高中化学人教版 (2019)选择性必修2第三节 金属晶体与离子晶体第一课时导学案

第三节　金属晶体与离子晶体

第一课时　金属键与金属晶体

[明确学习目标]　1.知道金属键的含义，能用金属键理论解释金属的一些物理性质。2.知道金属晶体的构成微粒、微粒间作用力以及与其他晶体的区别。

1．金属键

(1)概念：金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有的金属原子维系在一起，形成一种“巨分子”。

(2)描述金属键本质的最简单理论是“电子气理论”。

2．金属晶体的物理通性

(1)金属晶体

金属(除汞外)在常温下都是晶体，称为金属晶体，在金属晶体中原子之间以金属键相互结合。

(2)用电子气理论解释金属的性质

3．金属晶体的种类

金属晶体中，除了纯金属，还有大量的合金，如碳钢、锰钢、不锈钢；青铜、白铜和黄铜。

1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。

(1)钙的熔、沸点低于钾。(　　)

(2)金属晶体是一种“巨分子”。(　　)

(3)金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共用。(　　)

(4)金属原子在化学变化中失去的电子数越多，其还原性越强。(　　)

(5)金属晶体都有很高的熔点和很大的硬度。(　　)

答案　(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)×

解析　(1)钙的熔、沸点比钾高。

(4)金属单质的还原性取决于金属原子失去电子的难易程度，与失电子的多少无关。

(5)金属晶体的熔点和硬度差别较大，如碱金属晶体一般熔点都较低，硬度很小。

2．下列有关金属键的叙述错误的是(　　)

A．金属键没有饱和性和方向性

B．金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的静电吸引作用

C．金属键中的自由电子属于整块晶体

D．金属的部分性质与金属键有关

答案　B

解析　A项，金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有的金属原子维系在一起，故金属键无饱和性和方向性；B项，金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈作用，既包括静电吸引作用，也包括静电排斥作用；C项，金属键中的自由电子被所有原子共用，属于整块晶体。

3．下图是金属晶体内部的电子气理论示意图。

电子气理论可以用来解释金属的性质，其中正确的是(　　)

A．金属能导电是因为金属阳离子在外加电场作用下定向移动

B．金属能导热是因为自由电子在热的作用下相互碰撞，从而发生热的传导

C．金属具有延展性是因为在外力的作用下，金属各原子层间会出现相对滑动，但自由电子可以起到润滑的作用，使金属不会断裂

D．合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，使电子数目增多，所以合金的延展性比纯金属强，硬度比纯金属小

答案　C

解析　金属能导电是因为自由电子在外加电场作用下定向移动，A错误；金属能导热是因为自由电子在热的作用下与金属原子碰撞，从而发生热的传导，B错误；合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，相当于填补了金属阳离子之间的空隙，所以一般情况下合金的延展性比纯金属弱，硬度比纯金属大，D错误。

4．下列关于金属晶体的说法正确的是(　　)

A．用铂金做首饰不能用金属键理论解释

B．不同金属晶体中金属键的强度不同

C．Li、Na、K的熔点逐渐升高

D．金属导电和熔融电解质导电的原理一样

答案　B

解析　A项，用铂金做首饰，主要是因为铂金具有良好的延展性，可用金属键理论解释，错误。C项，碱金属元素原子的半径越大，金属键越弱，则其单质的熔、沸点越低，故熔点：Li>Na>K，错误。D项，金属导电依靠的是自由移动的电子，熔融电解质导电依靠的是自由移动的离子，二者导电原理不一样，错误。

知识点　金属晶体的物理通性

1．电子气理论对金属通性的解释

金属共同的物理性质：易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。

(1)金属导电性的解释

在金属晶体中，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移动，因而形成电流，所以金属容易导电。

(2)金属导热性的解释

金属容易导热，是由于电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。

(3)金属延展性的解释

当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用，所以在各原子层发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使在外力作用下发生形变，金属键也不易断裂。因此，金属都有良好的延展性。

说明：当向金属晶体中掺入不同的金属或非金属原子时，就像在滚珠之间掺入了细小而坚硬的砂土或碎石一样，会使这种金属的延展性甚至硬度发生改变，这也是对金属材料形成合金以后性能发生改变的一种比较粗浅的解释。

2．金属晶体的物理通性和物理性质的差异

(1)由于金属晶体中存在大量的自由电子和金属离子(或原子)排列很紧密，使金属具有很多共同的性质。

①状态：通常情况下，除Hg外都是固体；②有自由电子存在，是良好的导体；③自由电子与金属离子碰撞传递热量，具有良好的传热性能；④自由电子能够吸收所有频率的光并能很快放出，使金属不透明，且有光泽；⑤当受到外力作用时晶体中各原子层发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，所以金属具有良好的延展性和可塑性；⑥金属间能“互溶”，易形成合金。

(2)金属除有共同的物理性质外，还具有各自的特性。不同的金属在某些性质方面(如密度、硬度、熔点等)又表现出很大差别。这与金属原子、晶体中原子的排列方式等因素有关。

[解析]　当金属晶体受到外力作用时，各原子层发生相对滑动而金属键不断裂，因此金属晶体具有良好的延展性，A正确；金属内部有自由电子，当有外加电压时电子定向移动，有良好的导电性，B正确；常温下，金属单质汞为液态，不是以金属晶体的形式存在，C错误；一般情况下，金属温度越高，自由电子热运动加剧，阻碍自由电子的定向运动，所以金属的导电性差，D正确。

[答案]　C

[练1]　金属键的形成是通过(　　)

A．金属原子与自由电子之间的相互作用

B．金属离子与自由电子之间强烈的相互作用

C．自由电子之间的相互作用

D．金属离子之间的相互作用

答案　B

解析　金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共用，金属阳离子和自由电子(电子气)之间存在的强烈的相互作用称为金属键，故选B。

[练2]　下列关于金属性质和原因的描述不正确的是(　　)

A．金属一般具有银白色光泽，是物理性质，与金属键没有关系

B．金属具有良好的导电性，是因为金属晶体中共享了金属原子的价电子，形成了“电子气”，在外电场的作用下自由电子定向移动便形成了电流

C．金属具有良好的导热性能，是因为自由电子通过与金属阳离子发生碰撞，传递了能量

D．金属晶体具有良好的延展性，是因为金属晶体中的原子层可以滑动而不破坏金属键

答案　A

解析　金属中的自由电子吸收了可见光，又把各种波长的光大部分再反射出来，因而金属一般显银白色光泽；金属具有导电性是因为在外加电场作用下，自由电子定向移动形成电流；金属具有导热性是因为自由电子受热后，与金属阳离子发生碰撞，传递能量；良好的延展性是因为原子层滑动，但金属键未被破坏。

知识拓展

金属晶体熔、沸点的判断

金属晶体熔点变化差别较大。如汞在常温下是液体，熔点很低(－38.9 ℃)，而铁(1535 ℃)等金属熔点很高。这是由于金属晶体密堆积方式、金属阳离子与自由电子的静电作用(金属键)不同而造成的差别。

金属晶体的熔、沸点高低和金属键的强弱有关。金属原子价电子数越多，离子半径越小，金属离子与自由电子的作用力就越强，晶体的熔、沸点就越高，反之越低。

例如：元素周期表中碱金属单质的熔、沸点从上到下逐渐降低——价电子数相同，离子半径逐渐增大。

本课归纳总结

1．下列有关金属晶体的说法中正确的是(　　)

A．金属晶体中既有阳离子又有阴离子

B．最外层电子数少于3的原子一定都是金属

C．任何状态下都有延展性

D．都能导电、传热

答案　D

解析　金属晶体中只有阳离子，没有阴离子，A错误。H、He最外层电子数都少于3，但它们不是金属，B错误。在液态时，由于金属具有流动性，不具备延展性，C错误。金属晶体中存在自由电子，能够导电、传热，D正确。

2．金属原子一般具有的特点是(　　)

A．有金属光泽，能导电，有延展性

B．熔点和沸点较低

C．最外层电子个数少，容易失去

D．在反应中作氧化剂

答案　C

解析　非金属原子最外层的电子数一般多于或等于4个，在反应中容易得到电子，而金属原子最外层的电子数一般少于4个，在反应中容易失去电子，表现还原性，故选C。

3．下列关于金属键的叙述中，不正确的是(　　)

A．金属键是金属阳离子和自由电子这两种带异性电荷的微粒间的强烈相互作用，其实质与离子键类似，也是一种静电作用

B．金属键可以看作是许多原子共用许多电子所形成的强烈的相互作用，所以与共价键类似，也有方向性和饱和性

C．金属键是带异性电荷的金属阳离子和自由电子间的相互作用，故金属键无饱和性和方向性

D．构成金属键的自由电子在整个金属内部的三维空间中做自由运动

答案　B

解析　从基本构成微粒的性质看，金属键与离子键的实质类似，都属于静电作用，特征都是无方向性和饱和性；自由电子是由金属原子提供的，并且在整个金属内部的三维空间内运动，为整个金属的所有阳离子所共有，从这个角度看，金属键与共价键有类似之处，但两者又有明显的不同，如金属键无方向性和饱和性。

4．下列叙述正确的是(　　)

A．金属受外力作用时常常发生变形而不易折断，这是由于金属原子之间有较强的作用

B．通常情况下，金属里的自由电子会发生定向移动而形成电流

C．金属导热是借助自由电子的运动，把能量从温度高的部分传到温度低的部分

D．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，这是因为金属晶体中各原子层会发生相对滑动，故A错误；金属里的自由电子在外加电场作用下才能发生定向移动而形成电流，故B错误；金属导热是自由电子在热的作用下与金属原子碰撞将能量进行传递，故C错误。

5．物质结构理论指出：金属晶体中金属阳离子与“自由电子”之间存在的强的相互作用，叫金属键。金属键越强，金属的硬度越大，熔、沸点越高，一般来说金属阳离子半径越小，价电子数越多，金属键越强。由此判断下列说法错误的是(　　)

A．镁的硬度大于铝  B．镁的熔点高于钙

C．镁的硬度大于钾  D．钙的熔点高于钾

答案　A

解析　根据题目所给条件：镁和铝的电子层数相同，价电子数Al>Mg，离子半径Al3＋<Mg2＋，Al的硬度大于镁；镁、钙最外层电子数相同，但离子半径Ca2＋>Mg2＋，金属键Mg>Ca，熔点Mg>Ca；价电子数Mg>K，离子半径Mg2＋<Ca2＋<K＋，金属键Mg>K，硬度Mg>K；钙和钾位于同一周期，价电子数Ca>K，离子半径K＋>Ca2＋，金属键Ca>K，熔点Ca>K。

6．现有十种物质：①晶体硅；②冰；③镁；④过氧化钾；⑤干冰；⑥氯化钠；⑦固态氮；⑧铝；⑨碘；⑩二氧化硅。其中，直接由原子构成的物质有________(填序号，下同)；直接由分子构成的物质有________；属于金属晶体的物质有________；属于分子晶体的物质有________。

答案　①③⑧⑩　②⑤⑦⑨　③⑧　②⑤⑦⑨

解析　直接由原子构成的物质包括：共价晶体、金属晶体、稀有气体。

7．铝的下列用途主要是由它的哪种性质决定的？

(1)作盛放浓硝酸的容器：__________________________________________；

(2)作导线：_______________________________________________________；

(3)作包装铝箔：___________________________________________________；

(4)焊接铁轨：_____________________________________________________；

(5)冶炼钒、铬、锰：_________________________________________________。

答案　(1)钝化　(2)良好的导电性　(3)良好的延展性

(4)强还原性　(5)强还原性

解析　根据金属铝的性质分析即可。

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．下列有关金属元素特征的叙述正确的是(　　)

A．金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性

B．一般情况下，金属元素在化合物中显正价

C．金属元素在不同的化合物中的化合价均不同

D．金属元素的单质在常温常压下均为金属晶体

答案　B

解析　A项，对于变价金属，较低价态的金属离子既有氧化性，又有还原性，如Fe2＋；C项，有的金属元素只有一种正化合价，如Mg；D项，金属汞在常温常压下为液体。

2．关于晶体的下列说法正确的是(　　)

A．晶体中只要有阳离子，就一定有阴离子

B．晶体中只要有阴离子，就一定有阳离子

C．有金属光泽的晶体一定是金属晶体

D．根据晶体能否导电能判断晶体是否属于金属晶体

答案　B

解析　金属晶体中，有金属阳离子而没有阴离子，A错误；晶体中只要有阴离子，根据电荷守恒，就一定有阳离子，B正确；有金属光泽的晶体不一定是金属晶体，如晶体碘、晶体硅，C错误；能导电的晶体不一定是金属晶体，如石墨，D错误。

3．金属能导电的原因是(　　)

A．金属晶体中的金属阳离子与自由电子间的作用较弱

B．金属晶体中的自由电子在外加电场作用下可发生定向移动

C．金属晶体中的金属阳离子在外加电场作用下可发生定向移动

D．金属晶体在外加电场作用下可失去电子

答案　B

解析　根据电子气理论，自由电子是属于整个晶体的，在外加电场作用下发生了定向移动从而导电，B正确。

4．下列晶体中，金属阳离子与自由电子间的相互作用最强的是(　　)

A．Na  B．Mg  C．Al  D．K

答案　C

解析　金属离子的半径越小，价电子数目越多，金属键就越强，即金属阳离子与自由电子间的相互作用越强。Na、Mg、Al均位于元素周期表第三周期，离子半径逐渐减小，价电子数目逐渐增多，所以金属键逐渐增强，其中铝的金属键最强，钠的金属键最弱，而钾和钠位于同一主族，且钾的离子半径比钠大，故钾的金属键比钠弱。

5．在金属晶体中，金属原子的价电子数越多，离子半径越小，自由电子与金属阳离子间的作用力就越大，金属的熔、沸点就越高。由此判断下列各组金属的熔、沸点高低顺序，其中正确的是(　　)

A．Mg>Al>Ca  B．Al>Na>Li

C．Al>Mg>Ca  D．Mg>Ba>Al

答案　C

解析　离子半径从大到小的顺序是Ba2＋>Ca2＋>Na＋>Mg2＋>Al3＋>Li＋，其中Al价电子数最多，故C正确。

6．钠钾合金在通常状况下呈液态，可作为原子反应堆的导热剂。以下是对钠钾合金具有导热性的主要原因的分析，其中正确的是(　　)

A．钠钾合金的熔点很低

B．钠、钾原子的电离能都很小

C．钠钾合金中有自由电子

D．钠钾合金中有金属离子

答案　C

解析　钠钾合金以金属键相结合，钠钾合金的导热原理跟金属晶体相同。

7．要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体的熔、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数的多少及金属阳离子半径大小有关。由此判断下列说法正确的是(　　)

A．金属镁的熔点高于金属铝

B．碱金属单质的熔、沸点从Li到Cs是逐渐增大的

C．金属镁的硬度小于金属钙

D．金属铝的硬度大于金属钠

答案　D

解析　影响金属晶体熔、沸点的主要因素是金属键。镁离子比铝离子的半径大且镁离子所带的电荷数少，所以金属镁比金属铝的金属键弱，其熔、沸点比金属铝小；从Li到Cs，金属离子的半径是逐渐增大的，金属阳离子所带电荷数相同，金属键逐渐减弱，熔、沸点逐渐减小；镁离子的半径比钙离子的小，镁离子、钙离子所带电荷数相同，金属镁比金属钙的金属键强，所以金属镁的硬度比金属钙大；铝离子的半径比钠离子的小且铝离子所带电荷数比钠离子的多，金属铝比金属钠的金属键强，所以金属铝的硬度比金属钠大。

8. 如图为金属钾晶体的晶胞结构，实验测得钾的密度为ρ(g·cm－3)，已知钾的摩尔质量为a(g·mol－1)，阿伏加德罗常数为NA(mol－1)，假定金属钾原子为等径的刚性球且处于体对角线上的三个球相切。则钾原子的半径r(cm)为(　　)

A.   B.

C.   D.

答案　C

解析　在晶胞中含有钾原子数为1＋8×＝2，设晶胞边长为x，根据ρ＝得，ρ＝，x＝，则晶胞的体对角线长度为 ，所以钾原子半径＝ ，答案选C。

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．下列关于金属晶体的叙述中，正确的是(　　)

A．用铂金做首饰不能用金属键理论解释

B．固态或熔融态易导电，熔点在1000 ℃左右的晶体可能为金属晶体

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　A项，用铂金做首饰用到了金属晶体的延展性，能用金属键理论解释，错误。B项，金属晶体呈固态或熔融态时能导电，其熔点差异很大，熔点在1000 ℃左右的晶体可能是金属晶体，正确。C项，一般来说，金属晶体熔点高低与金属键的强弱有关，金属键的强弱与金属阳离子所带电荷数和金属离子半径有关，所带电荷数越多，金属键越强，金属离子半径越小，金属键越强，金属键：Li>Na，则熔点：Li>Na，错误。D项，金属的导电性随温度的升高而减弱，温度越高，其导电性越差，错误。

10．下列有关Na、Mg、Al三种金属元素的说法中正确的是(　　)

A．金属键由强到弱的顺序为Na>Mg>Al

B．金属性由强到弱的顺序为Na>Mg>Al

C．第一电离能由小到大的顺序为Na<Mg<Al

D．等物质的量的三种金属分别加入稀盐酸中，产生氢气的质量为Na<Mg<Al

答案　B

解析　金属键由弱到强的顺序为Na<Mg<Al，A错误；金属性指金属原子失去电子的能力，B正确；第一电离能由小到大的顺序为Na<Al<Mg，C错误；由于HCl的物质的量未知，故无法比较产生氢气的量的多少，D错误。

11．下列各组物质中，按熔点由低到高的顺序排列正确的是(　　)

A．O2、I2、Hg  B．CO、Al、SiO2

C．Na、K、Rb  D．Na、Mg、Al

答案　BD

解析　A项，常温下Hg为液态，而I2为固态，错误；B项，SiO2为共价晶体，其熔点最高，CO是分子晶体，其熔点最低，正确；C项，Na、K、Rb价电子数相同，其离子半径依次增大，金属键依次减弱，熔点逐渐降低，错误；D项，Na、Mg、Al价电子数依次增多，离子半径逐渐减小，金属键依次增强，熔点逐渐升高，正确。

12．如图，铁有δ、γ、α三种同素异形体，三种晶体在不同温度下能发生转化。下列说法不正确的是(　　)

已知：

A．δ－Fe晶体中与每个铁原子等距离且最近的铁原子有6个

B．α－Fe晶体中与每个铁原子等距离且最近的铁原子有6个

C．若δ－Fe晶胞边长为a cm，α－Fe晶胞边长为b cm，则两种晶体密度之比为2b3∶a3

D．将铁加热到1500 ℃分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型相同

答案　AD

解析　由题图知，δ－Fe晶体中与每个铁原子等距离且最近的铁原子有8个，A错误；α－Fe晶体中与每个铁原子等距离且最近的铁原子有6个，B正确；一个δ－Fe晶胞中含有2个铁原子，一个α－Fe晶胞中含有1个铁原子，故两者密度之比为∶＝2b3∶a3，C正确；由题给信息可知，铁加热到1500 ℃后分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型是不同的，D错误。

三、非选择题(本题共3小题)

13．结合金属晶体的结构和性质，回答下列问题：

(1)根据下列叙述判断，一定为金属晶体的是________。

A．由分子间作用力形成的晶体，熔点很低

B．由共价键结合形成空间网状结构的晶体，熔点很高

C．固体有良好的导电性、导热性和延展性

(2)下列关于金属晶体的叙述正确的是________。

A．常温下，金属单质都以金属晶体形式存在

B．金属阳离子与自由电子之间强烈的相互作用，在一定外力作用下，不因形变而消失

C．钙的熔、沸点高于钾

D．温度越高，金属的导电性越好

答案　(1)C　(2)BC

解析　(1)通过分子间作用力形成的晶体属于分子晶体，A错误；通过共价键形成的空间网状结构的晶体属于共价晶体，B错误；导电性、导热性、延展性是金属晶体的通性，C正确。

(2)常温下，Hg为液态，A错误；因为金属键无方向性，故金属键在一定范围内不因形变而消失，B正确；钙的金属键强于钾，故钙的熔、沸点高于钾，C正确；温度升高，金属的导电性减弱，D错误。

14．判断下列晶体类型。

(1)SiI4：熔点为120.5 ℃，沸点为271.5 ℃，易水解，为________。

(2)硼：熔点为2300 ℃，沸点为2550 ℃，硬度大，为________。

(3)硒：熔点为217 ℃，沸点为685 ℃，溶于氯仿，为________。

(4)锑：熔点为630.74 ℃，沸点为1750 ℃，可导电，为________。

答案　(1)分子晶体　(2)共价晶体　(3)分子晶体　

(4)金属晶体

解析　(1)SiI4为低熔点化合物，为分子晶体。

(2)晶体硼熔点高，硬度大，是典型的共价晶体。

(3)硒熔、沸点低，易溶于CHCl3，为分子晶体。

(4)锑熔、沸点较高，可导电，为金属晶体。

15．金晶体的最小重复单元(也称晶胞)是面心立方体，如图所示，即在立方体的8个顶点各有一个金原子，各个面的中心有一个金原子，每个金原子被相邻的晶胞所共有。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。

(1)金晶体每个晶胞中含有________个金原子。

(2)欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定________________________。

(3)一个晶胞的体积是________。

(4)金晶体的密度是________。

答案　(1)4　(2)金属原子间相接触，即相切

(3)2d3　(4)

解析　利用均摊法解题，8个顶点上金原子有属于该晶胞，每个面上金原子有属于该晶胞，共有6个，故每个晶胞中金原子个数＝8×＋6×＝4。假设金原子间相接触，则有，正方形的对角线为2d，正方形边长为d，所以V晶＝(d)3＝2d3；1个晶胞质量为m晶＝，所以ρ＝＝。