化学选择性必修2第2节 几种简单的晶体结构模型第1课时导学案

这是一份化学选择性必修2第2节 几种简单的晶体结构模型第1课时导学案，共12页。学案主要包含了解题指南，母题追问，补偿训练等内容，欢迎下载使用。

金属晶体
1．概念
金属原子通过金属键形成的晶体称为金属晶体。
2．常见金属晶体的堆积特点及方式
(1)特点：金属键可看作金属阳离子和“自由电子”之间的强的相互作用，而且“自由电子”为整个金属所共有，导致金属键没有饱和性和方向性，因此金属晶体可看作等径圆球的堆积。
(2)堆积方式：如图为两种球堆积的两种方式
如果将层与层之间再相互叠放在一起，变成了晶体的堆积模型，下图为两种通过密置层叠放而得到的最密堆积方式。
3．常见金属晶体的结构
4．物理通性
(1)通性：金属晶体具有金属光泽，有良好的延性、展性和可塑性。
(2)原因：金属键在整个晶体的范围内起作用。在锻压或锤打时，密堆积层的金属原子之间比较容易产生滑动，这种滑动不会破坏密堆积的排列方式，而且在滑动过程中“自由电子”能够维系整个金属键的存在，因此金属晶体虽然发生了形变但不致断裂。
(1)晶体中含有阳离子就一定含有阴离子吗？
提示：不一定。金属晶体由金属阳离子和自由电子构成，不含阴离子。
(2)金属在通常状况下都是晶体吗？金属晶体的性质与哪些因素有关？
提示：不是，如汞。金属键和金属原子的堆积方式决定金属的性质。
(3)判断下列说法是否正确
①同主族金属元素自上而下，金属单质的熔点逐渐降低，体现金属键逐渐减弱。( √ )
提示：一般来说金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属晶体内部作用力越强，因而晶体熔点越高、硬度越大。所以以上说法正确。
②金属能导电，所以金属晶体是电解质。( × )
提示：电解质必须是化合物，所以错误。
③金属晶体和电解质溶液在导电时均发生化学变化。( × )
提示：金属导电并不产生新物质，不发生化学变化。
(4)(情境思考)飞机制造中使用大量合金。
①金属为什么具有较好的延展性？
提示：金属晶体中由于金属阳离子与自由电子间的相互作用没有方向性，各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而在外力作用下，发生形变也不易断裂。金属晶体中原子的堆积方式也会影响金属的性质，具有最密堆积结构的金属延展性往往比其他结构的金属的延展性好。
②合金为何比纯金属的性质优越？
提示：合金内加入了其他元素或大或小的原子，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难。因此，在一般情况下，合金比纯金属硬度高、强度大、耐磨性高。
关键能力·合作学习
知识点 金属晶体
1．金属物理通性的解释
2．金属熔点和硬度大小的影响因素
(1)金属的熔点、硬度等取决于金属晶体内部作用力的强弱。一般来说金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属晶体内部作用力越强，因而晶体熔点越高、硬度越大。金属晶体的熔点变化差别较大。
(2)同类型金属晶体，金属晶体的熔点由金属阳离子半径、离子所带的电荷决定，阳离子半径越小，所带电荷越多，相互作用力就越大，熔点就越高。如熔点：Li>Na>K>Rb>Cs，Na3．金属晶体的结构
常见金属晶体的四种结构如下表所示：
(情境应用)已知金属钠晶体的晶胞如下，晶胞的棱长为
a假定金属钠原子为等径的刚性球，且晶胞中处于体对角线上的三个球相切。则钠原子的半径r为多少？
提示： eq \f(\r(3)a,4) 。如果沿着某一面的对角线对晶胞作横切面，可得如图所示的结构，其中AB为晶胞的棱长，BC为晶胞的面对角线，AC为晶胞的体对角线。根据立方体的特点可知：BC＝ eq \r(2) a，结合AB2＋BC2＝AC2得r＝ eq \f(\r(3)a,4) 。
【典例】Al的晶体中原子的堆积方式如图甲所示，其晶胞特征如图乙所示，原子之间相互位置关系的平面图如图丙所示。
若已知Al的原子半径为d，NA代表阿伏加德罗常数，Al的相对原子质量为M，请回答：
(1)一个晶胞中Al原子的数目为__________。
(2)该晶体的密度为__________(用字母表示)。
【解题指南】(1)解决本题需要特别注意观察题目中各个图示，发挥空间想象力，从而明确配位数及晶胞中原子个数。
(2)计算密度时关键要充分结合密度的计算公式，还要结合前面的空，明确晶胞中原子个数。
【解析】(1)一个晶胞中Al原子的数目为8× eq \f(1,8) ＋6× eq \f(1,2) ＝4。(2)把数据代入公式ρV＝ eq \f(N,NA) M得ρ×(2 eq \r(2) d)3＝ eq \f(4,NA) M，解得ρ＝ eq \f(M,4\r(2)d3NA) 。利用公式求金属晶体的密度，关键是找出晶胞正方体的棱长。本题中面对角线的长度为4d，然后根据棱长的 eq \r(2) 倍等于面对角线的长度可求得晶胞正方体的棱长。
答案：(1)4 (2) eq \f(M,4\r(2)d3NA)
【母题追问】(1)最近的Al原子之间的距离a是多少？
提示：根据图乙可知，最近的两个Al原子之间的距离为面对角线的一半，即a＝2d。
(2)Al与Ga都属于第ⅢA主族，那么金属Al与金属Ga的硬度如何？
提示：Al与Ga都属于同主族元素，价电子数相同，离子所带电荷数相同，Al3＋半径小于Ga3＋，所以Al的硬度更大。
晶胞密度的计算方法
(1)以晶胞为研究对象，运用切割法分析每个晶胞中含有的微粒数，计算一个晶胞的质量m＝ eq \f(n·M,NA) (NA为阿伏加德罗常数，n为晶胞中所含微粒个数，M为所含微粒的摩尔质量)。
(2)结合晶胞中的几何关系，计算一个晶胞的体积，用m＝ρ·V的关系计算。
已知，1 183 K以下纯铁晶体的基本结构单元如图1所示，1 183 K以上转变为图2所示的基本结构单元，在两种晶体中最邻近的铁原子间距离相同。
在1 183 K以下的纯铁晶体中，与体心铁原子等距离且最近的铁原子数是多少？在1 183 K以上的纯铁晶体中，与面心铁原子等距离且最近的铁原子数是多少？
提示：8；12。在1 183 K以下的纯铁晶体中，与体心铁原子等距离且最近的铁原子是8个顶点的铁原子；在1 183 K以上的纯铁晶体中，与面心铁原子等距离且最近的铁原子有12个。
【补偿训练】
(2021·武汉高二检测)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中都是自由电子
B．金属不透明且具有金属光泽与自由电子有关
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．金属导电的实质是金属阳离子在外电场作用下的定向移动
【解析】选B。A中金属原子脱落下来的电子是自由电子， 其导电的实质是自由电子的定向移动， 故 A、 D错。C中金属原子失电子越容易， 还原性越强， 其还原性的强弱与失去电子的数目多少无关，故C错。金属中自由电子能够吸收波长范围极广的光并很快放出， 使得金属不透明且具有金属光泽， 故B正确。
三言两语话重点
1．金属晶体是指金属阳离子和“自由电子”通过金属键形成的晶体。
2．金属晶体的物理通性包括金属光泽、导电性、导热性、延展性。
3．金属键的影响因素：离子半径和离子所带电荷数。
课堂检测·素养达标
1．下列金属晶体中，自由电子与金属阳离子间作用最弱的是( )
A．K B．NaC．Mg D．Al
【解析】选A。四种金属中钾的原子半径最大，相同体积内自由电子数较少，所以金属键最弱，即金属阳离子和自由电子间的作用最弱。
2．(双选)下列关于金属晶体的叙述正确的是( )
A．温度越高，金属的导电性越弱
B．常温下，金属单质都以金属晶体形式存在
C．金属晶体中金属原子紧密堆积，能充分利用空间的原因是金属键没有饱和性和方向性
D．金属阳离子与自由电子之间的强烈作用，在外力作用下会发生断裂，故金属无延展性
【解析】选A、C。温度升高，金属离子的热运动加快，对自由电子的移动造成阻碍，导电性减弱，A项正确；常温下，Hg为液态，不属于晶体形态，B项错误；金属键无方向性和饱和性，在外力作用下，一般不会断裂，即金属具有延展性，D项错误；正是因为金属键无方向性和饱和性，所以金属晶体中的金属原子一般采用最密堆积，尽量充分利用空间，C项正确。
3．如图是金属晶体内部结构的简单示意图，仔细观察该结构，以下有关金属能导电的理由中正确的是( )
A.金属能导电是因为含有金属阳离子
B．金属能导电是因为含有的自由电子在外加电场作用下做定向运动
C．金属能导电是因为含有电子且无规则运动
D．金属能导电是因为金属阳离子和自由电子的相互作用
【解析】选B。金属中含有金属阳离子和自由电子，自由电子属于整块金属，能够自由移动，在外加电场的作用下，自由电子定向移动，从而能够导电。
【补偿训练】
金属的下列性质中和金属晶体的结构无关的是( )
A．良好的导电性B．反应中易失电子
C．良好的延展性 D．良好的导热性
【解析】选B。金属的物理性质是由金属晶体结构所决定的，A、C、D三项都是金属共有的物理性质，这些性质都是由金属晶体结构所决定的。B项，金属易失电子是由金属原子的结构决定的，和晶体结构无关。
4．(双选)要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体熔、沸点高低和硬度大小一般取决于金属键的强弱，而金属键的强弱与金属阳离子所带电荷的多少及半径大小有关。由此判断下列说法正确的是( )
A．金属镁的硬度大于金属铝
B．碱金属单质的熔、沸点从Li到Cs是逐渐降低的
C．金属镁的熔点大于金属钠
D．金属镁的硬度小于金属钙
【解析】选B、C。钠、镁、铝所对应的阳离子半径依次减小，且Na＋、
Mg2＋、Al3＋的电荷数依次增加，所以熔、沸点和硬度Na5．在金属晶体中，如果金属原子的价电子数越多，金属阳离子的半径越小，自由电子与金属阳离子间的作用力越大，金属的熔点越高。由此判断下列各组金属熔点的高低顺序，其中正确的是( )
A．Mg＞Al＞Ca B．Al＞Na＞Li
C．Al＞Mg＞Ca D．Mg＞Ba＞Al
【解析】选C。Al的价电子比Mg多，半径比Mg小，所以Al 的熔点比Mg高，Ca的价电子与Mg相等，半径比Mg大，所以Ca 的熔点比Mg低，故A、D错误，C正确。因Li、Na的电荷相同，钠原子半径＞锂原子半径，则熔点为Na＜Li，故B错误。
素养新思维
6．2020年12月17日嫦娥5号返回器带回月球土壤样品。研究发现，月球土壤样品中存在铁、铜、金、银、铅、锌等矿物颗粒。回答下列问题：
(1)铁原子的电子排布式为____________________；铁晶体中铁原子以__________键相互结合。
(2)铜的晶胞示意图为________________(填字母)。晶胞中所含的铜原子数为__________个。金属铜晶胞的棱长为a cm。又知铜的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数为__________。
【解析】(1)根据构造原理，铁原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，因为铁是金属，所以铁晶体中铁原子以金属键相互结合。(2)铜的1个晶胞能分摊到4个Cu原子；1个晶胞的体积为a3 cm3；一个晶胞的质量为a3ρ g；由 eq \f(64 g·ml－1×4,NA) ＝a3ρ g，得NA＝ eq \f(256,a3ρ) ml－1。
答案：(1)1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2) 金属
(2)d 4 eq \f(256,a3ρ) ml－1
常见金属
Ca、Cu、Au、Al、Pd、Pt、Ag
Li、Na、K、Ba、W、Fe
Mg、Zn、Ti
结构示意图
配位数
12
8
12
晶胞特点
立方体，顶点处各有一个微粒，每个面心有一个微粒
立方体，顶点处各有一个微粒，晶胞中心有一个微粒
非立方体或长方体，底面中棱的夹角不是直角
结构示
意图
晶胞
配位数
6
8
12
12
空间利用率及a与r的关系(a为晶胞棱长，r为金属原子半径)
52%
a＝2r(位于边上的两个原子相切)
68%
eq \r(3) a＝4r(位于体对角线上的三个原子相切)
74%
eq \r(2) a＝4r(位于面对角线上的三个原子相切)
74%
设底边棱长为a，晶胞高为h，则a＝2r(底边上的两个原子相切)，h＝ eq \f(2\r(6),3) a