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第三章 晶体结构与性质
第三节 金属晶体与离子晶体
金属键与金属晶体
1.金属键
(1)概念：“电子气理论”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。
(2)成键粒子：金属阳离子和自由电子。
(3)金属键的强弱与金属的性质
①金属键的强弱主要取决于金属元素的原子半径和价电子数。原子半径越大，价电子数越少，金属键越弱；反之，金属键越强。
②金属键越强，金属的熔、沸点越高，硬度越大。如熔点最高的金属是钨，硬度最大的金属是铬。
2.金属晶体
(1)通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的晶体是金属晶体。
(2)用“电子气理论”解释金属的物理性质
①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，所以金属有良好的延展性。
②导电性：在外加电场的作用下，金属晶体中的自由电子做定向移动而形成电流，呈现良好的导电性。
③导热性：电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞，从而引起两者能量的交换。
2.典型离子晶体的结构特征
配位数：一个离子周围最邻近的异电性离子的数目。
晶体结构模型
配位数 Cl－和Na＋配位数都为6 Cl－和Cs＋配位数都为8 F－配位数为4，Ca2＋配位数为8
晶胞中粒子数 Na＋、Cl－都为4 Cs＋、Cl－都为1 Ca2＋为4、F－为8
阴、阳离子
个数比 1∶1 1∶1 2∶1
化学式 NaCl CsCl CaF2
3.离子晶体的物理性质
4.离子晶体熔、沸点的影响因素
离子键强弱影响离子晶体的熔、沸点和硬度。一般情况下，离子所带电荷越多，离子半径越小，离子键越强，离子晶体的熔、沸点越高、硬度越大。
过渡晶体与混合型晶体
1.过渡晶体
(1)四类典型晶体是分子晶体、共价晶体、金属晶体、离子晶体。
(2)离子晶体和共价晶体的过渡标准是化学键中离子键成分的百分数。离子键成分的百分数大，作为离子晶体处理；离子键成分的百分数小，作为共价晶体处理。
①几种氧化物的化学键中离子键成分的百分数
　　从上表可知，表中的4种氧化物晶体中的化学键既不是纯粹的离子键，也不是纯粹的共价键，这些晶体既不是纯粹的离子晶体也不是纯粹的共价晶体，只是离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体。
氧化物 Na2O MgO Al2O3 SiO2
离子键的百分数/％ 62 50 41 33
2.混合型晶体——石墨
(1)晶体模型
图1　石墨晶体中
的二维平面结构
图2　石墨的层状结构
图3　石墨结构中
未参与杂化的p轨道
(2)结构特点——层状结构
①同层内，碳原子采用sp2杂化，以共价键相结合形成平面六元并环结构。所有碳原子的p轨道相互平行且相互重叠，使p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动。
②层与层之间以范德华力相结合。
(3)晶体类型
石墨晶体中，既有共价键，又有范德华力，且有类似金属晶体的导电性，属于混合型晶体。
金属键与金属晶体
1.“电子气理论”对金属性质的解释
通性 解　释
导电性 在外加电场的作用下，金属晶体中的“电子气”(自由电子)定向运动，因而形成电流
导热性 金属晶体中自由电子运动时与金属原子碰撞并把能量从温度高的部分传导到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度
延展性 由于金属晶体中金属键是没有方向性的，各原子层之间发生相对滑动以后，仍保持金属键的作用，因而在一定外力作用下，只发生形变而不断裂
2.金属熔、沸点高低和硬度大小的比较
金属阳离子半径越小，所带电荷越多，则金属键越强，金属的熔、沸点就越高，硬度就越大，一般存在以下规律：
(1)同周期金属单质，从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点升高、硬度增大。
(2)同主族金属单质，从上到下(如碱金属)熔、沸点降低、硬度减小。
(3)合金的熔、沸点比其各成分金属的熔、沸点低，硬度比其各成分金属的硬度大。
(4)金属晶体熔点差别很大，如钠熔点很低(97.8℃)，而钨等金属熔点很高(3 410℃)。
(5)金属晶体硬度差别很大，如钠的硬度小(能用小刀切割)，而铬的硬度很大(以金刚石硬度为10，则钠的硬度是0.4，铬的硬度是9)。
要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体熔、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的多少及半径大小有关。由此判断下列说法正确的是 (　　)
A.金属镁的熔点大于金属铝
B.碱金属单质的熔、沸点从Li到Cs是逐渐增大的
C.金属铝的硬度大于金属钠
D.金属镁的硬度小于金属钙
影响晶体熔、沸点的因素是组成晶体的粒子间的相互作用，包括化学键和分子间作用力，找准是哪种作用再具体分析。影响金属晶体熔、沸点的因素是金属键，镁离子比铝离子的半径大且所带的电荷少，所以金属镁的金属键比金属铝弱，熔点低，A错误；从Li到Cs，离子的半径是逐渐增大的，所带电荷相同，金属键逐渐减弱，熔、沸点逐渐减小，B错误；因铝离子比钠离子的半径小且所带电荷多，金属铝的金属键比金属钠强，所以金属铝的硬度比金属钠大，C正确；因镁离子比钙离子的半径小而所带电荷相同，金属镁的金属键比金属钙强，所以金属镁的硬度比金属钙大，D错误。
C
(1)金属晶体熔、沸点高低取决于金属键的强弱。
(2)金属阳离子所带电荷越多，半径越小，金属键越强。
离子晶体的结构与性质
1.两种离子晶体类型比较
化学式 晶胞结构
示意图 距离最近且相等
的相反离子 每个晶胞含有
的离子数 实例
NaCl Na＋：6
Cl－：6 Na＋：4
Cl－：4 KBr、
AgCl、
MgO
CsCl Cs＋：8
Cl－：8 Cs＋：1
Cl－：1 CsBr、
CsI
2.离子晶体中的“不一定”
(1)离子晶体的熔点不一定低于共价晶体，如CaO的熔点(2 613℃)高于SiO2的熔点
(1 713℃)。
(2)离子晶体中除含离子键外不一定不含其他化学键，如CH3COONH4中除含离子键外，还含有共价键等。
(3)由金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体，如AlCl3是分子晶体。
(4)含有阳离子的晶体不一定是离子晶体，也可能是金属晶体。
(5)离子晶体中不一定不含分子，如CuSO4·5H2O晶体属于离子晶体，但含有H2O
分子。
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等)，活泼金属的氢化物(如NaH等)，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，部分金属元素(特别是活泼的金属元素，如第ⅠA、ⅡA族元素)与非金属元素(特别是活泼的非金属元素，如第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。
锌与硫所形成的化合物ZnS晶体的晶胞如图所示。下列判断正确的是( )
A.该晶体属于分子晶体
B.该晶胞中Zn2＋和S2－数目不相等
C.晶胞中Zn2＋周围最靠近的S2－共有6个
D.氧化锌的熔点大于硫化锌
D
解答有关离子晶体的结构问题的思维流程
过渡晶体与混合型晶体的结构
1.典型晶体与过渡晶体的关系
(1)纯粹的典型晶体是不多的，大多数晶体是它们之间的过渡晶体。
(2)离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体，离子键成分的百分数占主要地位时，通常当作离子晶体来处理；当离子键成分的百分数很少，共价键占主要地位时，通常当作共价晶体(或分子晶体)来处理。
2.石墨与金刚石的比较
比较项目 金刚石 石墨
晶体类型 共价晶体 混合型晶体
构成粒子 碳原子 碳原子
粒子间的作用力 C—C共价键 C—C共价键、范德华力、类似金属键的作用力
每个碳原子的杂化方式 sp3杂化 sp2杂化
碳原子形成的σ键数 4 3
碳原子有无剩余价电子 无 有一个2p电子
配位数 4 3
晶体结构特征 共价键形成三维骨架结构 层状结构、层内为平面六元并环结构
物理性质 熔点高、硬度大、不导电 熔点比金刚石高，质软、滑腻、易导电
如图是石墨、足球烯(C60)、金刚石三种晶体的结构图。下列说法正确的
是( )
石墨 足球烯 金刚石
A.这三种物质是碳的同分异构体，燃烧产物相同
B.这三种物质熔化时，克服的粒子间作用力都是化学键
C.等物质的量的石墨、金刚石所含的C—C数目之比为3∶4
D.石墨晶体中C—C的键长短于金刚石的C—C，则金刚石比石墨稳定
石墨 足球烯 金刚石
C
解决本题需先判断晶体所属类型及物质中所含的作用力，因此明确四大晶体类型的结构特点是关键。

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