高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2第2节 几种简单的晶体结构模型第1课时学案设计

第2节　几种简单的晶体结构模型

第1课时　金属晶体与离子晶体

金属晶体

1．(1)金属原子通过金属键形成的晶体称为金属晶体。

(2)金属键是指金属阳离子和“自由电子”之间的强的相互作用。

(3)由于“自由电子”为整个金属所共有，所以金属键没有方向性和饱和性。

2．金属晶体具有良好的延展性。由于金属通常采用密堆积方式，在锻压或捶打时，密堆积层的金属原子之间比较容易产生滑动，但金属密堆积层之间始终保持着金属键的作用。

3．金属晶体中原子的堆积方式也会影响金属的性质，如具有最密堆积结构的金属的延展性往往比具有其他结构的金属的延展性好。

离子晶体

1．概念及结构特点

(1)概念：阴、阳离子在空间呈现周期性重复排列所形成的晶体。

(2)结构特点

①构成微粒：阴离子和阳离子，离子晶体中不存在单个分子。

②微粒间的作用力：离子键。

2．晶格能是指将1_mol离子晶体完全气化为气态阴、阳离子所吸收的能量。

(1)吸收的能量越多，晶格能越大，表示离子间作用力越强，离子晶体越稳定。

(2)晶格能通常取正值，单位：kJ·mol－1。

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)金属键没有饱和性和方向性。(　　)

(2)金属发生形变时，金属键发生变化。(　　)

(3)金属晶体中原子的堆积方式也会影响金属的性质。(　　)

(4)离子晶体中不一定含有金属阳离子。(　　)

(5)离子晶体一定导电。(　　)

(6)晶格能越大，离子键越强，离子晶体的熔点越高。(　　)

答案　(1)√　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×　(6)√

解析　(2)金属键在整个晶体的范围内起作用，当金属发生形变时，金属键没有变化。

(5)离子晶体不导电，但在熔融状态或水溶液中能导电。

2．下列关于金属晶体的叙述正确的是(　　)

A．用铂金做首饰不能用金属键理论解释

B．固体或熔融后易导电、熔点在1000 ℃左右的晶体可能是金属晶体

C．Li、Na、Mg的熔点逐渐升高

D．温度越高，金属的导电性越好

答案　B

解析　用铂金做首饰是利用了金属晶体具有延展性的性质，能用金属键理论解释，故A错误；一般地讲，金属键的强弱与金属价电子数的多少有关，价电子数越多金属键越强，与金属阳离子的半径大小也有关，金属阳离子的半径越大，金属键越弱，金属键的强弱为Mg>Li>Na，其熔点也为Mg>Li>Na，故C错误；金属的导电性随温度升高而降低，温度越高，导电性越差，故D错误。

3．具有下列性质的物质可能属于离子晶体的是(　　)

A．熔点113 ℃，能溶于CS2

B．熔点44 ℃，液态时不导电

C．熔点1124 ℃，易溶于水

D．熔点180 ℃，固态时能导电

答案　C

解析　判断晶体属于哪一类时，可以根据晶体的性质进行判断。离子晶体的熔沸点较高，一般离子晶体易溶于水，不溶于非极性溶剂，固态时不导电，在熔融状态下或水溶液中能够导电。

4．下列有关NaCl晶体形成的热化学方程式中，能直接表示出氯化钠晶体的晶格能的是(　　)

A．2NaCl(s)===2Na(s)＋Cl2(g)　ΔH1

B．NaCl(s)===Na(s)＋Cl2(g)　ΔH2

C．NaCl(s)===Na＋(g)＋Cl－(g)　ΔH3

D．NaCl(g)===Na＋(g)＋Cl－(g)　ΔH4

答案　C

解析　根据晶格能定义：将1 mol离子晶体中的阴、阳离子完全气化而远离所吸收的能量，可知C项正确。

探究一　金属晶体

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，因而即使在外力作用下，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具有其他结构的金属的延展性好。

1．金属原子通过金属键形成金属晶体。

2．金属晶体的结构与金属性质的内在联系

(1)金属晶体结构与金属的导电性的关系

在金属晶体中，存在着许多自由电子，无外力作用下这些自由电子的运动是没有一定方向的，但在外加电场的作用下自由电子就会发生定向运动，因而形成电流，所以金属容易导电。

(2)金属晶体结构与金属的导热性的关系

金属容易导热，是由于自由电子运动时与金属离子碰撞把能量从温度高的部分传递到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。

(3)金属晶体结构与金属的延展性的关系

在金属晶体中，由于金属阳离子与自由电子间的相互作用没有方向性，各原子层之间受外力作用发生相对滑动以后仍可保持这种相互作用，因而金属晶体在外力作用下，即使发生形变也不易断裂。

3．金属熔、沸点的变化规律

金属单质是以金属键结合的，金属键越强，熔、沸点越高，金属键的强弱则与金属阳离子的半径和离子所带电荷数有关。具体说，金属阳离子半径越小，离子所带电荷数越多，金属键越强，金属单质的熔、沸点越高。

(1)同周期主族元素的金属单质，从左到右，阳离子半径逐渐减小，离子所带电荷数逐渐增多，金属键逐渐增强，熔、沸点逐渐升高，如Na、Mg、Al。

(2)同主族元素的金属单质，从上到下，由于原子的电子层数逐渐增加，阳离子半径逐渐增大，离子所带电荷数相同，金属键逐渐减弱，熔、沸点逐渐降低，如碱金属。

1．常见金属晶体的结构

金属晶体可看作是金属原子在三维空间(一层一层地)堆积而成。根据每一层中金属原子的二维放置方式不同分为两类：非密置层堆积(包括简单立方堆积和体心立方密堆积)，密置层堆积(包括六方最密堆积和面心立方最密堆积)。

2．金属晶体的堆积原理

组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时，在空间的排列大都服从紧密堆积原理。这是因为在金属晶体中，金属键没有方向性和饱和性，因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围，并以密堆积方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。

1．金属钠晶体的晶胞为体心立方晶胞()，晶胞的边长为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(　　)

A.  B．

C．    D．2a

答案　B

解析　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为晶胞的边长，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＝a，结合AB2＋BC2＝AC2得：r＝。

2．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)。

答案　(1)4　(2)

解析　(1)一个晶胞中Al原子的数目为8×＋6×＝4。

(2)把数据代入公式ρV＝M得ρ×(2d)3＝，解得ρ＝。利用公式求金属晶体的密度，关键是找出晶胞正方体的边长。本题中面对角线的长度为4d，然后根据边长的倍等于面对角线的长度可求得晶胞正方体的边长。

探究二　离子晶体

影响晶格能大小的因素有哪些？

提示：影响晶格能的因素：离子所带的电荷数和阴、阳离子间的距离。晶格能与离子所带电荷数的乘积成正比，与阴、阳离子间的距离成反比。

1．离子晶体

(1)离子晶体是由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。

(2)离子晶体微粒之间的作用力是离子键。由于静电作用没有方向性，故离子键没有方向性。只要条件允许，阳离子可以尽可能多地吸引阴离子，同样，阴离子可以尽可能多地吸引阳离子，故离子键也没有饱和性。在离子晶体中阴、阳离子半径越小，所带电荷数越多，晶格能越大，离子键越强。

(3)离子晶体中不存在单个分子，晶体的化学式只表示晶体中阴、阳离子的个数比，而不表示分子的组成。

2．晶格能

(1)影响晶格能大小的因素主要是离子半径、离子所带电荷等。例如，随着卤素离子半径的增大，卤化物的晶格能降低。一般情况下，高价离子化合物的晶格能远大于低价离子化合物的晶格能，如晶格能：TiN>MgO>NaCl。

(2)一般情况下，离子化合物都有较高的熔点和沸点，这和它们的离子晶体有很大的晶格能有关。

(3)晶格能的大小决定离子晶体的稳定性。晶格能越大，表示离子键越强，晶体越稳定，熔化或破坏离子晶体时消耗的能量就越多，即相应的离子晶体的熔点就越高，硬度就越大。

1．影响离子键强度的因素

(1)离子电荷数的影响：电荷数越多，晶格能越大，离子键越牢固，离子晶体的熔点越高、硬度越大。

(2)离子半径的影响：半径越大，导致离子核间距越大，晶格能越小，离子键越易断裂，离子晶体的熔点越低、硬度越小。

2．离子晶体的判断方法

(1)依据组成晶体的微粒和微粒间的作用力判断。

(2)依据物质类别判断。活泼金属氧化物、强碱和绝大多数盐类是离子晶体。

(3)依据导电性判断。离子晶体溶于水和熔融状态下均导电。

(4)依据熔、沸点和溶解性判断。离子晶体熔、沸点较高，多数能溶于水，难溶于有机溶剂。

3．如图为NaCl和CsCl的晶体结构，下列说法错误的是(　　)

A．NaCl和CsCl都属于AB型的离子晶体

B．NaCl和CsCl晶体中阴、阳离子个数比相同

C．NaCl和CsCl晶体中与阳离子紧邻的阴离子数分别为6和8

D．NaCl和CsCl都属于AB型的离子晶体，所以阳离子与阴离子的半径比相同

答案　D

解析　NaCl和CsCl都是由阴、阳离子通过离子键构成的晶体，阴、阳离子个数之比都为1∶1，则都属于AB型的离子晶体，故A、B正确；结合题图可知，NaCl为面心立方结构，与钠离子紧邻的氯离子数为6，CsCl为体心立方结构，与铯离子紧邻的氯离子数为8，故C正确；NaCl和CsCl都属于AB型的离子晶体，但钠离子半径小于铯离子半径，则NaCl的阳离子与阴离子的半径比小于CsCl的，故D错误。

4．根据表格数据回答下列有关问题：

(1)已知NaBr、NaCl、MgO等离子晶体的核间距离和晶格能如下表所示：

①NaBr晶体比NaCl晶体晶格能________(填“大”或“小”)，主要原因是______________________________。

②MgO晶体比NaCl晶体晶格能大，主要原因是________________________

________________________________________________________________。

③NaBr、NaCl和MgO晶体中，熔点最高的是________。

(2)Cu2O的熔点比Cu2S的________(填“高”或“低”)，请解释原因：

________________________________________________________________

_______________________________________________________________。

(3)NaF的熔点________(填“>”“<”“或“＝”)KCl的熔点，其原因是

_________________________________________________________________

________________________________________________________________。

答案　(1)①小　NaBr比NaCl的离子核间距大　②氧化镁晶体中的阴、阳离子的电荷数绝对值大，并且离子的核间距小　③MgO　(2)高　O2－半径小于S2－的半径，Cu2O的离子键强于Cu2S的离子键，所以Cu2O的熔点比Cu2S的高　(3)>　两者均为离子化合物，且电荷数均为1，但后者离子半径大，离子键较弱，因此熔点较低

离子晶体结构类型相同时，离子所带电荷数越多，离子半径越小，晶格能越大，晶体越稳定，熔、沸点越高，硬度越大。

本课小结

金属键——

离子键——

课时作业

一、选择题(本题共8小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．下列关于金属晶体的说法正确的是(　　)

A．金属晶体中只有金属原子

B．金属晶体中存在单个分子

C．金属晶体由金属阳离子和阴离子构成

D．金属晶体中有金属阳离子，没有阴离子

答案　D

解析　金属晶体是金属阳离子和自由电子通过金属键形成的晶体，不存在单个的分子，只有金属阳离子，没有阴离子，故D正确。

2．金属的下列性质中，与自由电子无关的是(　　)

A．密度大小  B．容易导电

C．延展性好  D．易导热

答案　A

解析　金属的导电性、导热性、延展性均与自由电子有关。

3．某晶体的下列性质可作为判断它是离子晶体的充分依据的是(　　)

A．具有较高的熔点和较大的硬度

B．固态不导电，其水溶液能导电

C．可溶于水

D．固态不导电，熔融态能导电

答案　D

解析　A项，如金刚石具有较高的熔点和较大的硬度，金刚石不是离子晶体，所以由A项不能确定是离子晶体；B项，如HCl、AlCl3等共价化合物固态不导电，它们的水溶液能导电，所以由B项不能确定是离子晶体；C项，如HCl、H2SO4等可溶于水，但它们形成的不是离子晶体，所以由C项不能确定是离子晶体。

4．离子晶体不可能具有的性质是(　　)

A．较高的熔、沸点  B．良好的导电性

C．溶于极性溶剂  D．坚硬而易粉碎

答案　B

解析　离子晶体是阴、阳离子通过离子键结合而成的，在固态时，阴、阳离子受到彼此的束缚不能自由移动，因而不导电。离子晶体只有在溶于水或熔融时，电离成可以自由移动的阴、阳离子才可以导电。

5．金属晶体堆积密度大，原子配位数大，能充分利用空间的原因是(　　)

A．金属原子价电子数少

B．金属晶体中有自由电子

C．金属原子的半径大

D．金属键没有饱和性和方向性

答案　D

解析　由于金属键无饱和性和方向性，从而使金属晶体堆积密度大，原子配位数大，空间利用率高。

6．体心立方密堆积、面心立方最密堆积和六方最密堆积是金属晶体中金属原子常见的堆积方式，这三种堆积方式的结构单元分别如图甲、乙、丙所示，则甲、乙、丙三种结构单元中，金属原子个数比为(　　)

A．1∶2∶3  B．2∶4∶17

C．4∶5∶6  D．9∶14∶17

答案　A

解析　甲结构单元中所含金属原子数目为8×＋1＝2，乙结构单元中所含金属原子数目为8×＋6×＝4，丙结构单元中所含金属原子数目为12×＋2×＋3＝6。

7．下列关于晶格能的说法正确的是(　　)

A．晶格能是指形成1 mol离子键所放出的能量

B．晶格能是指破坏1 mol离子键所吸收的能量

C．晶格能是指1 mol离子晶体完全气化为气态阴、阳离子所吸收的能量

D．晶格能的大小与晶体的熔点、硬度都无关

答案　C

解析　根据晶格能定义可知C正确。

8．NaF、NaI、MgO均为NaCl型离子晶体，由下表判断这三种化合物的熔点高低顺序是(　　)

A．①>②>③  B．③>①>②

C．③>②>①  D．②>①>③

答案　B

解析　离子晶体中阴、阳离子的核间距越小，离子所带的电荷越多，其晶格能越大，熔点就越高。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

9．下列有关金属的叙述正确的是(　　)

A．金属受外力作用时常常发生变形而不易折断，是因为金属离子之间有较强的作用

B．通常情况下，金属中的自由电子会发生定向移动而形成电流

C．金属是借助金属离子的运动将能量从温度高的部分传到温度低的部分

D．一般情况下，金属的导电性随温度的升高而减弱

答案　D

解析　金属受外力作用时常常发生变形而不易折断，是因为金属晶体中各原子层会发生相对滑动，由于金属离子与自由电子之间的相互作用(金属键)没有方向性，滑动以后，各层之间仍保持着这种相互作用(金属键仍然存在)，故A错误；金属中的自由电子要在外加电场作用下才能发生定向移动形成电流，故B错误；金属的导热性是通过自由电子与金属离子间的碰撞，将能量从高温部分传到低温部分，故C错误；一般情况下，温度升高，电阻升高，金属的导电性减弱，故D正确。

10．金晶体采取面心立方最密堆积。设金原子的直径为d，用NA表示阿伏加德罗常数，M表示金的摩尔质量。则下列说法错误的是(　　)

A．金晶体每个晶胞中含有4个金原子

B．金属键无方向性，金属原子尽可能采取紧密堆积

C．一个晶胞的体积是16d3

D．金晶体的密度是

答案　CD

解析　A项，Au原子处于立方体的顶点与面心上，故晶胞中含有的Au原子数目为8×＋6×＝4，正确；B项，金属晶体中，金属键无方向性，金属原子采取紧密堆积，正确；C项，在立方体的各个面的对角线上有3个金原子，金原子的直径为d，故面对角线长度为2d，晶胞棱长为×2d＝d，故晶胞的体积为(d)3＝2d3，错误；D项，晶胞中含有4个原子，故晶胞的质量为，晶胞的体积为2d3，故晶胞的密度为＝，错误。

11．下列关于离子晶体的描述不正确的是(　　)

A．离子晶体是阳离子和阴离子通过静电吸引力结合而成的晶体

B．晶格能：NaF>NaCl>NaBr>NaI

C．硬度：MgO>CaO>BaO

D．在氯化钠晶体中，与Na＋距离最近的Cl－数为12

答案　AD

解析　离子晶体是阳离子和阴离子通过静电作用力结合而成的晶体，A错误；r(F－)<r(Cl－)<r(Br－)<r(I－)，所以晶格能：NaF>NaCl>NaBr>NaI，B正确；r(Mg2＋)<r(Ca2＋)<r(Ba2＋)，所以硬度：MgO>CaO>BaO，C正确；在氯化钠晶体中，与Na＋距离最近的Cl－数为6，D错误。

12．已知某离子晶体的晶胞如图所示，其摩尔质量为M g/mol，阿伏加德罗常数的值为NA，晶体的密度为d g/cm3。下列关于该晶体的说法正确的是(　　)

A．晶胞中L、R离子的个数都为1

B．L离子周围与它距离最近的R离子数是4

C．该晶胞可能是NaCl的晶胞

D．该晶体中两个距离最近的R的核间距为  cm

答案　C

解析　R位于晶胞顶点及面心，R的数目为8×＋6×＝4，L位于晶胞棱及体心，L的数目为12×＋1＝4，A错误；L离子周围与它距离最近的R离子数为6，B错误；设该晶胞边长为a cm，两个距离最近的R的核间距相当于晶胞中某一面对角线的一半，即为a cm，晶胞中含有4个R和4个L，则晶胞的质量为4× g，所以晶体的密度为 g/cm3＝d g/cm3，所以a＝，两个距离最近的R的核间距为a cm＝ cm，D错误。

三、非选择题(本题共3小题)

13．如图表示NaCl晶胞，直线交点处的圆圈为Na＋或Cl－所处的位置。这两种离子在空间三个互相垂直的方向上都是等距离排列的。

(1)请将其中代表Cl－的圆圈涂黑(不必考虑离子半径大小)，以完成NaCl晶胞示意图。

(2)晶体中，在每个Na＋的周围与它最近且距离相等的Na＋共有________个。

(3)一个NaCl晶胞中Cl－的个数等于__________，即________(填计算式)；Na＋的个数等于__________，即____________(填计算式)。

答案　(1)图见解析　(2)12　(3)4　8×＋6×＝4[与(1)对应，下同]　4　12×＋1＝4

解析　(1)如图所示(答案不唯一，合理即可)

(2)从体心处的Na＋看，与它最近且距离相等的Na＋共有12个。

(3)用“切割法”求晶胞中阴、阳离子的个数，(1)中所示的NaCl晶胞中，所含Na＋的个数为12×＋1＝4，所含Cl－的个数为8×＋6×＝4。

14．原子序数逐渐增大的A、B、C、D、E五种短周期主族元素的部分信息如下表：

请根据以上信息回答问题。

(1)C的氧化物的化学式为________，A原子结构示意图为________。

(2)B、C、D形成的单质的熔点从低到高的顺序为__________(填元素符号)。

(3)A、C所形成的化合物的晶体结构与氯化钠晶体结构相似，则晶胞中每个阳离子周围等距且紧邻的阴离子数目为________，晶体中阴、阳离子个数比为________。

(4)A、D所形成晶体的熔点比C、E所形成晶体的熔点________(填“高”或“低”)，原因是___________________________________________________。

答案　(1)MgO　　(2)Na<Mg<Al　(3)6　1∶1

(4)高　离子半径：Al3＋<Mg2＋、O2－<Cl－，且Al2O3中离子所带电荷比MgCl2中多，故Al2O3中的离子键更强，晶格能更大

解析　由题意可推知：A为O，B为Na，C为Mg，D为Al，E为Cl。

(2)Na、Mg、Al属于金属晶体，其对应的金属阳离子的半径逐渐减小，且所带电荷逐渐增多，所以形成的金属键逐渐增强，熔点逐渐升高。

(4)Al2O3的晶格能比MgCl2的大，故Al2O3的熔点比MgCl2的高。

15．(1)图甲为晶体的二维平面示意图，所表示物质的化学式可能为AX2的是________(填“a”或“b”)。

(2)图乙为金属铜的晶胞示意图，请回答下列问题。

①该晶胞实际含有的铜原子数是________。

②该晶胞称为________(填序号)。

A．六方晶胞  B．体心立方晶胞

C．面心立方晶胞  D．简单立方晶胞

③该晶胞的边长为a cm，Cu的摩尔质量为64 g·mol－1，金属铜的密度为ρ g·cm－3，则阿伏加德罗常数为________(用含a、ρ的代数式表示)。

答案　(1)a　(2)①4　②C　③ mol－1

解析　(1)由图中直接相邻的原子数可求得a、b中A、X个数之比分别为1∶2、1∶3，则其所代表物质的化学式分别可能为AX2、AX3。

(2)①采用切割法，则该晶胞实际含有的铜原子数为8×＋6×＝4。②该晶胞为面心立方晶胞。③由×64 g·mol－1＝ρ g·cm－3×(a cm)3，解得NA＝ mol－1。