高中化学第三章 晶体结构与性质第三节 金属晶体与离子晶体第1课时学案

这是一份高中化学第三章 晶体结构与性质第三节 金属晶体与离子晶体第1课时学案，共13页。

第三节　金属晶体与离子晶体
第1课时　金属晶体　离子晶体
[核心素养发展目标]　1.能辨识常见的金属晶体，能从微观角度分析金属晶体中构成微粒及微粒间作用，并解释金属的物理性质。2.能辨识常见的离子晶体，能从微观角度理解离子键对离子晶体性质的影响，能从宏观角度解释离子晶体性质的差异。3.通过对离子晶体模型的认识，理解离子晶体的结构特点，预测其性质。
一、金属键与金属晶体
1．金属键
(1)概念：“电子气理论”把金属键描述为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。如：熔点最高的金属是钨，硬度最大的金属是铬。
特别提醒　金属键没有方向性和饱和性。
2．金属晶体
(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。

(1)金属在常温下都是晶体(　　)
(2)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(　　)
(3)金属晶体在外力作用下，各层之间发生相对滑动，金属键被破坏(　　)
(4)共价晶体的熔点一定比金属晶体的高，分子晶体的熔点一定比金属晶体的低(　　)
(5)金属晶体除了纯金属还有大量的合金(　　)
(6)有机高分子化合物一定不能导电(　　)
(7)金属的电导率随温度的升高而降低(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×　(7)√

1．试用“电子气理论”解释为什么金属具有良好的①延展性、②导电性、③导热性。
提示　①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，但原来的排列方式不变，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润滑剂的作用，并且电子气没有破坏，所以金属有良好的延展性。
②金属晶体中的自由电子在电场中定向移动而形成电流，呈现良好的导电性。
③电子气中的自由电子在运动时频繁与金属原子碰撞，从而引起能量传递，呈现良好的导热性。
2．试用金属键解释Na、Mg、Al的熔点逐渐升高的原因。
提示　Na、Mg、Al的原子半径逐渐减小，价电子数逐渐增多，金属键逐渐增强，熔点逐渐升高。
二、离子晶体
1．离子键及其影响因素
(1)概念：阴、阳离子之间通过静电作用形成的化学键。
(2)影响因素：离子所带电荷数越多，离子半径越小，离子键越强。
特别提醒　离子键没有方向性和饱和性。
2．离子晶体及其物理性质
(1)概念：由阳离子和阴离子相互作用而形成的晶体。
(2)离子晶体的性质
①熔、沸点较高，硬度较大。
②离子晶体不导电，但熔化或溶于水后能导电。
③大多数离子晶体能溶于水，难溶于有机溶剂。
3．常见离子晶体的结构
(1)NaCl晶胞

NaCl晶胞如图所示，每个Na＋周围距离最近的Cl－有6个(上、下、左、右、前、后各1个)，构成正八面体，每个Cl－周围距离最近的Na＋有 6个，构成正八面体，由此可推知晶体的化学式为NaCl。回答下列问题：
①每个Na＋(Cl－)周围距离相等且最近的Na＋(Cl－)是12个。
②每个晶胞中实际拥有的Na＋数是4个，Cl－数是4个。
③若晶胞参数为a pm，则氯化钠晶体的密度为 g·cm－3。
(2)CsCl晶胞

CsCl晶胞如图所示，每个Cs＋周围距离最近的Cl－有8个，每个Cl－周围距离最近的Cs＋有 8个，它们均构成正六面体，由此可推知晶体的化学式为CsCl。回答下列问题：
①每个Cs＋(Cl－)周围距离最近的Cs＋(Cl－)有 6个，构成正八面体。
②每个晶胞中实际拥有的Cs＋有 1个，Cl－有 1个。
③若晶胞参数为a pm，则氯化铯晶体的密度为 g·cm－3。

(1)离子晶体中一定含有金属元素(　　)
(2)由金属元素和非金属元素组成的晶体一定是离子晶体(　　)
(3)有些离子晶体中除含离子键外还存在共价键(　　)
(4)离子晶体的熔点一定低于共价晶体的熔点(　　)
(5)离子晶体受热熔化，破坏化学键，吸收能量，属于化学变化(　　)
(6)某些离子晶体受热失去结晶水，属于物理变化(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)×

1．NaCl的熔点为801 ℃，CsCl的熔点为645 ℃，试解释其原因。
提示　Na＋、Cs＋所带电荷一样，但Na＋的半径小于Cs＋的半径，NaCl中离子键强于CsCl中离子键，所以NaCl的熔点高于CsCl的熔点。
2．自然界中的CaF2又称萤石，是一种难溶于水的固体，属于典型的离子晶体。下列一定能说明CaF2是离子晶体的实验是(　　)
A．CaF2难溶于水，其水溶液的导电性极弱
B．CaF2的熔、沸点较高，硬度较大
C．CaF2固体不导电，但在熔融状态下可以导电
D．CaF2在有机溶剂(如苯)中的溶解度极小
答案　C
解析　离子晶体中含有离子键，离子键在熔融状态下被破坏，电离出自由移动的阴、阳离子，所以离子晶体在熔融状态下能够导电，这是判断某晶体是否为离子晶体的依据。
3．如图所示是从NaCl或CsCl的晶胞结构中分割出来的部分结构图，其中属于从NaCl晶胞中分割出来的结构图是(　　)

A．图(1)和(3) B．图(2)和(3)
C．图(1)和(4) D．只有图(4)
答案　C
解析　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，由此可知图(1)和(4)是从NaCl晶体中分割出来的结构图，C项正确。
4．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。

(1)在NaCl晶体中，每个Na＋同时吸引________个Cl－；而Na＋与Cl－的数目之比为________。
(2)Na＋半径与Cl－半径之比为________(已知＝1.414)。
(3)若a＝5.6×10－8 cm，NaCl晶体的密度为________(已知5.63＝175.6，NaCl的摩尔质量为58.5 g·mol－1)。
答案　(1)6　1∶1　(2)0.414∶1　(3)2.2 g·cm－3
解析　(1)观察晶胞的结构可知，每个Na＋同时吸引6个Cl－；在每个晶胞中含Na＋的个数为4，含Cl－的个数也为4，即Na＋与Cl－的数目之比为1∶1。
(2)由图乙可知，因为r(Cl－)＞r(Na＋)，则r(Cl－)＝，2r(Na＋)＝a－2r(Cl－)＝a－2×，r(Na＋)＝，＝∶＝(－1)∶1＝0.414∶1。
(3)由NaCl晶体结构分析，每个晶胞中含有4个“NaCl”，则ρV＝，ρ＝ g·
cm－3≈2.2 g·cm－3。


1．下列叙述正确的是(　　)
A．任何晶体中，若含有阳离子，就一定含有阴离子
B．金属晶体的形成是因为晶体中存在金属阳离子间的相互作用
C．价电子数越多，金属元素的金属性越强
D．含有金属元素的离子不一定是阳离子
答案　D
解析　金属晶体中虽存在阳离子，但没有阴离子，A错误；金属晶体的形成是因为晶体中存在金属阳离子与自由电子之间的相互作用，B错误；价电子数多的金属元素的金属性不一定强，如Fe的价电子数比Na多，但Fe的金属性却没有Na的强，C错误；含有金属元素的离子不一定是阳离子，如AlO是阴离子，D正确。
2．下列关于金属键的叙述中不正确的是(　　)
A．金属键是金属阳离子和自由电子这两种带异性电荷的微粒间强烈的相互作用，其实质与离子键类似，也是一种电性作用
B．金属键可以看作是许多原子共用许多电子所形成的强烈的相互作用，所以与共价键类似，也有方向性和饱和性
C．金属键是金属阳离子和“自由电子”间的相互作用，金属键无饱和性和方向性
D．构成金属键的“自由电子”在整个金属内部的三维空间中做自由运动
答案　B
解析　从构成物质的基本微粒的性质看，金属键与离子键的实质类似，都属于电性作用，特征都是无方向性和饱和性；自由电子是由金属原子提供的，并且在整个金属内部的三维空间内运动，为整个金属中的所有阳离子所共有，从这个角度看，金属键与共价键有类似之处，但两者又有明显的不同，如金属键无方向性和饱和性。
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
解析　金属阳离子所带电荷越多，半径越小，金属键越强，据此判断。


4．下列物质中属于含有中心分子的离子晶体的是(　　)
A．CaCO3 B．Na2O2
C．(NH4)2SO4 D．Cu(NH3)4SO4·H2O
答案　D
5．(2019·灵丘高二月考)下列物质的晶体一定属于离子晶体的是(　　)
A．在水中能电离出离子的物质
B．在水中能电离出SO的化合物
C．在水中能电离出Na＋的化合物
D．熔化时化学键无变化的化合物
答案　C
6．下列有关离子晶体的叙述中，不正确的是(　　)
A．1 mol氯化钠晶体中有NA个NaCl分子
B．氯化钠晶体中，每个Na＋周围距离最近且相等的Cl－共有6个
C．醋酸钠属于离子晶体，含非极性键
D．平均每个NaCl晶胞中有4个Na＋、4个Cl－
答案　A
解析　NaCl为面心立方结构，每个晶胞中Na＋的个数为12×＋1＝4，Cl－的个数为8×＋6×＝4，则1 mol氯化钠晶体中有4NA个Na＋、4NA个Cl－，不存在分子，A项错误、D项正确；由NaCl的晶胞结构可知，Na＋在棱心和体心时，顶点和面心为Cl－，则每个Na＋周围距离最近且相等的Cl－共有6个，B项正确；醋酸钠中存在碳碳非极性键，C项正确。
7．根据CsCl的晶胞结构分析，CsCl晶体中两距离最近的Cs＋间距离为a，则每个Cs＋周围与其距离为a的Cs＋数目为________；每个Cs＋周围距离相等且次近的Cs＋数目为________，距离为________；每个Cs＋周围距离相等且第三近的Cs＋数目为________，距离为________；每个Cs＋周围紧邻且等距的Cl－数目为________。

答案　6　12　a　8　a　8
解析　以题图的一个Cs＋为基准，与其最近的Cs＋分别位于其上、下、前、后、左、右六个方位，有6个；与其次近的Cs＋的距离为a，在1个晶胞中有3个，而1个Cs＋为8个晶胞共有，故有8×3×＝12个；与其第三近的Cs＋的距离为a，每个晶胞中有1个，故有8个；与其紧邻且等距的Cl－有8个。


题组一　金属键及金属晶体
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个的原子一定都是金属
C．任何状态下都有延展性
D．都能导电、传热
答案　D
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。
2．关于金属性质和原因的描述不正确的是(　　)
A．金属一般具有银白色光泽是物理性质，与金属键没有关系
B．金属具有良好的导电性，是因为在金属晶体中共享了金属原子的价电子，形成了“电子气”，在外电场的作用下自由电子定向移动便形成了电流，所以金属易导电
C．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离子发生碰撞，传递了能量
D．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滑动而不破坏金属键
答案　A
解析　金属具有金属光泽是由于金属中的自由电子吸收了可见光以后，发生跃近，成为高能态，然后又回到低能态时，把多余的能量以可见光的形式释放出来，因而金属一般显银白色光泽；金属导电性是由于在外加电场下，电子气中的电子定向移动形成电流；导热性是由于自由电子受热后与金属离子发生碰撞，传递能量；良好的延展性是由于原子层滑动时，金属键未被破坏。
3．物质结构理论推出：金属晶体中金属离子与自由电子之间的强烈相互作用叫金属键。金属键越强，其金属的硬度越大，熔、沸点越高。据研究表明，一般地，金属原子的半径越小，价电子数越多，则金属键越强。由此判断下列说法正确的是(　　)
A．镁的硬度大于铝 B．镁的熔、沸点低于钙
C．镁的硬度大于钾 D．钙的熔、沸点低于钾
答案　C
解析　Mg的半径大于Al的半径，且价电子数小于Al的价电子数，所以金属键：MgK，故金属键：Ca>K，D项错。
4．下列生活中的问题，不能用电子气理论知识解释的是(　　)
A．铁易生锈 B．用金属铝制成导线
C．用金箔做外包装 D．用铁制品做炊具
答案　A
解析　铁易生锈，是因为铁中含有碳，易发生电化学腐蚀，与金属键无关，故A选；用金属铝制成导线，是利用金属的导电性，金属中存在金属阳离子和自由电子，当给金属通电时，自由电子定向移动而导电，能用金属键理论知识解释，故B不选；用金箔做外包装，是因为有金属光泽，金属具有光泽是因为自由电子能够吸收可见光，能用金属键理论知识解释，故C不选；用铁制品做炊具，是利用了金属的导热性，金属容易导热是因为自由电子在运动时经常与金属离子碰撞而引起能量的交换，能用金属键理论知识解释，故D不选。
题组二　离子晶体及性质
5．有关离子晶体的下列说法中不正确的是(　　)
A．离子晶体在熔融状态时都能导电
B．离子晶体具有较高的熔、沸点，较大的硬度
C．离子晶体中阴、阳离子个数比为1∶1
D．氯化钠溶于水时离子键被破坏
答案　C
解析　在熔融状态下，离子晶体中存在自由移动的离子，故能导电，A项正确；离子晶体具有较高的熔、沸点和较大的硬度，B项正确；离子晶体中阴、阳离子个数比各不相同，C项不正确；氯化钠溶于水时，电离成自由移动的阴、阳离子，离子键被破坏，D项正确。
6．据所学知识判断KCl、NaCl、CaO、BaO四种离子晶体熔点的高低顺序是(　　)
A．KCl＞NaCl＞BaO＞CaO
B．NaCl＞KCl＞CaO＞BaO
C．CaO＞BaO＞KCl＞NaCl
D．CaO＞BaO＞NaCl＞KCl
答案　D
7．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(　　)

AB
CD
EF
离子电荷数
1
1
2
键长(10－10m)
2.31
3.18
2.10

A.CD＞AB＞EF B．AB＞EF＞CD
C．AB＞CD＞EF D．EF＞AB＞CD
答案　D
8．北京大学和中国科学院的化学工作者已成功研制出碱金属与C60形成的球碳盐K3C60，实验测知该物质属于离子化合物，具有良好的超导性。下列有关分析正确的是(　　)
A．K3C60中只有离子键
B．K3C60中不含共价键
C．该晶体在熔融状态下能导电
D．C60与12C互为同素异形体
答案　C
解析　首先判断球碳盐K3C60中，在K与C之间有离子键。而60个C之间为共价键。所以该晶体在熔融状态下能电离出K＋，所以能导电。D选项中的同素异形体应该对应由相同元素组成的不同单质，12C不是单质而是元素符号或者代表一个碳原子。
9．元素X、Y和Z可结合形成化合物XYZ3；X、Y和Z的原子序数之和为26；Y和Z在同一周期。下列有关推测正确的是(　　)
A．XYZ3是一种可溶于水的酸，且X与Z可形成共价化合物XZ
B．XYZ3是一种微溶于水的盐，且X与Z可形成离子化合物XZ
C．XYZ3是一种易溶于水的盐，且Y与Z可形成离子化合物YZ
D．XYZ3是一种离子化合物，且Y与Z可形成离子化合物YZ2
答案　B
解析　由题目可知，XYZ3可能的物质有：HClO3、NaNO3、MgCO3。若XYZ3为一种可溶于水的酸HClO3，XZ(HO)不能形成共价化合物，且Y、Z不在同一周期，A项错；若XYZ3为MgCO3，微溶于水，则XZ可形成离子化合物MgO，B项正确；若XYZ3为NaNO3，是易溶于水的盐，YZ(NO)不是离子化合物，C项错；若XYZ3是离子化合物，YZ2为NO2或CO2，均不是离子化合物，D项错。
题组三　离子晶体晶胞的分析与应用
10．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．该晶体属于离子晶体
B．晶体的化学式为Ba2O2
C．该晶体的晶胞结构与CsCl相似
D．与每个Ba2＋距离相等且最近的Ba2＋共有8个
答案　A
解析　晶体中含有Ba2＋和O，则该晶体属于离子晶体，A正确；该晶体的晶胞结构与NaCl的晶胞结构相似，所以与每个Ba2＋距离相等且最近的Ba2＋共有12个，C、D不正确；该氧化物的1个晶胞中含有4个Ba2＋和4个O，则晶体的化学式应为BaO2，B不正确。
11．已知食盐的密度为ρ g·cm－3，其摩尔质量为M g·mol－1，阿伏加德罗常数为NA，则在食盐晶体中Na＋和Cl－的核间距大约是(　　)
A. cm B. cm
C. cm D. cm
答案　B
解析　已知一个晶胞中有4个Na＋和4个Cl－，且食盐晶体中Na＋与Cl－的核间距的2倍正好是晶胞的边长。设晶胞的边长为a，故有×NA＝4，解得a＝，则＝ cm。
12．已知CsCl晶体的密度为ρ g·cm－3，NA为阿伏加德罗常数，相邻的两个Cs＋的核间距为
a cm，如图所示，则CsCl的相对分子质量可以表示为(　　)

A．NA·a3·ρ B.
C. D.
答案　A
解析　该立方体中含1个氯离子，Cs＋的个数为8×＝1，根据ρV＝知，M＝ρVNA＝ρa3NA，摩尔质量在数值上等于其相对分子质量，所以其相对分子质量Mr＝ρ a3NA，故选A。

13．Ⅰ.结合金属晶体的结构和性质，回答下列问题：
(1)根据下列叙述判断，一定为金属晶体的是________(填字母，下同)。
A．由分子间作用力形成，熔点很低
B．由共价键结合形成立体三维骨架结构的晶体，熔点很高
C．固体有良好的导电性、导热性和延展性
(2)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强烈的相互作用，在一定外力作用下，不因形变而消失
C．钙的熔、沸点高于钾
D．温度越高，金属的导电性越好
Ⅱ.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
NaCl
KCl
CsCl
熔点/K
1 074
1 049
918
B组物质
Na
Mg
Al
熔点/K
370
922
933

晶体熔、沸点的高低，取决于组成晶体微粒间的作用力的大小。A组物质是________晶体，晶体中微粒之间通过________相连。B组物质是________晶体，价电子数由少到多的顺序是__________，粒子半径由大到小的顺序是________。
答案　Ⅰ.(1)C　(2)BC　Ⅱ.离子　离子键　金属　NaMg>Al
解析　Ⅰ.(1)A项属于分子晶体；B项属于共价晶体；C项是金属的通性。
(2)常温下，Hg为液态，A项错误；因为金属键无方向性，故金属键在一定范围内不因形变而消失，B项正确；钙的金属键强于钾，故钙的熔、沸点高于钾，C项正确；温度升高，金属的导电性减弱，D项错误。
Ⅱ. A组物质为离子晶体，离子之间通过离子键相结合。B组物质为金属晶体，是由金属键结合而成的，价电子数排列顺序：NaMg>Al。
14．镁、铜等金属离子是人体内多种酶的辅因子。工业上从海水中提取镁时，先制备无水氯化镁，然后将其熔融电解，得到金属镁。
(1)以MgCl2为原料用熔融盐电解法制备镁时，常加入NaCl、KCl或CaCl2等金属氯化物，其主要作用除了降低熔点之外还有___________________________________________________。
(2)已知MgO的晶体结构属于NaCl型。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：________。

(3)Mg是第三周期元素，该周期部分元素氟化物的熔点见下表：
氟化物
NaF
MgF2
SiF4
熔点/K
1 266
1 534
183

解释表中氟化物熔点差异的原因：_________________________________________________。
答案　(1)增大熔融盐中的离子浓度，从而增强熔融盐的导电性　(2)⑧应为黑色　(3)NaF与MgF2为离子晶体，SiF4为分子晶体，所以NaF与MgF2的熔点远比SiF4的高，又因为Mg2＋的半径小于Na＋的半径，且Mg2＋的电荷数大于Na＋的电荷数，所以MgF2的离子键强度大于NaF的离子键强度，故MgF2的熔点高于NaF的熔点
解析　(1)钠、钾、钙等氯化物在熔融盐中电离，所以其作用除了可变成混合物而降低熔点外，还能够增大熔融盐中的离子浓度，增强导电性。(2)因为氧化镁与氯化钠的晶胞相似，所以在晶体中每个Mg2＋周围应该有6个O2－，每个O2－周围应该有6个Mg2＋，根据此规则可得⑧应该改为黑色。(3)物质的熔点与其晶体的类型有关，如果形成的是分子晶体，则其熔点较低，而如果形成的是离子晶体，则其熔点较高，在离子晶体中，离子半径越小，电荷数越多，则形成的离子键越强，所得物质的熔、沸点越高。三种物质中，氟化钠和氟化镁是离子晶体，而氟化硅是分子晶体。
15．如图所示，直线交点处的圆圈为NaCl晶体中Na＋或Cl－所处的位置。这两种离子在空间三个互相垂直的方向上都是等距离排列的。
(1)将其中代表Cl－的圆圈涂黑(不必考虑体积大小)，以完成NaCl晶体结构示意图。

(2)晶体中，在每个Na＋周围与它最近且距离相等的Na＋共有________个。
(3)晶体中每一个重复的结构单元叫晶胞。在NaCl晶胞中，正六面体的顶点上、面上、棱上的Na＋或Cl－为该晶胞与其相邻的晶胞所共有，一个晶胞中Cl－的个数等于________，即(计算式)________；Na＋的个数等于__________，即(填计算式)________。
(4)设NaCl的摩尔质量为M g·mol－1，NaCl晶体的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数为NA。NaCl晶体中两个钠离子间的最近距离为________ cm。
答案　(1)　(2)12　(3)4　8×＋6×＝4　4　12×＋1＝4　(4)×
解析　(4)设Cl－与Na＋的最近距离为a cm，则两个最近的Na＋间的距离为a cm，晶胞中有4个NaCl，则·NA＝M，即a＝，所以Na＋间的最近距离为× cm。