金属阳离子，如NH4Cl为离子晶体，不含有金属阳离子，但一定含有阴离子。 3、离子晶体结构模型 （1）离子晶体中粒子的配位数 ①配位数：与中心离子（或原子）直接成键的离子（或原子）称为配位离子（或配位原子），配位离子（或配位原子）的数目称为配位数。 ②影响配位数的因素：离子键无饱和性和方向性，但成键时离子半径决定了阴、阳离子参与成键的数目是有限的。阴、阳离子半径比值越大，配位数就越大。 ③阴、阳离子半径之比与配位数的关系（见下表）： 配位数 4 6 8 r（阳）/r（阴） 0.2—0.4 0.4—0.7 0.7—1.0 实例 ZnS NaCl CsCl （2）几种离子晶体模型 ①NaCl型晶体结构模型（如图）：配位数为6。 a. 在NaCl晶体中，每个Na+周围同时吸引着6个Cl-，每个Cl-周围也同时吸引着6个Na+。 b.每个Na+周围与它最近且等距的Na+有12个，每个Na+周围与它最近且等距的Cl-有6个。 ②CsCl型晶体结构模型（如图）：配位数为8。 a.在CsCl晶体中，每个Cs+周围同时吸引着8个Cl-，每个Cl-周围也同时吸引着8个Cs+。 b.每个Cs+与6个Cs+等距离相邻，每个Cs+与8个Cl-等距离相邻。 ③ZnS型晶体结构模型（如图）：配位数为4。ZnS型离子晶体中，阴离子和阳离子的排列类似NaCl型，但相互穿插的位置不同，使阴、阳离子的配位数不是6，而是4。常见的ZnS型离子晶体有ZnS、AgI、BeO晶体等。 （3） 决定晶体结构的因素 几何因素——晶体中正负离子的半径比（r+/r-） 电荷因素——晶体中正负离子的电荷比 键性因素——离子键的纯粹程度 （4） 离子晶体结构与性质的关系 ①离子晶体的结构 离子晶体以较强的离子键相结合，采取密堆积的形式。阴离子半径一般比阳离子大，因此阴离子在占据空间方面起着主导作用，在简单的AB型离子晶体中，可以认为阴离子按一定方式堆积而阳离子填充在其间的空隙中。 ②物理性质与结构关系 a. 离子晶体具有较高的熔、沸点，难挥发 离子晶体中，阴、阳离子间有强烈的相互作用（离子键），要克服离子间的相互作用使物质熔化和沸腾，就需要较多的能量。因此，离子晶体具有较高的熔、沸点和难挥发的性质。如NaCl、CsCl的熔点分别是801℃、645℃；沸点分别是1413℃、1290℃。而共价化合物H2O的熔点为0℃沸点为100℃。 一般说来，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，离子键越强，离子晶体的熔、沸点越高，如Al2O3>MgO；NaCl>CsCl等。 b. 离子晶体硬而脆 离子晶体中，阴阳离子间有较强的离子键，离子晶体表现出较高的硬度。当晶体受到冲击作用时，部分离子键发生断裂，导致晶体破碎。 c. 离子晶体不导电，熔化或溶于水后能导电 离子晶体中，离子键较强，阴、阳离子不能自由移动，即晶体中无自由移动的离子，因此离子晶体不导电。当升高温度时，阴、阳离子获得足够的能量克服了离子间的相互作用力，成为自由移动的离子，在外加电场的作用下，离子定向移动而导电。离子晶体溶于水时，阴、阳离子受到水分子的作用成了自由移动的离子（或水合离子），在外加电场的作用下，阴、阳离子定向移动而导电。 难溶于水的强电解质，如BaSO4、CaCO3等溶于水，由于浓度极小，故导电性极差。通常情况下，它们的水溶液不导电。 d. 溶解性 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。 注意：化学变化过程一定发生旧化学键的断裂和新化学键的形成，但破坏化学键或形成化学键的过程却不一定发生化学变化，如食盐熔化会破坏离子键，食盐结晶过程会形成离子键，但均不是化学变化。 知识点三：过渡晶体与混合型晶体 1、过渡晶体 总结 2、混合型晶体 （1）石墨的晶体结构 石墨是层状结构的晶体，在每一层内，碳原子排列成六边形，一个个六边形排列成平面的网状结构，每一个碳原子都跟其他三个碳原子相结合。在同一层内，相邻的碳原子以共价键相结合，层与层之间以分子间作用力相结合。石墨晶体中每个碳原子提供五个电子参加成键形成平面结构，碳原子最外层上的另一个电子成为自由电子，并通过自由电子在层间产生范德华力。石墨晶体不是原子晶体也不是分子晶体，而是一种混合晶体。 （2）石墨晶体的物理性质 由于石墨晶体结构的特殊性，它的物理性质为熔点很高，有良好的导电性，另外由于石墨晶体内部的层与层容易发生相对滑动，故石墨具有滑腻性。 2、金刚石与石墨的晶体结构对比 金刚石 石墨 晶体类型 原子晶体 混合晶体 微粒间作用力 C-C共价键 C-C共价键 分子间作用力 碳原子的杂化方式 sp3杂化 sp2杂化 碳原子成键数 4 3 碳原子有无剩余价电子 无 有一个2p电子 配位数 4 3 晶体结构特征 正四面体空间网状结构 平面六边形层状结构 晶体结构 物理性质 高熔点、高硬度、不导电 熔点比金刚石还高，质软、滑腻、易导电 最小碳环 六元环、不共面 六元环、共面 注意： （1）石墨有原子晶体的一些性质，熔点比金刚石高。 （2） 质软、滑腻：石墨晶体是层状结构，层间没有化学键相连，是靠范德华力维系的，而范德华力很弱，使石墨具有质软、滑腻的性质。因此石墨又具有分子晶体的一些性质。 导电性：石墨晶体中碳原子采取sp2杂化，三个sp2杂化轨道都参与形成C-C共价键，每个碳原子还有一个未参加杂化的2p电子，每个碳原子剩余的2p电子在整个碳原子平面中运动，被所有碳原子共用。石墨具有金属键，具有金属晶体的一些性质。 拓展应用 拓展一：金属键 堆积模型 采纳这种堆积的典型代表 空间利用率 配位数 晶胞 非密置层 简单立方堆积 Po（钋） 52% 6 体心立方堆积 Na、K、Fe 68% 8 密置层 六方最密堆积 Mg、Zn、Ti 74% 12 面心立方最密堆积 Cu、Ag、Au 74% 12 拓展二：晶格能 1、定义：气态离子形成1mol的离子晶体所释放的能量，通常取正值，单位是kJ/mol。 晶格能是离子晶体中离子间结合力大小的一个量度，是最能反映离子晶体稳定性的数据。晶格能越大，表示离子晶体越稳定，破坏其晶体耗能越多。 2、影响因素：离子的电荷和阴阳离子的大小。 ( → 越大 ) ( 晶格能 — )—离子带电荷越多— —离子半径越小 — 晶格能与阴、阳离子所带电荷的乘积成正比，与阴、阳离子的核间距离成反比。 3、晶格能对离子晶体性质的影响：晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，而且熔点越高，硬度越大。 这就是如MgO、CaO以及Al2O3常被用来作高温材料和磨料的原因。如下表： BaO SrO CaO MgO 核间距/10-12m 277 257 240 210 晶格能/kJ·mol-1 3054 3223 3401 3791 熔点/K 1918 2430 2614 2852 摩氏硬度 3.3 3.5 4.5 6.5 注意：晶格能的大小还与离子晶体的结构类型有关，在离子晶体中，带相反电荷的离子之间存在着相互吸引作用，带同种电荷的离子之间存在着排斥作用，所以不同结构类型的离子晶体的晶格能也会不同。 拓展三：判断晶体类型的方法 根据物质的物理性质来判断： 1、在常温下呈气态或液态的物质，其晶体应属于分子晶体。如H2O、H2等。对于稀有气体，虽然构成物质的微粒为原子，但应看做单原子分子，因为微粒间的相互作用力是范德华力，而非共价键。 2、在熔融状态下能导电的晶体（化合物）是离子晶体。如：NaCl熔融后电离出Na+和Cl-，能自由移动，所以能导电。 3、有较高熔、沸点，硬度大，且难溶于水的物质大多为原子晶体，如晶体硅、二氧化硅、金刚石等。 4、易升华的物质大多为分子晶体。 拓展四：晶体熔、沸点高低的判断方法 1、不同类型晶体的熔、沸点：原子晶体>离子晶体>分子晶体；金属晶体（除少数外）>分子晶体；金属晶体熔、沸点有的很高，如钨，有的很低，如汞。 2、同类型晶体的熔、沸点： （1）原子晶体：结构相似：半径越小，键长越短，键能越大，熔、沸点越高。如金刚石>碳化硅>晶体硅。 （2）分子晶体：组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，熔、沸点越高。如CI4>CBr4>CCl4>CF4。 （3）金属晶体：所带电荷数越大，原子半径越小，则金属键越强，熔、沸点越高。如Al>Mg>Na>K。 （4）离子晶体：离子所带电荷越多，半径越小，离子键越强，熔、沸点越高。如KF>KCl>KBr>KI。 拓展五：四种晶体类型的比较 比较 类型 分子晶体 原子晶体 金属晶体 离子晶体 概念 分子间靠分子间作用力结合而形成的晶体 原子之间以共价键结合而形成的具有空间网状结构的晶体 金属阳离子和自由电子结合而形成的晶体 阳离子和阴离子通过离子键结合而形成的晶体 结构 构成粒子 分子 原子 金属阳离子、自由电子 阴、阳离子 粒子间的 相互作用力 分子间作用力 共价键 金属键 离子键 性质 密度 较小 较大 有的很大，有的很小 较大 硬度 较小 很大 有的很大，有的很小 较大 熔、沸点 较低 很高 有的很高，有的很低 较高 溶解性 相似相容 难溶于任何溶剂 难溶于常见溶剂 大多易溶于水等极性溶剂 导电、 导热性 一般不导电，溶于水后有的导电 一般不具有导电性 电和热的良导体 晶体不导电，水溶液或熔融状态导电 延展性 无 无 良好 无 物质类别及举例 大多数非金属单质（如P4、Cl2）、气态氢化物、酸（如HCl、H2SO4）、非金属氧化物（如SO2、CO2、SiO2除外）、绝大部分有机物（如CH4，有机盐除外） 一部分非金属单质（如金刚石、硅、晶体硼），一部分非金属化合物（如SiC、SiO2） 金属单质与合金（如Na、Al、Fe青铜） 金属氧化物（如K2O、Na2O）、强碱（如KOH、NaOH）绝大部分盐（如NaCl） 选修2 第三章第三节 金属晶体与离子晶体 ( 1 ) 学科网（北京）股份有限公司 $