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3.3.1金属晶体与离子晶体
学习目标
1. 知道金属键的含义，能用“电子气”理论解释金属晶体的一些物理性质。
2. 认识常见的离子晶体，知道离子晶体的一般性质。
学习过程
1. 金属的下列用途说明了金属具有哪些物理性质？
2. 根据下表提供的金属熔点数据，说说金属的熔点有何特点。
金属 Na Al Ga W Hg
熔点/K 371 933 303 3 680 234
1. 金属(除汞外)常温下都是晶体，称为金属晶体，晶体内由金属原子间以金属键相结合。那金属键的本质是什么，阅读下列资料。
1900年德鲁德等人为解释金属的物理性质，建立了“电子气理论”。该理论把金属键描述为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，从而把所有的金属原子维系在一起 (如图所示)。金属键的本质是金属阳离子与“自由电子”之间的强相互作用。
(1) “电子气理论”中，认为金属晶体的构成粒子是什么？这些粒子是如何形成的？
(2) 金属键有无饱和性和方向性？
(3) 决定金属键强弱的主要因素有哪些？
2. 用金属键理论解释金属的下列物理性质(注意使用词语的准确性与简洁性)。
物理性质 解释
(1) 延展性
(2) 导电性
(3) 导热性
1. 由阴、阳离子相互作用而形成的晶体是离子晶体。NaCl和CsCl两种晶体的晶胞模型如图所示。
(1) NaCl、CsCl晶体中阴、阳离子的配位数(距离最近的带异种电荷离子的个数)分别是多少？NaCl、CsCl晶胞中所含的阴、阳离子数分别是多少？
(2) NaCl晶胞中与一个Cl－紧邻的Cl－有多少个？与一个Na＋紧邻的Na＋有多少个？CsCl晶胞中与一个Cl－紧邻的Cl－有多少个？与一个Cs＋紧邻的Cs＋有多少个？
(3) 离子键有无方向性和饱和性？
2. ZnS和CaF2两种晶体的晶胞模型如下图所示。
　　　　
(1) ZnS、CaF2晶体中阴、阳离子的配位数分别是多少？ZnS、CaF2晶胞中所含的阴、阳离子数分别是多少？
(2) CaF2晶胞中，与一个Ca2+紧邻的Ca2+有多少个？
3. 某些离子化合物的熔点数据如下表所示，据此你能得出哪些结论？
化合物 熔点/℃ 化合物 熔点/℃ 化合物 熔点/℃
NaCl 801 CaO 2 613 Na2SO4 884
NaBr 747 BaSO4 1 580 Ca2SiO4 1 540
NaI 661 NH4NO3 170 Na3PO4 1 340
MgO 2 852 NaNO2 271 CH3COOCs 194
课堂反馈
1. 金属能导电的原因是(　　)
A. 金属晶体中金属阳离子与自由电子间的作用较弱
B. 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
C. 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
D. 金属晶体在外加电场作用下可失去电子
2. 构成金属晶体的基本微粒是(　　)
A. 分子 B. 原子
C. 阳离子与阴离子 D. 阳离子与自由电子
3. 下列关于金属及金属键的说法正确的是(　　)
A. 金属键具有方向性与饱和性
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. 金属在化学反应中只能失去最外层的电子
4. 下列关于金属晶体和离子晶体的说法错误的是(　　)
A. 都有多种堆积结构 B. 都含离子
C. 一般具有较高的熔点和沸点 D. 都能导电
5. 下列事实能够说明氯化钠一定是离子晶体的是(　　)
A. 氯化钠的熔点较高、硬度较大 B. 氯化钠在苯中的溶解度非常小
C. 氯化钠的水溶液有较强导电性 D. 氯化钠在熔融状态下能够导电
6. 下列说法正确的是(　　)
A. 离子晶体中一定含有金属阳离子
B. 离子晶体中阳离子与阴离子的数目一定相等
C. 离子晶体中也可能含有共价键和氢键
D. 离子晶体常温下一定都是熔点很高的固体
7. ZnS在荧光体、光导体材料、涂料、颜料等行业中应用广泛，通常有立方和六方两种晶型，它们的晶胞如下图所示。
立方ZnS 六方ZnS
(1) 两种晶型中，与S2-紧邻的Zn2+数目都是________，与Zn2+紧邻的S2-数目都是________。
(2) 立方ZnS晶胞中含有的S2-数是________，六方ZnS晶胞中含有的Zn2+数是________。
(3) 立方ZnS晶体的晶胞边长为540 pm，S2-与Zn2+的最短核间距离为__________pm。
8. 金属钠采用体心立方堆积，晶胞如右图所示。
(1) 金属钠的晶胞中，与顶角Na原子紧邻的Na原子位于__________(填“顶角”或“体心”)，晶胞边长与Na原子半径的关系为：a＝________r(Na)。
(2) 一个金属钠晶胞中Na原子的数目为________。
活动一：
1. 延展性、导电性、可铸性、导热性。
2. 有的很高、有的很低，相差很大。
活动二：
1. (1) 金属离子、自由电子。金属的价电子受原子核束缚较弱，很容易从金属原子上“脱落”下来变成自由电子，同时金属原子变成金属离子。
(2) 金属键无饱和性和方向性。
(3) 金属原子和单位体积内自由电子的数目(金属离子半径大小和金属离子所带电荷的多少)。
2. (1) 在外力作用下，金属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，而且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。
(2) 在外电场作用下，自由电子发生定向移动产生电流。电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞，故金属的电导率随温度升高而降低。
(3) 在热的作用下，自由电子能量升高，运动速率加快，与金属原子碰撞频率增加，把能量传递给金属离子。
活动三：
1. (1) NaCl晶体中氯离子、钠离子的配位数均为6；CsCl晶体中氯离子、铯离子的配位数均为8。NaCl晶胞中所含的氯离子、钠离子数均为4；CsCl晶胞中所含的氯离子、铯离子数均为1。
(2) 12、12、6、6。
(3) 离子键无方向性和饱和性。
2. (1) ZnS晶体中硫离子、锌离子的配位数均为4。CaF2晶体中钙离子和氟离子的配位数分别为8、4。ZnS晶胞中所含的锌离子、硫离子数目均为4。CaF2晶胞中所含钙离子和氟离子的数目分别为4、8。
(2) 12。
3. (1) 离子晶体的熔点总体较高，但差异很大。
(2) NaCl、NaBr、NaI随着阴离子半径的增大，晶体的熔点随之降低。
(3) 离子晶体的熔点与阴、阳离子所带的电荷数有关，一般电荷数多的，熔点高。
(4) 构成离子晶体的离子不是简单离子时，随着离子体积的增大，其熔点呈降低的趋势。
【课堂反馈】
1. C　根据“电子气理论”，金属晶体由金属阳离子与自由电子(电子气)通过金属键形成，自由电子在电场中能够定向移动而具有导电性。
2. D　构成金属晶体的基本微粒为阳离子和自由移动的电子，D符合题意。
3. B　金属键没有方向性和饱和性，A错误；金属键是金属阳离子与自由电子(电子气)之间的相互作用，B正确；金属晶体中的自由电子本来就有，而不是在外加电场作用下产生的，金属导电是由于自由电子在外加电场作用下发生了定向移动，C错误；很多过渡金属在化学反应中不仅能失去最外层电子，还能失去次外层电子，例如Fe，既可失去最外层的2个电子变为Fe2+，也可失去最外层的 2个电子和次外层的1个电子变为Fe3+，D错误。
4. D　金属晶体和离子晶体都可采取不同的紧密堆积，A正确；金属晶体由金属阳离子和自由电子组成，离子晶体由阳离子和阴离子组成，所以二者都含有离子，B正确；离子晶体的熔、沸点较高，金属晶体的熔、沸点虽然有较大的差异，但是大多数的熔、沸点比较高，C正确；金属晶体中有自由电子，可以在外加电场的作用下定向移动，而离子晶体的阴、阳离子不能自由移动，因此不具有导电性，D错误。
5. D　熔点高、硬度大的晶体还可能是共价晶体，A错误；难溶于苯的晶体还可能是极性较大的分子晶体，B错误；水溶液能导电的还可能是因为在水中发生了电离的共价分子，C错误；熔融状态下能导电，说明氯化钠晶体由阴、阳离子组成，D正确。
6. C　离子晶体中的阳离子还可能是其他阳离子，例如NH，A错误；例如MgCl2、Na2O中阳离子和阴离子的数目都不相等，B错误；例如胆矾(CuSO4·5H2O)中就含有共价键和氢键，C正确；有的离子晶体熔点较低，甚至常温下呈液态，例如离子液体，D错误。
7. (1) 4　4　(2) 4　2　(3) 135或234
解析：(1) ZnS的两种类型的晶胞中，Zn2+和S2-的“配位数”都是4，它们分别位于对方构成的四面体空隙中。(2) 立方ZnS晶胞中，S2-位于顶角和面心，数目为8×＋6×＝4；六方ZnS晶胞虽然不是立方体，仍然可以用类似的方法计算，Zn2+位于体内和4个棱上(注意不是体心和棱心)，数目为1＋4×＝2。(3) 立方ZnS晶胞中，S2-与Zn2+的最短核间距离为晶胞边长的倍。
8. (1) 体心　　(2) 2
解析：(1) 顶角与顶角钠原子间的距离为a，顶角与体心钠原子间的距离为a，所以顶角与体心的钠原子是紧邻的，即2r(Na)＝a。(2) 晶胞中Na原子的数目＝8×＋1＝2。

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