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

第1课时　金属晶体与离子晶体

课程标准

1．了解金属晶体、离子晶体结构微粒及微粒间作用力。

2．了解金属晶体、离子晶体常见的堆积方式。

3．能用金属键理论解释金属晶体的一些物理性质。

4．了解晶格能的概念及晶格能对离子晶体性质的影响。

学法指导

1.运用“宏微结合”的化学观，认识晶体的分类依据——构成粒子的种类及粒子间的相互作用。

2．运用“结构决定性质、性质反映结构”的化学观，从微观角度分析比较金属晶体、离子晶体的区别及性质上的差异。

3．通过建立模型解决金属晶体、离子晶体的相关问题。

必备知识·自主学习——新知全解一遍过

知识点一  金属晶体

1.概念

金属原子通过________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________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______和________，因此金属晶体可看作________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，便形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________、________和________。

(2)原因：金属键在整个________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________，这种滑动不会破坏密堆积的排列方式，而且在滑动过程中“________”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。

微点拨

(1)紧密堆积：微粒间较强的作用力使微粒尽可能地相互接近，使它们占有最小空间。

(2)空间利用率：晶胞实际拥有的微粒(原子或离子等)的总体积与晶胞的体积之比，用来表示紧密堆积的程度。

学思用

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)金属晶体绝大多数采用密堆积方式。(　　)

(2)金属原子的核外电子在金属中都是自由电子。(　　)

(3)金属不透明且具有金属光泽与自由电子有关。(　　)

(4)金属导电的实质是金属阳离子在外电场下的定向移动。(　　)

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”之间的强烈作用，在一定外力的作用下，不因形变而消失

C．钙的熔、沸点低于钾

D．温度越高，金属的导电性越好

知识点二离子晶体

1.概念

阴、阳离子在空间呈现周期性重复排列而形成的晶体。

2．晶体类型

3.晶格能

(1)概念：将1 mol离子晶体完全________为气态阴、阳离子所吸收的能量。

(2)意义：衡量离子键的强弱。晶格能越大，表示离子间作用力越__________，离子晶体越__________。

(3)影响因素

①晶格能与阴、阳离子所带________以及阴、阳离子间的________有关。

②与离子晶体的________有关。

4．特性

(1)________、________较高，而且随着离子电荷的增加，离子间距的缩短，________增大，熔点升高。

(2)一般________溶于水，而难溶于________溶剂。

(3)在固态时不导电，________状态或在________中能导电。

微点拨

(1)晶格能的大小不仅能影响离子晶体的稳定性，而且还能影响离子晶体的熔、沸点。晶格能越大，离子晶体的熔、沸点越高。

(2)影响离子晶体熔点的其他因素

构成离子晶体的离子未必都是单原子离子，还可能是、等多原子离子。在由这些离子构成的离子晶体中，随着离子体积的增大，阴、阳离子间的距离增大，离子之间的作用力减弱，晶体的熔点也随之降低。在许多离子化合物的晶体中，微粒之间的相互作用不再是典型的离子键，而存在氢键、范德华力等作用力。这些晶体的熔点远比NaCl等晶体低得多，有些离子组成的物质在常温下甚至以液态形式存在。

学思用

1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)含有阳离子的晶体中就一定含有阴离子。(　　)

(2)离子半径越小，离子所带电荷越多，晶格能越大。(　　)

(3)MgO的熔、沸点和硬度均高于CaO。(　　)

(4)晶格能与晶体的离子半径和电荷数有关系。(　　)

(5)如图氯化钠晶胞中，钠离子与氯离子的个数均为4。(　　)

2．下列物质的晶体属于离子晶体的是(　　)

A．苛性钾    B．碘化氢

C．硫酸    D．醋酸

关键能力·课堂探究——学科素养全通关

提升点一金属晶体的结构与性质

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，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，Na<Mg<Al。

3．金属晶体的结构

常见金属晶体的四种结构如下表所示：

互动探究

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。

问题1　金属在发生变形延展时，金属键断裂吗？

问题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？

问题3　合金属于金属吗？其熔点与相应的金属的熔点有何关系？

问题4　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？

典例示范

[典例1]　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)。

素养训练

[训练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

提升点二离子晶体的结构与性质

1.离子晶体的简单结构类型

2.对离子晶体特性的理解

(1)离子晶体熔、沸点的比较：一般来说，阴、阳离子所带的电荷数越多，离子半径越小，则离子键越强，离子晶体的熔、沸点越高，如Al2O3>MgO；NaCl>CsCl等。

(2)对于离子晶体的熔、沸点，要注意“一般来说”和“较高”等字词。“一般来说”说明离子晶体的熔、沸点还有些特例；“较高”是与其他晶体类型比较的结果。

(3)离子晶体的一些特殊物理性质可用于确定晶体类型。如在固态时不导电，在水溶液中和熔融状态下能导电的晶体一定是离子晶体。

(4)离子晶体导电的前提是先电离出自由移动的阴、阳离子。难溶于水的强电解质如BaSO4、CaCO3等溶于水时，由于浓度极小，故导电性极弱。通常情况下，它们的水溶液不导电。

3．离子晶体的判断

判断一种物质是不是离子晶体，我们可以根据物质的分类、组成和性质等方面进行判断。

(1)利用物质的分类

金属离子和酸根离子、OH－形成的大多数盐、强碱，活泼金属的氧化物和过氧化物(如Na2O和Na2O2)，活泼金属的氢化物(如NaH)，活泼金属的硫化物等都是离子晶体。

(2)利用元素的性质和种类

如成键元素的电负性差值大于1.7的物质，金属元素(特别是活泼的金属元素，ⅠA、ⅡA族元素)与非金属元素(特别是活泼的非金属元素，ⅥA、ⅦA族元素)组成的化合物。

(3)利用物质的性质

离子晶体一般具有较高的熔、沸点，难挥发，硬而脆；固体不导电，但熔融或溶于水时能导电，大多数离子晶体易溶于极性溶剂而难溶于非极性溶剂。

互动探究

高温下，超氧化钾晶体呈立方体结构。晶体中氧的化合价可看作部分为0价，部分为－2价。如图为超氧化钾晶体的一个晶胞(晶体中基本的重复单元)。

据此回答：

问题1　该晶胞的晶胞类型是什么？

问题2　在该超氧化钾的晶胞中含有的K＋和的个数是多少？晶胞中与每个K＋距离最近的有几个？

问题3　超氧化钾晶体中含有的化学键类型有哪些？

典例示范

[典例2]　下列图是从NaCl或CsCl晶体结构图中分割出来的部分结构图，试判断属于NaCl晶体结构的图是(　　)

A．图①和图③    B．图②和图③

C．只有图① D．图①和图④

素养训练

[训练2]有一种蓝色晶体，化学式可表示为Mx[Fey(CN)6]，经X射线研究发现，它的结构特征是Fe3＋和Fe2＋分别占据立方体互不相邻的顶点，而CN－位于立方体的棱上。其晶体中阴离子的最小结构单元如图所示。

(1)该晶体的化学式为多少？

(2)晶体中与每个Fe3＋距离最近且相等的CN－有几个？

课 堂 总 结

[知识导图]

[误区警示]

1．金属晶体的熔点差别较大，如Hg熔点很低，碱金属熔点较低，铁等金属熔点很高。这是由于金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子和自由电子的作用力不同造成的。

2．同一周期主族金属单质的熔点由左到右逐渐升高；同一主族金属单质的熔点自上而下逐渐降低。

3．合金的熔点一般低于成分金属的熔点。

4．离子晶体中无分子。如NaCl、CsCl只表示晶体中阴、阳离子个数比，为化学式，不是分子式。

5．离子晶体中，每一个阴(阳)离子周围排列的带相反电荷离子的数目是固定的，不是任意的。

6．在离子晶体中，阴、阳离子总是尽可能紧密地排列，且一种离子周围紧邻的带相反电荷的离子越多，体系能量越低，所形成的离子晶体越稳定。离子晶体的配位数与阴、阳离子的半径大小有关。

随堂检测·强化落实——基础知能练到位

1．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

2．下列性质适合于离子晶体的是(　　)

A．熔点1 070 ℃，易溶于水，水溶液能导电

B．熔点10.31 ℃，液态不导电，水溶液能导电

C．能溶于CS2，熔点112.8 ℃，沸点444.6 ℃

D．熔点97.81 ℃，质软，导电，密度

3．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

4．(双选)下列大小关系正确的是(　　)

A．晶格能：NaCl<NaBr

B．硬度：MgO>CaO

C．熔点：NaI<NaBr

D．熔、沸点：CO2>NaCl

5．铜和金可形成合金，请回答下列问题：

(1)元素金(Au)处于周期表中的第6周期，与Cu同族，Au原子最外层电子排布式为____；一种铜金合金晶体具有图1所示的结构，在晶胞中Cu原子处于面心、Au原子处于顶点位置，则该合金中Cu原子与Au原子数量之比为________；该晶体中，原子之间的作用力是________，若该晶胞的边长为a cm，则该合金密度为________ g·cm－3(阿伏加德罗常数的值为NA)。

(2)上述晶体具有储氢功能，氢原子可进入到由Cu原子与Au原子构成的四面体空隙中。若将Cu原子与Au原子等同看待，该晶体储氢后的晶胞结构与CaF2的结构相似，该晶体储氢后的化学式应为________。

第1课时　金属晶体与离子晶体

必 备 知 识·自 主 学 习

[知识点一]

1．金属键

2．(1)阳离子　饱和性　方向性　等径圆球

3．12　8　12

4．(1)延性　展性　可塑性　(2)晶体　滑动　自由电子　

[学思用]

1．答案：(1)√　(2)×　(3)√　(4)×

2．解析：Hg在常温下为液态，A项错误；r(Ca2＋)<r(K＋)，且电荷数：Ca2＋>K＋，所以金属键：Ca >K，熔、沸点：Ca >K，C项错误；自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞，从而导致金属的导电性随温度升高而降低，D项错误。

答案：B

[知识点二]

2．6　8　4

3．(1)气化　(2)强　稳定　(3)电荷数　距离　结构类型

4．(1)熔点　沸点　晶格能　(2)易　非极性　(3)熔融　水溶液

[学思用]

1．答案：(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)√

2．解析：苛性钾含有离子键，故属于离子晶体；碘化氢、硫酸、醋酸均由共价型分子组成，故三者均为分子晶体。

答案：A

关 键 能 力·课 堂 探 究

提升点一

[互动探究]

提示1：不断裂。

提示2：不是，如汞。金属键和金属原子的堆积方式决定金属的性质。

提示3：合金属于金属。多数合金的熔点低于各组分金属的熔点。

提示4：8；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。

[典例1]　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＝M，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棱长。本题中面对角线的长度为4d，然后根据棱长的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)

[训练1]　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＝。

答案：B

提升点二

[互动探究]

提示1：根据题给信息，该晶胞是面心立方晶胞。

提示2：作为面心立方晶胞，每个晶胞中含有4(即8×+×6)个K＋，4(即1＋×12)个，晶胞中与每个K＋距离最近的有6个。

提示3：超氧化钾晶体(KO2)是离子化合物，阴、阳离子分别为、K＋，晶体中K＋与以离子键相结合，中O—O键为共价键。

[典例2]　解析：NaCl晶体中，每个Na＋周围有6个Cl－，每个Cl－周围有6个Na＋；与每个Na＋等距离的Cl－有6个，且构成正八面体，同理，与每个Cl－等距离的Na＋也有6个，也构成正八面体，故可知图①和图④属于NaCl晶体结构。

答案：D

[训练2]　解析：(1)由题图可得出，晶体中阴离子的最小结构单元中Fe2＋的个数为4×＝，Fe3＋的个数也为，CN－的个数为12×＝3，因此阴离子的化学式为[Fe2 (CN)6]－，则该晶体的化学式为M[Fe2(CN)6]。

(2)由题图可看出与每个Fe3＋距离最近且相等的CN－有6个。

答案：(1)M[Fe2(CN)6]　(2)6

随 堂 检 测·强 化 落 实

1．解析：用铂金做首饰，主要是因为铂金具有金属光泽，金属具有光泽是因为金属中的自由电子能够吸收可见光，可用金属键理论解释，A项错误。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，C项错误。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，D项错误。

答案：B

2．解析：离子晶体在液态(即熔融态)时导电，B项不是离子晶体；CS2是非极性溶剂，根据“相似相溶”的规律，C项也不是离子晶体；由于离子晶体质硬易碎，且固态时不导电，所以D项也不是离子晶体。

答案：A

3．解析：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。

答案：C

4．解析：对于电荷数相同的离子，半径越小，离子键越强，晶格能越大，硬度越大，熔、沸点越高。半径：Cl－<Br－<I－，Mg2＋<Ca2＋，故A错误，B、C正确；NaCl在常温下是固体，CO2在常温下是气体，则熔、沸点：NaCl>CO2，故D错误。

答案：BC

5．解析：(1)Au原子最外层电子排布式可类比Cu，只是电子层多两层，由于该合金晶体是面心立方最密堆积结构，晶胞内N(Cu)＝6×＝3，N(Au)＝8×＝1；1个晶胞质量为g，则ρ＝ g·cm－3。

(2)CaF2晶胞中含有Ca2＋：8×＋6×＝4个，含F－8个，所以氢原子在晶胞内有8个，可以得储氢后的化学式为H8AuCu3。

答案：(1)6s1　3∶1　金属键　　(2)H8AuCu3