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3.3 第1课时　金属晶体
【学习目标】
1.认识金属晶体的结构和性质。
2.能利用金属键、“电子气理论”解释金属的一些物理性质。
【自主预习】
一、金属键
1.金属键及其实质
概念 金属中　　　　和　　　　之间存在的强烈的相互作用
实质 金属键本质是一种　　　
特征 (1)金属键无　　　　和　　　　 (2)金属键中的电子在整个三维空间里运动,属于整块固态金属
2.金属键与金属性质
(1)金属光泽
当可见光照射到金属表面上时,固态金属中的　　　　能够吸收所有频率的光并迅速释放,使得金属不透明并具有金属光泽。
(2)导电性
金属内部自由电子的运动不具有方向性,在外加电场的作用下,金属晶体中的自由电子发生　　　　移动而形成电流。
(3)导热性
当金属中有温度差时,不停运动着的自由电子通过自身与　　　　　　,将能量由高温处传向低温处。
(4)金属具有良好的延展性
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,但排列方式不变,金属晶体中的化学键没有被破坏。
二、金属晶体
1.金属晶体的定义及结构特点
(1)金属晶体的定义:金属原子通过　　　　形成的晶体称为金属晶体。
(2)金属键:金属阳离子和自由电子之间的强的相互作用。
(3)金属键的特点:由于自由电子为整个金属所共有,所以金属键没有饱和性和方向性,从而导致金属晶体最常见的结构形式具有堆积密度大、原子配位数高、空间利用率高等特点。
【微点拨】
　　在金属晶体中只有阳离子和自由电子,不存在阴离子。
2.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:金属键在整个晶体内部起作用。在锻压或锤打时,密堆积层的金属原子之间比较容易产生相对的滑动,这种滑动不会破坏密堆积的排列方式,而且在滑动过程中　　　　可以维系整个金属键的存在,因此金属之间虽然发生形变但不断裂。
【微点拨】
　　金属晶体的熔点差异很大,如钨熔点很高,超过3000 ℃,有的则很低,如汞在常温下为液体。
【参考答案】一、1.自由电子　金属阳离子　电性作用　方向性　饱和性　2.(1)自由电子　(2)定向　(3)金属阳离子之间的碰撞
二、1.金属键　2.(1)导电导热性　延展性　可塑性　(2)自由电子
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)金属键具有方向性和饱和性。 (　　)
(2)金属键是金属阳离子与自由电子间的强烈的相互作用。 (　　)
(3)金属导电是因为在外加电场作用下产生“自由电子”。 (　　)
(4)在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子。 (　　)
(5)金属晶体的熔点一定比共价晶体的熔点高。 (　　)
(6)金属受外力作用时常发生变形而不易折断,是由于金属原子间有较强的作用。 (　　)
　　【答案】(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)×
2.金属在发生变形延展时,金属键断裂吗
　　【答案】不断裂。
3.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
　　【答案】不是,如汞;金属键和金属原子的堆积方式决定金属的性质。
【合作探究】
任务1：金属键
情境导入　花丝镶嵌,是一门传承久远的中国传统手工技艺,主要用于皇家饰品的制作。花丝选用金、银、铜为原料,采用掐、填、攒、焊、编织、堆垒等传统技法,将金属片做成托和瓜子型凹槽,再镶以珍珠、宝石。花丝镶嵌工艺起源于春秋战国金银错工艺,在明代中晚期达到高超的艺术水平。2008年6月花丝镶嵌制作技艺被列入国家级非物质文化遗产名录。
问题生成
1.金属中存在化学键吗 是哪种类型的化学键
　　【答案】存在;金属键。
2.金属被压成薄片、拉丝、制成导线的过程中金属的化学性质有没有改变
　　【答案】没有改变。金属被压成薄片、拉丝、制成导线的过程仅是改变金属形状的物理变化,其成分没有改变。
3.金属为什么具有金属光泽
　　【答案】当光线投射到它的表面上时,自由电子可以吸收所有频率的光,然后很快放出各种频率的光,这就使绝大多数金属呈现银白色光泽。
4.金属为什么具有一定的导电、导热和延展性
　　【答案】金属中存在自由电子,自由电子被所有原子共用,从而把所有金属原子维系在一起,当金属受到外力作用时,各原子层发生滑动而具有良好的延展性;在外加电场作用下,自由电子会发生定向移动而导电;自由电子在运动时会与金属阳离子发生碰撞而传递热量。
【核心归纳】
1.金属键的特征
自由电子不属于某个特定的金属阳离子,即每个金属阳离子均可享有所有的自由电子,但都不可能独占某个或某几个自由电子。金属键既没有方向性,也没有饱和性。
2.金属键的强弱比较
一般来说,金属键的强弱主要取决于金属元素原子的半径和价电子数。原子半径越大,价电子数越少,金属键越弱;原子半径越小,价电子数越多,金属键越强。
3.金属键对物质性质的影响
(1)金属键越强,晶体的熔、沸点越高。
(2)金属键越强,晶体的硬度越大。
【典型例题】
【例1】要使金属熔化必须破坏其中的金属键。金属熔、沸点高低和硬度大小一般取决于金属键的强弱。由此判断下列说法正确的是(　　)。
A.金属锂的熔点高于金属铍
B.碱金属单质的熔、沸点从Li到Cs是逐渐升高的
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】同周期金属元素从左到右,随着原子半径的减小、金属离子电荷数的增多,金属键逐渐增强,金属锂和铍位于同周期,则铍的金属键强,熔点高,A项错误;碱金属元素从Li到Cs,阳离子半径增大,对外层电子束缚能力减弱,金属键减弱,所以熔沸点降低,B项错误;镁离子的半径比钙离子小,所以镁的金属键比钙强,则金属镁的硬度大于金属钙,C项错误;铝离子带3个正电荷,而钠离子带1个正电荷,且铝离子半径小于钠离子,所以铝的金属键比钠强,则金属铝的硬度大于金属钠,D项正确。
【例2】下列关于金属键及金属性质的叙述中正确的是(　　)。
A.随原子序数的递增,碱金属元素单质的熔点升高
B.金属键是金属阳离子与自由电子间的相互作用
C.金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子
D.金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光
　　【答案】B
【解析】随原子序数的递增,碱金属元素单质的熔点逐渐降低,A项错误;金属晶体由金属阳离子和自由电子构成,金属导电是因为自由电子在外加电场作用下定向移动,C项错误;因为自由电子对可见光的选择性吸收和反射,使得金属晶体具有金属光泽,D项错误。
任务2　金属晶体
情境导入　北京2022年冬奥会奖牌正面中央刻有奥运五环,圆环做打凹处理,设计灵感源自传统弦纹玉璧,上面有取自中国传统纹样的浅刻,冰雪纹代表冬奥会,祥云纹传达了吉祥和美好的寓意。牌体由圆环加圆心构成,形象来源于中国古代同心圆玉璧,共设五环,五环同心,同心归圆。
问题生成
2022年冬奥会金牌含有6 g黄金和92.5%左右的纯银。已知金晶体的晶胞如图所示。设金原子的直径为d cm,用NA表示阿伏加德罗常数的值,在立方体的各个面的对角线上,3个金原子彼此两两相切,M g·mol-1表示金的摩尔质量。
1.金晶体每个晶胞中含有几个金原子 写出分析过程。
　　【答案】4个;金原子处于顶点与面心上,晶胞中含有的金原子数目为8×+6×=4。
2.金属键有方向性和饱和性吗
　　【答案】金属键无方向性和饱和性。
3.一个金晶胞的体积是多少 请写出推理过程。
　　【答案】在立方体的各个面的对角线上,3个金原子彼此两两相切,金原子的直径为d cm,故面对角线长度为2d cm,棱长为×2d cm=d cm,故晶胞的体积为(d)3 cm3=2d3 cm3。
4.金晶体的密度是多少 请写出推理过程。
　　【答案】 g·cm-3金晶胞中含有4个原子,故晶胞质量为 g,晶胞的体积为2d3 cm3,故晶胞密度为= g·cm-3。
【核心归纳】
1.金属物理通性的解释
2.金属晶体熔点的影响因素
同类型的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,相互作用力就越强,熔点就越高。例如熔点:Li>Na>K>Rb>Cs,Na【典型例题】
【例3】下列关于钾晶体(晶胞结构如图所示)的叙述中不正确的是(　　)。
A.其构成微粒是钾原子
B.其熔点和沸点比钙的低
C.每个晶胞内含2个原子
D.晶体状态下能够导电
　　【答案】A
【解析】构成钾晶体的微粒是K+和自由电子,A项错误;价电子数:KCa,钙中的金属键比钾的强,钙的熔点和沸点高于钾,B项正确;该晶胞中含有8×+1=2个原子,C项正确;金属晶体在晶体状态下能导电,D项正确。
【例4】漆黑的夜里,伸手不见五指,然而,夜光表的指针却发出淡淡的光芒。夜光表为什么会发光呢 原来,在指针和表盘的刻度上,涂有一种发光物质。这发光物质就是掺杂着镭的化合物的荧光粉。镭是一种具有放射性的银白色金属,十分柔软。
(1)镭(Ra)位于第七周期第ⅡA族,则镭的原子序数是　　　　,镭的原子半径比钙的　　　　,氯化镭的化学式为　　　　,氢氧化镭的碱性比氢氧化钙　　　　。
(2)镭的金属键比镁　　　　,理由是　 　。
镭晶体的熔沸点比镁晶体的　　　　。Ra能够与冷水　　　　反应,且Ra(OH)2的碱性很强。
(3)金属晶体易导电的理由是 　 。
(4)金属晶体易导热的理由是 　 。
　　【答案】(1)88　大　RaCl2　强
(2)弱　镭和镁位于同一主族,最高化合价都是+2,但是镭的原子半径大,所以金属键就弱　低　剧烈
(3)在金属中,存在着许多自由电子,这些自由电子的运动是没有一定方向的,但在外加电场的条件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。
(4)自由电子运动时与金属阳离子碰撞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。
灵犀一点：金属的金属键越强,则对应金属晶体的熔、沸点越高。注意金属的熔、沸点有如下几个递变规律:①同周期金属单质,从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点升高。②同主族金属单质,从上到下(如碱金属)熔、沸点降低。③合金的熔、沸点一般比其各成分金属的熔、沸点低。
【随堂检测】
课堂基础
1.在单质的晶体中一定不存在的微粒是(　　)。
A.原子 B.分子
C.阳离子 D.阴离子
　　【答案】D
【解析】单质晶体可能有硅、金刚石——共价晶体,P、S、Cl2——分子晶体,Na、Mg——金属晶体。在这些晶体中,构成晶体的微粒分别是原子、分子、金属阳离子和自由电子。
2.下列生活中的现象,不能用金属键理论知识解释的是(　　)。
A.用铁制品做炊具 B.用金属铝制成导线
C.用铂金做首饰 D.铁易生锈
　　【答案】D
【解析】用铁制品做炊具利用了金属的导热性;用金属铝制成导线利用了金属的导电性;用铂金做首饰利用了金属的延展性,三者均与金属阳离子与自由电子形成的金属键有关。铁易生锈与元素的还原性以及所处的周围介质的酸碱性有关。
3.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
　　【答案】B
【解析】A项,Hg在常温下为液态;C项,r(Ca)K,所以金属键Ca>K,故熔、沸点Ca>K;D项,金属的导电性随温度升高而降低。
对接高考
4.(2021·全国乙卷,35节选)在金属材料中添加AlCr2颗粒,可以增强材料的耐腐蚀性、硬度和机械性能。AlCr2具有体心四方结构,如图所示。处于顶角位置的是　　　　原子。设Cr和Al原子半径分别为rCr和rAl,则金属原子空间占有率为　　　　%(列出计算表达式)。
　　【答案】Al　×100%
【解析】观察AlCr2晶胞,黑球位于顶点和体内,白球位于棱上和体内,1个晶胞含2个黑球、4个白球,根据晶体的化学式知,顶点位置的是Al原子。根据球体体积公式计算Al、Cr原子的体积,原子空间利用率(φ)等于原子总体积与晶胞体积之比:φ(Al,Cr)=×100%=×100%。
5.(2021·广东卷,20节选)理论计算预测,由汞(Hg)、锗(Ge)、锑(Sb)形成的一种新物质X为潜在的拓扑绝缘体材料。X的晶体可视为Ge晶体(晶胞如图a所示)中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成。
(1)图b为Ge晶胞中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成的一种单元结构,它不是晶胞单元,理由是
　 。
(2)图c为X的晶胞,X的晶体中与Hg距离最近的Sb的数目为　　　　　　　　;该晶胞中粒子个数比Hg∶Ge∶Sb=　　　　。
(3)设X的最简式的式量为Mr,则X晶体的密度为　　　　g·cm-3(列出算式)。
　　【答案】(1)晶胞单元是晶体的最小重复单元,该单元结构中顶点不是同一种原子,无法进行无隙并置构成晶体
(2)4 　1∶1∶2
(3)
【解析】(1)对比图b和图c可知:内部原子位置、种类不完全相同,不符合晶胞的定义和结构特点。
(2)以图c晶胞最下方中心面的Hg原子为例,可以看出距离最近的有2个Sb原子,则下面应该还有2个距离最近的Sb,故与Hg距离最近的Sb的数目为4。Sb为处于晶胞内部的粒子,完全属于该晶胞,所以1个晶胞中含有Sb原子数为8;Ge原子位于晶胞的个数:顶点8个、面上4个、体心1个,因此1个晶胞中含有Ge原子数为1+8×+4×=4;Hg原子位于晶胞的个数:棱边4个、面心6个,因此1个晶胞中含有Hg原子数为6×+4×=4,则该晶胞中粒子个数比Hg∶Ge∶Sb=4∶4∶8=1∶1∶2。
(3)1个晶胞的质量m= g,1个晶胞的体积V=(x×10-7 cm)2×(y×10-7 cm)=x2y×10-21 cm3,则X晶体的密度为== g·cm-3。
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