資源簡介

3.1　金屬鍵　金屬晶體
【學習目標】
1.理解金屬鍵的實質,知道影響金屬鍵強弱的因素,并能用金屬鍵理論解釋金屬的典型性質。
2.了解晶體、晶胞的概念,能借助模型說明常見金屬晶體中晶胞的構成,并能用均攤法分析晶胞組成。
【合作探究】
任務1　金屬鍵與金屬特性
【學習情境】
我們熟悉的金屬的物理性質既有一定的相似性,如導電性、導熱性、延展性,也有很大的差異性,如金屬鎢的熔點達到3390 ℃,而金屬汞的熔點為-39 ℃。你知道金屬為什么具有這些物理性質嗎 形成金屬晶體的作用力是什么 金屬晶體又是如何構成的
【新知生成】
1.金屬鍵
(1)概念:　　　　　　與　　　　　　之間強烈的相互作用。
(2)成鍵微粒:　　　　　　和　　　　　　。
(3)存在:存在于　　　　　　和合金中。
(4)影響金屬鍵強弱的因素:金屬元素的原子半徑越　　　,單位體積內自由電子的數目越　　　　,金屬鍵越強。
(5)金屬的原子化熱:是指　　　　 mol金屬固體完全氣化成相互遠離的氣態原子時吸收的能量。意義:衡量金屬鍵的強弱,金屬的原子化熱數值越大,金屬鍵越　　　　。
(6)金屬鍵的強弱對金屬單質物理性質的影響:金屬鍵越強,金屬晶體的熔、沸點越　　,硬度越　　　　。
2.金屬的物理特性分析
(1)導電性:金屬中的　　　　可以在外加電場作用下發生定向移動,從而形成電流。
(2)導熱性:通過　　　　　　的運動把能量從溫度高的區域傳到溫度低的區域,從而使整塊金屬達到同樣的溫度。
(3)延展性:金屬鍵　　　　方向性,當金屬受到外力作用時,金屬中的各原子層發生相對滑動,各層金屬原子之間仍然保持　　　　的作用,金屬發生形變,表現出良好的延展性。
【答案】1.(1)金屬離子　自由電子　(2)金屬陽離子 自由電子　(3)金屬單質　(4)小　多　(5)1　強　(6)高　大
2.(1)自由電子　(2)自由電子　(3)沒有　金屬鍵
【核心突破】
　　典例1　下列關于金屬鍵的敘述中,不正確的是 (　　)
A.金屬鍵是金屬陽離子和自由電子這兩種帶異性電荷的微粒間強烈的相互作用,是一種電性作用
B.金屬鍵可以看作是許多原子共用許多電子所形成的強烈的相互作用,有方向性和飽和性
C.金屬鍵是帶異性電荷的金屬陽離子和自由電子間的強烈的相互作用,故金屬鍵無飽和性和方向性
D.構成金屬鍵的自由電子在整個金屬內部的三維空間中做自由運動
【答案】B
【解析】從基本構成微粒的性質看,金屬鍵屬于電性作用,特征是無方向性和飽和性;自由電子是由金屬原子提供的,并且在整個金屬內部的三維空間內運動,為整個金屬的所有陽離子所共有,從這個角度看,金屬鍵無方向性和飽和性。
　　典例2　金屬的下列性質中與金屬鍵無關的是 (　　)
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】導電性、延展性、導熱性都是金屬共有的物理性質,這些性質都是由金屬鍵所決定的,金屬易失電子是由原子的結構決定的,所以和金屬鍵無關。
歸納總結　1.自由電子不是專屬于某個特定的金屬陽離子,即每個金屬陽離子均可享有所有的自由電子,但都不可能獨占某個或某幾個自由電子,電子在整塊金屬中自由運動。
2.金屬晶體熔、沸點高低及硬度大小的比較方法:
　　訓練1　某新型“防盜玻璃”為多層結構,每層中間嵌有極細的金屬線。當玻璃被擊碎時,與金屬線相連的警報系統就會立即報警,“防盜玻璃”能報警是利用了金屬的 (　　)
A.延展性 B.導電性 C.彈性 D.導熱性
【答案】B
【解析】當玻璃被擊碎時,與金屬線相連的警報系統就會立即報警,說明當玻璃被擊碎時,形成閉合回路,利用了金屬的導電性。
　　訓練2　下列對各組物質性質的比較中,正確的是 (　　)
A.熔點:LiMg
C.密度:Na>Mg>Al D.硬度:Mg【答案】B
【解析】Li—Na—K,金屬鍵減弱,熔點降低,A項錯誤;Na—Mg—Al,密度逐漸增大,C項錯誤;Mg的半徑小于K,外圍電子數Mg的多于K,Mg的金屬鍵強于K,硬度:Mg>K,D項錯誤。
任務2　金屬晶體
【學習情境】
晶胞與晶體就好比磚塊與墻、蜂室與蜂巢的關系。
【新知生成】
1.概念
(1)晶體:內部粒子(原子、離子或分子)在空間呈現有規則重復排列,外觀具有　　　　　　的固體物質。
(2)晶胞:能夠反映晶體結構特征的　　　　　　　　　。
2.金屬晶體的常見堆積方式
(1)金屬原子在二維平面中放置的兩種方式: 　　　　、　　　　。
(2)金屬晶體的原子在三維空間里的4種堆積模型:
堆積方式 實例
　　　堆積 釙
　　　堆積 鈉、鉀、鉻、鉬、鎢等
　　　堆積 金、銀、銅、鉛等
　　　堆積 鎂、鋅、鈦等
　　3.均攤法分析晶胞的組成
(1)均攤法:指在一個晶胞中按比例均攤出該晶胞中的每個粒子的個數,如某個粒子為n個晶胞所共有,則該粒子有　　　　屬于該晶胞。
(2)長方體形(正方體形)晶胞中不同位置原子數的計算:
處在立方體頂點的金屬原子為　　個晶胞所共享,處于立方體棱上的金屬原子為　　個晶胞所共享,處于立方體面上的金屬原子為　　　　　個晶胞所共享,處于立方體體心的金屬原子　　　　屬于該晶胞。
4.合金的組成和性質
(1)組成:一種金屬與另一種或幾種金屬(或非金屬)的融合體。
(2)性質:多數合金的熔點比它的成分金屬的熔點要 　　　　,而強度和硬度比它的成分金屬要　　　　。
【答案】1.(1)規則幾何外形　(2)基本重復單位
2.(1)非密置層　密置層　(2)簡單立方　體心立方 面心立方　六方
3.(1)　(2)8　4　2　完全
4.(2)低　大
【核心突破】
　　典例3　最近發現,只含鎂、鎳和碳三種元素的晶體竟然也具有超導性。鑒于這三種元素都是常見元素,從而該晶體引起了廣泛關注。該新型超導材料的一個晶胞(碳原子用小球“”表示,鎳原子用小球“”表示,鎂原子用大球“”表示)如圖所示,則該晶體的化學式為 (　　)
A.Mg2CNi3 　 B.MgC2Ni　 C.MgCNi2　 D.MgCNi3
【答案】D
【解析】根據該晶體的結構知該晶胞內Mg原子個數為8×=1,C原子個數為1,Ni原子個數為6×=3,所以該晶體的化學式為MgCNi3。
　　典例4　完成下列各小題:
(1)元素銅的一種氯化物晶體的晶胞結構如圖所示,則該氯化物的化學式是　　　。
(2)Cu2O為半導體材料,在其立方晶胞內部有4個氧原子,其余氧原子位于面心和頂點,則該晶胞中有　　個銅原子。
(3)某晶體晶胞結構模型如下圖所示,則該晶體的化學式是　　　　　　　,在晶體中1個Ti原子、1個Co原子周圍距離最近的O原子數目分別為　　　　個、　　　　個。
【答案】(1)CuCl　(2)16　(3)CoTiO3　6　12
【解析】(1)晶胞中灰球代表的微粒有4個,白球代表的微粒有6×+8×=4個,所以化學式為CuCl。
(2)晶胞中含氧原子個數為×8+×6+4=8,則該晶胞中銅原子數目是氧原子的2倍,即16個。
(3)晶胞中含O:6×=3個,含Co:8×=1個,含Ti:1個,故化學式為CoTiO3。Ti原子位于晶胞的中心,其周圍距離最近的O原子位于6個面的中心,所以周圍距離最近的O原子數目為6個;Co原子位于晶胞的頂點,O原子位于晶胞的面心,所以Co原子周圍距離最近的O原子數目為12個。
歸納總結　1.長方體形(正方體形)晶胞中不同位置的粒子數的計算:
2.六棱柱晶胞中不同位置的粒子數的計算:
　　訓練3　某晶體的晶胞為如圖所示的正三棱柱,該晶體中X、Y、Z三種微粒數之比是 (　　)
A.3∶9∶4 B.1∶4∶2 C.2∶9∶4 D.3∶8∶4
【答案】B
【解析】題圖中是1個正三棱柱結構的晶胞,它分攤到的微粒為頂點微粒的,底面棱上微粒的,側面棱上微粒的及內部的所有微粒,X都在頂點上,6個Y在頂面和底面棱上,3個Y在側面棱上,Z位于內部,所以X、Y、Z三種微粒數之比為∶∶1=1∶4∶2。　
　　訓練4　鐵鎂合金是目前已發現的儲氫密度較高的儲氫材料之一,其晶胞結構如圖所示(黑球代表Fe,白球代表Mg)。則鐵鎂合金的化學式為　　　　　　　。
【答案】Mg2Fe
【解析】依據均攤規則,晶胞中共有8×+6×=4個鐵原子,8個鎂原子,故化學式為Mg2Fe。
課堂小結
【隨堂檢測】
1.下列說法正確的是 (　　)
A.金屬晶體具有良好的延展性與金屬鍵無關
B.外圍電子數越多的金屬原子,對應元素的金屬性越強
C.Na、Mg、Al的熔點逐漸降低
D.含有金屬元素的離子不一定是陽離子
【答案】D
【解析】金屬晶體具有良好的延展性是由于各原子層發生相對滑動,但金屬鍵未被破壞,與金屬鍵有關,A項錯誤;外圍電子數多的金屬原子,對應元素的金屬性不一定強,如Fe的外圍電子數比Na多,但Fe的金屬性卻沒有Na強,B項錯誤;Na、Mg、Al的外圍電子數依次增多,原子半徑逐漸減小,金屬鍵依次增強,熔點逐漸升高,C項錯誤;含有金屬元素的離子不一定是陽離子,如Al是陰離子,D項正確。
2.有兩種金屬A和B,已知A、B在常溫下均為固態,且A、B屬于質軟的輕金屬,由A、B熔合而成的合金不可能具有的性質是 (　　)
A.導電、導熱、延展性比純A或B金屬強
B.常溫下為液態
C.硬度較大,可制造飛機
D.有固定的熔點和沸點
【答案】D
【解析】兩種金屬形成的合金為混合物,通常無固定組成,因此,其熔、沸點通常不固定。合金的熔點比組成它的金屬單質低,如Na、K常溫下為固體,而Na-K合金在常溫下為液態。輕金屬Mg-Al合金的硬度比Mg、Al高。
3.仔細觀察右圖,這種堆積方式是 (　　)
A.體心立方
B.簡單立方
C.六方
D.面心立方
【答案】B
【解析】題圖所示的堆積方式為簡單立方堆積,該堆積方式的空間利用率最低,只有52%,配位數為6,所以B項正確。
4.金屬晶體中金屬原子有三種常見的堆積方式,如圖所示,a、b、c分別代表這三種晶胞的結構,其晶胞a、b、c內金屬原子個數比為 (　　)
a　b　c
A.3∶2∶1 B.11∶8∶4 C.9∶8∶4 D.21∶14∶9
【答案】A
【解析】a晶胞中,頂點的微粒被6個晶胞共用,所以a中原子個數為12×+2×+3=6;b中原子個數為8×+6×=4;c中原子個數為8×+1=2。
5.東晉《華陽國志·南中志》卷四中已有關于白銅的記載,云南鎳白銅(銅鎳合金)聞名中外,曾主要用于造幣,亦可用于制作仿銀飾品。回答下列問題:
(1)基態Ni原子的電子排布式為　 ;
Ni2+與Cu2+的3d能級上未成對電子數之比為 　　　　　　。
(2)單質銅及鎳都是由　　　　鍵形成的晶體。
(3)Cu、N兩元素形成的某種化合物的晶胞結構如圖所示。該化合物的化學式為　　　　。
【答案】(1)1s22s22p63s23p63d84s2{或[Ar]3d84s2}　2∶1　(2)金屬　(3)Cu3N
【解析】(3)晶胞中Cu原子數目為12×=3,N原子數目為×8=1,該化合物的化學式為Cu3N。
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