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第1课时　金属键与金属晶体　离子晶体
素养 目标定位
目标素养
1.借助离子晶体、金属晶体等模型认识晶体的结构特点。培养证据推理与模型认知的化学学科核心素养
2.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。培养宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养
知识概览
课前 基础认知
一、金属键与金属晶体
1.金属键。
(1)成键粒子:　金属阳离子　和　自由电子　。
(2)存在于:　金属单质　或　合金　中。
(3)成键本质——电子气理论:
金属原子脱落下来的　价电子　形成遍布整块晶体的“电子气”,被所有原子共用,从而把　所有的金属原子　维系在一起。
(4)金属键的特征:
金属键无方向性和饱和性,属于广域的化学键。金属晶体里的自由电子不专属于某几个特定的金属原子,而是几乎均匀地分布在整个晶体里,把所有金属原子维系在一起。
2.金属晶体。
(1)绝大多数金属在常温下都是晶体,称其为金属晶体。
(2)用电子气理论解释金属的物理性质:
微解读 合金属于金属晶体,由于合金元素的种类与含量不同,合金的结构和性能与主要成分的纯金属相比有明显差异。当两种金属元素的电负性、原子半径、化学性质相差不大时,形成的合金具有更大的强度和硬度;当两种金属元素的电负性或原子半径相差较大时,形成的合金通常具有较高的熔点和较低的塑性、韧性;若金属晶体中渗入原子半径较小的B、C、N等,则形成的合金因形成共价键而具有很高的硬度。
微判断
(1)常温下,金属单质都以金属晶体的形式存在。(　　)
(2)金属晶体中,金属阳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。(　　)
(3)同主族金属元素自上而下,金属单质的熔点逐渐降低,体现金属键逐渐减弱。(　　)
×
√
√
微训练1
1.下列有关金属键的叙述中错误的是(　　)。
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.金属键中的自由电子属于整块金属
D.金属的性质和金属固体的形成都与金属键有关
答案:B
2.物质结构理论指出,金属键越强,其金属的硬度越大,熔、沸点越高。一般来说,金属原子半径越小,价电子越多,则金属键越强。由此判断下列说法错误的是(　　)。
A.镁的硬度大于铝的硬度
B.镁的熔、沸点高于钙的熔、沸点
C.镁的硬度大于钾的硬度
D.钙的熔、沸点高于钾的熔、沸点
答案:A
二、离子晶体
1.结构特点。
(1)构成粒子:　阳离子　、　阴离子　。
(2)作用力:　离子键　。
(3)离子晶体中,一个离子周围最邻近的异电性离子的数目,叫做离子的配位数。
微解读 大量离子晶体的阴离子或阳离子不是单原子离子,有的还存在电中性分子,如[Cu(NH3)4]SO4·H2O;离子晶体中不仅有离子键,还可能存在共价键、氢键等。
微思考1 怎样判断一种晶体是离子晶体还是分子晶体
提示:最基本的判断依据是构成晶体的微粒及微粒间的作用,另外还可从物质的类别、熔融态能否导电等方面进行判断。
2.常见的离子晶体。
配位数 Cl-和Na+的配位数都为 6 Cl-和Cs+的配位数都为 8
晶胞中离子数 Na+、Cl-都为 4 Cs+、Cl-都为 1
阴、阳离子个数比 1∶1 1∶1
化学式 NaCl CsCl
3.物理性质。
(1)硬度　较大　,难于压缩。
(2)通常,熔点和沸点　较高　。
(3)固体不导电,但在　熔融状态下或水溶液中　能导电。
4.离子液体。
(1)定义:在室温或稍高于室温时呈液态的离子化合物。
(2)组成:大多数离子液体含有体积很大的阴、阳离子。
(3)性质与用途:离子液体　难　挥发,可用作　溶剂　、原电池的电解质、有机合成的催化剂等。
微思考2 熔融态的NaCl、KNO3等离子化合物属于离子液体吗
提示:不属于。离子液体是指在室温或稍高于室温时呈液态的离子化合物。而NaCl、KNO3等在室温或稍高于室温时呈固态。
微训练2 下列关于CaF2的表述正确的是(　　)。
A.Ca2+与F-间仅存在静电吸引作用
B.F-的半径小于Cl-的半径,则CaF2的熔点低于CaCl2的熔点
C.阴、阳离子个数比为2∶1的物质,均与CaF2的晶体构型相同
D.CaF2中的化学键为离子键,因此CaF2在熔融状态下能导电
答案:D
课堂 重难突破
问题探究
氢气的安全储存和运输是氢能应用的关键。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。
(1)写出铁镁合金的化学式及推导过程。
(2)距离Mg原子最近的Fe原子的个数是多少
提示:4
(3)铁镁合金中金属原子是如何维系在一起的
提示:铁镁合金中镁原子和铁原子脱落下的价电子几乎均匀地分布在整个合金里,为所有原子共用,从而把所有金属原子维系在一起。
(4)合金属于什么晶体 构成粒子是什么
提示:金属晶体;构成粒子为金属阳离子和自由电子。
(5)金属在常温下都是晶体吗 金属晶体的性质与哪些因素有关
提示:不是,如汞。金属键和金属原子的堆积方式决定金属的性质。
(6)合金的熔点与其相应的成分金属的熔点有何关系
提示:合金的熔点一般低于任何一种成分金属的熔点。
归纳总结
1.金属晶体的物理特性分析。
(1)金属键没有方向性,当金属受到外力作用时,晶体中的各原子层发生相对滑动,但不会改变原来的排列方式,金属发生形变但不会断裂,故金属晶体具有良好的延展性。
(2)金属材料有良好的导电性是由于金属晶体中的自由电子可以在外加电场作用下发生定向移动。
(3)金属的导热性是由于自由电子在运动时与金属原子频繁碰撞而引起能量的交换,从而使能量从温度高的部分传到温度低的部分,使整块金属达到相同的温度。
2.金属键的强弱及对金属晶体物理性质的影响。
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价电子数。原子半径越大,价电子数越少,金属键越弱;原子半径越小,价电子数越多,金属键越强。一般来说:
(1)金属键越强,金属晶体的熔、沸点越高。
(2)金属键越强,金属晶体的硬度越大。
(3)同周期金属单质,从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点逐渐升高。同主族金属单质,从上到下(如碱金属)熔、沸点逐渐降低。
(4)金属晶体的熔点差别很大,如汞常温为液体,熔点很低
(-38.9 ℃),而铁(1 535 ℃)等金属熔点很高。
典型例题
【例1】下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性质,其中正确的是(　　)。
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.金属具有延展性是因为在外力的作用下,金属阳离子各层间会出现相对滑动,但自由电子可以起到润滑的作用,使金属不会断裂
D.合金与纯金属相比, 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
答案:C
解析:金属能导电是因为自由电子在外加电场作用下发生定向移动,A项错误。金属能导热是因为自由电子在热的作用下与金属阳离子频繁碰撞,从而发生热的传导,B项错误。合金与纯金属相比,由于增加了不同的金属或非金属,相当于填补了金属阳离子之间的空隙,所以一般情况下合金的延展性比纯金属弱,硬度比纯金属大,D项错误。
思想方法
分析金属的物理性质和化学性质的思维模型
【例2】 下列物质的熔点依次升高的是(　　)。
A.Mg、Na、K B.Na、Mg、Al
C.Na、Rb、Ca D.铝、铝硅合金
答案:B
解析:A项中K、Na、Mg的半径依次减小,Mg的价层电子数比K、Na的大,故各物质熔点的顺序为K问题探究
从海水中提取食盐通常用“盐田法”,其原理是利用太阳能将海水中的水分蒸发,使食盐因溶液过饱和而结晶析出,因此又称为“太阳能蒸发法”。
(1)为什么食盐水能够导电,而氯化钠固体却不能导电
提示:食盐易溶于水,食盐水中含有一定浓度的能自由移动的Na+和Cl-,在外加电场的作用下能发生定向移动从而导电。氯化钠固体中虽然含有Na+和Cl-,它们在静电力的作用下只能在平衡位置振动,却不能自由移动,所以氯化钠固体不导电。
(2)用铁锅焙炒食盐时(炉灶温度约300 ℃),食盐却不熔化 试从氯化钠的晶体结构角度解释其原因。
提示:因为氯化钠晶体中Na+和Cl-相互作用形成离子键,离子键比较强,氯化钠晶体熔化需破坏离子键,需要较高的能量,所以氯化钠晶体的熔点(801 ℃)比较高,远高于炉灶温度(300 ℃),所以用铁锅焙炒食盐时食盐不会熔化。
(3)含金属阳离子的晶体一定是离子晶体吗 有阳离子的晶体中一定存在阴离子吗
提示:不一定。也可能是金属晶体;晶体中含有阳离子,不一定存在阴离子,如金属晶体由阳离子和自由电子构成。
(4)离子晶体中一定含有金属元素吗 由金属元素和非金属元素组成的晶体一定是离子晶体吗
提示:不一定。离子晶体中不一定含金属元素,如NH4Cl、NH4NO3等铵盐。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。
(5)离子晶体的熔点一定低于共价晶体吗
提示:不一定。离子晶体的熔点不一定低于共价晶体,如MgO是离子晶体,SiO2是共价晶体,MgO的熔点高于SiO2的熔点。
归纳总结
1.离子晶体的构成特点。
(1)离子晶体是由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。
(2)离子晶体中粒子之间的作用力是离子键。由于静电作用没有方向性,故离子键没有方向性。只要条件允许,阳离子周围可以尽可能多地吸引阴离子,同样,阴离子周围也可以尽可能多地吸引阳离子,故离子键也没有饱和性。根据静电作用大小的影响因素可知,在离子晶体中阴、阳离子半径越小,所带电荷数越多,离子键越强。
(3)离子晶体的化学式只表示晶体中阴、阳离子的个数比,而不是表示“分子”组成。
2.离子晶体的性质。
性质 原因
熔、
沸点 离子晶体中有较强的离子键,要使它们由固态变成液态或气态时需消耗较多的能量,所以离子晶体有较高的熔、沸点和难挥发性。通常情况下,同种类型的离子晶体,离子半径越小,离子键越强,熔、沸点越高
硬度 硬而脆。离子晶体表现出较高的硬度。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
性质 原因
导电性 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, 因此离子晶体不导电。当升高温度时,阴、阳离子获得足够的能量克服了离子间的相互作用力,成为自由移动的离子,在外加电场的作用下,离子定向移动而导电。离子晶体溶于水时,阴、阳离子受到水分子的作用成了自由移动的离子(或水合离子),在外加电场的作用下,阴、阳离子定向移动而导电
性质 原因
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。当把离子晶体放入水中时,水分子对离子晶体中的离子产生吸引,使离子晶体中的离子克服离子间的相互作用力而离开晶体,变成在水中自由移动的离子
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,所以离子晶体无延展性
3.离子晶体的判断。
(1)根据物质的类别(或构成粒子的种类)进行判断:强碱、大多数盐、活泼金属的氧化物(如Na2O和Na2O2)、活泼金属的氢化物(如NaH)等离子化合物都是离子晶体。
(2)根据元素的性质和种类进行判断:成键元素的电负性差值大于1.7的物质,大多数为离子晶体;活泼的金属元素(如第ⅠA、ⅡA族元素)与活泼的非金属元素(如第ⅥA、ⅦA族元素)组成的化合物一般是离子晶体。
(3)根据物质的性质进行判断:离子晶体一般具有较高的熔点、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。
4.常见离子晶体的晶胞结构。
典型例题
【例3】根据表中给出物质的熔点数据(AlCl3沸点为260 ℃),判断下列说法错误的是(　　)。
A.MgO中的离子键比NaCl中的离子键强
B.SiCl4晶体是分子晶体
C.AlCl3晶体是离子晶体
D.晶体硼是共价晶体
答案:C
解析:根据表中各物质的熔点,判断晶体类型。NaCl和MgO是离子晶体,故熔点越高,说明离子键越强,A项正确。SiCl4是共价化合物,熔点较低,为分子晶体,硼为非金属单质,熔点很高,是共价晶体,B、D项正确。AlCl3虽是由活泼金属和活泼非金属形成的化合物,但其晶体的熔点较低,应属于分子晶体,C项错误。
成果验收站
1.我国的超级钢研究居于世界领先地位。某种超级钢中除Fe外,还含Mn 10%、C 0.47%、Al 2%、V 0.7%。下列说法中错误的是(　　)。
A.上述五种元素中,有两种位于元素周期表的p区
B.超级钢的晶体一定是金属晶体
C.通过X射线衍射实验可以确定超级钢的晶体结构
D.超级钢的导电性较差
答案:D
2.下列叙述错误的是(　　)。
A.构成金属的粒子是金属阳离子和自由电子
B.金属晶体内部都有自由电子
C.金属晶体内自由电子分布不均匀,专属于某个特定的金属离子
D.同一类晶体间熔点(或沸点)相差最大的是金属晶体
答案:C
3.根据下列对四种物质的有关性质的叙述,判断其中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.具有共价键三维骨架结构,熔点高
D.固体和熔融状态不导电,但溶于水后可能导电
答案:B
4.在金属晶体中,如果金属原子的价电子数越多,原子半径越小,自由电子与金属阳离子间的作用力越大,金属的熔、沸点越高。由此判断下列各组金属的熔、沸点高低顺序,其中正确的是(　　)。
A.Mg>Al>Ca B.Al>Na>Li
C.Al>Mg>Ca D.Mg>Ba>Al
答案:C
5.[高考链接](2024湖北卷)黄金按质量分数分级,纯金为24K。Au-Cu合金的三种晶胞结构如图,Ⅱ和Ⅲ是立方晶胞。下列说法错误的是(　　)。
A.Ⅰ为18K金
B.Ⅱ中Au的配位数是12
C.Ⅲ中最小核间距Au—CuD.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中,Au与Cu原子个数比依次为1∶1、1∶3、3∶1
答案:C
6.NH4Cl的晶胞为立方体,其结构如图所示。下列说法不正确的是(　　)。
7.氧化钙在2 973 K时熔化,而氯化钠在1 074 K时熔化,两者的离子间距离和晶体结构都类似,有关它们熔点差别较大的原因叙述不正确的是(　　)。
A.氧化钙晶体中阴、阳离子所带的电荷数多
B.氧化钙中氧离子与钙离子之间的作用力更强
C.氧化钙的摩尔质量比氯化钠的摩尔质量小
D.在氧化钙与氯化钠的离子间距离类似的情况下,熔点主要由阴、阳离子所带电荷数的多少决定
答案:C
8.金属晶体和离子晶体是重要的晶体类型。下列关于它们的说法正确的是(　　)。
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.在锌晶体中,1个Zn2+只与2个自由电子存在强烈的相互作用
C.离子晶体中的化学键很难断裂,因此离子晶体具有延展性
D.NaCl晶体的熔点小于MgO晶体的熔点
答案:D
9.下面有关离子晶体的叙述中,错误的是(　　)。
A.1 mol氯化钠中有NA个NaCl分子
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-
答案:A
10.同类晶体物质熔点的变化是有规律的,试分析下列两组物质熔点规律性变化的原因:
晶体熔点的高低,决定于组成晶体的粒子间的作用力的大小。A组是　　　　　　晶体,晶体的粒子之间通过　　　　相连,粒子之间的作用力由大到小的顺序是　　　　　　。B组晶体属于　　　晶体,价电子数由少到多的顺序是　　　　　,离子半径由大到小的顺序是　　　　　　　。金属键强弱由小到大的顺序为　 。
答案:离子　离子键　NaCl>KCl>CsCl　金属　NaMg2+>Al3+　Na

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