專題3微粒間作用力與物質性質第一單元金屬鍵金屬晶體學習目標學科素養1.認識金屬鍵，能用金屬鍵理論解釋金屬的一些物理特性，會正確分析金屬鍵的強弱。2．認識晶體的結構特點，明確晶胞的概念，學會晶胞中微粒數的計算方法(切割法)。3．熟知金屬晶體的原子堆積模型。1.通過證據“電子氣理論”解釋金屬的物理通性，培養學生證據推理能力。2．通過動手搭建模型建立金屬晶體幾種堆積方式的認知模型，培養學生宏觀辨識與微觀探析核心素養和團隊合作能力。課前篇·自主學習固基礎[知識梳理]一、金屬鍵1．金屬鍵的概念金屬原子失去________________形成的________與________之間的強烈的相互作用。2．金屬鍵的形成金屬原子失去________________形成的________與“脫落”下的自由電子相互作用。二、金屬的特性1．導電性在外電場作用下，自由電子在金屬內部會發生________，形成電流。溫度升高，金屬的導電性________。2．導熱性金屬受熱時，________與________的碰撞頻率增加，________把能量傳給________，從而把能量從溫度高的區域傳到溫度低的區域。3．延展性金屬鍵沒有________性，在外力作用下，金屬原子之間發生相對滑動，各層金屬原子之間仍然保持________的作用，不會斷裂。三、金屬鍵的強弱1．原子化熱金屬鍵的強弱可以用金屬的原子化熱來衡量。金屬的原子化熱是指________金屬固體完全氣化成相互遠離的氣態原子時________的熱量。2．金屬鍵的強弱金屬鍵的強弱與金屬元素的________、單位體積內________有關。一般說來，金屬元素的原子半徑越小、單位體積內自由電子的數目越多，金屬鍵越強。3．金屬鍵的強弱與金屬的物理性質的關系金屬鍵越強，金屬晶體的硬度________，熔、沸點________。四、晶體和非晶態物質1．晶體和非晶態物質的概念(1)晶體：內部粒子(原子、離子或分子)在空間________________構成的固體物質稱為晶體。如金剛石、干冰、氯化鈉等。絕大多數常見的固體物質都是晶體。(2)非晶態物質(非晶體)：內部微粒的排列呈現________的分布狀態的固體稱為非晶態物質(非晶體)。如玻璃、瀝青、石蠟等。2．得到晶體的3種途徑形成晶體通常有3種途徑：從物質的液態、氣態、溶液獲得。(1)熔融態物質凝固：如水凝固得到冰，從熔融態結晶出硫晶體等。熔融態緩慢冷卻才能得到外形規則的晶體，否則得到不規則或粉末狀的物質。(2)氣態物質凝華：如碘蒸氣冷凝得到碘晶體。(3)溶質從溶液中析出：溶質從溶液中析出稱為結晶。一般分為蒸發結晶和冷卻結晶兩種。3．晶胞(1)晶胞是晶體結構中的________________，通過晶胞的結構可以推出晶體的結構。(2)晶體的配位數：指距離某個原子最近且距離相等的原子個數。4．金屬晶體(1)概念：金屬晶體是金屬原子通過________________形成的晶體。(2)金屬晶體的成鍵粒子是________和________。成鍵粒子之間的相互作用是________。五、金屬晶體的原子結構模型1．等徑球在二維空間的堆積方式金屬晶體中的原子可以看成直徑相等的球體，在平面上(即二維空間)，有兩種堆積方式：圖①的堆積方式為________，原子的配位數為________；圖②的堆積方式為________，原子的配位數為________。金屬晶體的配位數是指距離某個原子最近且距離相等的原子個數。2.等徑球在三維空間的堆積方式圖③所示的堆積方式為________，配位數為________；圖④所示的堆積方式為________________，配位數為________；圖⑤所示的堆積方式為________________，配位數為________；圖⑥所示的堆積方式為________________，配位數為________。六、合金1．合金的概念一種金屬與另一種或幾種________的融合體。2．合金的性質一般說來，合金的熔點________各組成成分的熔點，硬度________成分金屬的硬度。如生鐵的熔點________純鐵，硬度________純鐵。(1)當原子半徑較小的非金屬元素與金屬元素形成合金時，這類合金一般具有較高的熔點和較大的硬度。(2)當電負性和原子半徑相差不大的兩種金屬元素形成合金時，所形成的合金的強度和硬度比組成它的金屬的強度和硬度都要大。答案：一、1.部分或全部外圍電子金屬離子自由電子2.部分或全部外圍電子金屬離子二、1.定向移動減弱2.自由電子金屬離子(或金屬原子)自由電子金屬離子(或金屬原子)3.方向金屬鍵三、1.1mol吸收2.原子半徑自由電子的數目3.越大越高四、1.(1)按一定規律重復排列(2)雜亂無章3.基本重復單位4.(1)金屬鍵(2)金屬離子自由電子金屬鍵五、1.非密置層堆積4密置層堆積62.簡單立方堆積6體心立方堆積8面心立方堆積12六方最密堆積12六、1.金屬(或非金屬)2.低于大于低于大于[自我排查]判斷正誤(1)金屬導電是因為在外加電場作用下產生自由電子()(2)金屬具有光澤與金屬中有“自由電子”有關()(3)能導電的單質一定是金屬單質()(4)金屬單質中均含有金屬鍵，常溫下均為固體()(5)有陽離子的晶體中一定含有陰離子()(6)金屬能導電，所以金屬晶體是電解質()(7)金屬晶體和電解質溶液在導電時均發生化學變化()(8)金屬晶體只有還原性()(9)金屬晶體的堆積模型僅與金屬原子的半徑有關()答案：(1)×(2)√(3)×(4)×(5)×(6)×(7)×(8)√(9)×課堂篇·重點難點要突破研習1金屬鍵與金屬特性[問題探討]1．金屬中的自由電子來源于金屬原子中的哪部分電子？2．金屬導電與電解質溶液導電有何不同？3．金屬鍵的構成粒子是什么？如何比較金屬鍵的強弱？1．提示：金屬原子的部分或全部外圍電子。2．提示：金屬導電是自由電子在外電場作用下的定向移動，是物理變化；電解質溶液導電實質是電解過程，為化學變化。3．提示：金屬陽離子和自由移動的電子。一般而言，金屬元素的原子半徑越小，單位體積內自由電子的數目越多，金屬鍵越強。[重點講解]一、金屬鍵與金屬的特性(1)概念：金屬離子與自由電子之間強烈的相互作用稱金屬鍵。(2)本質：金屬原子脫落下來的外圍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。這一理論稱為“電子氣理論”。(3)成鍵粒子：金屬陽離子和自由電子。(4)存在：金屬單質或合金。(5)本質和特點：金屬鍵的本質是一種電性作用，即金屬陽離子和自由電子之間的靜電作用。金屬鍵的特征是沒有方向性和飽和性，金屬中的電子在整個晶體內運動，屬于整塊金屬。(6)影響因素：金屬的原子半徑和單位體積內自由電子數目的多少及金屬陽離子所帶電荷的多少。①金屬鍵的強弱差別較大。如鈉、鉀的熔、沸點低，存在的金屬鍵較弱；鉻的硬度大，熔、沸點高，存在的金屬鍵較強。②同主族元素，隨著核電荷數的增大，金屬原子的半徑增大，金屬鍵減弱；同周期元素，隨著核電荷數的增大，金屬原子半徑減小，金屬鍵增強，熔、沸點升高。(7)金屬鍵與金屬的性質：金屬的延展性、導電性、導熱性、熔沸點等均與金屬鍵有關。金屬鍵越強，金屬的熔沸點越高。[研習經典][典例1]下列敘述正確的是()A．金屬受外力作用時常常發生變形而不易折斷，這是由于金屬原子之間有較強的相互作用B．在外加電場的作用下，金屬中的自由電子會發生定向移動而形成電流C．金屬借助自由電子的運動，把能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分D．金屬的導電性隨溫度的升高而增強答案：B解析：金屬受外力作用時常常發生變形而不易折斷，這是由于金屬晶體中的各原子層會發生相對滑動，但不會改變原來的排列方式，A項錯誤；金屬中的自由電子要在外加電場的作用下才能發生定向移動而形成電流，B項正確；金屬的導熱性是由自由電子碰撞金屬陽離子而將能量進行傳遞的，C項錯誤；金屬的導電性隨溫度的升高而減弱，D項錯誤。[舉一反三]1．金屬鍵的實質是()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：金屬鍵就是金屬中金屬陽離子與自由電子間的相互作用，其本質上是一種電性作用。2．下列關于金屬及金屬鍵的說法正確的是()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．金屬導電是因為在外加電場作用下產生自由電子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：金屬鍵沒有方向性和飽和性，A不正確；金屬鍵是金屬陽離子和自由電子間的相互作用，B正確；金屬導電是因為自由電子在外加電場作用下發生定向移動，C不正確；金屬具有光澤是因為自由電子能夠吸收并放出可見光，D不正確。3．關于金屬鍵的敘述錯誤的是()A．金屬鍵沒有方向性和飽和性B．金屬鍵是金屬陽離子和自由電子之間存在的強烈的靜電吸引作用C．金屬鍵中的電子屬于整塊金屬D．金屬的性質和金屬固體的形成都與金屬鍵有關答案：B4．在金屬晶體中，如果金屬原子的價電子數越多，原子半徑越小，自由電子與金屬陽離子間的作用力越大，金屬的熔、沸點越高。判斷下列各組金屬熔、沸點高低順序，其中正確的是()A．Mg>Al>CaB．Al>Na>LiC．Al>Mg>CaD．Mg>Ba>Al答案：C研習2金屬晶體[重點講解]一、晶體與非晶體1．晶體和非晶體的概念(1)晶體內部微粒(原子、離子或分子)在三維空間里呈周期性有序排列而構成的具有規則幾何外形的固體。如食鹽、冰、鐵、銅等。(2)非晶體內部微粒(原子、離子或分子)排列呈相對無序狀態，不具有規則幾何外形的固體。如玻璃、炭黑、橡膠等。2．晶體的特性(1)自范性晶體具有能自發地呈現多面體外形的性質。本質上，晶體的自范性是晶體中粒子在微觀空間里呈現周期性的有序排列的宏觀表象。相反，非晶體中粒子的排列則相對無序，因而無自范性。(2)各向異性同一晶體中，在不同方向上質點排列一般是不一樣的，因此，晶體的許多物理性質，如硬度、導熱性、導電性、光學性質等，常隨方向的不同而有所差異。如藍晶石(Al2O3·SiO2)在不同方向上的硬度不同；石墨在與層垂直方向的電導率是與層平行方向上的eq\f(1,104)。(3)熔點晶體的熔點比較固定，而非晶體沒有固定的熔點。3．獲得晶體的三條途徑(1)熔融態物質凝固。(2)氣態物質冷卻不經液態直接凝固(凝華)。(3)溶質從溶液中析出。4．晶體與非晶體的區別晶體非晶體自范性(本質區別)有無是否均一均一不均一固定熔、沸點有無某些物理性質的各向異性有無能否發生X射線衍射(最科學的區分方法)能不能(能發生散射)舉例NaCl晶體、I2晶體、Na晶體等玻璃、橡膠等5.晶體與非晶體的測定方法測定方法測熔點晶體有固定的熔點，非晶體沒有固定的熔點可靠方法對固體進行X射線衍射實驗二、金屬晶體1．概念金屬原子通過金屬鍵形成的晶體。2．結構3．常見金屬晶體的三種結構模型實例Ca、Al、Cu、Ag、Au、Pb、PtLi、Na、K、Ba、W、FeMg、Zn、Ti結構示意圖配位數12812晶胞中的微粒數4264.金屬晶體的堆積模型由于金屬鍵沒有方向性，因此金屬晶體可以看成由直徑相等的圓球在三維空間緊密堆積而成。如圖1給出了球堆積層的兩種模式，其中最緊密排列只有一種，稱為密置層。層與層之間相互疊放在一起，便形成了晶體的堆積模型。如圖2所示。金屬晶體可看作是金屬原子在三維空間堆積而成。(1)簡單立方堆積將非密置層堆積的上方垂直堆積第二層、第三層……(如圖①)。金屬釙(Po)采取簡單立方堆積。(2)體心立方堆積將非密置層堆積的上層金屬原子填入下層的金屬原子形成的凹穴中，每層均采取此方式堆積，即為體心立方堆積(如圖②)。鈉、鉀、鉻、鉬、鎢等屬于體心立方堆積。圖③圖④(3)六方最密堆積將密置層堆積方式的上方堆積第二、三層。如果第一層(A層)上堆積第二層(B層)時，B層小球的球心正好落在A層所形成的一類空隙的中心，使兩層緊密接觸，在B層上方再堆積第三層(A層)與第一層完全相同時，這樣就形成了“……ABABAB……”型堆積方式，稱為六方最密堆積。如圖③所示，鎂、鋅、鈦等屬于六方堆積。(4)面心立方堆積在密置層堆積方式中，第一層(A層)按照小球的球心落在一類空隙的中心的方式堆積第二層(B層)，再在B層上堆積第三層(C層)時，小球的球心正好落在A層小球形成的另一類空隙的中心，這樣就形成了“……ABCABCABC……”型堆積方式，稱為面心立方堆積。如圖④所示，金、銀、銅等屬于面心立方堆積。5．晶胞中微粒個數的計算(均攤法)均攤法：是指每個圖形平均擁有的粒子數目。如某個粒子為n個圖形(晶胞)所共有，則該粒子有eq\f(1,n)屬于某個圖形(晶胞)。立方體晶胞中不同位置的粒子數的計算：(1)處于頂點的粒子，同時為8個晶胞所共有，每個粒子有1/8屬于該晶胞；(2)處于棱上的粒子，同時為4個晶胞所共有，每個粒子有1/4屬于該晶胞；(3)處于面上的粒子，同時為2個晶胞所共有，每個粒子有1/2屬于該晶胞；(4)處于晶胞內部的粒子，則完全屬于該晶胞。6．金屬晶體的結構與物理性質(1)金屬晶體具有良好的延展性。金屬鍵在整個晶體范圍內起作用，在鍛壓或錘打時，密堆積層的金屬原子之間比較容易產生滑動，但金屬密堆積層之間始終保持著金屬鍵的作用，因此金屬晶體雖然發生了形變但不致斷裂。(2)金屬晶體中原子的堆積方式也會影響金屬的性質，如具有最密堆積結構的金屬的延展性往往比其他結構的延展性好。(3)金屬晶體的熔、沸點金屬的熔、沸點取決于金屬鍵的強弱，一般金屬原子的價電子數越多，原子半徑越小，金屬晶體內部金屬鍵越強，晶體熔、沸點越高。(1)金屬單質(鍺和常溫下的汞除外)或合金的晶體屬于金屬晶體。(2)在金屬晶體里有陽離子，但沒有陰離子，所以晶體中有陽離子不一定有陰離子，但若有陰離子，則一定有陽離子。(3)純金屬內，所有原子的大小和形狀都是相同的，原子的排列十分規整。而合金中加入了其他元素或大或小的原子，改變了金屬原子有規則的層狀排列，使原子層之間的相對滑動變得困難，因此合金比純金屬的延展性要差。(4)溫度升高，金屬陽離子的振動頻率和自由電子的無序運動增強，金屬導電能力減弱；電解質溶液中，陰、陽離子隨溶液溫度升高，運動速率加快，導電能力增強。(5)金屬導電的微粒是自由電子，電解質溶液導電的微粒是自由移動的陽離子和陰離子；前者導電過程中不生成新物質，為物理變化，后者導電過程中有新物質生成，為化學變化。因而，二者導電的本質不同。[研習經典][典例2]要使金屬晶體熔化必須破壞其中的金屬鍵。金屬晶體熔、沸點高低和硬度大小一般取決于金屬鍵的強弱，而金屬鍵與金屬陽離子所帶電荷的多少及半徑大小有關。由此判斷下列說法正確的是()A．金屬鎂的熔點高于金屬鋁B．堿金屬單質的熔、沸點從Li到Cs是逐漸升高的C．金屬鋁的硬度大于金屬鈉D．金屬鎂的硬度小于金屬鈣答案：C解析：鎂離子比鋁離子的半徑大而所帶的電荷少，所以金屬鎂比金屬鋁的金屬鍵弱，熔、沸點低，硬度小，A錯誤；從Li到Cs，離子的半徑是逐漸增大的，所帶電荷相同，金屬鍵逐漸減弱，熔、沸點逐漸降低，硬度逐漸減小，B錯誤；鋁離子比鈉離子的半徑小而所帶電荷多，使金屬鋁比金屬鈉的金屬鍵強，金屬鋁比金屬鈉的熔、沸點高，硬度大，C正確；鎂離子比鈣離子的半徑小而所帶電荷相同，使金屬鎂比金屬鈣的金屬鍵強，金屬鎂比金屬鈣的熔、沸點高，硬度大，D錯誤。[典例3]金屬鈉晶體的晶胞為體心立方晶胞()，晶胞的邊長為a。假定金屬鈉原子為等徑的剛性球，且晶胞中處于體對角線上的三個球相切。則鈉原子的半徑r為()A.eq\f(a,2)B.eq\f(\r(3)a,4)C.eq\f(\r(3)a,2)D．2a答案：B解析：如果沿著某一面的對角線對晶胞作橫切面，可得如圖所示的結構，其中AB為晶胞的邊長，BC為晶胞的面對角線，AC為晶胞的體對角線。根據立方體的特點可知：BC＝eq\r(2)a，結合AB2＋BC2＝AC2得：r＝eq\f(\r(3)a,4)。[舉一反三]1．金屬的下列性質中和金屬晶體的結構無關的是()A．良好的導電性 B．反應中易失電子C．良好的延展性 D．良好的導熱性答案：B解析：金屬的物理性質是由金屬晶體所決定的，A、C、D三項都是金屬共有的物理性質，這些性質都是由金屬晶體所決定的；B項，金屬易失電子是由金屬原子的結構決定的，和晶體結構無關。2．物質結構理論指出：金屬晶體中金屬陽離子與“自由電子”之間存在的強的相互作用，叫金屬鍵。金屬鍵越強，金屬的硬度越大，熔、沸點越高，一般來說金屬陽離子半徑越小，價電子數越多，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．鎂的熔點高于鈣C．鎂的硬度大于鉀 D．鈣的熔點高于鉀答案：A解析：根據題目所給條件：鎂和鋁的電子層數相同，價電子數Al>Mg，離子半徑Al3＋<Mg2＋，Al的硬度大于鎂；鎂、鈣最外層電子數相同，但離子半徑Ca2＋>Mg2＋，金屬鍵Mg強于Ca，熔點Mg>Ca；價電子數Mg>K，離子半徑Mg2＋<Ca2＋<K＋，金屬鍵Mg>K，硬度Mg>K；鈣和鉀位于同一周期，價電子數Ca>K，離子半徑K＋>Ca2＋，金屬鍵Ca>K，熔點Ca>K。3．金屬鈉晶體晶胞如圖所示，實驗測得鈉的密度為ρ(g·cm－3)。已知鈉的相對原子質量為a，阿伏加德羅常數為NA(mol－1)，假定金屬鈉原子為等徑的剛性球且處于體對角線上的三個球相切。則鈉原子的半徑r(cm)為()A.eq\r(3,\f(2a,NAρ)) B.eq\r(3)·eq\r(3,\f(2a,NAρ))C.eq\f(\r(3),4)·eq\r(3,\f(2a,NAρ)) D.eq\f(1,2)·eq\r(3,\f(2a,NAρ))答案：C解析：根據“均攤法”可計算晶胞中原子個數：8×eq\f(1,8)＋1＝2，設晶胞的棱長為d，則d＝eq\f(4r,\r(3))，晶胞體積為eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4r,\r(3))))3，根據公式ρd3＝eq\f(nM,NA)，可得r＝eq\f(\r(3),4)·eq\r(3,\f(2a,NAρ))。演習篇·學業測試速達標1.金屬鍵的形成是通過()A．金屬原子與自由電子之間的相互作用B．金屬離子與自由電子之間強烈的相互作用C．自由電子之間的相互作用D．金屬離子之間的相互作用答案：B解析：金屬鍵的形成是通過金屬離子與自由電子之間強烈的相互作用。2．下列關于金屬晶體導電的敘述中，正確的是()A．金屬晶體內的電子在外加電場條件下可以發生自由移動B．在外加電場作用下，金屬晶體內的金屬陽離子相對滑動C．在外加電場作用下，自由電子在金屬晶體內發生定向移動D．溫度越高導電性越強答案：C解析：金屬導電的原理是：在外加電場作用下自由電子發生定向移動，故A、B錯誤；金屬的導電性與溫度成反比，即溫度越高，導電性越弱，故D錯誤。3．金屬具有的通性是()①具有良好的導電性②具有良好的導熱性③具有延展性④都具有較高的熔點⑤通常狀況下都是固體⑥都具有很大的硬度A．①②③B．②④⑥C．④⑤⑥D．①③⑤答案：A解析：金屬并不一定具有較高的熔點，如汞在常溫下是液態，鈉、鉀等的硬度都不大，所以④⑤⑥均錯誤。4．下列有關金屬的說法正確的是()A．金屬原子的核外電子在金屬晶體中都是自由電子B．金屬導電的實質是金屬陽離子在外電場作用下的定向移動C．金屬原子在化學變化中失去的電子數越多，其還原性越強D．體心立方晶胞和面心立方晶胞中實際含有的原子個數之比為1∶2答案