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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
第1课时　金属键与金属晶体
课程标准 核心素养目标
1.能运用金属键模型解释金属等物质的某些典型性质。
2．能结合实例说明金属晶体中的粒子及其粒子间的相互作用。 1.宏观辨识与微观探析：运用电子气理论解释金属性质，能从微观的视角解释金属晶体的导电性、导热性、延展性等宏观性质。
2．证据推理与模型认知：知道金属晶体的结构特点，能借助金属晶体模型说明金属晶体中的粒子及粒子间的相互作用，建构金属晶体模型，用于分析、解决相关问题。
一、金属晶体
1．金属晶体
2．物理性质
(1)金属晶体大多是银白色固体，具有良好的_________、_________、导热性等。
(2)大多数金属具有较高的熔点和硬度。
延展性
导电性
二、电子气理论
1．金属键
(1)金属键的含义
金属键可看作金属阳离子和“自由电子”之间强烈的相互作用，而且“自由电子”为整个金属所共有，导致金属键没有饱和性和方向性。
(2)金属键的本质
①描述金属键本质的最简单理论是“电子气理论”。
②电子气理论把金属键描述为金属原子脱落下来的________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___________维系在一起。
价电子
金属原子
(3)金属键对金属熔点和硬度的影响
在金属晶体中，金属离子排列越紧密，金属离子的半径越小、离子所带的电荷越多，金属键越强，金属的熔点越高，硬度越大。
2．电子气理论对金属性质的解释
(1)金属的延展性
当金属受到外力作用时，晶体中的各_________就会发生相对滑动，但不会改变原来的____________，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_________的作用，故金属有良好的延展性。
原子层
排列方式
润滑剂
(2)金属的导电性
在金属晶体中，存在着许多自由电子，这些自由电子的运动是没有方向性的，但在外加电场的条件下，自由电子就会发生定向移动，因而形成电流，故金属具有良好的导电性。
(3)金属的导热性
金属容易导热，是由于电子气中的_____________在热的作用下与___________频繁碰撞，从而把能量从温度高的部分传递到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。
自由电子
金属原子
◆名师点拨
对于金属晶体的理解
(1)构成金属晶体的粒子是金属阳离子和自由电子，且金属阳离子被自由电子包围。
(2)金属晶体包括金属单质的晶体和合金的晶体。
(3)金属晶体能导电，但能导电的晶体不一定是金属晶体，如晶体硅是共价晶体。
◆名师点拨
关于“电子气理论”的理解
(1)在金属晶体中充满着带负电性的“电子气”，“电子气”的运动没有固定方向。
(2)金属的导电性、导热性和延展性都与“电子气”有关。
(3)温度升高，金属阳离子与自由电子的碰撞频率增大，导致金属的电阻增大，导电性减弱。
◆易错警示
(1)金属晶体的熔点相差较大，钨的熔点超过3 400 ℃，汞的熔点为－38.9 ℃。
(2)金属晶体大多硬度较大，但金属钠、钾等硬度较小。
(3)金属导热的前提条件是金属存在温度差，能量传递方向：高温区→低温区，注意金属导热并非由能量高的区域传递到能量低的区域。
◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”)
(1)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(　　　)
(2)金属晶体的形成及金属的物理通性(导电性、导热性、延展性)都与金属键有关(　　　)
(3)金属晶体内自由电子的分布不均匀，专属于某些特定的金属阳离子(　　　)
(4)在外加电场作用下，金属晶体发生电离产生自由电子而导电(　　　)
(5)金属晶体的熔点一定比分子晶体的熔点高(　　　)
×
√
×
×
×
[问题设计]
(1)结合图示分析金属在锻压或捶打时，发生形变表现良好延展性的原因。
提示：在锻压或捶打时，晶体中的各原子层发生相对滑动，并未破坏金属原子原来的排列方式，在滑动过程中“自由电子”能够维系整个金属键的存在。
(2)结合图示，从微观结构分析铜锌合金的强度和硬度都大于纯铜、锌的原因。
提示：铜原子在锌原子的晶体结构中占据一定位置，造成金属晶体结构的变形，使得金属晶体在发生错位时阻力上升，形变困难，导致强度、硬度增大。
利用“电子气理论”解释金属的性质
【例1】 如图是金属晶体内部电子气理论图，电子气理论可以用来解释金属的某些性质。下列说法正确的是 (　　　)
A．金属能导电是因为金属阳离子在外加电场作用下定向移动
B．金属能导热是因为自由电子在热的作用下相互碰撞，从而发生热的传导
C
C．金属具有良好的延展性是因为在外力的作用下，金属晶体中各原子层会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，而且自由电子可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用
D．合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，使电子数目增多，所以合金的延展性比纯金属强、硬度比纯金属小
解析：
金属能导电是因为金属中自由移动的电子在外加电场作用下作定向移动，A错误；金属能导热是因为自由电子和金属阳离子在热的作用下相互碰撞，从而发生热的传导，B错误；金属具有延展性是因为在外力的作用下，金属晶体中各原子层会发生相对滑动，但不改变原有的排列方式，自由电子可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用，使金属不会断裂，C正确；合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，改变了金属原子有规则的层状排列，相当于填补了金属阳离子之间的空隙，一般情况下，使金属晶体在发生错位时的阻力上升，所以合金的延展性比纯金属差，硬度比纯金属大，D错误。
1．下图是金属晶体内部的电子气理论示意图，用“电子气理论”解释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．金属中大量自由电子受外力作用时，运动速度加快
C．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的相互作用
D．自由电子受外力作用时能迅速传递能量
C
解析：
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，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，所以在各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使在外力作用下，发生形变也不易断裂，因此，金属都有良好的延展性。
探究二__金属晶体的结构特点与性质之间的关系

金属晶体中金属原子的堆积方式有三种：①面心立方最密堆积：除其顶角处各有一个粒子外，在立方体的每个面的中心还各有一个粒子，如Ca、Cu、Ag等金属晶体。②体心立方密堆积：除了其顶角处各有一个粒子外，在晶胞中心还有一个粒子，如Na、K、Ba等金属晶体。③六方最密堆积：晶胞并非立方体或长方体，底面中棱的夹角不是直角，如Mg、Zn等金属晶体。
[问题设计]
(1)金属晶体中的原子是怎样结合在一起的？金属晶体中金属原子采取密堆积方式排列的原因是什么？
提示：金属晶体中的原子通过金属键结合在一起；金属键没有饱和性和方向性，故金属晶体中原子采取密堆积方式排列。
(2)分析表中三种金属晶胞的结构，推测哪种晶胞中空间利用率最低。
提示：体心立方晶胞。
(3)比较Na、Mg、Al的熔点高低及硬度大小，并描述判断的依据。
提示：熔点高低为Na＜Mg＜Al，硬度大小为Na＜Mg＜Al；离子半径大小为Na＋＞Mg2+＞Al3+，所带电荷大小为Na＋＜Mg2+＜Al3+，则金属键的强度大小为Na＜Mg＜Al，故熔点高低为Na＜Mg＜Al，硬度大小为Na＜Mg＜Al。
金属晶体的结构特点与性质之间的关系
【例2】 金属晶体具有良好的导电性、导热性和延展性，有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示，下列叙述错误的是 (　　　)
A．晶体中原子的配位数分别为①6，②8，③12，④12
B．晶胞中含有的原子数分别为③2，④4
C．金属晶体是一种“巨分子”，可能存在分子间作用力
D．金属晶体具有良好的导电性、导热性和延展性与自由电子有关
C
解析：
2．a、b、c分别代表金属晶体中三种常见的立方晶胞结构(如图)，则晶胞a、b、c中离顶角的金属原子最近且距离相等的金属原子的个数比为 (　　　)
A．1∶1∶2　 B．8∶6∶4　 C．2∶4∶3　 D．4∶3∶6
D
解析：
a中晶胞体心的原子离顶角的金属原子最近，离顶角的金属原子最近且距离相等的金属原子有8个；b中同一条棱上的原子距离最近，离顶角的金属原子最近且距离相等的金属原子有6个；c中面心的原子离顶角的金属原子最近，离顶角的金属原子最近且距离相等的金属原子有12个，故晶胞a、b、c中离顶角的金属原子最近且距离相等的金属原子的个数比为8∶6∶12＝4∶3∶6。
3．钛铁基储氢合金是由钛、铁两种元素组成的金属间化合物。该合金吸收氢气后的晶胞如图1所示，每个氢被4个钛原子和2个铁原子包围(图中未全部标出)。下列说法不正确的是 (　　　)
A.钛铁合金属于金属晶体，主要作用力为金属键
B．未吸收氢气时，钛铁合金的晶胞示意图为图2
C．钛铁合金中每个Ti周围距离最近且等距的Fe有8个
D．图1中形成的金属氢化物的化学式为TiFeH2
D　
解析：
解析：
1．下列关于金属性质的说法不正确的是 (　　　)
A．金属一般具有银白色光泽，是物理性质，与电子气理论没有关系
B．金属具有良好的导电性，是因为金属晶体中的自由电子可在整块晶体中运动，在外加电场的作用下，自由电子发生定向移动形成了电流
C．金属具有良好的导热性，是因为金属部分受热后，该区域的自由电子的能量增加，运动速率加快，自由电子通过与金属阳离子发生频繁碰撞，传递了能量
D．金属晶体具有良好的延展性，是因为当金属受到外力作用时，金属晶体中的各原子层可以发生相对滑动而不改变原来的排列方式，也不破坏金属键
A　
解析：
金属一般具有银白色光泽，与电子气理论密切相关，当光线投射到金属表面时，自由电子可以吸收可见光，然后又把各种波长的光大部分再反射出来，使绝大多数金属呈现银灰色或银白色光泽，A错误。
2．下列四种物质有关性质的叙述，可能属于金属晶体的是 (　　　)
A．由分子间作用力结合而成，熔点低
B．固体或熔融后易导电，熔点在1 000 ℃左右
C．由共价键结合成网状结构，熔点高
D．固体不导电，但溶于水或熔融后能导电
B　
解析：
由分子间作用力结合而成，熔点低，属于分子晶体，A错误；由共价键结合成网状结构，熔点高，属于共价晶体，C错误；金属晶体在固体时导电，D错误。
3．下列说法正确的是 (　　　)
A．金属晶体熔点：Au>Hg>Na
B．金属Na、Mg、Al的硬度依次增大
C．熔点由高到低的顺序：金刚石＞生铁＞纯铁＞钠
D．金属钙的熔点、沸点低于金属钾的熔点、沸点
B　
解析：
常温下，Hg是液体，其熔点在所有金属中最低，故金属晶体熔点大小为Au>Na>Hg，A错误；Na、Mg、Al的离子半径逐渐减小，离子所带电荷逐渐增大，金属Na、Mg、Al中金属键逐渐增强，故金属Na、Mg、Al的硬度逐渐增大，B正确；金刚石是共价晶体，其熔点最高，合金的熔点低于组分金属的熔点，故熔点：金刚石＞纯铁＞生铁＞钠，C错误；K、Ca同处于第四周期，Ca2+的离子半径小于K＋，且所带电荷多，则金属钙中金属键强于钾，故金属钙的熔点、沸点高于金属钾，D错误。
4．金属钼(Mo)在钢铁工业中主要用作合金添加剂。它能够显著提高钢材的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性。Mo的价层电子排布为4d55s1，Mo的晶胞结构如图所示，a、b的坐标分别是(0，0，0)、(1，0，0)，该晶胞参数为n pm，设阿伏加德罗常数的值为NA。下列说法正确的是 (　　　)
C　
解析：
5．铜在我国有色金属材料的消费中仅次于铝，广泛地应用于电气、机械制造、国防等领域。回答下列问题：
(1)铜原子基态价层电子排布式为____________。
(2)铜镍合金的立方晶胞结构如图所示：
①原子B的分数坐标为________。
②若该晶体密度为d g/cm3，以NA表示阿伏加德罗常数，则铜、镍原子间最短距离为_____cm。
解析：
解析：

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