第三節(jié)金屬晶體目標(biāo)定位1.知道金屬鍵的含義和金屬晶體的結(jié)構(gòu)特點。2.能用電子氣理論解釋金屬的一些物理性質(zhì)，熟知金屬晶體的原子堆積模型的分類及結(jié)構(gòu)特點。一、金屬鍵和金屬晶體1鈉原子、氯原子能夠形成三種不同類別的物質(zhì)：(1)化合物是nacl，其化學(xué)鍵類型是離子鍵。(2)非金屬單質(zhì)是cl2，其化學(xué)鍵類型是非極性共價鍵。(3)金屬單質(zhì)是na，根據(jù)金屬單質(zhì)能夠?qū)щ姡茰y金屬單質(zhì)鈉中存在的結(jié)構(gòu)微粒是na和自由電子。2由以上分析，引伸并討論金屬鍵的有關(guān)概念：(1)金屬鍵的概念金屬鍵：金屬陽離子與自由電子之間的強烈的相互作用。成鍵微粒：金屬陽離子和自由電子。成鍵條件：金屬單質(zhì)或合金。(2)金屬鍵的本質(zhì)描述金屬鍵本質(zhì)的最簡單理論是“電子氣理論”。它把金屬鍵形象地描繪為金屬原子脫落下來的價電子形成遍布整塊晶體的“電子氣”，被所有原子所共用，從而把所有的金屬原子維系在一起，形成一種“巨分子”。(3)金屬鍵的特征金屬鍵無方向性和飽和性。晶體里的電子不專屬于某幾個特定的金屬離子，而是幾乎均勻地分布在整個晶體里，把所有金屬原子維系在一起，所以金屬鍵沒有方向性和飽和性。(4)金屬晶體通過金屬陽離子與自由電子之間的較強作用形成的晶體，叫做金屬晶體。3金屬晶體物理特性分析(1)金屬鍵沒有方向性，當(dāng)金屬受到外力作用時，晶體中的各原子層發(fā)生相對滑動而不會破壞金屬鍵，金屬發(fā)生形變但不會斷裂，故金屬晶體具有良好的延展性。(2)金屬材料有良好的導(dǎo)電性是由于金屬晶體中的自由電子可以在外加電場作用下發(fā)生定向移動。(3)金屬的導(dǎo)熱性是自由電子在運動時與金屬離子碰撞而引起能量的交換，從而使能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分，使整塊金屬達(dá)到相同的溫度。4金屬晶體的熔點比較(1)金屬的熔點高低與金屬鍵的強弱直接相關(guān)。金屬鍵越強，金屬的熔點(沸點)越高，硬度一般也越大。(2)金屬鍵的強弱主要取決于金屬陽離子的半徑和離子所帶的電荷數(shù)。金屬陽離子半徑越小，金屬鍵越強；離子所帶電荷數(shù)越多，金屬鍵越強。(3)同周期金屬單質(zhì)，從左到右(如na、mg、al)熔、沸點升高。同主族金屬單質(zhì)，從上到下(如堿金屬)熔、沸點降低。(4)金屬晶體熔點差別很大，如汞常溫為液體，熔點很低(38.9 )，而鐵等金屬熔點很高(1 535 )。 1下列關(guān)于金屬鍵的敘述中，正確的是()a金屬鍵具有方向性和飽和性b金屬鍵是金屬陽離子與自由電子間的相互作用c金屬導(dǎo)電是因為在外加電場作用下產(chǎn)生自由電子d金屬具有光澤是因為金屬陽離子吸收并放出可見光答案b解析金屬鍵無方向性和飽和性，a錯誤；金屬晶體由金屬陽離子和自由電子構(gòu)成，在外加電場作用下自由電子定向移動即導(dǎo)電，c錯誤；金屬具有金屬光澤是因為自由電子對可見光的選擇性吸收和反射，使得金屬晶體具有金屬光澤和一定顏色，d錯誤。 2物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論指出，金屬晶體中金屬離子與自由電子之間的強烈相互作用，叫金屬鍵。金屬鍵越強，其金屬的硬度越大，熔、沸點越高。根據(jù)研究表明，一般來說，金屬原子半徑越小，價電子越多，則金屬鍵越強。由此判斷下列說法錯誤的是()a鎂的硬度大于鋁b鎂的熔、沸點高于鈣c鎂的硬度大于鉀d鈣的熔、沸點高于鉀答案a解析此題考查的是金屬鍵對晶體性質(zhì)的影響，如硬度和熔、沸點的比較，比較依據(jù)是價電子數(shù)和原子半徑。價電子數(shù)mgal、mgca、mgk、kca；原子半徑mgal、mgca、mgk、kca。綜合分析得鎂的硬度小于鋁；鎂的熔、沸點高于鈣；鎂的硬度大于鉀；鈣的熔、沸點高于鉀。二、金屬晶體的堆積方式1金屬原子在二維平面中放置的兩種方式金屬晶體中的原子可看成直徑相等的球體。把它們放置在平面上(即二維空間里)，可有兩種方式非密置層和密置層(如下圖所示)。(1)晶體中一個原子周圍距離相等且最近的原子的數(shù)目叫配位數(shù)。分析上圖非密置層的配位數(shù)是4，密置層的配位數(shù)是6。(2)密置層放置，平面的利用率比非密置層的要高。2金屬晶體的原子在三維空間里的4種堆積模型(1)簡單立方堆積將非密置層球心對球心地垂直向上排列，這樣一層一層地在三維空間里堆積，就得到簡單立方堆積(如下圖所示)。金屬晶體的堆積方式簡單立方堆積這種堆積方式形成的晶胞是一個立方體，每個晶胞含一個原子，這種堆積方式的空間利用率為52%，配位數(shù)為6，這種堆積方式的空間利用率太低，只有金屬釙(po)采取這種堆積方式。(2)體心立方堆積非密置層的另一種堆積方式是將上層金屬原子填入下層的金屬原子形成的凹穴中，并使非密置層的原子稍稍分離，每層均照此堆積，如下圖所示。堿金屬和鐵原子都采取此類堆積方式，這種堆積方式又稱鉀型堆積。金屬晶體的堆積方式體心立方堆積這種堆積方式可以找出立方晶胞，空間利用率比簡單立方堆積高得多，達(dá)到68%，每個球與上、下兩層的各4個球相接觸，故配位數(shù)為8。(3)六方最密堆積和面心立方最密堆積密置層的原子按體心立方堆積的方式堆積，會得到兩種基本堆積方式六方最密堆積和面心立方最密堆積。這兩種堆積方式都是金屬晶體的最密堆積，配位數(shù)為12，空間利用率均為74%，但所得晶胞的形式不同(如下圖所示)。 六方最密堆積 面心立方最密堆積金屬晶體的兩種最密堆積方式六方最密堆積和面心立方最密堆積六方最密堆積如下圖所示，重復(fù)周期為兩層，按abababab的方式堆積。由于在這種排列方式中可劃出密排六方晶胞，故稱此排列為六方最密堆積。由此堆積可知，同一層上每個球與同層中周圍6個球相接觸，同時又與上下兩層中各3個球相接觸，故每個球與周圍12個球相接觸，所以其配位數(shù)是12。原子的空間利用率最大。mg、zn、ti都是采用這種堆積方式。面心立方最密堆積如上圖所示，按abcabcabc的方式堆積。將第一密置層記作a，第二層記作b，b層的球?qū)?zhǔn)a層中的三角形空隙位置，第三層記作c，c層的球?qū)?zhǔn)b層的空隙，同時應(yīng)對準(zhǔn)a層中的三角形空隙(即c層球不對準(zhǔn)a層球)。以后各層分別重復(fù)a、b、c層排列，這種排列方式三層為一周期，記為abcabcabc由于在這種排列中可以劃出面心立方晶胞，故稱這種堆積方式為面心立方最密堆積。cu、ag、au等均采用此類堆積方式。歸納總結(jié)1堆積原理組成晶體的金屬原子在沒有其他因素影響時，在空間的排列大都服從緊密堆積原理。這是因為在金屬晶體中，金屬鍵沒有方向性和飽和性，因此都趨向于使金屬原子吸引更多的其他原子分布于周圍，并以密堆積方式降低體系的能量，使晶體變得比較穩(wěn)定。2常見的堆積模型堆積模型采納這種堆積的典型代表晶胞配位數(shù)空間利用率每個晶胞所含原子數(shù)非密置層簡單立方堆積po(釙)652%1體心立方堆積na、k、fe868%2密置層六方最密堆積mg、zn、ti1274%2面心立方最密堆積cu、ag、au1274%43金屬晶體密度大，原子配位數(shù)大，能充分利用空間的原因是()a金屬原子價電子數(shù)少b金屬晶體中有自由電子c金屬原子的半徑大d金屬鍵沒有飽和性和方向性答案d解析金屬鍵無方向性和飽和性，使金屬晶體的密度大，原子配位數(shù)大，能充分利用空間。4金晶體是面心立方體，立方體的每個面上5個金原子緊密堆砌(如圖，其余各面省略)，金原子半徑為a cm。求：(1)金屬體中最小的一個立方體含有_個金原子。(2)金的密度為_gcm3(用帶a計算式表示)。(3)金原子空間占有率為_(au的相對原子質(zhì)量為197，用帶a計算式表示)。答案(1)4(2)(3)0.74(或74%)解析(1)根據(jù)晶胞結(jié)構(gòu)可知，金晶體中最小的一個立方體含有金原子數(shù)目為864。(2)金原子半徑為a cm，則晶胞中面對角線是4a cm，所以晶胞的邊長是2a cm，所以na4，解得。(3)晶胞的體積是(2a)3，而金原子占有的體積是4a3，所以金原子空間占有率為74%。1金屬鍵的實質(zhì)是()a自由電子與金屬陽離子之間的相互作用b金屬原子與金屬原子間的相互作用c金屬陽離子與陰離子的吸引力d自由電子與金屬原子之間的相互作用答案a解析金屬晶體由金屬陽離子與自由電子構(gòu)成，微粒間的作用力稱為金屬鍵。2下列有關(guān)金屬晶體的說法中不正確的是()a金屬晶體是一種“巨分子”b“電子氣”為所有原子所共有c簡單立方堆積的空間利用率最低d體心立方堆積的空間利用率最高答案d解析根據(jù)金屬晶體的電子氣理論，可知a、b項正確；金屬晶體的堆積方式中空間利用率分別是簡單立方堆積52%，體心立方堆積68%，面心立方最密堆積和六方最密堆積均為74%。因此，簡單立方堆積的空間利用率最低，六方最密堆積和面心立方最密堆積的空間利用率最高。3關(guān)于金屬性質(zhì)和原因的描述不正確的是()a金屬一般具有銀白色光澤是物理性質(zhì)，與金屬鍵沒有關(guān)系b金屬具有良好的導(dǎo)電性，是因為在金屬晶體中共享了金屬原子的價電子，形成了“電子氣”，在外電場的作用下自由電子定向移動形成電流，所以金屬易導(dǎo)電c金屬具有良好的導(dǎo)熱性能，是因為自由電子在受熱后，加快了運動速率，自由電子通過與金屬離子發(fā)生碰撞，傳遞能量d金屬晶體具有良好的延展性，是因為金屬晶體中的原子層可以滑動而不破壞金屬鍵答案a解析金屬具有金屬光澤是因為金屬中的自由電子吸收了可見光，又把各種波長的光大部分反射出來，因而金屬一般有銀白色光澤，a錯誤；金屬能夠?qū)щ姡且驗樵谕饧与妶鲎饔孟拢半娮託狻敝械碾娮佣ㄏ蛞苿有纬呻娏鳎琤正確；金屬能夠?qū)幔怯捎谧杂呻娮邮軣岷螅c金屬陽離子發(fā)生碰撞，傳遞能量，c正確；金屬具有良好的延展性，是由于原子層能夠發(fā)生相對滑動，但金屬鍵未被破壞，d正確。4al的晶體中原子的堆積方式如圖甲所示，其晶胞特征如圖乙所示，原子之間相互位置關(guān)系的平面圖如圖丙所示。若已知al的原子半徑為d，na代表阿伏加德羅常數(shù)，al的相對原子原子質(zhì)量為m，請回答：(1)晶胞中al原子的配位數(shù)為_，一個晶胞中al原子的數(shù)目為_。(2)該晶體的密度為_(用字母表示)。答案(1)124(2)解析(1)al屬于abcabc方式堆積的面心立方最密堆積，配位數(shù)為12，一個晶胞中al原子的數(shù)目為864個。(2)把數(shù)據(jù)代入公式vm得(2d)3m，解得。利用公式求金屬晶體的密度，關(guān)鍵是找出晶胞正方體的邊長。本題中面對角線的長度為4d，然后根據(jù)邊長的倍等于面對角線的長度可求得晶胞正方體的邊長。5金屬晶體的原子堆積方式常有以下四種，請認(rèn)真觀察模型，回答下列問題：(1)四種堆積模型的堆積名稱依次是_、_、_、_。(2)圖甲方式的堆積，空間利用率為_，只有金屬_(填元素符號)采用這種堆積方式。(3)圖乙與圖丙兩種堆積方式中金屬原子的配位數(shù)_(填“相同”或“不相同”)，圖乙的空間利用率為_。(4)采取圖丁堆積方式的金屬通常有_(任寫三種金屬元素的符號)，每個晶胞中所含有的原子數(shù)為_個。答案(1)簡單立方堆積六方最密堆積面心立方最密堆積體心立方堆積(2)52%po(3)相同74%(4)k、na、fe(合理即可)2解析(1)圖甲的堆積方式是將非密置層的金屬原子上下對齊，形成的晶胞是1個立方體，在立方體的每個頂角有1個金屬原子，稱為簡單立方堆積。圖乙和圖丙都是密置層原子的堆積方式，圖乙中上a層和下a層的3個原子組成的三角形方向相同，稱為六方最密堆積。圖丙中a層和c層的3個原子組成的三角形方向相反，稱為面心立方最密堆積。圖丁的堆積方式是將非密置層的上層金屬原子填入下層金屬原子形成的凹穴中，每層均照此堆積，形成的晶胞是1個立方體，在立方體的每個頂角有1個原子，立方體的中心含有1個金屬原子，稱為體心立方堆積。(2)簡單立方堆積的空間利用率最低，為52%，采取這種堆積方式的只有po。(3)圖乙和圖丙兩種堆積方式中，金屬原子的配位數(shù)均為12，且其空間利用率均為74%。(4)圖丁是體心立方堆積，采取這種堆積方式的金屬有k、na、fe等。用均攤法可求得每個晶胞中含有金屬原子的個數(shù)為182。基礎(chǔ)過關(guān)題組一金屬鍵與金屬晶體的概念1金屬晶體的形成是因為晶體中存在()a脫落價電子后的金屬離子間的相互作用b金屬原子間的相互作用c脫落了價電子的金屬離子與脫落的價電子間的相互作用d金屬原子與價電子間的相互作用答案c2下列有關(guān)化學(xué)鍵、氫鍵和范德華力的敘述中，不正確的是()a金屬鍵是金屬離子與“電子氣”之間的較強作用，金屬鍵無方向性和飽和性b共價鍵是原子之間通過共用電子對形成的化學(xué)鍵，共價鍵有方向性和飽和性c范德華力是分子間存在的一種作用力，分子的極性越大，范德華力越大d氫鍵不是化學(xué)鍵，而是分子間的一種作用力，所以氫鍵只存在于分子與分子之間答案d解析氫鍵是一種分子間作用力，比范德華力強，但是比化學(xué)鍵要弱。氫鍵既可以存在于分子間(如水、乙醇、甲醇、液氨等)，又可以存在于分子內(nèi)(如)3在單質(zhì)的晶體中一定不存在的微粒是()a原子 b分子 c陰離子 d陽離子答案c解析單質(zhì)晶體可能有硅、金剛石原子晶體，p、s、cl2分子晶體，na、mg金屬晶體。在這些晶體中，構(gòu)成晶體的微粒分別是原子、分子、金屬陽離子和自由電子。題組二金屬晶體的物理特性4按下列四種有關(guān)性質(zhì)的敘述，可能屬于金屬晶體的是()a由分子間作用力結(jié)合而成，熔點低b固體或熔融后易導(dǎo)電，熔點在1 000 左右c由共價鍵結(jié)合成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，熔點高d固體和熔融狀態(tài)不導(dǎo)電，但溶于水后可能導(dǎo)電答案b解析a為分子晶體；b中固體能導(dǎo)電，熔點在1 000 左右，不是很高，應(yīng)為金屬晶體；c為原子晶體；d為分子晶體。5金屬能導(dǎo)電的原因是()a金屬晶體中的金屬陽離子與自由電子間的作用較弱b金屬晶體中的自由電子在外加電場作用下可發(fā)生定向移動c金屬晶體中的金屬陽離子在外加電場作用下可發(fā)生定向移動d金屬晶體在外加電場作用下可失去電子答案b解析根據(jù)電子氣理論，電子是屬于整個晶體的，在外加電場作用下，發(fā)生定向移動從而導(dǎo)電，b項正確；有的金屬中金屬鍵較強，但依然導(dǎo)電，a項錯誤；金屬導(dǎo)電是靠自由電子的定向移動，而不是金屬陽離子發(fā)生定向移動，c項錯誤；金屬導(dǎo)電是物理變化，而不是失去電子的化學(xué)變化，d項錯誤。6根據(jù)下列幾種物質(zhì)的熔點和沸點數(shù)據(jù)，判斷下列有關(guān)說法中，錯誤的是()naclmgcl2alcl3sicl4單質(zhì)b熔點/810710190682 300沸點/1 4651 418182.7572 500注：alcl3熔點在2.02105pa條件下測定。asicl4是分子晶體b單質(zhì)b是原子晶體calcl3加熱能升華dmgcl2所含離子鍵的強度比nacl大答案d解析三類不同的晶體由于形成晶體的粒子和粒子間的作用力不同，因而表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。原子晶體具有高的熔沸點、硬度大、不能導(dǎo)電。而離子晶體也具有較高的熔沸點、較大的硬度，在溶液中或熔化狀態(tài)下能導(dǎo)電。分子晶體熔沸點低、硬度小、不導(dǎo)電，熔化時無化學(xué)鍵斷裂，據(jù)這些性質(zhì)可確定晶體類型。根據(jù)上述性質(zhì)特點及表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，nacl的熔、沸點均比mgcl2高，所以nacl晶體中的離子鍵應(yīng)比mgcl2強，故d不正確。題組三金屬晶體的原子堆積模型7有四種不同堆積方式的金屬晶體的晶胞如圖所示，下列有關(guān)說法正確的是()a為簡單立方堆積，為六方最密堆積，為體心立方密堆積，為面心立方最密堆積b每個晶胞含有的原子數(shù)分別為1個，2個，2個，4個c晶胞中原子的配位數(shù)分別為6，8，8，12d空間利用率的大小關(guān)系為，d錯誤。8幾種晶體的晶胞如圖所示：所示晶胞從左到右分別表示的物質(zhì)正確的排序是()a碘、鋅、鈉、金剛石 b金剛石、鋅、碘、鈉c鈉、鋅、碘、金剛石 d鋅、鈉、碘、金剛石答案c解析第一種晶胞為體心立方堆積，鉀、鈉、鐵等金屬采用這種堆積方式；第二種晶胞為六方最密堆積，鎂、鋅、鈦等金屬采用這種堆積方式；組成第三種晶胞的粒子為雙原子分子，是碘；第四種晶胞的粒子結(jié)構(gòu)為正四面體結(jié)構(gòu)，為金剛石。能力提升9(1)cu2o在稀硫酸中生成cu和cuso4。銅晶胞結(jié)構(gòu)如下圖所示，銅晶體中每個銅原子周圍距離最近的銅原子數(shù)目為_。(2)al單質(zhì)為面心立方晶體，其晶胞參數(shù)a0.405 nm，晶胞中鋁原子的配位數(shù)為_。列式表示al單質(zhì)的密度_gcm3(不必計算出結(jié)果)。答案(1)12(2)12解析(1)銅晶胞為面心立方晶胞，故每個銅原子周圍距離最近的銅原子為4312個。(2)面心立方堆積晶體中，原子的配位數(shù)為12；該晶胞中含有al原子數(shù)目為864，根據(jù)(0.405107)3，解得。10(1)如圖所示為二維平面晶體示意圖，所表示的化學(xué)式為ax3的是_(填字母)。(2)將等徑圓球在二維空間里進(jìn)行排列，可形成密置層和非密置層，在圖1所示的半徑相等的圓球的排列中，a屬于_層，配位數(shù)是_；b屬于_層，配位數(shù)是_。(3)將非密置層一層一層地在三維空間里堆積，得到如圖2所示的一種金屬晶體的晶胞，它被稱為簡單立方堆積，在這種晶體中，金屬原子的配位數(shù)是_，平均每個晶胞所占有的原子數(shù)目是_。(4)有資料表明，只有釙的晶體中的原子具有如圖2所示的堆積方式，釙位于元素周期表的第_周期第_族，元素符號是_，最外電子層的電子排布式是_。答案(1)b(2)非密置4密置6(3)61(4)六apo6s26p411(1)鑭系合金是稀土系儲氫合金的典型代表，由荷蘭菲利浦實驗室首先研制出來，它的最大優(yōu)點是容易活化。其晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。它的化學(xué)式_。(2)鎂系合金是最早問世的合金之一，經(jīng)x射線衍射實驗分析得鎂銅合金為面心立方結(jié)構(gòu)，鎂鎳合金為六方最密堆積。鎂系合金的優(yōu)點是價格較低，缺點是要加熱到250 以上時才釋放出氫氣。下列有關(guān)說法不正確的是_(填字母，下同)。a金屬銅的晶胞結(jié)構(gòu)為b已知鈦和鎂的堆積方式相同，均為六方最密堆積，則其堆積方式為c鎂銅合金晶體的原子空間利用率為74%d鎂鎳合金晶體的配位數(shù)為12(3)x射線金相學(xué)中記載關(guān)于銅與金可形成兩種有序的金屬互化物，其結(jié)構(gòu)如圖。下列有關(guān)說法正確的是_。a圖、中物質(zhì)的化學(xué)式相同b圖中物質(zhì)的化學(xué)式為cuau3c圖中與每個銅原子緊鄰的銅原子有3個d設(shè)圖中晶胞的邊長為a cm，則圖中合金的密度為 gcm3答案(1)lani5(2)a(3)b解析(1)根據(jù)晶胞結(jié)構(gòu)圖可知，面心上的原子為2個晶胞所共有，頂點上的原子為6個晶胞所共有，棱上的原子為3個晶胞所共有，內(nèi)部的原子為整個晶胞所共有，所以晶胞中l(wèi)a原子有3個，ni原子有15個，則鑭系合金的化學(xué)式為lani5。(2)銅是面心立方最密堆積結(jié)構(gòu)(如上圖所示)，而a項中的圖為六方最密堆積結(jié)構(gòu)，a項不正確；鈦和鎂晶體是按“abab”的方式堆積，b項正確；面心立方最密堆積和六方最密堆積的配位數(shù)均為12，空間利用率均為74%，c、d項正確。(3)圖中，銅原子數(shù)為822，金原子數(shù)為42，故化學(xué)式為cuau；圖中，銅原子數(shù)為81，金原子數(shù)為63，故化學(xué)式為cuau3；圖中，銅原子位于立方體的頂點，故緊鄰的銅原子有6個；圖中，銅原子、金原子各為2個，晶胞的體積為 a3 cm3，密度(64197)a3 gcm3 gcm3。12(1)下圖為金屬銅的一個晶胞，請完成以下各題。該晶胞“實際”擁有的銅原子數(shù)是_個。該晶胞稱為_(填字母)。a六方晶胞b體心立方晶胞c面心立方晶胞此晶胞中立方體的邊長為a cm，cu的相對原子質(zhì)量為64