資源簡(jiǎn)介

3.3 第1課時(shí)　金屬晶體
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.認(rèn)識(shí)金屬晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。
2.能利用金屬鍵、“電子氣理論”解釋金屬的一些物理性質(zhì)。
【自主預(yù)習(xí)】
一、金屬鍵
1.金屬鍵及其實(shí)質(zhì)
概念 金屬中　　　　和　　　　之間存在的強(qiáng)烈的相互作用
實(shí)質(zhì) 金屬鍵本質(zhì)是一種　　　
特征 (1)金屬鍵無(wú)　　　　和　　　　 (2)金屬鍵中的電子在整個(gè)三維空間里運(yùn)動(dòng),屬于整塊固態(tài)金屬
2.金屬鍵與金屬性質(zhì)
(1)金屬光澤
當(dāng)可見(jiàn)光照射到金屬表面上時(shí),固態(tài)金屬中的　　　　能夠吸收所有頻率的光并迅速釋放,使得金屬不透明并具有金屬光澤。
(2)導(dǎo)電性
金屬內(nèi)部自由電子的運(yùn)動(dòng)不具有方向性,在外加電場(chǎng)的作用下,金屬晶體中的自由電子發(fā)生　　　　移動(dòng)而形成電流。
(3)導(dǎo)熱性
當(dāng)金屬中有溫度差時(shí),不停運(yùn)動(dòng)著的自由電子通過(guò)自身與　　　　　　,將能量由高溫處傳向低溫處。
(4)金屬具有良好的延展性
當(dāng)金屬受到外力作用時(shí),晶體中的各原子層就會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),但排列方式不變,金屬晶體中的化學(xué)鍵沒(méi)有被破壞。
二、金屬晶體
1.金屬晶體的定義及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1)金屬晶體的定義:金屬原子通過(guò)　　　　形成的晶體稱為金屬晶體。
(2)金屬鍵:金屬陽(yáng)離子和自由電子之間的強(qiáng)的相互作用。
(3)金屬鍵的特點(diǎn):由于自由電子為整個(gè)金屬所共有,所以金屬鍵沒(méi)有飽和性和方向性,從而導(dǎo)致金屬晶體最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式具有堆積密度大、原子配位數(shù)高、空間利用率高等特點(diǎn)。
【微點(diǎn)撥】
　　在金屬晶體中只有陽(yáng)離子和自由電子,不存在陰離子。
2.物理通性
(1)通性:金屬晶體具有金屬光澤,有良好的　　　　、　　　　和　　　　。
(2)原因:金屬鍵在整個(gè)晶體內(nèi)部起作用。在鍛壓或錘打時(shí),密堆積層的金屬原子之間比較容易產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng),這種滑動(dòng)不會(huì)破壞密堆積的排列方式,而且在滑動(dòng)過(guò)程中　　　　可以維系整個(gè)金屬鍵的存在,因此金屬之間雖然發(fā)生形變但不斷裂。
【微點(diǎn)撥】
　　金屬晶體的熔點(diǎn)差異很大,如鎢熔點(diǎn)很高,超過(guò)3000 ℃,有的則很低,如汞在常溫下為液體。
【參考答案】一、1.自由電子　金屬陽(yáng)離子　電性作用　方向性　飽和性　2.(1)自由電子　(2)定向　(3)金屬陽(yáng)離子之間的碰撞
二、1.金屬鍵　2.(1)導(dǎo)電導(dǎo)熱性　延展性　可塑性　(2)自由電子
【效果檢測(cè)】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”)。
(1)金屬鍵具有方向性和飽和性。 (　　)
(2)金屬鍵是金屬陽(yáng)離子與自由電子間的強(qiáng)烈的相互作用。 (　　)
(3)金屬導(dǎo)電是因?yàn)樵谕饧与妶?chǎng)作用下產(chǎn)生“自由電子”。 (　　)
(4)在晶體中只要有陽(yáng)離子就一定有陰離子。 (　　)
(5)金屬晶體的熔點(diǎn)一定比共價(jià)晶體的熔點(diǎn)高。 (　　)
(6)金屬受外力作用時(shí)常發(fā)生變形而不易折斷,是由于金屬原子間有較強(qiáng)的作用。 (　　)
　　【答案】(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)×
2.金屬在發(fā)生變形延展時(shí),金屬鍵斷裂嗎
　　【答案】不斷裂。
3.金屬在通常狀況下都是晶體嗎 金屬晶體的性質(zhì)與哪些因素有關(guān)
　　【答案】不是,如汞;金屬鍵和金屬原子的堆積方式?jīng)Q定金屬的性質(zhì)。
【合作探究】
任務(wù)1：金屬鍵
情境導(dǎo)入　花絲鑲嵌,是一門(mén)傳承久遠(yuǎn)的中國(guó)傳統(tǒng)手工技藝,主要用于皇家飾品的制作。花絲選用金、銀、銅為原料,采用掐、填、攢、焊、編織、堆壘等傳統(tǒng)技法,將金屬片做成托和瓜子型凹槽,再鑲以珍珠、寶石。花絲鑲嵌工藝起源于春秋戰(zhàn)國(guó)金銀錯(cuò)工藝,在明代中晚期達(dá)到高超的藝術(shù)水平。2008年6月花絲鑲嵌制作技藝被列入國(guó)家級(jí)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄。
問(wèn)題生成
1.金屬中存在化學(xué)鍵嗎 是哪種類(lèi)型的化學(xué)鍵
　　【答案】存在;金屬鍵。
2.金屬被壓成薄片、拉絲、制成導(dǎo)線的過(guò)程中金屬的化學(xué)性質(zhì)有沒(méi)有改變
　　【答案】沒(méi)有改變。金屬被壓成薄片、拉絲、制成導(dǎo)線的過(guò)程僅是改變金屬形狀的物理變化,其成分沒(méi)有改變。
3.金屬為什么具有金屬光澤
　　【答案】當(dāng)光線投射到它的表面上時(shí),自由電子可以吸收所有頻率的光,然后很快放出各種頻率的光,這就使絕大多數(shù)金屬呈現(xiàn)銀白色光澤。
4.金屬為什么具有一定的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和延展性
　　【答案】金屬中存在自由電子,自由電子被所有原子共用,從而把所有金屬原子維系在一起,當(dāng)金屬受到外力作用時(shí),各原子層發(fā)生滑動(dòng)而具有良好的延展性;在外加電場(chǎng)作用下,自由電子會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)而導(dǎo)電;自由電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)與金屬陽(yáng)離子發(fā)生碰撞而傳遞熱量。
【核心歸納】
1.金屬鍵的特征
自由電子不屬于某個(gè)特定的金屬陽(yáng)離子,即每個(gè)金屬陽(yáng)離子均可享有所有的自由電子,但都不可能獨(dú)占某個(gè)或某幾個(gè)自由電子。金屬鍵既沒(méi)有方向性,也沒(méi)有飽和性。
2.金屬鍵的強(qiáng)弱比較
一般來(lái)說(shuō),金屬鍵的強(qiáng)弱主要取決于金屬元素原子的半徑和價(jià)電子數(shù)。原子半徑越大,價(jià)電子數(shù)越少,金屬鍵越弱;原子半徑越小,價(jià)電子數(shù)越多,金屬鍵越強(qiáng)。
3.金屬鍵對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響
(1)金屬鍵越強(qiáng),晶體的熔、沸點(diǎn)越高。
(2)金屬鍵越強(qiáng),晶體的硬度越大。
【典型例題】
【例1】要使金屬熔化必須破壞其中的金屬鍵。金屬熔、沸點(diǎn)高低和硬度大小一般取決于金屬鍵的強(qiáng)弱。由此判斷下列說(shuō)法正確的是(　　)。
A.金屬鋰的熔點(diǎn)高于金屬鈹
B.堿金屬單質(zhì)的熔、沸點(diǎn)從Li到Cs是逐漸升高的
C.金屬鎂的硬度小于金屬鈣
D.金屬鋁的硬度大于金屬鈉
　　【答案】D
【解析】同周期金屬元素從左到右,隨著原子半徑的減小、金屬離子電荷數(shù)的增多,金屬鍵逐漸增強(qiáng),金屬鋰和鈹位于同周期,則鈹?shù)慕饘冁I強(qiáng),熔點(diǎn)高,A項(xiàng)錯(cuò)誤;堿金屬元素從Li到Cs,陽(yáng)離子半徑增大,對(duì)外層電子束縛能力減弱,金屬鍵減弱,所以熔沸點(diǎn)降低,B項(xiàng)錯(cuò)誤;鎂離子的半徑比鈣離子小,所以鎂的金屬鍵比鈣強(qiáng),則金屬鎂的硬度大于金屬鈣,C項(xiàng)錯(cuò)誤;鋁離子帶3個(gè)正電荷,而鈉離子帶1個(gè)正電荷,且鋁離子半徑小于鈉離子,所以鋁的金屬鍵比鈉強(qiáng),則金屬鋁的硬度大于金屬鈉,D項(xiàng)正確。
【例2】下列關(guān)于金屬鍵及金屬性質(zhì)的敘述中正確的是(　　)。
A.隨原子序數(shù)的遞增,堿金屬元素單質(zhì)的熔點(diǎn)升高
B.金屬鍵是金屬陽(yáng)離子與自由電子間的相互作用
C.金屬導(dǎo)電是因?yàn)樵谕饧与妶?chǎng)作用下產(chǎn)生自由電子
D.金屬具有光澤是因?yàn)榻饘訇?yáng)離子吸收并放出可見(jiàn)光
　　【答案】B
【解析】隨原子序數(shù)的遞增,堿金屬元素單質(zhì)的熔點(diǎn)逐漸降低,A項(xiàng)錯(cuò)誤;金屬晶體由金屬陽(yáng)離子和自由電子構(gòu)成,金屬導(dǎo)電是因?yàn)樽杂呻娮釉谕饧与妶?chǎng)作用下定向移動(dòng),C項(xiàng)錯(cuò)誤;因?yàn)樽杂呻娮訉?duì)可見(jiàn)光的選擇性吸收和反射,使得金屬晶體具有金屬光澤,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
任務(wù)2　金屬晶體
情境導(dǎo)入　北京2022年冬奧會(huì)獎(jiǎng)牌正面中央刻有奧運(yùn)五環(huán),圓環(huán)做打凹處理,設(shè)計(jì)靈感源自傳統(tǒng)弦紋玉璧,上面有取自中國(guó)傳統(tǒng)紋樣的淺刻,冰雪紋代表冬奧會(huì),祥云紋傳達(dá)了吉祥和美好的寓意。牌體由圓環(huán)加圓心構(gòu)成,形象來(lái)源于中國(guó)古代同心圓玉璧,共設(shè)五環(huán),五環(huán)同心,同心歸圓。
問(wèn)題生成
2022年冬奧會(huì)金牌含有6 g黃金和92.5%左右的純銀。已知金晶體的晶胞如圖所示。設(shè)金原子的直徑為d cm,用NA表示阿伏加德羅常數(shù)的值,在立方體的各個(gè)面的對(duì)角線上,3個(gè)金原子彼此兩兩相切,M g·mol-1表示金的摩爾質(zhì)量。
1.金晶體每個(gè)晶胞中含有幾個(gè)金原子 寫(xiě)出分析過(guò)程。
　　【答案】4個(gè);金原子處于頂點(diǎn)與面心上,晶胞中含有的金原子數(shù)目為8×+6×=4。
2.金屬鍵有方向性和飽和性嗎
　　【答案】金屬鍵無(wú)方向性和飽和性。
3.一個(gè)金晶胞的體積是多少 請(qǐng)寫(xiě)出推理過(guò)程。
　　【答案】在立方體的各個(gè)面的對(duì)角線上,3個(gè)金原子彼此兩兩相切,金原子的直徑為d cm,故面對(duì)角線長(zhǎng)度為2d cm,棱長(zhǎng)為×2d cm=d cm,故晶胞的體積為(d)3 cm3=2d3 cm3。
4.金晶體的密度是多少 請(qǐng)寫(xiě)出推理過(guò)程。
　　【答案】 g·cm-3金晶胞中含有4個(gè)原子,故晶胞質(zhì)量為 g,晶胞的體積為2d3 cm3,故晶胞密度為= g·cm-3。
【核心歸納】
1.金屬物理通性的解釋
2.金屬晶體熔點(diǎn)的影響因素
同類(lèi)型的金屬晶體的熔點(diǎn)由金屬陽(yáng)離子半徑、離子所帶的電荷決定,陽(yáng)離子半徑越小,所帶電荷越多,相互作用力就越強(qiáng),熔點(diǎn)就越高。例如熔點(diǎn):Li>Na>K>Rb>Cs,Na【典型例題】
【例3】下列關(guān)于鉀晶體(晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示)的敘述中不正確的是(　　)。
A.其構(gòu)成微粒是鉀原子
B.其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)比鈣的低
C.每個(gè)晶胞內(nèi)含2個(gè)原子
D.晶體狀態(tài)下能夠?qū)щ?br/>　　【答案】A
【解析】構(gòu)成鉀晶體的微粒是K+和自由電子,A項(xiàng)錯(cuò)誤;價(jià)電子數(shù):KCa,鈣中的金屬鍵比鉀的強(qiáng),鈣的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高于鉀,B項(xiàng)正確;該晶胞中含有8×+1=2個(gè)原子,C項(xiàng)正確;金屬晶體在晶體狀態(tài)下能導(dǎo)電,D項(xiàng)正確。
【例4】漆黑的夜里,伸手不見(jiàn)五指,然而,夜光表的指針卻發(fā)出淡淡的光芒。夜光表為什么會(huì)發(fā)光呢 原來(lái),在指針和表盤(pán)的刻度上,涂有一種發(fā)光物質(zhì)。這發(fā)光物質(zhì)就是摻雜著鐳的化合物的熒光粉。鐳是一種具有放射性的銀白色金屬,十分柔軟。
(1)鐳(Ra)位于第七周期第ⅡA族,則鐳的原子序數(shù)是　　　　,鐳的原子半徑比鈣的　　　　,氯化鐳的化學(xué)式為　　　　,氫氧化鐳的堿性比氫氧化鈣　　　　。
(2)鐳的金屬鍵比鎂　　　　,理由是　 　。
鐳晶體的熔沸點(diǎn)比鎂晶體的　　　　。Ra能夠與冷水　　　　反應(yīng),且Ra(OH)2的堿性很強(qiáng)。
(3)金屬晶體易導(dǎo)電的理由是 　 。
(4)金屬晶體易導(dǎo)熱的理由是 　 。
　　【答案】(1)88　大　RaCl2　強(qiáng)
(2)弱　鐳和鎂位于同一主族,最高化合價(jià)都是+2,但是鐳的原子半徑大,所以金屬鍵就弱　低　劇烈
(3)在金屬中,存在著許多自由電子,這些自由電子的運(yùn)動(dòng)是沒(méi)有一定方向的,但在外加電場(chǎng)的條件下自由電子就會(huì)發(fā)生定向運(yùn)動(dòng),因而形成電流,所以金屬容易導(dǎo)電。
(4)自由電子運(yùn)動(dòng)時(shí)與金屬陽(yáng)離子碰撞把能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分,從而使整塊金屬達(dá)到相同的溫度。
靈犀一點(diǎn)：金屬的金屬鍵越強(qiáng),則對(duì)應(yīng)金屬晶體的熔、沸點(diǎn)越高。注意金屬的熔、沸點(diǎn)有如下幾個(gè)遞變規(guī)律:①同周期金屬單質(zhì),從左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸點(diǎn)升高。②同主族金屬單質(zhì),從上到下(如堿金屬)熔、沸點(diǎn)降低。③合金的熔、沸點(diǎn)一般比其各成分金屬的熔、沸點(diǎn)低。
【隨堂檢測(cè)】
課堂基礎(chǔ)
1.在單質(zhì)的晶體中一定不存在的微粒是(　　)。
A.原子 B.分子
C.陽(yáng)離子 D.陰離子
　　【答案】D
【解析】單質(zhì)晶體可能有硅、金剛石——共價(jià)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(yáng)離子和自由電子。
2.下列生活中的現(xiàn)象,不能用金屬鍵理論知識(shí)解釋的是(　　)。
A.用鐵制品做炊具 B.用金屬鋁制成導(dǎo)線
C.用鉑金做首飾 D.鐵易生銹
　　【答案】D
【解析】用鐵制品做炊具利用了金屬的導(dǎo)熱性;用金屬鋁制成導(dǎo)線利用了金屬的導(dǎo)電性;用鉑金做首飾利用了金屬的延展性,三者均與金屬陽(yáng)離子與自由電子形成的金屬鍵有關(guān)。鐵易生銹與元素的還原性以及所處的周?chē)橘|(zhì)的酸堿性有關(guān)。
3.下列關(guān)于金屬晶體的敘述正確的是(　　)。
A.常溫下,金屬單質(zhì)都以金屬晶體形式存在
B.金屬陽(yáng)離子與自由電子之間的強(qiáng)烈作用,在一定外力作用下,不因形變而消失
C.鈣的熔、沸點(diǎn)低于鉀
D.溫度越高,金屬的導(dǎo)電性越好
　　【答案】B
【解析】A項(xiàng),Hg在常溫下為液態(tài);C項(xiàng),r(Ca)K,所以金屬鍵Ca>K,故熔、沸點(diǎn)Ca>K;D項(xiàng),金屬的導(dǎo)電性隨溫度升高而降低。
對(duì)接高考
4.(2021·全國(guó)乙卷,35節(jié)選)在金屬材料中添加AlCr2顆粒,可以增強(qiáng)材料的耐腐蝕性、硬度和機(jī)械性能。AlCr2具有體心四方結(jié)構(gòu),如圖所示。處于頂角位置的是　　　　原子。設(shè)Cr和Al原子半徑分別為rCr和rAl,則金屬原子空間占有率為　　　　%(列出計(jì)算表達(dá)式)。
　　【答案】Al　×100%
【解析】觀察AlCr2晶胞,黑球位于頂點(diǎn)和體內(nèi),白球位于棱上和體內(nèi),1個(gè)晶胞含2個(gè)黑球、4個(gè)白球,根據(jù)晶體的化學(xué)式知,頂點(diǎn)位置的是Al原子。根據(jù)球體體積公式計(jì)算Al、Cr原子的體積,原子空間利用率(φ)等于原子總體積與晶胞體積之比:φ(Al,Cr)=×100%=×100%。
5.(2021·廣東卷,20節(jié)選)理論計(jì)算預(yù)測(cè),由汞(Hg)、鍺(Ge)、銻(Sb)形成的一種新物質(zhì)X為潛在的拓?fù)浣^緣體材料。X的晶體可視為Ge晶體(晶胞如圖a所示)中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成。
(1)圖b為Ge晶胞中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成的一種單元結(jié)構(gòu),它不是晶胞單元,理由是
　 。
(2)圖c為X的晶胞,X的晶體中與Hg距離最近的Sb的數(shù)目為　　　　　　　　;該晶胞中粒子個(gè)數(shù)比Hg∶Ge∶Sb=　　　　。
(3)設(shè)X的最簡(jiǎn)式的式量為Mr,則X晶體的密度為　　　　g·cm-3(列出算式)。
　　【答案】(1)晶胞單元是晶體的最小重復(fù)單元,該單元結(jié)構(gòu)中頂點(diǎn)不是同一種原子,無(wú)法進(jìn)行無(wú)隙并置構(gòu)成晶體
(2)4 　1∶1∶2
(3)
【解析】(1)對(duì)比圖b和圖c可知:內(nèi)部原子位置、種類(lèi)不完全相同,不符合晶胞的定義和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
(2)以圖c晶胞最下方中心面的Hg原子為例,可以看出距離最近的有2個(gè)Sb原子,則下面應(yīng)該還有2個(gè)距離最近的Sb,故與Hg距離最近的Sb的數(shù)目為4。Sb為處于晶胞內(nèi)部的粒子,完全屬于該晶胞,所以1個(gè)晶胞中含有Sb原子數(shù)為8;Ge原子位于晶胞的個(gè)數(shù):頂點(diǎn)8個(gè)、面上4個(gè)、體心1個(gè),因此1個(gè)晶胞中含有Ge原子數(shù)為1+8×+4×=4;Hg原子位于晶胞的個(gè)數(shù):棱邊4個(gè)、面心6個(gè),因此1個(gè)晶胞中含有Hg原子數(shù)為6×+4×=4,則該晶胞中粒子個(gè)數(shù)比Hg∶Ge∶Sb=4∶4∶8=1∶1∶2。
(3)1個(gè)晶胞的質(zhì)量m= g,1個(gè)晶胞的體積V=(x×10-7 cm)2×(y×10-7 cm)=x2y×10-21 cm3,則X晶體的密度為== g·cm-3。
2

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