金属晶体与离子晶体

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第一讲金属晶体与离子晶体一、细品教材一、金属晶体1.定义：金属晶体是指金属原子通过金属键形成的晶体。2.金属键：金属晶体中金属阳离子和自由电子之间的强烈的相互作用。金属键的特征：由于自由电子为整个金属所共有，所以金属键没有方向性和饱和性。金属原子的外层电子数比较少，容易失去电子变成金属离子和电子，金属离子间存在反性电荷的维系――带负电荷的自由移动的电子（运动的电子使体系更稳定），这些电子不是专属于某几个特定的金属离子这就是金属晶体的形成的原因。小结：尽管每个电子的运动都是随机的，但是大量的价电子运动统计的结果是均匀地分布在整个晶体中，每个金属离子都均等的享用所有价电子，但都不可能独占，这就是金属键的核心思想。例1.金属晶体的形成是因为晶体中存在(C)①金属原子②金属离子③自由电子④阴离子A.只有①B.只有③C.②③D.②④3.金属晶体的结构型式：（1）特点：最常见的结构型式具有堆积密度大，原子配位数高，能充分利用空间等特点。小结：①紧密堆积：微粒间的作用力，使微粒间尽可能地相互接近，使它们占有最小的空间。②空间利用率：空间被晶格质点占据的百分数。用来表示紧密堆积的程度。③配位数：在晶体中，原子配位数是指某一个原子周围所接触到的同种原子的数目。（2）分类：Ca、Al、Cu、Ag、Au等金属晶体属于A1型最密堆积，Mg、Zn等金属晶体属于A3型最密堆积，A2型密堆积又称为体心立方密堆积，Li、Na、K、Fe等金属晶体属于A2型密堆积。A1型配位数为12，A2型配位数为8，A3型配位数为12。小结：①对金属晶体的认识要抓住金属晶体中存在微粒和微粒间的相互作用，并能由此来分析金属晶体的特性。②熟悉常见三种结构模式中的配位数、晶胞中所含有的原子数、晶胞名称及是否是密堆积等。4.金属晶体中的金属键和原子的堆积方式与金属晶体的物理性质的关系（1）金属晶体具有良好的导电性：金属中有自由移动的电子，金属晶体中的自由电子在没有外加电场存在时是自由运动的，当有外加电场存在的情况下，电子发生了定向移动形成了电流，呈现良好的导电性。小结：金属受热后，金属晶体中离子的振动加剧，阻碍着自由电子的运动。所以温度升高导电性下降。10 （2）金属晶体具有良好的导热性：自由电子在运动时经常与金属离子碰撞，从而引起两者能量的交换。当金属某一部分受热时，在那个区域里的自由电子能量增加，运动速度加快，于是通过碰撞，自由电子把能量传给金属离子。金属容易导热就是由于自由电子运动时，把能量从温度高的部分传到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。小结：①金属具有良好的导电性、导热性都与自由电子有关。②自由电子通过运动把能量从高温区传到低温区自由电子在运动过程中通过碰撞进行能量传递，使金属具有良好的导热性。（3）金属晶体具有良好的延展性：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，由于金属离子与自由电子之间的相互作用没有方向性，滑动以后，各层之间仍保持着这种相互作用，在外力作用下，金属虽然发生了变形，但不会导致断裂。小结：①金属的堆积方式和金属键共同决定金属晶体是否具有良好的延展性。②注意金属的延展性是有限度的；同时有少数金属，如锑、锇、锰等性质较脆，没有延展性。（4）金属的熔点、硬度等取决于金属晶体内部作用力的强弱。一般来说金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属晶体内部作用力越强。因而晶体熔点越高、硬度越大。金属晶体的熔点变化差别较大。如：Hg在常温下为液态，熔点低（－38.9℃）,而铁等金属熔点高（1355℃），这是由于金属晶体紧密堆积方式，金属阳离子与自由电子的作用力不同造成的。同类型金属金属晶体，金属晶体的熔点由金属阳离子半径，离子所带的电荷决定，阳离子半径越小，所带电荷越多，相互作用力就越大，熔点就越高。如：熔点：Li>Na>K>Rb>Cs，Na②>③B、③>①>②C、③>②>①D、②>①>③5.离子晶体的结构决定着离子晶体具有一系列特性：10 （1）离子晶体具有较高的熔点、沸点，难挥发。离子晶体中，阴、阳离子间有强烈的相互作用（离子键），要克服离子间的相互作用力使物质熔化和沸腾，就需要较多的能量。小结：一般说来，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子键越强，离子晶体的熔、沸点越高，如Al2O3>MgO；NaCl>CsCl等。例6：离子晶体熔点的高低决定于晶体中阳离子与阴离子之间的静电引力，静电引力大则熔点高，引力小则反之。试根据你学到的电学知识，判断KCl、NaCl、CaO、BaO四种晶体熔点的高低顺序（C）A．KCl>NaCl>BaO>CaOB．NaCl>KCl>CaO>BaOC．CaO>BaO>NaCl>KClD．CaO>BaO>KCl>NaCl（2）离子晶体硬而脆。离子晶体中，阴阳离子间有较强的离子键，离子键表现出较强的硬度，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。（3）离子晶体不导电，熔化或溶于水后能导电。离子晶体中，离子键较强，离子不能自由移动，因此离子晶体不导电。当升高温度时，阴、阳离子获得足够能量，克服了离子间的相互作用，成了自由移动的离子，在外界电场作用下，离子定向移动而导电。离子化合物溶于水时，阴、阳离子受到水分子作用变成了自由移动的离子（或水合离子），在外界电场作用下，阴、阳离子定向移动而导电。小结：（1）离子晶体导电的前提是先电离出自由移动的阴阳离子。（2）难溶于水的强电解质如BaSO4、CaCO3等溶于水，由于浓度极小，故导电性极差。通常情况下，我们说它们的水溶液不导电。（4）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、煤油）中。当把离子晶体放在水中时，极性水分子对离子晶体中的离子产生吸引作用，使晶体中的离子克服了离子间的作用而电离，变成在水中自由移动的离子。小结：①离子晶体的一些特殊物质性质可用于确定晶体构型。如在水溶液中和在熔融状况下能导电的晶体一定是离子晶体。②对于离子晶体的熔、沸点，要注意“一般地说”和“较高”等字词。“一般地说”说明离子晶体的熔、沸点还有些特例；“较高”是与其他晶型比较的结果。例7：下列性质中，可以证明某化合物形成的晶体一定是离子晶体的是()A.可溶于水B.具有较高的熔点C.水溶液能导电D.熔融状态能导电解析：熔融状态能导电的化合物形成的晶体一定是离子晶体。分子晶体和原子晶体熔融状态成为分子和原子，不导电。金属晶体在固态和熔融状态均能导电，但金属晶体是单质。答案：D二：基础整理本节主要介绍了两种典型的晶体类型金属晶体和离子晶体。构成这两种晶体的微粒类型不同，微粒间的作用力也不同，故性质有所不同。在学习过程中注意将两种晶体类型的构成微粒、化学键、堆积模型、物理性质等进行对比分析。10 三：综合探究1、银是一种银白色的金属，但是在氯化银的分解实验中却观察到生成灰黑色的固体粉末，这是为什么？对于这个问题的思考，应首先考虑金属晶体为什么呈现金属光泽，它源于金属晶体的结构：金属离子紧密堆积、规则排列且存在自由移动的电子。由于金属晶体中金属原子以最紧密堆积状态排列，且存在可以自由移动的电子，所以，当光线照射到金属晶体表面时，自由电子可以吸收所有频率的射光，然后又很快辐射出各种频率的光，这就使得绝大多数金属呈现银灰色以至银白色光泽。粉末状态的金属由许许多多微小的晶体组成，微小晶体的晶面取向杂乱，晶格排列不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以金属粉末常呈暗灰色或黑色。氯化银分解时，得到的是粉末状的银，所以看上去是灰黑色的。小结：大块金属晶体和金属粉末在结构上不同，金属晶体规则排列而金属粉末由许多小晶体构成，排列杂乱无章，这也就找到了两者存在性质差异的本质原因。2.金属晶体具有延展性，为什么离子晶体硬而脆不具有延展性？金属晶体中层与层之间发生滑动过程中自由电子能够维系整个金属键的存在。离子晶体中阴、阳离子通过离子键结合在一起，半径大的离子采用等径圆球的紧密堆积，半径小的离子填充在空隙中。受力时发生错位，使正正离子“相切”、负负离子“相切”，彼此排斥，离子键失去作用，故离子晶体无延展性，如CaCO3可用于雕刻，而不可用于锻造，即不具有延展性。小结：首先要清楚金属晶体具有延展性的原因：层与层之间发生滑动过程中自由电子是否能够维系整个金属键的存在。3.金属无论在固态还是液态都可以导电，而离子晶体却不能导电，它只有溶于水后或者在熔融状态下才可以导电。如何来解释这一事实？物质导电是因为物质中具有可自由移动的电荷。金属晶体是由金属离子和自由电子组成的，在固态时，金属离子不能自由移动，但自由电子是分布于整块金属晶体可以自由移动，因此在外加电场的作用下定向移动，产生电流；在熔融状态，除了自由电子外，金属离子变得也可以自由移动，因此可以导电。离子晶体是阳离子和阴离子组成的，在固态时，阴、阳离子只能在各自的位置作轻微的振动，不能改变位置，因此不能发生带电微粒的定向移动，所以固态的离子化合物不能导电；溶于水或者在熔融状态，阴、阳离子离解成可以自由移动的离子，可以传递电荷，因此具有导电性。小结：对于这个问题的探究，首先要清楚物质能导电必须具备的条件。带电微粒在外加电场的作用下定向移动形成电流，即为物质的导电过程，因此物质具有自由移动的带电微粒这是物质导电必须具备的条件。离子晶体的导电过程是化学变化而金属晶体的导电过程是物理变化。四：典题例析10 1．下列不属于金属晶体共性的是()A.易导电B.易导热C.有延展性D.高熔点2．要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体熔、沸点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、金属镁的硬度大于金属铝B、碱金属单质的熔、沸点从Li到Cs是逐渐增大的C、金属镁的熔点大于金属钠D、金属镁的硬度小于金属钙3.金属晶体堆积密度大，原子配位数高，能充分利用空间的原因是（D）A、金属原子的价电子数少B、金属晶体中有自由电子C、金属原子的原子半径大D、金属键没有饱和性和方向性解析：这是因为分别借助于没有方向性的金属键形成的金属晶体的结构中，都趋向于使原子吸引尽可能多的原子分布于周围，并以密堆积的方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。4.如图是CsCl晶体的晶胞（晶体中最小重复单元），已知晶体中两个最近的Cs+核间距为acm，氯化铯的式量为M，NA为阿伏加德罗常数，则氯化铯晶体的密度为（c）A.B.C.D.5.下列各类化合物中，固态时只能形成离子晶体的是（）A、非金属氧化物B、非金属单质C、强酸D、强碱解析：根据分类标准，纯净物可分为单质和化合物，单质又分为金属单质与非金属单质，化合物可以分为离子化合物和共价化合物，在这四类物质中，金属单质形成的晶体一定是金属晶体，离子化合物形成的晶体一定是离子晶体，非金属单质与共价化合物形成的晶体可能是分子晶体，也可能是原子晶体。非金属氧化物、强酸都属于共价化合物，强碱属于离子化合物。6．同类晶体物质熔、沸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：A组物质NaClKClCsClB组物质NaMgAl熔点（K）10741049918熔点（K）317923933答案：一般来说，阴阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子键越强，离子晶体的熔沸点越高，一般来说，金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属晶体内部作用力越强，晶体的熔沸点越高。五：思考发现1.离子晶体和金属晶体熔点高低比较离子晶体的熔沸点与离子键有关，离子键与阴、阳离子所带电荷多少及半径大小有关，一般来说，阴阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子键越强，离子晶体的熔沸点越高，如熔沸点：Al2O3>MgO；NaCl>CsCl等。金属晶体的熔沸点与金属键的强弱有关，金属键与金属离子所带电荷多少及半径大小有关，一般来说，金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属晶体内部作用力越强，晶体的熔沸点越高。2.常见的金属晶体和离子晶体举例10 常见的离子晶体有：　　强碱：KOH、Ca(OH)2、NaOH、Ba(OH)2等。　　大部分盐类：NaCl、CaF2、Na2SO4、CH3COONa、NH4Cl等。　　某些金属氧化物：CaO、K2O等常见的金属晶体有：金属和合金六：体验成功基础强化：1.（2004·上海）离子晶体不可能具有的性质是()A.较高的熔、沸点B.良好的导电性C.溶于极性溶剂D.坚硬而易粉碎2.由短周期元素构成的离子化合物中，一个阳离子和一个阴离子的核外电子数之和为20，下列说法正确的是A．晶体中阳离子和阴离子个数不一定相等B．晶体中一定只有离子键而没有共价键C．所含元素一定不在同一周期也不在第一周期D．晶体中阳离子半径一定大于阴离子半径解析：短周期元素形成的一个阳离子和一个阴离子的核外电子数之和为20，可能的阳离子为、、、、，阴离子可能是、、、、这些阴、阳离子组合成的离子化合物中，阴、阳离子个数不一定相等，所以选项A正确；这些阴、阳离子中一定只有离子键而没有共价键错误，因为中有共价键；从以上分析可知，元素可以在同一周期，如与元素同在第二周期，选项C不正确；晶体中阳离子半径不一定大于阴离子半径，如半径比半径小。答案：A3.离子晶体通常具有的性质是（）。A、熔点、沸点都较高，难于挥发B、硬度很小，容易变形C、都能溶于有机溶剂而难溶于水D、密度很小解析：离子晶体中的阴、阳离子通过一种强烈的相互作用——离子键结合在一起，离子键的键能较大，且极性很强，除了有些在极性溶剂中容易断裂外，其他的必须在高温下才能断裂，所以其熔点、沸点都较高不挥发，硬度很大，不易变形，难溶于有机溶剂；又因为在离子晶体中，较大的离子采取密堆积型式，较小离子填隙，所以密度一般都较大。4.下列说法中，不正确的是（D）A、离子晶体中不一定含有金属离子B、在含有阳离子的化合物的晶体中，一定含有阴离子C、含有金属元素的离子不一定是阳离子D、金属晶体中原子的堆积方式都是A3或A1型最密堆积含有金属元素的离子不一定是阳离子，如MnO4-或[Al(OH)4]-等；金属晶体中也存在非最密堆积型式，如A2型密堆积，配位数只有八个。5.氯化铯晶胞（晶体中重复的结构单元）如图（1）所示，该晶体中Cs+与Cl-的个数比为1:1，化学式为CsCl。若某晶体晶胞结构简式如图（2）所示，其中含有A、B、C三种元素的微粒，则该晶体中A、B、C的微粒个数比为（）。10 （1）（2）A、8:6:1B、4:3:1C、1:6:1D、1:3:19.下列各指定微粒的数目之比不是1∶1的是()A.Na2O2晶体中的阴离子和阳离子B.NaHCO3晶体中的钠离子和碳酸氢根离子C.2412Mg2+离子中的质子和中子D.常温下，pH＝7的氯化铵溶液中的铵根离子和氯离子解析：Na2O2晶体中的阴离子（O22－）和阳离子数目（Na＋）之比是1∶2；常温下pH＝7，说明溶液呈中性，则根据电荷守恒C（NH4＋）＋C（H＋）＝C（Cl－）＋C（OH－），而C（H＋）＝C（OH－）所以C（NH4＋）＝C（Cl－）。答案：A10.如图所示，食盐晶体由钠离子和氯离子构成。已知食盐的M＝58.5g·mol-1，食盐的密度是2.2g·cm-3，阿伏加德罗常数为6.0×1023mol-1，在食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离最接近下列哪个数据（）A．3.0×10－8cmB．3.5×10－8cm　C．4.0×10－8cmD．5.0×10－8cm解析：从图中可看出，顶点上的每个离子同为8个小立方体所共有，NaCl晶体的一个晶胞中有Na+：8×+6×=4个，有Cl－：12×+1=4个，即晶体为4个“NaCl分子”所占的体积。设每个小立方体的边长为a。则(2a3×2.2g·cm-3)×6.0×1023mol-1=58.5g·mol-1。所以，两个距离最近的钠离子中心间的距离为a=4.0×10-8cm。答案：C。综合应用：12.（2005·滨州）某固体仅有一种元素组成，其密度为5.0g·cm-3。用X射线研究该固体的结构时得知：在边长为10-7cm的正方体中含有20个原子，则此元素的相对原子质量最接近于下列数据中的()A.32B.120C.150D.180解析：一个正方体的体积为（10-7）3=10-21cm3,质量为5×10-21g,则1mol该元素原子的质量为5×10-21/20×6.02×1023=150.5g其数值与该元素的相对原子质量相等，所以选C。答案：C13.（2005·海淀）萤石(CaF2)晶体属于立方晶系，萤石中每个Ca2+被8个F-所包围，则每个F-周围最近距离的Ca2+数目为()A、2B、4C、6D、8解析：萤石(CaF2)中Ca2+和F-的数目之比为1∶2，Ca2+被8个F-所包围，配为数是8，F-10 的配位数应为4，所以每个F-周围最近距离的Ca2+数目为4。答案：B14.下面列出的是一些离子晶体空间结构示意图（○阴离子，●阳离子）：用M和N分别代表阳离子和阴离子，分别写出各离子晶体的化学式：A：B：C：D：解析：A中M与N的个数比为；B中M与N的个数比为；C中M与N的个数比为；D中M与N的个数比为。答案：MNM2N3MN2MN15.下图所示是三种常见AB型离子晶体的晶胞[设三个立方体的边长分别为a、b、c（单位为cm）]，请计算三种晶体密度。○Cs+●Cl-○Na+●Cl-○Zn2+●S2-CsCl型NaCl型立方ZnS型解析：要求密度，需知道对应一定量物质的质量和体积，一般可以取1mol物质为研究对象。三种物质的摩尔质量很容易可以算出，关键要准确地表达出各物质的摩尔体积。一个晶胞的体积很容易算出，需要算出1mol该晶体含有几个晶胞。对于CsCl来说，1mol含有NA个Cl－（或Cs+），又一个晶胞中含有1个Cl－(或Cs+)，所以1mol该晶体含有NA个晶胞。同样的道理，可以算出1molNaCl晶体和1molZnS晶体中含有晶胞的个数分别为和。答案：ρ(CsCl)==g·cm-3=g·cm-3ρ(NaCl)==g·cm-3=g·cm-3ρ(ZnS)==g·cm-3=g·cm-310