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第一单元　金属键　金属晶体
第1课时　金属键与金属特性
[核心素养发展目标]　
1.了解金属键的概念，理解金属键的本质和特征，能利用金属键理论解释金属单质的某些性质，促进宏观辨识与微观探析的学科核心素养的发展。
2.能结合原子半径、原子化热解释、比较金属单质性质的差异，促进证据推理与模型认知的学科核心素养的发展。
一、金属键
1．概念：指金属离子与自由电子之间强烈的相互作用。
2．成键微粒：金属阳离子和自由电子。
3．特征：没有方向性和饱和性。
4．存在：存在于金属单质和合金中。
1．自由电子是否专属于某个特定的金属阳离子？
提示　自由电子不专属于某个特定的金属阳离子，也就是每个金属阳离子均可享有所有的自由电子，但都不能独占某个或某几个自由电子，电子在整块金属中自由运动。
2．金属键可以看成是许多原子共用许多电子所形成的强烈相互作用，和共价键类似。金属键有饱和性和方向性吗？
提示　没有；金属键是金属离子和自由电子之间强烈的相互作用，自由电子为整个金属的所有离子所共有，故金属键没有方向性和饱和性。
1．下列关于金属键的叙述不正确的是(　　)
A．金属键是金属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，也是一种电性作用
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，有方向性和饱和性
C．金属键是带异性电荷的金属离子和自由电子间的强烈的相互作用，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，都属于电性作用，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，金属键无方向性和饱和性。
2．下列物质中只含有阳离子的物质是(　　)
A．氯化钠 B．金刚石
C．金属铝 D．氯气
答案　C
解析　氯化钠是离子化合物，既含阳离子又含阴离子；金属铝中含有阳离子和自由电子；金刚石由原子组成，氯气由分子组成，都不含阳离子，故C正确。
易错提醒
某物质有阳离子，但不一定有阴离子；而有阴离子时，则一定有阳离子。
二、金属的物理性质
1．物理特性分析
(1)良好的导电性：金属中的自由电子可以在外加电场作用下发生定向运动，从而形成电流。
(2)金属的导热性：是自由电子在运动时与金属离子(或金属原子)碰撞而引起能量的交换，从而使能量从温度高的区域传到温度低的区域，从而使整块金属达到同样的温度。
(3)良好的延展性：金属键没有方向性，当金属受到外力作用时，金属原子之间发生相对滑动；各层金属原子之间仍然保持金属键的作用，因此，在一定强度的外力作用下，金属可以发生形变。
2．金属的原子化热是指1_mol金属固体完全气化成相互远离的气态原子时吸收的能量。
3．物理性质的影响因素
金属 Na Mg Al
原子外围电子排布 3s1 3s2 3s23p1
原子半径/pm 186 160 143.1
原子化热/(kJ·mol－1) 108.4 146.4 326.4
熔点/℃ 97.5 650 660
由上表中数据可知：一般而言，金属元素的原子半径越小，单位体积内自由电子的数目越多，原子化热越大，金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。
1．为什么金属锂中的金属键比金属钠的强？
提示　Li和Na的外围电子排布一样，但Li的原子半径比Na小，原子化热大，所以Li的金属键强。
2.金属的导电性与电解质的导电性有什么不同？
提示　金属导电的微粒是自由电子，电解质溶液导电的微粒是自由移动的阳离子和阴离子；前者导电过程中不生成新物质，为物理变化，后者导电过程中有新物质生成，为化学变化。因而，二者导电的本质不同。
1．某新型“防盗玻璃”为多层结构，每层中间嵌有极细的金属线。当玻璃被击碎时，与金属线相连的警报系统就会立即报警，“防盗玻璃”能报警是利用了金属的(　　)
A．延展性 B．导电性
C．弹性 D．导热性
答案　B
解析　当玻璃被击碎时，与金属线相连的警报系统就会立即报警，说明当玻璃被击碎时，形成闭合回路，利用了金属的导电性，故选B。
2．下列各组金属熔、沸点的高低顺序，排列正确的是(　　)
A．Mg＞Al＞Ca B．Al＞Na＞Li
C．Al＞Mg＞Ca D．Mg＞Ba＞Al
答案　C
解析　金属元素的原子半径越小，金属键越强，金属的熔、沸点越高。
1．下列关于金属单质的叙述正确的是(　　)
A．常温下，金属单质都以固体形式存在
B．金属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．固态时能导电是判断金属的标志
D．温度越高，金属的导电性越好
答案　B
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．金属键中的电子属于整块金属
D．金属的导热性与金属键有关
答案　B
3．下列有关金属的叙述正确的是(　　)
A．金属受外力作用时常常发生形变而不易折断，是由于金属离子之间有较强的作用
B．通常情况下，金属中的自由电子会发生定向移动，而形成电流
C．金属是借助金属离子的运动，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降低
答案　D
4．下列性质体现了金属通性的是(　　)
A．铁能够被磁铁磁化
B．铝在常温下不溶于浓硝酸
C．铜有良好的延展性、导热性和导电性
D．钠与水剧烈反应放出氢气
答案　C
解析　金属通性指的是金属的某些共有的性质，如“不透明、有金属光泽、有延展性、导热性、导电性”等。
5．金属晶体的形成是因为晶体中存在(　　)
①金属原子　②金属离子　③自由电子　④阴离子
A．只有① B．只有③ C．②③ D．②④
答案　C
6．金属能导电的原因是(　　)
A．金属内部金属离子与自由电子间的相互作用较弱
B．金属内部自由电子在外加电场作用下发生定向运动
C．金属内部金属离子在外加电场作用下发生定向运动
D．金属在外加电场作用下可失去电子
答案　B
题组一　金属键及其影响因素
1．金属键的实质是(　　)
A．自由电子与金属阳离子之间强烈的相互作用
B．金属原子与金属原子之间强烈的相互作用
C．金属阳离子与阴离子之间的吸引力
D．自由电子与金属原子之间强烈的相互作用
答案　A
解析　金属晶体由金属阳离子与自由电子构成，金属阳离子与自由电子之间强烈的相互作用称为金属键。
2．金属钾、铜的部分结构和性质的数据如下表所示，则下列说法错误的是(　　)
金属 K Cu
原子外围电子排布 4s1 3d104s1
原子半径/pm 255 128
原子化热/(kJ·mol－1) 90.0 339.3
熔点/℃ 63.4 1 083
A.单位体积内自由电子数目：KB．金属键强弱顺序为KC．金属的硬度大小顺序为KD．两者最外层电子数目相等，因此其金属键的强弱取决于原子半径大小
答案　D
解析　决定金属键强弱的因素是单位体积内自由电子的数目和原子半径的大小，金属键越强，金属的熔、沸点越高，硬度越大；金属单位体积内自由电子的数目则取决于金属的外围电子数目，而不是金属的最外层电子数目。
题组二　金属的物理特性
3．金属的下列性质中，不能用金属键理论加以解释的是(　　)
A．易导电 B．易导热
C．有延展性 D．易锈蚀
答案　D
解析　金属键理论只能解释金属的导电性、导热性、延展性、硬度、熔点等物理性质，是否容易生锈是金属的化学性质，只能用金属的原子结构加以解释。
4．金属具有延展性的原因是(　　)
A．金属原子半径都较大，价电子较少
B．金属受外力作用变形时，金属阳离子与自由电子间仍保持较强烈作用
C．金属中大量自由电子受外力作用时，运动速度加快
D．自由电子受外力作用时能迅速传递能量
答案　B
解析　金属具有延展性是原子层发生相对滑动，但金属阳离子与自由电子形成的化学键没有被破坏，故金属阳离子与自由电子间仍保持较强烈作用。
5．在金属中，自由电子与金属离子(或金属原子)的碰撞有能量传递，可以用此来解释的金属的物理性质是(　　)
A．延展性 B．导电性
C．导热性 D．硬度
答案　C
解析　在金属中，自由电子获得能量后，在与金属离子(或金属原子)的碰撞过程中实现了能量传递，把能量从温度高的区域传到温度低的区域，从而使整块金属达到同样的温度，体现了金属的导热性。
6．下列有关金属元素的特性，叙述正确的是(　　)
A．金属元素的原子具有还原性，离子只具有氧化性
B．金属元素在化合物中一般显正价
C．金属元素在不同化合物中的化合价均不同
D．金属元素的单质在常温下均为固体
答案　B
解析　Fe2＋既有氧化性又有还原性，A项错误；金属元素在化合物中一般显正价，B项正确；同种金属元素在不同化合物中的化合价可能相同，也可能不同，C项错误；汞在常温下呈液态，D项错误。
7．金属具有的通性是(　　)
①具有良好的导电性　②具有良好的导热性　③具有延展性　④都具有较高的熔点　⑤都是固体　⑥都具有很大的硬度
A．①②③ B．②④⑥
C．④⑤⑥ D．①③⑤
答案　A
解析　金属并不一定具有较高的熔点，如汞在常温下是液态，钠、钾等的硬度都不大，所以④⑤⑥均错误。
题组三　由金属键的强弱判断金属的熔、沸点
8．下列金属中金属离子与自由电子间的作用最强的是(　　)
A．Na B．Mg C．Al D．K
答案　C
解析　影响金属键强弱的主要因素为金属元素的原子半径、单位体积内自由电子的数目等。一般而言，金属元素的原子半径越小、单位体积内自由电子的数目越多，金属键就越强，金属离子与自由电子间的作用就越强。Na、Mg、Al均位于第3周期，原子半径逐渐减小，外围电子数目逐渐增多，所以金属键逐渐增强，其中Al的金属键最强，Na的金属键最弱，而K和Na位于同一主族，且K的半径比Na大，故K的金属键比Na弱。
9．金属晶体中的金属键越强，其硬度越大，熔、沸点越高；且研究表明，一般来说，金属元素的原子半径越小，价电子数越多，则金属键越强。由此判断下列说法错误的是(　　)
A．铝的硬度大于镁
B．钙的熔点低于钡
C．镁的硬度大于钾
D．钙的熔、沸点高于钾
答案　B
解析　镁和铝的电子层数相同，价电子数：Al＞Mg，原子半径：Al＜Mg，故铝的硬度大于镁，A项正确；钡、钙的价电子数相同，但原子半径：Ba＞Ca，金属键强度：Ca＞Ba，钙的熔点高于钡，B项不正确；钙和钾位于同一周期，价电子数：Ca＞K，原子半径：K＞Ca，金属键强度：Ca＞K，故熔、沸点：Ca＞K，D项正确；结合以上分析，知硬度：Mg＞K，C项正确。
10．要使金属熔化必须破坏其中的金属键，而原子化热是比较金属键强弱的依据之一。下列说法正确的是(　　)
A．金属镁的硬度大于金属铝
B．金属镁的熔点低于金属钙
C．金属镁的原子化热大于金属钠的原子化热
D．碱金属单质的熔、沸点从Li到Cs是逐渐增大的
答案　C
解析　镁原子比铝原子的半径大且所带的外围电子少，所以金属镁比金属铝的金属键弱，硬度小，A错误；因镁原子的半径小且所带外围电子与钙相同，使金属镁比金属钙的金属键强，所以金属镁比金属钙的熔点和沸点高，B错误；因镁原子的半径小且所带外围电子多，使金属镁比金属钠的金属键强，原子化热比钠大，C正确；从Li到Cs，原子的半径是逐渐增大的，所带外围电子相同，金属键逐渐减弱，熔、沸点和硬度都逐渐减小，D错误。
11．下列叙述正确的是(　　)
A．任何晶体中，若含有阳离子，就一定含有阴离子
B．金属晶体的形成是因为晶体中存在金属阳离子间的相互作用
C．价电子数越多，金属元素的金属性越强
D．含有金属元素的离子不一定是阳离子
答案　D
解析　金属晶体中虽然存在阳离子，但没有阴离子，A错误；金属晶体的形成是因为晶体中存在金属阳离子与自由电子之间强烈的相互作用，B错误；价电子数多的金属元素的金属性不一定强，如Fe的价电子数比Na多，但Fe的金属性却没有Na的强，C错误；含有金属元素的离子不一定是阳离子，如AlO是阴离子，D正确。
12．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，是因为在金属晶体中共享了金属原子的价电子，形成了“自由电子”，在外加电场的作用下自由电子定向运动便形成了电流，所以金属易导电
C．金属具有良好的导热性，是因为自由电子在受热后，加快了运动速率，自由电子通过与金属离子(或金属原子)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　金属具有金属光泽是金属中的自由电子吸收了各种波长的可见光，吸收后又把它们几乎全部反射出去，因而金属一般显银白色光泽；金属导电性是在外加电场下，“自由电子”的定向运动形成电流；导热性是自由电子受热后，与金属离子(或金属原子)发生碰撞，传递了能量；良好的延展性是原子层滑动，但金属键未被破坏。
13．物质的性质决定了物质的用途，下面列出了金属的几种性质：①导热性、②导电性、③还原性、④延展性、⑤具有金属光泽。请在下面金属用途后的横线上填上金属主要性质对应的序号。(每空限选一个)
(1)用铝锭制成包装用的铝箔________。
(2)用铝制成的高压铝锅________。
(3)用铁粉回收照相业废液中的银________。
(4)电信业中大量使用的铜丝、金属电缆________。
答案　(1)④　(2)①　(3)③　(4)②
解析　(1)用铝锭制成包装用的铝箔利用了铝的延展性。
(2)用铝制成的高压铝锅利用了铝的导热性。
(3)用铁粉回收照相业废液中的银利用了铁的还原性。
(4)用铜丝、金属做电缆利用了金属的导电性。
14．工业上生产Na、Ca、Mg都是电解其熔融态的氯化物，但钾不能用电解熔融KCl的方法制得，因为金属钾易熔于熔融态的KCl中而产生危险，难以得到钾，且降低电解效率。现在生产金属钾是用金属钠和熔化的KCl反应来制取，有关数据如下：
熔点/℃ 沸点/℃ 密度/(g·cm－3)
Na 97.8 883 0.97
K 63.7 774 0.86
NaCl 801 1 413 2.165
KCl 770 1 500(升华) 1.984
工业上生产金属钾的化学方程式和条件是
KCl＋NaNaCl＋K
(1)工业上制金属钾主要应用什么原理使反应变为现实？
(2)工业上制金属钾时主要运用了上表所列的哪些物理常数，并说明原因。
答案　(1)应用平衡移动原理，钾蒸气逸出，使生成物浓度减小，平衡不断向右移动，从而获得金属钾。
(2)根据钾、钠、氯化钾、氯化钠的熔点和沸点数据知，工业上生产钾时温度是关键，850 ℃时NaCl、KCl、Na皆为熔融状态，而钾为蒸气，所以利用了钾、钠、氯化钠、氯化钾的熔点和沸点差异来制取金属钾。
15．根据你的生活经验和下表所提供的信息，分析并回答下列问题。
物理性质 物理性质比较
导电性(以银为100) 银　　 铜　　金　　铝　　锌　　铁
100　　99　　74　　61　　27　　17
密度/ (g·cm－3) 金　 铅　 银　 铜　 铁　 锌　 铝
19.3　11.3　10.5　8.92　7.86　7.14　2.7
熔点/℃ 钨　 铁　 铜　 金　 银　 铝　 锡
3 410　1 535　1 083　1 064　962　660　232
硬度(以金刚石为10) 铬　 铁　　 银　　 铜　　 金　 　铝　　铅
9　　4～5　2.5～4 2.5～3 2.5～3 2～2.9 1.5
(1)为什么菜刀、锤子等通常用铁制而不用铅制？
(2)银的导电性比铜好，为什么导线一般用铜制而不用银制？
(3)为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制？
(4)上述哪种物理性质与自由电子关系最为密切？
答案　(1)因为铁的硬度比铅大，且铅有毒，故常用铁而不用铅制作菜刀、锤子等。
(2)银和铜的导电性相近，但银比铜贵得多，且电线用量大，所以用铜不用银。
(3)因为钨的熔点很高(3 410 ℃)，而锡的熔点(232 ℃)太低，通电时锡就熔化了，所以用钨丝而不用锡丝制灯泡里的灯丝。
(4)导电性。
解析　在确定金属的用途时，要考虑其硬度、熔点、导电性等多种性质，有时还要考虑价格、资源、是否便利、是否有毒、是否利于回收等因素。

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