2019-2020学年高二化学人教版选修三学案：第3章 第3节 金属晶体

第三节金属晶体
目标与素养：1.了解金属键的含义，能用“电子气理论”解释金属的一些物理性质。

(宏观辨识与微观探析)2.了解金属晶体的4种堆积模型。

(证据推理与模型认知)3.了解混合晶体石墨的结构与性质。

(宏观辨识与微观探析)
一、金属键与金属晶体的性质
1．金属键
(1)概念：金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起。

(2)成键粒子是金属阳离子和自由电子。

(3)金属键的强弱和对金属性质的影响
①金属键的强弱主要决定于金属元素的原子半径和价电子数。

原子半径越大、价电子数越少，金属键越弱；反之，金属键越强。

②金属键越强，金属的熔、沸点越高，硬度越大。

2．金属晶体的性质
(1)在金属晶体中，原子间以金属键相结合。

(2)金属晶体的性质：优良的导电性、导热性和延展性。

(3)用电子气理论解释金属的性质
微点拨：①温度越高，金属的导电能力越弱。

②合金的熔、沸点比其各成分
金属的熔、沸点低。

二、金属晶体的原子堆积模型
1．二维平面放置
金属原子在二维平面里放置得到两种方式，配位数分别为4和6，可分别称为非密置层和密置层。

2．三维空间模型
(1)简单立方堆积：按非密置层(填“密置层”或“非密置层”)方式堆积而成，相邻非密置层原子的原子核在同一直线上的堆积，如图。

(2)体心立方堆积：按非密置层(填“密置层”或“非密置层”)方式堆积而成。

将上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中，并使非密置层的原子稍稍分离，每层均照此堆积，如图。

(3)六方最密堆积和面心立方最密堆积：六方最密堆积和面心立方最密堆积是按照密置层(填“密置层”或“非密置层”)的堆积方式堆积而成，配位数均为12，空间利用率均为74%。

六方最密堆积面心立方最密堆积
按ABABABAB……的方式堆积按ABCABCABC……的方式堆积
1．结构特点——层状结构
(1)同层内，碳原子采用sp2杂化，以共价键相结合形成平面六元并环结构。

所有碳原子p轨道平行且相互重叠，p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动。

(2)层与层之间以范德华力相结合。

2．晶体类型：石墨晶体中，既有共价键，又有金属键和范德华力，属于混合晶体。

1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)常温下，金属单质都以金属晶体的形式存在()
(2)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)简单立方堆积的原子配位数为8()
(4)金属晶体的构成粒子为金属原子()
[答案](1)×(2)√(3)×(4)×
2．金属键的实质是()
A．自由电子与金属阳离子之间的相互作用
B．金属原子与金属原子间的相互作用
C．金属阳离子与阴离子的吸引力
D．自由电子与金属原子之间的相互作用
[答案] A
3．金属晶体熔、沸点的高低和硬度大小一般取决于金属键的强弱，而金属键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
B．碱金属单质的熔、沸点从Li到Cs是逐渐增大的
C．金属铝的硬度大于金属钠
D．金属镁的硬度小于金属钙
[答案] C
金属晶体的四种堆积模型
1.四种堆积模型比较
堆积模型采纳这种堆积
的典型代表
空间利用
率
配位数晶胞
简单立方
堆积
Po(钋) 52% 6
体心立方
堆积(bcp)
Na、K、Fe 68% 8
六方最密
堆积(hcp)
Mg、Zn、Ti 74% 12
面心立方
最密堆积
(ccp)
Cu、Ag、Au 74% 12
2.金属晶体中空间利用率的一般计算(a为晶胞边长，r为原子半径)
(1)简单立方堆积：空间利用率＝
4
3
πr3
a3×100%(a＝2r)。

(2)体心立方堆积：空间利用率＝
4
3
πr3×2
a3×100%(3a＝4r)。

(3)面心立方堆积：空间利用率＝
4
3
πr3×4
a3×100%(2a＝4r)。

1．下列关于金属晶体的原子堆积模型的说法不正确的是()
A．金属原子在二维平面里放置有非密置层和密置层两种方式，配位数分别是4和6
B．金属原子在三维空间里有4种堆积方式，其中简单立方堆积方式被大多数金属所采取
C．金属原子在三维空间里非密置层堆积有两种方式：简单立方堆积和体心立方堆积
D．金属原子在三维空间里密置层堆积有两种方式：六方最密堆积和面心立
方最密堆积，六方最密堆积按ABABABAB……的方式堆积，面心立方最密堆积按ABCABCABC……的方式堆积
B[简单立方堆积方式的空间利用率太低，只有金属钋(Po)采取这种方式，B项错误；A、C、D项均正确。

]
2．有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示，下列有关说法正确的是()
A．①为简单立方堆积，②为六方最密堆积，③为体心立方堆积，④为面心立方最密堆积
B．每个晶胞含有的原子数分别为①1，②2，③2，④4
C．晶胞中原子的配位数分别为①6，②8，③8，④12
D．空间利用率的大小关系为①<②<③<④
B[②为体心立方堆积，③为六方最密堆积，②与③判断有误，A项错误；
每个晶胞含有的原子数分别为①8×1
8＝1，②8×1
8
＋1＝2，③8×1
8
＋1＝2，④8×1
8
＋6×1
2
＝4，B项正确；晶胞③中原子的配位数应为12，其他判断正确，C项错误；四种晶体的空间利用率分别为52%、68%、74%、74%，应为④＝③＞②＞①，D项错误。

]
3．金属钠晶体为体心立方晶胞()，晶胞的边长为a。

假定金属钠原子为等径的刚性球，且晶胞中处于体对角线上的三个球相切。

则钠原子的半径r 为()
A.a
B.3a
C.3a D ．2a
B [如果沿着某一面的对角线对晶胞作横切面，可得如图所
示的结构，其中AB 为晶胞的边长，BC 为晶胞的面对角线，AC
为晶胞的体对角线。

根据立方体的特点可知：BC ＝2a ，结合
AB 2＋BC 2＝AC 2得：r ＝
3a 4。

]
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 [金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起，故金属键无饱和性和方向性；金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈作用，既包括金属阳离子与自由电子之间的静电吸引作用，也存在金属阳离子之间及自由电子之间的静电排斥作用；金属键中的电子属于整块金属；金属的性质及固体的形成都与金属键的强弱有关。

]
2．在金属晶体中，根据影响金属键的因素判断下列各组金属熔沸点高低顺序，其中正确的是( )
A ．Mg ＞Al ＞Ca
B ．Al ＞Na ＞Mg
C ．Al ＞Mg ＞Ca
D ．Mg ＞Ba ＞Al
C [构成金属晶体的金属键越强，金属晶体的熔沸点越高。

金属键强弱与金属阳离子半径和所带电荷有关系，离子半径越小，电荷数越多，金属键越强，熔沸点越高。

则A 项应该是A l>Mg >C a ，错误，C 正确；B 项应该是A l>Mg >Na ，
错误；D项应该是A l>Mg>B a，错误。

]
3．金刚石、石墨、C60和石墨烯的结构示意图分别如图所示，下列说法不正确的是()
A．金刚石和石墨烯中碳原子的杂化方式不同
B．金刚石、石墨、C60和石墨烯的关系：互为同素异形体
C．这四种物质完全燃烧后的产物都是CO2
D．石墨与C60的晶体类型相同
D[金刚石中碳原子为s p3杂化，石墨烯中碳原子为s p2杂化，A项正确；金刚石、石墨、C60和石墨烯都是碳元素形成的不同单质，它们互为同素异形体，B项正确；碳元素的同素异形体完全燃烧的产物都是CO2，C项正确；C60是分子晶体，石墨是混合晶体，D项错误。

]
4．(1)图甲为二维平面晶体示意图，所表示的化学式为AX3的是________。

甲
(2)图乙为一个金属铜的晶胞，请完成以下各题。

乙
①该晶胞称为________(填序号)。

A．六方晶胞B．体心立方晶胞
C．面心立方晶胞
②此晶胞立方体的边长为a cm，Cu的相对原子质量为64，金属铜的密度为ρ g·cm－3，则阿伏加德罗常数为________(用a、ρ表示)。

③金属铜的空间利用率为________(写出计算式和结果)。

[解析] (1)由图甲中直接相邻的原子数可以求得a 、b 中两类原子数之比分别为1∶2、1∶3，求出化学式分别为AX 2、AX 3，故答案为b 。

(2)①面心立方晶胞；②64·4
N A ＝ρ·a 3，N A ＝256
ρ·a 3。

③空间利用率＝43
πr 3×4a 3＝43
πr 3×4⎝ ⎛⎭⎪⎫
4r 23
≈74%。

[答案] (1)b (2)①C ②256ρ·a 3 ③43πr 3
×4⎝ ⎛⎭⎪⎫
4r 23
≈74%。