高中化学选修3第三章 第三节

第三节金属晶体

[核心素养发展目标] 1.宏观辨识与微观探析：能辨识常见的金属晶体，能从微观角度分析金属晶体中的构成微粒及微粒间的相互作用。2.证据推理与模型认知：能利用金属晶体的通性推导晶体类型，从而理解金属晶体中各微粒之间的作用，并能用均摊法分析其晶胞结构。3.了解混合晶体——石墨的结构与性质。

一、金属键和金属晶体

1．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)实质：金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起，形成一种“巨分子”。

(3)特征：金属键没有方向性和饱和性。

2．金属晶体

(1)金属晶体

通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的晶体，叫做金属晶体。

(2)用电子气理论解释金属的性质

(1)金属单质和合金都属于金属晶体。

(2)金属晶体中含有金属阳离子，但没有阴离子。

(3)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。

例

1下列关于金属键的叙述中，不正确的是()

A．金属键是金属阳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，所以与共价键类似，也有方向性和饱和性

C．金属键是带异性电荷的金属阳离子和自由电子间的相互作用，故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

解析从基本构成微粒的性质看，金属键与离子键的实质类似，都属于电性作用，特征都是无方向性和饱和性；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，金属键与共价键有类似之处，但两者又有明显的不同，如金属键无方向性和饱和性。

例

2下列各组金属熔点高低顺序正确的是()

A．Mg>Al>Ca B．Al>Na>Li

C．Al>Mg>Ca D．Mg>Ba>Al

答案 C

解析电荷数Al3＋>Mg2＋＝Ca2＋＝Ba2＋>Li＋＝Na＋，金属阳离子半径：r(Ba2＋)>r(Ca2＋)>r(Na ＋)

>r(Mg2＋)>r(Al3＋)>r(Li＋)，故C正确，A错误；B中Li>Na，D中Al>Mg>Ba。

方法规律

(1)金属阳离子半径越小，离子所带电荷数越多，自由电子越多，金属键越强，金属晶体的熔点越高。如K＜Na＜Mg＜Al，Li ＞Na＞K＞Rb。

(2)一般合金的熔点低于各成分金属的熔点。

二、混合晶体——石墨

1．结构特点——层状结构

(1)同层内，碳原子采用sp2杂化，以共价键相结合形成正六边形平面网状结构。所有碳原子的p轨道相互平行且相互重叠，p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动。

(2)层与层之间以范德华力相结合。

2．晶体类型

石墨晶体中，既有共价键，又有金属键和范德华力，属于混合晶体。

石墨的性质

(1)导电性、导热性：石墨晶体中，形成大π键的电子可以在整个碳原子平面上运动，比较自由，相当于金属中的自由电子，类似金属键的性质，所以石墨能导电、导热，并且沿层的平行方向导电性强，这也是晶体各向异性的表现。

(2)润滑性：石墨层间作用力为范德华力，结合力弱，层与层间可以相对滑动，使之具有润滑性，因而可以作润滑剂、铅笔芯等。

例

3碳元素的单质有多种形式，如图所示，依次是C60、石墨和金刚石的结构图：

回答下列问题：

(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，它们互为________。

(2)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化形式分别为________、________。

(3)C60属于________晶体，石墨属于________晶体。

(4)石墨晶体中，层内C—C键的键长为142 pm，而金刚石中C—C键的键长为154 pm。其原因是金刚石中只存在C—C间的________共价键，而石墨层内的C—C间不仅存在________共价键，还有________键。

答案(1)同素异形体(2)sp3sp2(3)分子混合

(4)σσπ(或大π或p-pπ)

解析(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管都是由同种元素形成的不同单质，故它们互为同素异形体。(2)在金刚石中，每个碳原子都形成四个共价单键，故碳原子的杂化方式为sp3；石墨

烯中碳原子采用sp2杂化。(3)一个“C60”就是一个分子，故C60属于分子晶体；石墨层与层之间是范德华力，而同一层中碳原子之间是共价键，故形成的晶体为混合晶体。(4)在金刚石晶体中，碳原子之间只形成共价单键，全部为σ键；在石墨层内的碳原子之间既有σ键又有π键。

1．正误判断

(1)常温下，金属单质都以晶体形式存在()

(2)固态时能导电是判断金属晶体的标志()

(3)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()

(4)金属晶体的熔点一定比分子晶体高()

(5)金属键的强弱决定金属晶体的熔点和硬度()

(6)石墨为混合晶体，层与层之间存在分子间作用力，故熔点低于金刚石() 答案(1)×(2)×(3)×(4)×(5)√(6)×

2．(2019·龙岩高二月考)金属键的实质是()

A．自由电子与金属阳离子之间的相互作用

B．金属原子与金属原子间的相互作用

C．金属阳离子与阴离子的吸引力

D．自由电子与金属原子之间的相互作用

答案 A

解析金属晶体由金属阳离子与自由电子构成，微粒间的作用力称为金属键。3．(2018·四川中江龙台中学高二月考)金属晶体的形成是因为晶体中存在() A．金属离子间的相互作用

B．金属原子间的相互作用

C．金属阳离子与自由电子间的相互作用

D．自由电子间的相互作用

答案 C

4．下图是金属晶体内部电子气理论图

电子气理论可以用来解释金属的性质，其中正确的是()

A．金属能导电是因为金属阳离子在外加电场作用下定向移动

B．金属能导热是因为自由电子在热的作用下相互碰撞，从而发生热的传导

C．金属具有延展性是因为在外力的作用下，金属阳离子各层间会出现相对滑动，但自由电子可以起到润滑的作用，使金属不会断裂

D．合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，使电子数目增多，所以合金的延展性比纯金属强，硬度比纯金属小

答案 C

解析金属能导电是因为自由电子在外加电场作用下定向移动，A项错误；金属能导热是因为自由电子在热的作用下与金属阳离子碰撞，从而发生热的传导，B项错误；合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，相当于填补了金属阳离子之间的空隙，所以一般情况下合金的延展性比纯金属弱，硬度比纯金属大，D项错误。

5．根据下列晶体的相关性质，判断可能属于金属晶体的是()

答案 B

解析A项，由分子间作用力结合而成的晶体属于分子晶体，错误；B项，金属晶体中有自

由移动的电子，能导电，绝大多数金属在常温下为固体，熔点较高，所以固态或熔融态时易导电，熔点在1 000 ℃左右的晶体可能属于金属晶体，正确；C项，相邻原子之间通过共价键结合形成的空间网状结构的晶体属于原子晶体，错误；D项，固体不导电，说明晶体中无自由移动的带电微粒，则不可能为金属晶体，错误。

6．(2018·南昌一中期中)石墨烯是从石墨材料中剥离出来的由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。其结构如图：

下列有关说法正确的是()

A．石墨烯中碳原子的杂化方式为sp3杂化

B．石墨烯中平均每个六元碳环含有3个碳原子

C．从石墨中剥离石墨烯需要破坏化学键

D．石墨烯具有导电性

答案 D

解析石墨烯是平面结构，碳原子的杂化方式为sp2杂化，故A错误；石墨烯中平均每个六元碳环含有2个碳原子，故B错误；从石墨中剥离石墨烯需要破坏分子间作用力，不破坏化学键，故C错误；石墨烯具有导电性，故D正确。

7．金属金的晶胞结构是面心立方体，立方体的每个面上5个金原子紧密堆积(如图，其余各面省略)，金原子半径为A cm。

求：

(1)金晶体中最小的一个立方体含有________个金原子。

(2)金的密度为________g·cm －

3(用带A 的计算式表示)。

(3)金原子空间占有率为________(Au 的相对原子质量为197)。

答案 (1)4 (2)19742A 3N A

(3)0.74(或74%) 解析 (1)根据晶胞结构可知，金晶胞中含有金原子数目为8×18＋6×12

＝4。 (2)金原子半径为A cm ，则晶胞中面对角线是4A cm ，所以晶胞的边长是22A cm ，所以(22A )3·ρ197×N A ＝4，解得ρ＝4×197(22A )3·N A

。 (3)晶胞的体积是(22A )3 cm 3，而金原子占有的体积是4×43

πA 3 cm 3，所以金原子空间占有率为4×43πA 3(22A )3×100%＝4×43π(22)3×100%≈74%。

题组一金属键

1．(2018·福建厦门六中月考)下列关于金属及金属键的说法正确的是()

A．金属键具有方向性与饱和性

B．金属键是金属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．常温下，金属单质都以金属晶体的形式存在

答案 B

解析金属键没有方向性和饱和性，A项错误；金属中含有自由电子，与外加电场无关，C 项错误；常温下汞为液态，D项错误。

2．下列金属晶体中，金属键最弱的是()

A．K B．Na C．Mg D．Al

答案 A

3．下列有关化学键、氢键和范德华力的叙述中，不正确的是()

A．金属键是金属离子与“电子气”之间的强烈作用，金属键无方向性和饱和性

B．共价键是原子之间通过共用电子对形成的化学键，共价键有方向性和饱和性

C．范德华力是分子间存在的一种作用力，分子的极性越大，范德华力越大

D．氢键不是化学键而是一种较弱的作用力，所以氢键只存在于分子与分子之间

答案 D

解析氢键是一种较弱的作用力，比范德华力强，但是比化学键要弱。氢键既可以存在于分子间(如水、乙醇、甲醇、液氨等)，又可以存在于分子内(如

)，所以应选择D项。

题组二金属晶体的性质与结构分析

4．(2019·西安月考)下列叙述正确的是()

A．任何晶体中，若含有阳离子，就一定含有阴离子

B．金属晶体的形成是因为晶体中存在金属阳离子间的相互作用

C．价电子数越多的金属原子的金属性越强

D．含有金属元素的离子不一定是阳离子

答案 D

解析金属晶体中虽存在阳离子，但没有阴离子，A错误；金属晶体的形成是因为晶体中存在金属阳离子与自由电子间的相互作用，B错误；价电子数多的金属元素的金属性不一定强，如Fe的价电子数比Na多，但Fe的金属性没有Na的强，C错误；含有金属元素的离子不一定是阳离子，如AlO－2就是阴离子，D正确。

5．(2019·江苏盐城期中)下列关于金属性质和原因的描述不正确的是()

A．金属一般具有银白色光泽，是物理性质，与金属键没有关系

B．金属具有良好的导电性，是因为金属晶体中共享了金属原子的价电子，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

C．金属具有良好的导热性能，是因为自由电子通过与金属阳离子发生碰撞，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

解析金属中的自由电子吸收了可见光，又把各种波长的光大部分再反射出来，因而金属一般显银白色光泽；金属具有导电性是因为在外加电场作用下，自由电子定向移动形成电流；金属具有导热性是因为自由电子受热后，与金属阳离子发生碰撞，传递能量；良好的延展性是因为原子层滑动，但金属键未被破坏。

6．(2018·泉州一中高二下学期期中)金属键的强弱与金属原子价电子数的多少有关，价电子数越多金属键越强；与金属阳离子的半径大小也有关，金属阳离子的半径越大，金属键越弱。据此判断下列选项中金属的熔点逐渐升高的是()

A．Li Na K B．Na Mg Al

C．Li Be Mg D．Li Na Mg

答案 B

解析Li、Na、K原子的价电子数相同，金属原子的半径逐渐增大，金属键逐渐减弱，熔点逐渐降低，A项错误；Na、Mg、Al原子的价电子数逐渐增多，金属原子的半径逐渐减小，金属键逐渐增强，熔点逐渐升高，B项正确；Be、Mg原子的价电子数相同，金属原子的半径逐渐增大，金属键逐渐减弱，熔点逐渐降低，C项错误；Li、Na原子的价电子数相同，金属原子的半径逐渐增大，金属键逐渐减弱，熔点逐渐降低，D项错误。

7．下列对各组物质性质的比较中，正确的是()

A．熔点：Li＜Na＜K

B．导电性：Ag＞Cu＞Al＞Fe

C．密度：Na＞Mg＞Al

D．原子半径：Be＞Mg＞Ca

答案 B

解析同主族的金属单质，原子序数越大，熔点越低，这是因为它们的价电子数相同，随着原子半径的增大，金属键逐渐减弱，A项错误；Na、Mg、Al是同周期的金属单质，密度逐

渐增大，C 项错误。

8．(2018·济南一中月考)合金是金属与一些非金属或其他金属在熔化状态下形成的一种熔合物，根据表中提供的数据，判断可以形成合金的是( )

A.铝与硅 B ．铝与硫 C ．钠与硫

D ．钠与硅 答案 A

解析 能发生反应的物质不能形成合金，故B 、C 项错误；钠的沸点远低于硅的熔点，当硅熔化时，钠已经变为气态，故它们不能形成合金，D 项错误。

9．(2018·河南师大附中高二月考)金属晶体的常见晶胞结构有a 、b 、c 分别代表的三种结构示意图，则图示结构内金属原子个数比为( )

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12×16＋2×12＋3＝6，图b 中所含原子的个数为8×18＋6×12

＝4，图c 中所含原子的个数为8×18＋1＝2。

10．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.a 2

B.3a 4

C.3a 2

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 ＝2a ，结合AB 2＋BC 2＝AC 2得：r ＝3a 4

。

题组三 关于混合晶体的考查

11．石墨晶体是层状结构，在每一层内，每个碳原子都跟其他3个碳原子相结合，如图是其晶体结构的俯视图，则图中7个六元环完全占有的碳原子数是( )

A ．10

B ．18

C ．24

D ．14

答案 D

解析 每个六元环平均占有的碳原子数为6×13

＝2，7个六元环完全占有的碳原子数为2×7＝14。

12．石墨晶体是层状结构(如图)。以下有关石墨晶体的说法正确的一组是( )

①石墨中存在两种作用力；②石墨是混合晶体；③石墨中的C 为sp 2杂化；④石墨熔点、沸点都比金刚石低；⑤石墨中碳原子数和C —C 键数之比为1∶2；⑥石墨和金刚石的硬度相同；⑦石墨层内导电性和层间导电性不同

A ．全对

B ．除⑤外

C ．除①④⑤⑥外

D ．除⑥⑦外

答案 C

解析①不正确，石墨中存在三种作用力，一种是范德华力，一种是共价键，还有一种是金属键；②、③正确；④不正确，石墨熔点比金刚石高；⑤不正确，石墨中碳原子数和C—C 键数之比为2∶3；⑥不正确，石墨质软，金刚石的硬度大；⑦正确。

13．(2018·江苏盘湾中学、陈洋中学高二期中)(1)从下图中选择：

①金属钠的晶胞模型是__________，每个Na原子周围有__________个紧邻的Na原子。

②金属铜的晶胞模型是__________，每个Cu原子周围有__________个紧邻的Cu原子。

(2)金属导电靠________，电解质溶液导电靠________。

(3)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结构，熔点很高

C．固体有良好的导电性、导热性和延展性

答案(1)①B8②D12(2)自由电子自由移动的离子(3)C

解析(1)①金属钠的堆积方式为体心立方堆积，每个晶胞中含有2个钠原子，每个钠原子周围有8个紧邻的钠原子。②金属铜的堆积方式为面心立方堆积，每个晶胞中含有4个铜原子，每个铜原子周围有12个紧邻的铜原子。(2)金属导电靠的是金属晶体中的自由电子，电解质溶液导电靠的是电解质在溶液中电离出来的自由移动的离子。(3)由分子间作用力形成的熔点很低的晶体是分子晶体，故A项错误；由共价键结合形成网状结构的熔点很高的晶体是原子晶体，故B项错误；金属晶体具有良好的导电性、导热性和延展性，故C项正确。14．(1)石墨晶体由层状石墨“分子”按ABAB……方式堆积而成，如图甲所示，图中用虚线标出了石墨的一个六方晶胞。该晶胞中含有的碳原子数为________。

(2)石墨烯是一种由单层碳原子构成的平面结构新型碳材料，如图乙所示。1 mol 石墨烯中含有的六元环个数为________，下列有关石墨烯的说法正确的是________________(填字母)。 a ．晶体中碳原子间全部是碳碳单键

b ．石墨烯中所有碳原子可以处于同一个平面

c ．从石墨中剥离得到石墨烯需克服分子间作用力

(3)金刚石晶胞如图丙所示，则金刚石晶胞中原子的配位数为________。

答案 (1)4 (2)0.5N A bc (3)4

解析 (1)由题图甲可知，石墨晶胞中处于顶点的8个碳原子分为两种，其中4个被6个晶胞共有，4个被12个晶胞共有；处于棱上的4个碳原子也分为两种，其中2个被3个晶胞共有，2个被6个晶胞共有；处于面上的2个碳原子分别被2个晶胞共有；晶胞内还有1个碳原子，

所以每个六方晶胞中含有的碳原子数为4×16＋4×112＋2×13＋2×16＋2×12

＋1＝4。 (2)由题图乙可知，石墨烯中六个碳原子组成一个环，每个碳原子属于三个环，相当于两个碳原子组成一个环，1 mol 碳原子组成的环的个数为0.5N A 。根据碳原子成键特点，每个碳原子形成两个碳碳单键和一个碳碳双键；石墨烯中所有碳原子可以处于同一个平面；从石墨中剥离得到石墨烯需克服分子间作用力。

15．完成下列问题。

(1)镧系合金是稀土系储氢合金的典型代表，该合金储氢后的晶胞结构如图所示：

1 mol 镧形成的该合金能储存________ mol 氢气。

(2)镍铜合金具有优良的性能，其晶胞结构如图所示。若晶胞的边长为a cm ，N A 为阿伏加德罗常数的值，则该合金的密度为________。