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第3章　不同聚集状态的物质与性质
第2节　几种简单的晶体结构模型
第1课时　金属晶体　离子晶体
1.进一步熟悉金属晶体的概念和特征,能用金属键理论解释金属晶体的物理性质。
2.知道金属晶体中晶胞的堆积方式。
3.学会关于金属晶体典型计算题目的分析方法。
4.理解离子键、离子晶体的概念,知道离子晶体类型与其性质的联系。
5.认识晶格能的概念和意义,能根据晶格能的大小,分析晶体的性质。
学习目标
一、金属晶体
知能通关
1.金属晶体的概念和结构
(1)概念:金属原子通过　　　　形成的晶体称为金属晶体。
(2)金属键可看作　　　　　　和　　　　　　之间的强的相互作用,“自由电子”为整个　　　　　　所共有,金属键没有___________和　　　　　,因此金属晶体可以看作　　　　　　　　的堆积。
金属键
金属阳离子
“自由电子”
金属
饱和性
方向性
等径圆球
2.常见金属晶体的结构
3.金属晶体的堆积模型
由于金属键没有方向性,因此金属晶体可以看成由直径相等的圆球在三维空间堆积而成。等径圆球在平面上的堆积方式很多,如图1给出了球堆积层的两种模式,其中最紧密堆积排列只有一种,称为密置层。层与层之间相互叠放在一起,便形成了晶体的堆积模型,如图2所示。
下列说法正确的是　　　　。
①金属键在本质上是一种电性作用
②有阳离子的晶体中一定含有阴离子
③金属晶体和电解质溶液在导电时均发生化学变化
④金属晶体只有还原性
⑤金属晶体的堆积模型仅与金属原子的半径有关
小题对点过
①④
4.金属晶体熔、沸点变化规律
(1)同类型的金属晶体的熔点由金属阳离子半径、离子所带的电荷数决定,阳离子半径越小,所带电荷数越多,金属键就越　　　　,晶体熔点就越　　　　。例如熔点:Li　　　Na　　　K　　　Rb　　　　Cs,Na　　　Mg　　　　Al。
(2)金属晶体的熔点差别较大,如Hg熔点很低,碱金属熔点较低,铁等金属熔点很高。这是金属晶体密堆积方式、金属阳离子和“自由电子”的作用力不同造成的。
(3)一般来说,同一周期主族金属单质的熔点由左到右逐渐　　　　,同一主族金属单质的熔点自上而下逐渐　　　　。
(4)合金的熔点一般　　　　　　其成分金属的熔点。
强
高
>
>
>
>
<
<
升高
降低
低于
(1)金属晶体的熔、沸点高低和硬度大小一般取决于　　　　　　　　　。
(2)下列说法正确的是　　 　　。
①金属锂的熔点低于金属铍
②碱金属单质的熔、沸点从Li到Cs逐渐降低
③金属镁的硬度小于金属钙
④金属铝的硬度大于金属钠
⑤合金的熔点一般低于其成分金属的熔点
金属键的强弱
小题对点过
①②④⑤
5.金属物理通性的解释
关于金属性质和原因的描述正确的是　　　　　。
①金属具有金属光泽是因为金属中的自由电子吸收了可见光,又把各种波长的光大部分反射出来
②金属具有良好的导电性,是因为金属晶体中共享了金属原子的价电子,在外电场的作用下自由电子定向移动形成电流
③金属具有良好的导热性能,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阳离子发生碰撞,传递能量
④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通过破坏金属键以达到相对滑动
①②③
小题对点过
1.金属的下列性质中和金属晶体无关的是(　　)
A.良好的导电性 B.反应中易失电子
C.良好的延展性 D.良好的导热性
解析　A、C、D都是金属共有的物理性质,这些性质都是由金属晶体所决定的。金属易失电子是由金属原子的结构决定的,所以和金属晶体无关。
B
2.下列各组金属熔、沸点高低顺序,正确的是(　　)
A.Mg>Al>Ca B.Al>Na>Li
C.Al>Mg>Ca D.Mg>Ba>Al
解析　电荷数Al3+>Mg2+=Ca2+=Ba2+>Li+=Na+,金属阳离子半径: r(Ba2+)>r(Ca2+)>r(Na+)>r(Mg2+)>r(Al3+)>r(Li+),则C正确,A错误;B中Li>Na,D中Al>Mg>Ba。
C
3.(1)将等径圆球在二维空间里进行排列,可形成密置层和非密置层,在如图所示的半径相等的圆球的排列中,A属于　　　　　　　　层,配位数是　　　　;B属于　　　　　　层,配位数是　　　　　　。
非密置
4
密置
6
解析　(1)密置层的排列最紧密,靠得最近,空隙最少,在如图所示的半径相等的圆球的排列中,A中的排布不是最紧密,A属于非密置层,一个中心圆球周围有四个圆球,配位数是4;B中排布是最紧密的结构,B属于密置层,一个中心圆球周围有六个圆球,配位数是6。
(2)铁有δ、γ、α三种同素异形体,其晶胞结构分别如图所示。
①γ Fe、δ Fe晶胞中含有的铁原子数之比为　　　　　　。
②δ Fe、α Fe两种晶体中铁原子的配位数之比为　　　　　　。
2∶1
4∶3
金属结构与金属性质的关系
(1)金属的导电性、导热性与“自由电子”的运动有关,金属具有金属光泽与“自由电子”有关;金属的延展性与金属键有关,金属的熔点和硬度与金属键的强弱有关。
二、离子晶体
知能通关
1.离子晶体
(1)概念:阴、阳离子在空间呈现　　　　重复排列所形成的晶体。
(2)构成微粒:　　　　和　　　　,离子晶体中不存在单个分子。
(3)微粒间的作用力:静电作用,离子之间的静电作用没有方向性。
周期性
阴离子
阳离子
下列说法中正确的是　　　　。
①离子晶体一定是离子化合物
②离子晶体中只含离子键
③含有离子的晶体不一定是离子晶体
④由金属与非金属形成的晶体,属于离子晶体
①③
小题对点过
2.常见的离子晶体
4
晶胞
晶胞中微粒数 Na+为　　,
Cl-为　 Cs+为　　,
Cl-为　 F-为　　,
Ca2+为　
阴、阳离子个数比
化学式 CaF2
符合类
型物质 Li、Na、K、Rb的卤化物,AgF、MgO等 CsBr、CsI、NH4Cl等 BaF2、PbF2、CeO2等
4
1
1
8
4
1∶1
1∶1
2∶1
NaCl
CsCl
如图所示是从NaCl或CsCl的晶体结构中分割出来的部分结构图,其中属于从NaCl晶体中分割出来的结构图的是　　　　。
(1)和(4)
小题对点过
解析　通过分析NaCl、CsCl晶体结构的特点,联系立体几何知识来解答问题。NaCl晶体中,每个Na+周围最邻近的Cl-有6个,构成正八面体,同理,每个Cl-周围最邻近的6个Na+也构成正八面体,由此可知(1)和(4)是从NaCl晶体中分割出来的结构图。
3.晶格能
(1)概念:将1 mol 离子晶体完全　　　　为气态阴、阳离子所吸收的能量。
(2)意义:晶格能越大,表示离子间作用力越　　　　,离子晶体越　　　　。
(3)影响因素和晶体性质
①随着离子间距离(离子半径)的　　　　,晶格能　　　　,晶体的熔点也随之　　　　。晶格能的大小与阴、阳离子所带的电荷数有关。
气化
强
稳定
增大
减小
降低
②在由复杂阳离子和复杂阴离子构成的离子晶体中,随着离子体积的增大,阴、阳离子间的距离　　　　,离子之间的作用力　　　　,晶体的熔点也随之降低。
③在许多离子化合物的晶体中,微粒之间的相互作用不再是典型的离子键,而存在　　　　、　　 　　等作用力。这些晶体的熔点远比NaCl等晶体低得多,有些离子组成的物质在常温下甚至以液态形式存在。
增大
减弱
氢键
范德华力
4.离子晶体的性质
性质 原因
熔、沸点 离子晶体有较高的熔点、沸点和难挥发性。且同种类型的离子晶体,离子半径越小,晶格能越大,熔、沸点越高
硬度 硬而脆。离子晶体表现出较高的硬度。但当晶体受到冲击力作用时,部分离子键发生断裂,导致晶体破碎
导电性 固态不导电,但熔融或溶于水后能导电。离子晶体中,阴、阳离子不能自由移动,离子晶体不导电。当熔融或溶于水时,变成自由移动的离子而导电
溶解性 大多数离子晶体易溶于极性溶剂(如水)中,难溶于非极性溶剂(如汽油、苯、CCl4)中
延展性 无延展性。离子晶体中阴、阳离子交替出现,层与层之间如果滑动,同性离子相邻而使斥力增大导致不稳定
(1)下列性质中适合离子晶体的是　　　　。
①熔点为1 070 ℃,易溶于水,水溶液能导电
②熔点为10.31 ℃,液态不导电,水溶液能导电
③能溶于CS2,熔点为-7.25 ℃,沸点为59.47 ℃
④熔点为97.81 ℃,质软,导电,密度为0.97 g·cm-3
⑤熔点为-218 ℃,难溶于水
⑥熔点为3 900 ℃,硬度很大,不导电
⑦难溶于水,固体时导电,升温时导电能力减弱
⑧难溶于水,熔点较高,固体不导电,熔化时导电
①⑧
小题对点过
(2)MgO、Cs2O、CaO、BaO四种离子晶体的熔点高低顺序是
　　　　　　　　　　　　。
MgO>CaO>BaO>Cs2O
1.离子晶体一般不具有的特征是(　　)
A.熔点较高,硬度较大
B.易溶于水而难溶于有机溶剂
C.固体时不能导电
D.离子间距离较大,其密度较大
解析　离子晶体的结构决定着离子晶体具有一系列特性,这些特性包括A、B、C项所述;离子间的距离取决于离子半径的大小及晶体的密堆积方式等。
D
C
3.(2025·孝感重点高中教科研协作体期中)两种常见离子晶体的晶胞结构如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.CsCl晶体中Cs+填充在Cl-构成的正四面体
空隙中
B.在NaCl晶体中,每个Na+周围最邻近的Na+的数目为6
C.若NaCl晶胞的边长为a pm,则Na+与Cl-之间的最短距离为0.5a pm
D.CsCl晶体中Cl-的配位数为6
C
解析　A项,CsCl晶体中Cs+填充在Cl-构成的立方体空隙中,错误。B项,根据NaCl的晶胞结构可知,每个Na+周围最邻近的Na+有12个,错误。C项,根据NaCl的晶胞结构可知,Na+与Cl-之间的最短距离为晶胞边长的一半,即0.5a pm,正确。D项,CsCl晶体中Cl-的配位数为8,错误。
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1.下列有关金属晶体的说法中正确的是(　　)
A.金属晶体所有性质均与金属键有关
B.最外层电子数少于3个的原子一定是金属原子
C.任何状态下都有延展性
D.都能导电、传热
解析　金属键只影响金属的物理性质,A项错误;H、He最外层电子数都少于3个,但它们不是金属,B项错误;金属的延展性指的是能抽成细丝、压成薄片的性质,在液态时,由于金属具有流动性,不具备延展性,C项错误;金属晶体中存在“自由电子”,能够导电、传热,D项正确。
D
2.下列性质中,可以较充分说明某晶体是离子晶体的是(　　)
A.具有较高的熔点 B.固态不导电,水溶液能导电
C.可溶于水 D.固态不导电,熔融状态能导电
解析　A项,离子晶体一般具有较高熔点,但具有较高熔点的不一定是离子晶体,错误;B项,有些分子晶体(如HCl)的水溶液也能导电,错误;C项,有些分子晶体也能溶于水,错误;D项,固态时不导电说明不是金属晶体,熔融状态可导电,则可说明含有离子键,即为离子晶体,正确。
D
3.下列叙述中错误的是(　　)
A.金属的熔点和硬度由金属晶体中金属阳离子跟“自由电子”间的作用强弱
决定
B.由于金属晶体中“自由电子”的运动,使金属易导电、导热
C.金属键的实质是金属中的“自由电子”与金属阳离子形成的一种强烈的相互作用
D.金属晶体都有银白色的金属光泽
D
解析　金属键的实质是“自由电子”与金属阳离子之间强烈的相互作用,而金属键的强弱决定金属的熔点、沸点、硬度等物理性质,故A、C正确。当金属受热时,“自由电子”与金属阳离子相互碰撞,把能量由温度高处向温度低处传递,使金属易于导热;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,表现出良好的导电性,故B正确。绝大多数金属都有银白色的金属光泽,而少数金属具有其他颜色,如Au呈金黄色,Cu呈紫红色,Cs略带金色,故D不正确。
4.下面有关离子晶体的叙述中,不正确的是(　　)
A.1 mol氯化钠中有NA个NaCl分子（NA为阿伏加德罗常数的值）
B.氯化钠晶体中,每个Na+周围紧邻6个Cl-
C.氯化铯晶体中,每个Cs+周围紧邻8个Cl-
D.平均每个NaCl晶胞中有4个Na+、4个Cl-
解析　A.氯化钠中不存在NaCl分子,A错误;B.由NaCl晶胞结构可知,钠离子在棱心和体心时,顶点和面心为氯离子,则每个Na+周围距离最近且相等的Cl-共有6个,B正确;C.氯化铯晶体中,铯离子在体心,氯离子在顶点,每个Cs+周围紧邻8个Cl-,C正确;D.由NaCl晶胞结构可知,钠离子在棱心和体心时,顶点和面心为氯离子,平均每个NaCl晶胞中有4个Na+、4个Cl-,D正确。
A
5.NaCl、CsCl分别代表常见的离子晶体结构模型,根据图示回答下列问题:
(1)试写出两种结构分别对应的化学式:
图甲　　　　、图乙　　　　。
在这两种晶体中,每个阳离子周围的阴
离子在空间构成的结构分别为
　　　　　　　　　　　　。
(2)在NaCl、CsCl晶体中,每个Cl-的周围和它等距离且最近的Cl-分别有______个。
(3)NaCl、CsCl晶体的熔、沸点从高到低的顺序为　　　　　　。
CsCl
NaCl
立方体、正八面体
12、6
NaCl>CsCl
解析　在NaCl晶体中,阴、阳离子的配位数都为6,在Na+周围的6个Cl-形成正八面体,每个Cl-周围和它等距离且最近的Cl-有12个;在CsCl晶体中,每个Cs+周围的8个Cl-形成立方体,设定图甲中心离子为Cl-,每个Cl-周围和它等距离且最近的Cl-位于该立方体周围的6个立方体的体心。
课时精练16
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
1.下列关于金属晶体的叙述正确的是(　　)
A.常温下,金属单质都以金属晶体形式存在
B.金属阳离子与“自由电子”之间的强烈作用,在一定外力的作用下,不因形变而消失
C.钙的熔、沸点低于钾
D.温度越高,金属的导电性越好
B
解析　A项,Hg在常温下为液态,错误;C项,r(Ca2+)K+,所以金属键Ca>K,故熔、沸点Ca>K,错误;D项,金属的导电性随温度升高而降低,错误。
2.下列关于晶格能的说法中正确的是(　　)
A.晶格能指形成1 mol离子键所放出的能量
B.晶格能指破坏1 mol离子键所吸收的能量
C.晶格能指1 mol离子晶体完全气化为气态阴、阳离子所吸收的能量
D.晶格能的大小与晶体的熔点、硬度都无关
解析　晶格能指1 mol离子晶体完全气化为气态阴、阳离子所吸收的能量,故A、B项错误,C正确;晶格能越大,离子晶体的熔沸点越高,硬度越大,故D错误。
C
3.下列关于金属晶体的叙述正确的是(　　)
A.用铂金做首饰不能用金属键理论解释
B.固态和熔融时易导电,熔点在1 000 ℃左右的晶体可能是金属晶体
C.Al、Na、Mg的熔点逐渐升高
D.金属晶体一定是无色透明的固体
解析　用铂金做首饰利用了金属晶体的延展性,能用金属键理论解释,A错误;金属晶体在固态和熔融时能导电,其熔点差异很大,故题设条件下的晶体可能是金属晶体,B正确;一般来说,金属中单位体积内自由电子的数目越多,金属元素的原子半径越小,金属键越强,故金属键的强弱顺序为Al>Mg>Na,其熔点的高低顺序为Al>Mg>Na,C错误。
B
4.下列有关离子晶体的数据大小比较不正确的是(　　)
A.熔点:NaF>MgF2>AlF3 B.晶格能:NaF>NaCl>NaBr
C.阴离子的配位数:CsCl>NaCl>CaF2 D.硬度:MgO>CaO>BaO
解析　由于Na+、Mg2+、Al3+的半径依次减小,所带电荷数依次增加,所以NaF、MgF2、AlF3的晶格能依次增大,熔点依次升高,A项错误;F-、Cl-、Br-的半径依次增大,NaF、NaCl、NaBr的晶格能依次减小,B项正确;CsCl、NaCl、CaF2中阴离子的配位数分别为8、6、4,C项正确;Mg2+、Ca2+、Ba2+的半径依次增大,MgO、CaO、BaO的晶格能依次减小,硬度依次减小,D项正确。
A
5.下列说法中正确的是(　　)
A
6.3种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示,其配位数(即一个原子周围最邻近且等距离的原子数)分别为(　　)
A.6、6、8 B.6、8、8 C.6、6、12 D.6、8、12
D
解析　①该晶胞是简单立方堆积,离顶点原子距离最近且等距离的原子处在该原子的上下左右前后共6个,故配位数为6;②该晶胞是体心立方堆积,离体心原子距离最近且等距离的原子处在晶胞的8个顶点,故配位数为8;③该晶胞是面心立方最密堆积,离顶点原子距离最近且等距离的原子处在相邻的面心上,一个晶胞中有3个等距离的原子,顶点原子周边可以堆积8个相同的晶胞,周边等距离的原子共3×8个,由于面心原子被两个晶胞均分,计算两次,故离顶点原子邻近且等距的原子有3×8÷2=12个,故配位数为12。
7.具有下列性质的物质可能属于离子晶体的是(　　)
A.熔点113 ℃,能溶于CS2 B.熔点44 ℃,液态时不导电
C.熔点1 124 ℃,易溶于水 D.熔点180 ℃,固态时能导电
解析　判断晶体属于哪一类时,可以根据晶体的性质进行判断。离子晶体的熔、沸点较高,一般离子晶体易溶于水,不溶于非极性溶剂,固态时不导电,在熔融状态下或水溶液中能够导电。
C
8.已知金属钠与两种卤族元素形成的化合物Q、P,它们的晶格能分别为923 kJ·mol-1、786 kJ·mol-1,下列有关说法不正确的是(　　)
A.Q的熔点比P的高 B.若P是NaCl,则Q一定是NaF
C.Q中成键离子核间距较小 D.若P是NaCl,则Q可能是NaBr
解析　Q的晶格能大于P的晶格能,故Q的熔点比P的高,A项正确;因F-的半径比Cl-的小(其他卤素离子的半径比Cl-的大),故NaF的晶格能大于NaCl的,B项正确、D项错误;因Q、P中成键离子均为一价离子,电荷数相同,故晶格能的差异与离子间距离有关,则Q中成键离子核间距较小,C项正确。
D
9.(2025·沈阳高二检测)铁镁合金是目前已发现的储氢密度较高的储氢材料之一,其晶胞结构如图所示(灰球代表Fe,白球代表Mg)。则下列说法错误的是(　　)
B
10.AB、CD、EF均为1∶1型离子化合物,根据下列数据判断它们的熔点由高至低的顺序是(　　)
A.CD>AB>EF B.AB>EF>CD C.AB>CD>EF D.EF>AB>CD
A
化合物 AB CD EF
离子电荷数 1 1 2
键长(10-10m) 2.31 3.18 2.10
解析　离子所带电荷数越多,键长越短,则离子键越强,晶体的熔点越高,因EF化合物的键长短,电荷数多,则熔点最高。
11.钡在氧气中燃烧时得到一种钡的氧化物晶体,其晶胞的结构如图所示,下列有关说法中正确的是(　　)
A
12.金晶体的晶胞结构如图所示。设金原子的直径为d,用NA表示阿伏加德罗常数,M表示金的摩尔质量。则下列说法错误的是(　　)
C
13.在离子晶体中,阴、阳离子按一定的规律进行排列,如图甲是NaCl的晶胞结构。在离子晶体中,阴、阳离子具有或近似具有球形对称结构,它们可以看作是不等径的刚性圆球,并彼此相切,如图乙。已知a为常数。
6
1∶1
0.414∶1
(3)NaCl晶体中不存在分子,但在1.01×105 Pa、1 413 ℃时,NaCl晶体形成气体,并以分子形式存在。现有29.25 g NaCl晶体,在1.01 ×105 Pa时加强热使温度达到1 501.5 ℃,测得气体体积为5.6 L(已换算为标准状况),试应用有关物理、化学知识计算此时氯化钠气体的分子式(化学式)为　　　　(不写计算过程)。
(4)氯化钠的熔点　　　　　　(填“高于”或“低于”)氯化铯的熔点,原因是
　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
Na2Cl2
高于
铯离子的半径大于钠离子的半径,氯化钠晶体中的晶格能强于氯化铯
14.回答下列有关问题:
(1)已知NaBr、NaCl、MgO等离子晶体的离子间距和晶格能如下表所示:
小
物质 NaBr NaCl MgO
离子间距/pm 290 276 205
晶格能/(kJ·mol-1) 787 3 890
①NaBr晶体比NaCl晶体晶格能　　　　　　(填“大”或“小”),主要原因是
　　　　　　　　　　　　 　。
NaBr比NaCl的离子间距大
__________________________________________________________________________________。
②MgO晶体比NaCl晶体晶格能大,主要原因是　 　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　 。
③NaBr、NaCl和MgO晶体中,熔点最高的是　　　　　　。
氧化镁晶体中的阴、阳离子的电荷数绝对值大,并且离子间距小
MgO
>
两者均为离子化合物,且电荷数均为1,但后者离子半径大,离子键较弱,因此熔点较低
B级　素养培优练
选择题有1个或2个选项符合题意
15.锌与硫所形成化合物晶体的晶胞如图所示。下列判断正确的是(　　)
A.该晶体属于离子晶体
B.该晶胞中Zn2+和S2-数目不相等
C.阳离子的配位数为6
D.氧化锌的熔点高于硫化锌
AD
16.科学家通过X射线探明,KCl、MgO、CaO、NiO、FeO、
CaC2的晶体结构与NaCl的晶体结构相似。
(1)某同学画出的MgO晶胞结构示意图如图所示,
请改正图中错误:
空心球应为O2-,实心球应为Mg2+;8号空心球应改为实心球
　 　　　　　　　　。
解析　(1)Mg2+和O2-的半径是O2->Mg2+,故空心球应为O2-,实心球应为Mg2+;图中应该空心球、实心球交替出现,故8号球应为实心球。
(2)MgO是优良的耐高温材料, MgO的熔点比CaO的高,其原因是
　　　　　　　　　　　 　　　　　　　。
(3)已知CaO晶体密度为a g·cm-3,NA表示阿伏加德罗常数的值,则CaO晶胞体积为
____________cm3。
Mg2+半径比Ca2+小,MgO的晶格能大
4

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