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微粒间作用力与物质性质
专题3　
课程标准要求 学科核心素养
1.知道金属键的特点与金属某些性质的关系。借助金属晶体模型认识晶体的结构特点。
2.了解晶体中微粒的空间排布存在周期性,认识简单的晶胞。 1.宏观辨识与微观探析:从物质的构成微粒及相互作用力角度认识金属键,能用金属键解释金属单质的某些性质,建立物质结构和性质之间的关系,从微粒构成角度认识金属晶体的性质,体会“结构决定性质”;从物质的元素组成、构成微粒及相互作用力角度认识共价键,建立物质结构和性质之间的关系;从微观角度认识共价键的形成过程,能从宏观和微观相结合的视角判断共价分子中σ键和π键的数目;从化学键的断裂和形成的角度认识化学反应中的能量变化;从微粒构成角度区分共价晶体,解释共价晶体的性质;从微观角度认识分子间存在相互作用力,了解分子间作用力对物质熔、沸点的影响;从微粒构成角度区分共价晶体和分子晶体,解释共价晶体和分子晶体的性质,培养宏观辨识与微观探析核心素养。
3.认识物质是由原子、离子、分子等微粒构成的,微粒之间存在不同类型的相互作用。根据微粒的种类及微粒间的相互作用,认识物质的性质与微粒结构的关系。
4.认识离子键、共价键的本质。结合常见的离子化合物和共价分子的实例,认识物质的构成微粒、微粒间相互作用与物质性质的关系,借助离子晶体的结构模型认识晶体的结构特点。
5.知道配位键的特点。 2.证据推理与模型认知:通过结合原子半径、原子化热,解释、比较金属单质性质的差异;通过对常见离子晶体模型的认识,理解离子晶体的结构特点,预测其性质;建立轨道模型,从轨道重叠和共用电子对偏移角度建立共价键的分类方法体系;通过分析共价键的键能与化学反应热效应的关系,建立认知模型,体会反应物和生成物中化学键的强弱直接决定着化学反应过程中的能量变化;知道范德华力和氢键对物质物理性质的影响,建立认知模型,并运用认知模型分析、解决实际问题,借助模型感受、辨识、体验,提升空间想象能力与模型认知核心素养。
6.认识原子间通过原子轨道重叠形成共价键,了解共价键具有饱和性和方向性。知道根据原子轨道的重叠方式,共价键可分为σ键和π键等类型;知道共价键可分为极性共价键和非极性共价键。
7.知道共价键的键能、键长可以用来描述键的强弱和分子的空间结构。
8.借助共价晶体模型认识晶体的结构特点及物理性质。
9.认识分子间存在相互作用,知道范德华力和氢键是两种常见的分子间作用力。
10.了解分子内氢键和分子间氢键在自然界中的广泛存在及重要应用。
11.借助分子晶体模型认识晶体的结构特点。
12.知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的。
第一单元　金属键　金属晶体
1.了解金属键的概念。能用金属键理论解释金属的典型性质,能正确分析金属键的强弱。2.能借助模型说明常见金属晶体中晶胞的构成。理解金属晶体的堆积模型,并能用均摊法分析晶胞组成。3.能利用金属晶体的通性判断晶体类型,进一步理解金属晶体中各微粒之间的作用力。4.能举例说明合金的优越性能。
金属键与金属特性
学习任务一
1.金属键
(1)概念:化学上把 与 之间强烈的相互作用称为金属键。
(2)成键微粒: 和 。
(3)形成过程:金属原子失去部分或全部外围电子形成的 与“脱落”下的 相互作用。
(4)特征:没有 性和 性。
(5)存在:存在于 和合金中。
金属离子
自由电子
金属阳离子
自由电子
金属离子
自由电子
方向
饱和
金属单质
2.金属特性
(1)导电性:在外电场作用下, 在金属内部会发生定向运动,从而形成电流。
(2)导热性:通过自由电子的运动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。
(3)延展性:金属键 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,表现出良好的延展性。
自由电子
没有
金属 Na Mg Al Cr
原子外围电子排布 3s1 3s2 3s23p1 3d54s1
原子半径/pm 186 160 143.1 124.9
原子化热/(kJ·mol-1) 108.4 146.4 326.4 397.5
熔点/℃ 97.5 650 660 1 900
注: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热量。原子化热的大小可以衡量金属键的强弱。
探究　影响金属键强弱的因素
问题1:根据表中信息判断Al与Cr在周期表中的位置,并思考周期序数越大,原子半径越大吗
提示:Al位于第3周期ⅢA族,Cr位于第4周期ⅥB族,由表中信息可知Al的原子半径大于Cr的,并不是周期序数越大,原子半径越大。
问题2:试解释金属Mg的熔点高于金属Na的原因。
提示:镁的外围电子数比钠的多,并且原子半径比钠的小,所以金属镁的原子化热大,金属键强,所以熔点高。
问题3:根据表中数据体现出的规律,判断金属K的熔点与金属Mg的熔点的相对高低。
提示:钾原子半径比镁原子大,并且镁原子的外围电子数大于钾原子的,所以镁的金属键强于钾的,故镁的熔点高于钾的。
归纳拓展
1.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单位体积内自由电子数。原子半径越大,自由电子数越少,金属键越弱;原子半径越小,自由电子数越多,金属键越强。
2.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。
题点一　金属键及其强弱比较
1.下列关于金属键的叙述错误的是(　　)
A.金属键没有方向性和饱和性
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.金属的性质和金属固体的形成都与金属键有关
B
【解析】 金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的静电作用,故选B。
2.要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体熔点的高低和硬度的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的
B.碱金属的熔点从Li到Cs是逐渐增大的
C.金属铝的硬度大于金属钠的
D.金属钙的硬度小于金属钡的
C
【解析】 镁离子的半径比铝离子的大且所带电荷数少,所以金属镁的金属键比金属铝的弱,熔点和硬度都比金属铝的小,A错误;从Li到Cs,离子的半径是逐渐增大的,所带电荷数相同,金属键逐渐减弱,熔点和硬度都逐渐减小,B错误;因铝离子的半径比钠离子的小而所带电荷数多,故金属铝的金属键比金属钠的强,所以金属铝的熔点和硬度比金属钠的都大,C正确;钙离子的半径比钡离子的小而所带电荷数相同,则金属钙的金属键比金属钡的强,所以金属钙的熔点和硬度比金属钡的都大,D错误。
题点二　金属的特性
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变形而不易折断,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
D
【解析】 金属受外力作用时变形而不易折断是因为金属晶体中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,A错误;自由电子要在外电场作用下才能发生定向移动而形成电流,B错误;金属的导热性是通过自由电子的运动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温度,C错误;温度升高,受热的自由电子的能量增加,自由电子与金属离子的碰撞频率增加,影响自由电子的定向移动,金属的导电性降低,D正确。
4.下图是金属晶体内部结构的简单示意图,仔细观察该结构,以下有关金属能导电的理由正确的是(　　)
A.金属能导电是因为含有金属阳离子
B.金属能导电是因为含有的自由电子在外加电场作用下发生定向运动
C.金属能导电是因为含有电子且无规则运动
D.金属能导电是因为金属阳离子和自由电子的相互作用
B
【解析】 金属中含有金属阳离子和自由电子,自由电子属于整块金属,能够自由移动,在外加电场的作用下,自由电子发生定向运动,从而使金属能够导电。
金属晶体
学习任务二
一、晶体和晶胞
1.晶体
(1)概念:内部微粒(原子、离子或分子)在空间呈现 重复排列,外观具有 的固体物质。通常条件下,金属单质及其合金属于晶体。
(2)根据 ,能推知晶体内部的微观结构。
2.晶胞
(1)概念:能够反映晶体结构特征的 。
(2)研究晶体的结构只需重点研究其 的结构。
有规则
规则几何外形
X射线衍射图
基本重复单位
晶胞
二、金属晶体
1.概念
金属晶体是金属原子通过 形成的晶体。
2.成键微粒
和 。成键微粒之间的相互作用是 。
金属键
金属阳离子
自由电子
金属键
3.金属原子在平面上(二维空间中)放置的两种方式
金属晶体中的原子可看成半径相等的球体。把它们放置在平面上(即二维空间里),可有两种方式—— (a)、 (b)(如图所示)。
(1)晶体中一个原子周围距离相等且最近的原子的数目叫配位数。分析上图非密置层的配位数是 ,密置层的配位数是 。
(2)密置层放置时,平面的利用率比非密置层的要高。
非密置层
密置层
4
6
4.金属晶体的原子在三维空间里的4种堆积模型
堆积方式 晶胞图示 实例
堆积 钋
堆积 钠、钾、
铬、钼、
钨等
简单立方
体心立方
堆积 金、银、
铜、铅等
堆积 镁、锌、
钛等
面心立方
六方
三、合金
1.概念
一种金属与另一种或几种 的融合体。如钠钾合金、铜锌合金等。
2.合金的性质
(1)合金的熔、沸点一般比组成它的各成分金属的熔、沸点 。
(2)形成合金后硬度、强度 (一般情况下)。
金属(或非金属)
低
大
如长方体形(正方体形)晶胞中不同位置(顶点、棱上、面上、体内)的微粒数的计算:
探究　用均摊法(切割法)计算晶胞中含有的微粒数目
问题1:平行六面体形晶胞中有几套平行棱、几套平行面 晶体与晶胞有什么关系
提示:平行六面体形晶胞中有3套平行棱和 3套平行面;晶胞是晶体结构的基本单元,将一个个晶胞上、下、前、后、左、右无隙并置排列起来,就构成整个晶体。
问题2:下图依次是金属钋(Po)、钠(Na)、铜(Cu)晶胞的示意图,试计算它们分别平均含几个金属原子。
提示:利用均摊法可计算金属钋、钠、铜晶胞中含有原子数分别为1、2、4。
问题3:如图所示的六方晶胞中所含微粒数目为多少 写出计算过程。
切割法(均摊法)确定晶胞中微粒的个数
晶胞中微粒个数的计算,关键是正确分析晶胞中任意位置上的一个微粒被几个晶胞所共有,不同形状的晶胞,情况不同。
1.长方体形(正方体形)晶胞中不同位置的微粒数的计算
归纳拓展
2.非长方体形晶胞中的微粒均摊情况举例
归纳拓展
题点一　晶体、晶胞概念与关系
1.下列有关晶胞的叙述,正确的是(　　)
A.晶胞的结构就是晶体的结构
B.不同的晶体中晶胞的大小和形状都相同
C.晶胞中的任何一个微粒都只属于该晶胞
D.已知晶胞的组成就可推知晶体的组成
D
【解析】 由晶胞的定义可知,A错误;相同晶体中晶胞的大小和形状完全相同,不同晶体中晶胞的大小和形状不一定相同,B错误;晶体中的大部分微粒被若干个晶胞所共用,不专属于某个晶胞,C错误;知道晶胞的组成,利用切割法,即可推知晶体的组成,D正确。
2.下列有关晶体与晶胞的叙述错误的是(　　)
A.晶胞是晶体结构中的基本重复单位
B.晶体的外观规则,但是有些晶体的内部结构是无序的
C.晶胞中的各原子个数比与晶体中的相等
D.晶胞不都是正六面体形
B
【解析】 能够反映晶体结构特征的基本重复单位称为晶胞,A正确;晶体的外观上具有规则的几何外形,晶体的内部结构在三维空间里呈现周期性有序排列,B错误;晶胞只是晶体微观空间里的基本重复单位,在它的上、下、左、右、前、后无隙并置地排列着无数的晶胞,而且所有晶胞的形状及其内部的原子种类、个数及几何排列是完全相同的,故晶胞中的各原子个数比与晶体中的相等,C正确;大部分晶胞是正六面体形,但也有其他形状的晶胞,D正确。
题点二　晶胞有关分析与计算
A B C D
B
4.金晶体的最小重复单元(也称晶胞)是面心立方体,如图所示,即在立方体的8个顶点各有一个金原子,各个面的中心有一个金原子,每个金原子被相邻的晶胞所共有。金原子的直径为d,用NA表示阿伏加德罗常数,M表示金的摩尔质量。
(1)金晶体每个晶胞中含有　　　　个金原子。
(2)欲计算一个晶胞的体积,除假定金原子是刚性小球外,还应假定
　　　　 　　　。
(3)一个晶胞的体积是　　　　　　　　。
(4)金晶体的密度是　　　　　　　　。
4
面对角线金属原子间相接触,即相切
思维建模
1.结合晶胞确定化学式的方法
思维建模
2.晶体密度的计算方法
知识整合
1 183 K以下纯铁晶体的晶胞如图甲所示,1 183 K以上纯铁晶体的晶胞如图乙所示,在两种晶体中最邻近的铁原子间距离分别相同。
(1)纯铁晶体中铁原子以　　　　键相互结合。
金属
【解析】 (1)纯铁晶体中铁原子以金属键相互结合。
(2)一个晶胞中分别含有的铁原子数:甲　　　　,乙　　　　。
2
4
【解析】 (2)利用均摊法可知,甲中有2个铁原子,乙中有 4个铁原子。
(3)在1 183 K以下的纯铁晶体中,与铁原子等距离且最近的铁原子有　　个;在1 183 K以上的纯铁晶体中,与铁原子等距离且最近的铁原子有　　 个。
8
12
【解析】 (3)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为立方体顶点的铁原子,共8个;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为互相垂直的3个面上的铁原子,每个面上各4个,共12个。
命题解密与解题指导
情境解读:不同温度下,纯铁晶体的不同晶胞结构。
素养立意:通过对不同温度下,同种物质不同晶胞的理解、分析、计算,强化模型认知、变化观念的学科素养。
思路点拨:(1)计算晶胞中微粒数目。先判断晶胞结构是常规的平行六面体形晶胞还是具有特殊结构的晶胞,再看晶胞的棱、面及顶点的共用情况,最后根据均摊思想计算。
(2)金属晶体中配位原子数的确立。选好处于合适位置的中心原子作为研究对象,以此为中心,在其空间寻找距离最近且等距离的原子,充分利用晶体中微粒相对位置的对称性及晶胞的空间重复延伸特点,例如图甲选体心原子为研究对象,图乙选面心原子为研究对象,更有利于观察。

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