2019-2020学年高中化学第三章晶体结构与性质第三节金属晶体课时作业新人教版选修3

第三节金属晶体[目标导航] 1.初步了解金属键的含义，能用“电子气理论”解释金属的一些物理性质。

2.初步了解金属晶体的4种基本堆积模型。

3.了解混合晶体石墨的结构与性质。

一、金属键1．概念(1)金属键：在金属单质晶体中原子之间以金属阳离子与自由电子之间强烈的相互作用。

(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。

2．决定金属键强弱的因素金属键的强度(用原子化热衡量)主要决定于金属元素的原子半径和单位体积内自由电子的数目(价电子数)。

随原子半径的增大，原子化热逐渐减小，金属键逐渐减弱。

如从Li到Cs原子化热递减，金属键由强到弱递变。

单位体积内自由电子的数目(价电子数)越多，则金属键就越强。

3．金属熔、沸点的比较金属原子的价电子越多，原子半径越小，金属离子与自由电子的作用力就越强，金属键也就越强，晶体的熔、沸点就越高。

例如：熔、沸点：Na＜Mg＜Al。

【议一议】1．电解质在熔化状态或溶于水时能导电，这与金属导电的本质是否相同？答案金属导电依靠的是自由电子，电解质熔化或溶于水后导电依靠的是自由移动的阳、阴离子。

金属导电过程不会生成新物质，属物理变化；而电解质导电的同时要在阴、阳两极生成新物质，属化学变化，二者的导电本质是不同的。

另外金属的导电能力随温度的升高而降低，而电解质溶液或熔融状态的电解质的导电能力随温度的升高而增强。

二、金属晶体1．概念通过金属离子与自由电子之间的较强的作用形成的单质晶体，叫做金属晶体。

2．电子气理论：金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块金属的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有金属原子维系在一起，形成像原子晶体一样的“巨分子”。

3．金属的性质金属具有优良的导电性、导热性和延展性。

导热性：电子气中自由电子通过运动把能量从高温区传到低温区。

导电性：外电场下，电子气中自由电子在金属内部定向移动形成电流。

延展性：原子之间相对滑动，而金属键仍然存在。

【议一议】2．如何解释金属的导电性、导热性和延展性？答案(1)金属导电性的解释在金属晶体中，充满着带负电的“电子气”，这些电子气的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件下电子就会发生定向移动，因而形成电流，所以金属容易导电。

(2)金属导热性的解释金属容易导热，是由于电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。

(3)金属延展性的解释当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用，所以在各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使在外力作用下，发生形变也不易断裂。

因此，金属都有良好的延展性。

一、金属键对金属的物理性质的影响【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。

故选B。

规律总结1．金属晶体的熔点比较(1)金属的熔点高低与金属键的强弱直接相关。

金属键越强，金属的熔点(沸点)越高，硬度一般也越大。

(2)金属键的强弱主要取决于金属阳离子的半径和离子所带的电荷。

金属阳离子半径越小，金属键越强；离子所带电荷越多，金属键越强。

(3)同周期金属单质，从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点升高。

同主族金属单质，从上到下(如碱金属)熔、沸点降低。

(4)金属晶体熔点差别很大，如汞常温为液体，熔点很低(－38.9 ℃)，而铁等金属熔点很高(1 535 ℃)。

2．金属晶体物理特性分析(1)金属键没有方向性，当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层发生相对滑动而不会破坏金属键，金属发生形变但不会断裂，故金属晶体具有良好的延展性。

(2)金属材料有良好的导电性是由于金属晶体中的自由电子可以在外加电场作用下发生定向移动。

(3)金属的导热性是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。

变式训练1 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．金属阳离子与自由电子之间的强烈作用，在一定外力作用下，不因形变而消失C．钙的熔、沸点低于钾D．温度越高，金属的导电性越好答案 B解析常温下，Hg为液态，A错；因为金属键无方向性，故金属键在一定范围内不因形变而消失，B 正确；钙的金属键强于钾，故熔、沸点高于钾，C不正确；温度升高，金属的导电性减弱，D错。

二、金属晶体中金属原子的堆积方式【例2】有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示，有关说法正确的是( )A．①为简单立方堆积，②为镁型，③为钾型，④为铜型B．每个晶胞含有的原子数分别为：①1个，②2个，③2个，④4个C ．晶胞中原子的配位数分别为：①6，②8，③8，④12D ．空间利用率的大小关系为：①＜②＜③＜④ 答案 B解析 ①为简单立方堆积，②为钾型，③为镁型，④为铜型，②与③判断有误，A 项错误；每个晶胞含有的原子数为别为：①8×18＝1，②8×18＋1＝2，③8×18＋1＝2，④8×18＋6×12＝4，B 项正确；晶胞③中原子的配位数应为12，其他判断正确，C 项不正确；四种晶体的空间利用率分别为52%、68%、74%、74%，所以D 项不正确，应为④＝③＞②＞①。

规律总结 1．堆积原理组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时，在空间的排列大都服从紧密堆积原理。

这是因为在金属晶体中，金属键没有方向性和饱和性，因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围，并以密堆积方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。

2．堆积模型变式训练2 关于钾型晶体(如右图所示)的结构的叙述中正确的是( ) A ．是密置层的一种堆积方式 B ．晶胞是六棱柱 C ．每个晶胞内含2个原子 D ．每个晶胞内含6个原子 答案 C解析 钾型晶体的晶胞为立方体，是非密置层的一种堆积方式，其中有8个顶角原子和1个体心原子，晶胞内含有8×18＋1＝2个原子，选项C 正确。

1．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 答案 B解析 金属键没有方向性和饱和性，A 错；B 对；金属内部本身就存在自由电子，金属导电是由于在外加电场的作用下电子发生了定向移动，C 错；金属具有光泽是因为电子吸收并放出可见光，D 错。

2．物质结构理论推出：金属键越强，其金属的硬度越大，熔沸点越高。

且研究表明，一般来说，金属阳离子半径越小，所带电荷越多，则金属键越强，由此判断下列说法错误的是( )A ．硬度：Mg ＞AlB ．熔点：Mg ＞CaC ．硬度：Mg ＞KD ．熔点：Ca ＞K 答案 A解析 根据题目所给信息，镁、铝原子的电子层数相同，价电子数：Al ＞Mg ，离子半径：Al 3＋＜Mg 2＋。

3．金属晶体堆积密度大，原子配位数高，能充分利用空间的原因是( ) A ．金属原子的价电子数少 B ．金属晶体中有“自由电子” C ．金属原子的原子半径大 D ．金属键没有饱和性和方向性 答案 D解析 这是因为借助于没有方向性和饱和性的金属键形成的金属晶体的结构中，都趋向于使原子吸引尽可能多的其他原子分布于周围，并以密堆积的方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。

4．下列有关金属的说法正确的是( )A ．金属原子的核外电子在金属晶体中都是自由电子B ．六方最密堆积和面心立方最密堆积的原子堆积方式空间利用率最高C ．金属原子在化学变化中失去的电子数越多，其还原性越强D．金属晶体都有很高的熔点和很大的硬度答案 B解析金属晶体中的自由电子是金属原子的价电子，A项错；立方最密堆积和面心立方最密堆积空间利用率最高，B正确；金属元素的还原性决定于金属原子失去电子的难易程度，与失电子的多少无关，C 项错；金属晶体的熔点和硬度差别较大，如碱金属元素的晶体一般熔点都很低，硬度很小，D项错。

5．金属晶体的原子堆积方式常有以下四种方式，请认真观察模型回答下列问题：图1图2图3图4(1)四种堆积模型的堆积名称依次是____________、____________、____________、____________。

(2)图1方式的堆积，空间利用率为__________，只有金属__________采用这种堆积方式。

(3)图2与图3两种堆积方式中金属原子的配位数__________(填“相同”或“不相同”)，图2的空间利用率为________，图3的表示符号为__________。

(4)采取图4堆积方式的金属通常有__________(任写三种金属元素的符号)，每个晶胞中所含有的原子数为__________。

答案 (1)简单立方堆积 六方最密堆积 面心立方最密堆积 体心立方堆积 (2)52% Po(3)相同 74% ABCABC…… (4)K 、Na 、Fe(合理即可) 26．金晶体的最小重复单元(也称晶胞)是面心立方体，如图所示即在立方体的8个顶角各有一个金原子，各个面的中心有一个金原子，每个金原子被相邻的晶胞所共有。

金原子的直径为d cm ，用N A 表示阿伏加德罗常数的值，M 表示金的相对原子质量。

(1)金晶体每个晶胞中含有________个金原子。

(2)欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定__________。

(3)一个金晶胞的体积是多少？ (4)金晶体的密度是多少？ 答案 (1)4(2)在立方体各个面的对角线上的三个金原子彼此两两相切 (3)V ＝(2d )3＝22d 3(cm 3)(4)ρ＝m V ＝4M NA V ＝4MNA 22d3＝2M d3NA(g·cm －3)解析 (1)由题中对金晶胞的叙述，可求出每个晶胞中所拥有的金原子个数，即为8×18＋6×12＝4。