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人教版 (新课标)选修3 物质结构与性质第三节 金属晶体教案
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这是一份人教版 (新课标)选修3 物质结构与性质第三节 金属晶体教案，共20页。
第三节 金属晶体
在广东省某一山区的村寨里，前些年连续出生的净是女孩，人们急了，照这样下去，这个地区岂不变成女儿国了吗？有的人求神拜佛，也无济于事。有位风水老者说道：“地质队在后龙山寻矿，把龙脉破坏了，这是风水的报应啊！”于是，迷信的村民千方百计地找到了原来在此地探矿的地质队，闹着要他们赔“风水”。地质队又回到了这个山寨，进行了深入的调查，终于找到了原因。原来是在探矿的时候，钻机把地下含铍的泉水引了出来，扩散了铍的污染，使饮用水的铍含量大为提高，长时间饮用这种水，就会导致生女而不生男。经过治理，情况得到了好转，在“女儿国”里又生出男孩了。
卫星、飞船、飞机、大炮和生活用品都离不开金属，为什么金属具有优良的导电、导热、延展性？构成金属的粒子是什么？金属晶体内部的作用力是什么？
一、金属键与金属晶体
1．金属键：
2．金属晶体，
(1)概念：原子间以__金属键____结合形成的晶体。
(2)用电子气理论解释金属的性质：
二、金属晶体原子的堆积模型
1．二维空间模型：
(1)非密置层。
配位数为__4____，如图所示：
(2)密置层。
配位数为__6____，如图所示：
2．三维空间模型：
(1)非密置层在三维空间堆积。
①简单立方堆积。
相邻非密置层原子的原子核在__同一条直线上____的堆积，只有金属__钋(Po)____采用这种堆积方式，其空间利用率太低。
②体心立方堆积。
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。其空间的利用率比简单立方堆积__高____，属于该堆积方式的主要有碱金属等。
(2)密置层在三维空间堆积。
①六方最密堆积。
如图所示，按__ABABABAB____……的方式堆积。
②面心立方最密堆积。
如图所示，按__ABCABCABC____……的方式堆积。
三、混合晶体——石墨晶体
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__正六边形____平面网状结构。所有碳原子的p轨道平行且相互重叠，p电子可在整个平面中运动。
(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．思考辨析：
(1)晶体中有阳离子一定有阴离子。( × )
(2)金属在拉成丝或者压成薄片的过程中，金属键遭到了破坏。 ( × )
(3)金属导电与电解质溶液导电本质相同。( × )
(4)金属晶体绝大多数采用密堆积方式。 ( √ )
(5)金属晶体中自由电子专属于某个金属离子。( × )
2．(2018·宁夏石嘴山月考)下列晶体属于A1型最密堆积的是( A )
A．干冰、氯化钠、金属铜
B．硫化锌、金属镁、氮化硼
C．水晶、金刚石、晶体硅
D．硫化锌、氯化钠、金属镁
解析：A、干冰、NaCl、Cu为面心立方堆积即A1型。B、硫化锌为面心立方堆积即A1型，A正确，Mg为A3型，氮化硼为原子晶体，不符合紧密堆积原则，B错误。C、水晶、金刚石、晶体硅均为原子晶体，不符合密堆积原则，C错误。D、氯化钠、硫化锌为面心立方堆积即A1型、金属镁为A3型，D错误。正确答案为A。
3．下列有关金属晶体的说法中不正确的是( D )
A．金属晶体是一种“巨分子”
B．“电子气”为所有原子所共有
C．简单立方堆积的空间利用率最低
D．体心立方堆积的空间利用率最高
解析：根据金属晶体的电子气理论，选项A、B都是正确的。金属晶体的堆积方式中空间利用率分别是：简单立方堆积52%，体心立方堆积68%，面心立方最密堆积和六方最密堆积均为74%。因此简单方式堆积的空间利用率最低，六方最密堆积和面心立方最密堆积的空间利用率最高。
4．金属晶体堆积密度大，原子配位数大，能充分利用空间的原因是( D )
A．金属原子价电子数少
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：金属键无方向性和饱和性，使原子采取最大的密堆积方式进行。
5．金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式：六方堆积、面心立方堆积和体心立方堆积，如图(a)(b)(c)分别代表这三种晶胞的结构，其晶胞内金属原子个数比为( A )
A．3︰2︰1 B．11︰8︰4
C．9︰8︰4 D．21︰14︰9
解析：本题考查晶胞中微粒数的计算方法，用均摊法计算。晶胞a中所含原子＝12×＋2×＋3＝6，晶胞b中所含原子＝8×＋6×＝4，晶胞c中所含原子＝8×＋1＝2。
6．石墨晶体是层状结构，在每一层内，每一个碳原子都跟其他3个碳原子相结合，如图是其晶体结构的俯视图，则图中7个六元环完全占有的碳原子数是( D )
A．10 B．18
C．24 D．14
解析：石墨晶体中最小的碳环为六元环，每个碳原子为3个六元环共用，故平均每个六元环含2个碳原子，图中7个六元环完全占有的碳原子数为14。
知识点一 金属晶体的结构与性质
1．在金属晶体中只有阳离子，而无阴离子，带负电的为自由电子。
2．金属导电与电解质溶液导电的比较：
运动的微粒
过程中发生的变化
温度的影响
金属导电
自由电子
物理变化
升温，导电
性减弱
电解质溶
液导电
阴、阳离子
化学变化
升温，导电
性增强
3．影响金属熔点、硬度的因素：
(1)一般地，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，晶体熔点越高，硬度越大。
(2)合金的熔、沸点比其各成分金属的熔、沸点低。
4．金属晶体的原子堆积模型：
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
Na、K、Fe
68%
8
六方最
密堆积
Mg、Zn、Ti
74%
12
面心立
方最密
堆积
Cu、Ag、Au
74%
12
典例1 金属原子在二维空间里的放置有如图所示的两种方式，下列说法中正确的是( C )
A．图a为非密置层，配位数为6
B．图b为密置层，配位数为4
C．图a在三堆空间里堆积可得六方最密堆积和面心立方最密堆积
D．图b在三维空间里堆积仅得简单立方堆积
解析：金属原子在二维空间里有两种排列方式，一种是密置层排列，一种是非密置层排列。密置层排列的空间利用率高，原子的配位数为6，非密置层的配位数较密置层小，为4。由此可知，上图中a为密置层，b为非密置层。密置层在三维空间堆积可得到六方最密堆积和面心立方最密堆积两种堆积模型，非密置层在三维空间堆积可得简单立方堆积和体心立方堆积两种堆积模型。所以，只有C选项正确。
〔变式训练1〕 下列有关金属晶体判断正确的是( D )
A．简单立方、配位数6、空间利用率68%
B．钾型、配位数6、空间利用率68%
C．镁型、配位数8、空间利用率74%
D．铜型、配位数12、空间利用率74%
解析：简单立方空间利用率为52%，故A错；钾型配位数为8，故B错；镁型配位数为12，故C错。
知识点二 石墨与金刚石
1．石墨
石墨中碳原子采取sp2杂化，形成平面六元环结构，层内碳原子核间距小于金刚石中碳原子核间距，层内碳原子通过范德华力维系。
(1)石墨的晶体结构
石墨是层状结构的晶体，在每一层内，碳原子排列成六边形，一个个六边形排列成平面的网状结构，每一个碳原子都跟其他三个碳原子相结合。在同一层内，相邻的碳原子以共价键相结合，层与层之间以分子间作用力相结合。石墨晶体中每个碳原子提供三个电子参加成键形成平面网状结构，碳原子最外层上的另一个电子成为自由电子，并通过自由电子在层间产生范德华力。石墨的很多性质与自由电子有关。
(2)石墨晶体不是原子晶体，而是原子晶体与分子晶体之间的一种过渡型晶体。
(3)石墨晶体的物理性质
由于石墨晶体结构的特殊性，它的物理性质为熔点很高，有良好的导电性，还可作润滑剂。
2．石墨与金刚石的比较
金刚石
石墨
晶体类型
原子晶体
混合晶体
构成微粒
碳原子
碳原子
微粒间的
作用力
C—C共价键
C—C共价键
分子间作用力
碳原子的
杂化方式
sp3杂化
sp2杂化
碳原子
成键数
4
3
碳原子有无剩余价电子
无
有一个2p电子
配位数
4
3
晶体结构
特征
正四面体空间网状结构
平面六边形层状结构
晶体结构
物理性质
高熔点、高硬度、不导电
熔点比金刚石还高，质软、滑腻、易导电
最小碳环
六元环、不共面
六元环、共面
典例2 下列能说明石墨具有分子晶体的性质的是( C )
A．晶体能导电 B．熔点高
C．硬度小 D．燃烧产物是CO2
解析：分子晶体具有硬度小、熔点低的特点，因此C项能说明石墨具有分子晶体的性质。A项晶体能导电是金属晶体的性质；B项熔点高是原子晶体的性质；D项燃烧产物是CO2只能说明石墨能燃烧，是碳单质的化学性质。
〔变式训练2〕 科学家对石墨进行处理，使得石墨片的厚度逐渐减少，最终获得目前已知的最薄的材料——石墨烯(如图)。下列关于石墨烯的说法正确的是( B )
A．石墨烯是一新型的纳米化合物
B．石墨烯与C60互为同素异形体
C．石墨烯是一种有机物
D．石墨烯中碳元素的化合价为＋3
知识点三 金属晶体中晶胞中的相关计算
金属晶体中晶胞空间利用率的计算：
(1)计算晶胞中含有几个原子。
(2)找出原子半径r与晶胞边长a的关系。
(3)利用公式计算金属原子的空间利用率：
×100%
①简单立方堆积空间利用率＝×100%≈52.36%
②体心立方堆积空间利用率＝＝＝×100%≈68.02%
③面心立方堆积空间利用率＝＝×100%≈74.1%
2．利用均摊法计算金属晶体的密度的方法：
(1)首先利用均摊法确定一个晶胞中平均含有的原子数目。
(2)其次确定金属原子的半径和晶胞边长之间的关系。
具体方法是：根据晶胞中金属原子的位置，灵活运用
数学上立体几何的对角线(体对角线或面对角线)和边长的关系，将金属原子的半径和晶胞的边长放在同一个直角三角形中，通过解直角三角形即可。
(3)计算金属晶体的密度。
首先求一个晶胞的质量：m＝NM/NA，N表示一个晶胞中平均含有的金属原子数，M表示金属的摩尔质量，NA表示阿伏加德罗常数。然后求金属晶体的密度：密度ρ＝m/V，V表示一个晶胞的体积。
典例3 用X射线研究某金属晶体，测得在边长为360 pm(1 pm＝1×10－10cm)的立方晶胞中含有4个金属原子，此时金属的密度为9.0 g·cm－3。试回答：
(1)此金属晶体属于哪一种堆积方式？
(2)每个晶胞的质量是多少克？
(3)求此金属的相对原子质量。
(4)求此原子的原子半径(pm)。
答案：(1)面心立方最密堆积
(2)4.2×10－22g
(3)63.21 (4)127.28 pm
解析：根据题意，此金属晶体属于面心立方最密堆积。每个晶胞中含有4个原子，则该晶胞如图所示：
(2)根据晶胞的边长为360 pm，可得晶胞的体积为(3.6×10－8)3cm3。根据质量＝密度×体积，可得晶胞的质量＝9.0 g·cm－3×(3.6×10－8)3 cm3＝4.2×10－22g。
(3)金属的相对原子质量＝NA×原子的质量＝4.2×10－22×6.02×1023÷4＝63.21。
(4)在面心立方最密堆积中，晶胞的边长＝，因此，原子的原子半径＝×360 pm＝127.28 pm。
〔变式训练3〕 有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示，有关说法正确的是(假设金属的摩尔质量为M g•mol－1，金属原子半径为r cm，用NA表示阿伏加德罗常数的值)( D )
A．金属Mg采用②堆积方式
B．①和③中原子的配位数分别为：8、12
C．对于采用②堆积方式的金属，实验测得W g该金属的体积为V cm3，则阿伏加德罗常数NA的表达式为
D．④中空间利用率的表达式为：×100%
解析：A．Mg属于六方最密堆积，所以金属Mg采用③堆积方式，故A错误；
B．，其配位数是6，，配位数为12，故B错误；
C．中原子个数为8×＋1＝2，晶胞质量m＝2M，密度ρ＝＝，故C错误；
D．面心立方堆积空间利用率为×100%＝×100%，故D正确。故选：D。
“神奇材料”石墨烯
2010年10月5日，2010年度的诺贝尔物理学奖由英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)获得。他们在石墨烯材料研究方面作出了突出贡献。
石墨烯具有诸多超乎人类想象的优越特性，主要有以下两点：
(1)石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料：据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜(厚度约100纳米)，那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂。可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料、23000英里长的“太空电梯”等。
(2)石墨烯是世界上导电性最好的材料：电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命。用石墨烯制造超微型晶体管，可以用来生产未来的超级计算机。用它制造的超级电池将取代现在的所有动力电池，包括现在的镍氢电池和锂电池。
1．下列关于金属元素特征的叙述正确的是( C )
①金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性 ②金属元素在化合物中显正价 ③通常情况下，还原性越强的金属，其对应的离子氧化性越弱 ④金属元素只有金属性，没有非金属性 ⑤价电子数越多，金属性越强 ⑥铵盐中一定不含有金属元素 ⑦原子晶体都是由非金属元素组成的，都不含有金属元素
A．都正确 B．除①、⑤外都正确
C．只有②、③正确 D．都不正确
解析：有些金属离子有还原性，如Fe2＋，①错；金属元素只有正化合价，金属原子越容易失去电子，其对应的离子(如Fe对应Fe2＋)就越难得到电子，即氧化性越弱，②、③正确；位于硼－砹分界线附近的元素既有金属性也有非金属性，④错；Al的价电子数比Na多，但Na的金属性比Al强，(NH4)2Cr2O7等铵盐中含有金属元素，AlN等原子晶体中含有金属元素，⑤、⑥、⑦错。
2．金属具有延展性的原因是( B )
A．金属原子半径都较大，价电子较少
B．金属受外力作用变形时，金属阳离子与自由电子间仍保持较强烈作用
C．金属中大量自由电子受外力作用时，运动速度加快
D．自由电子受外力作用时能迅速传递能量
3．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．① B．③
C．②③ D．②④
4．下列叙述不正确的是( D )
A．金属键无方向性和饱和性，原子配位数较高
B．晶体尽量采取紧密堆积方式，以使其变得比较稳定
C．因为共价键有饱和性和方向性，所以原子晶体不遵循“紧密堆积”原理
D．金属铜和镁均以ABAB……方式堆积
解析：晶体一般尽量采取紧密堆积方式，但金属键没有饱和性和方向性，原子晶体共价键有饱和性和方向性，所以不遵循紧密堆积方式；Mg以ABAB……方式堆积，但Cu以ABCABC……方式堆积。
5．关于金属性质和原因的描述不正确的是( A )
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
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，又把各种波长的光大部分再发射出来，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，金属键未被破坏。
6．金属晶体中金属原子主要有三种常见的堆积方式：体心立方堆积、面心立方堆积和六方堆积，其结构单元分别如下图甲、乙、丙所示：
(1)甲、乙、丙三种结构单元中，金属原子个数之比为__1︰2︰3____。
(2)如图为高温超导体领域里的一种化合物——钙钛矿晶体结构。该结构是具有代表性的最小重复单元。
①在该晶体中，每个钛原子周围与它最近且距离相等的钛原子共有__6____个，若将之连接，则呈__正八面体____形状。
②该晶体结构中，氧、钛、钙的原子个数之比为__3︰1︰1____。
解析：(1)甲晶胞中所含金属原子数为8×＋1＝2；乙晶胞中所含金属原子数为8×＋6×＝4；丙晶胞中所含金属原子数为12×＋2×＋3＝6。(2)①钛原子位于立方体的8个顶点上，与一个钛原子等距离的钛原子有6个，呈正八面体形状。②该晶体结构中钙原子数为1，钛原子数为8×＝1，氧原子数为12×＝3，故氧、钛、钙的原子个数之比为3︰1︰1。
基 础 巩 固
一、选择题
1．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( C )
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
解析：Mg的半径大于Al的半径，且价电子数小于Al的，所以金属键应为MgK，故金属键Ca>K，D项错。
2．关于晶体的下列说法正确的是( B )
A．晶体中只要有阳离子，就一定有阴离子
B．晶体中只要有阴离子，就一定有阳离子
C．有金属光泽的晶体一定是金属晶体
D．根据晶体能否导电能判断晶体是否属于金属晶体
解析：金属晶体较特殊。金属晶体中，有金属阳离子而没有阴离子，A项错；晶体中只要有阴离子，根据电荷守恒，就一定有阳离子，B项正确；有金属光泽的晶体不一定是金属晶体，如晶体碘、晶体硅；能导电的晶体不一定是金属晶体，如石墨。
3．下列有关金属的说法正确的是( D )
A．金属原子的核外电子在金属晶体中都是自由电子
B．金属导电的实质是金属阳离子在外电场作用下的定向移动
C．金属原子在化学变化中失去的电子数越多，其还原性越强
D．体心立方晶胞和面心立方晶胞中实际含有的原子个数之比为1∶2
解析：A、因金属的最外层电子受原子核的吸引小，则金属原子中的最外层电子在晶体中为自由电子，故A错误；
B、金属导电的实质是金属阳离子和自由电子定向移动而产生电流的结果，故B错误；
C、金属原子在化学变化中失去电子越容易，其还原性越强，故C错误；
D、体心立方晶胞中原子在顶点和体心，则原子个数为1＋8×＝2，面心立方晶胞中原子在顶点和面心，原子个数为8×＋6×＝4，原子的个数之比为2∶4＝1∶2，故D正确。
4．下列有关金属的说法正确的是( D )
A．常温下都是晶体
B．最外层电子数小于3个的都是金属
C．任何状态下都有延展性
D．都能导电、传热
解析：Hg常温下是液态，不是晶体，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、轧成薄片的性质，在液态时，由于金属具有流动性，不具备延展性，所以C项也是错误的。金属晶体中存在自由电子，能够导电、传热，因此D项是正确的。
5．下列说法正确的是( B )
A．S2－电子排布式：1s22s22p63s23p4
B．在金属晶体中，自由电子与金属离子或金属原子的碰撞有能量传递，可以用此来解释金属的物理性质是导热性
C．金属键可以看做是许多原子共用许多电子所形成的强烈相互作用，所以和共价键类似，也有饱和性和方向性
D． 某物质的晶体中含A、B、C三种元素，其排列方式如图所示，晶胞中A、B、C的原子个数比为1∶2∶2
解析：A、S2－电子排布式：1s22s22p63s23p6，故A错误；
B、金属自由电子受热后运动速率增大，与金属离子碰撞频率增大，传递了能量，故金属有良好的导热性，故B正确；
C、金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈相互作用，自由电子为整个金属的所有阳离子所共有，所以金属键没有方向性和饱和性，而共价键有方向性和饱和性，故C错误；
D、根据图片知，该小正方体中A原子个数＝8×＝1，B原子个数＝6×＝3，C原子个数＝1，所以晶体中A、B、C的原子个数比为1∶3∶1，故D错误；
故选B。
6．下列有关化学键、氢键和范德华力的叙述中，不正确的是( D )
A．金属键是金属离子与“电子气”之间的较强作用，金属键无方向性和饱和性
B．共价键是原子之间通过共用电子对形成的相互作用，共价键有方向性和饱和性
C．范德华力是分子间存在的一种作用力，分子的极性越大，范德华力越大
D．氢键不是化学键而是分子间的一种作用力，所以氢键只存在于分子与分子之间
解析：氢键既可以存在于分子间(如水、乙醇、甲醇、液氨等)，也可以存在于分子内，所以应选择D选项。
7．合金是金属与一些非金属或其他金属在熔化状态下形成的一种熔合物，根据下表中提供的数据，判断可以形成合金的是( A )
金属或非金属
钠
铝
铁
硅
硫
熔点/℃
97.8
660.4
1 535
1 410
112.8
沸点/℃
883
2 467
2 750
2 353
444.6
A．铝与硅 B．铝与硫
C．钠与硫 D．钠与硅
解析：能发生反应的物质不能形成合金，故B、C错；钠的沸点远低于硅的熔点，当硅熔化时，钠已经气化，故它们不能形成合金，D错。
8．关于体心立方堆积晶体(如图)结构的叙述中正确的是( C )
A．是密置层的一种堆积方式
B．晶胞是六棱柱
C．每个晶胞内含2个原子
D．每个晶胞内含6个原子
解析：体心立方堆积晶体的晶胞为立方体，是非密置层的一种堆积方式，其中有8个顶点和1个体心，晶胞内含有原子个数为8×＋1＝2。
9．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熔沸点高低顺序，其中正确的是( C )
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；B中Li>Na，D中Al>Mg>Ba。
二、非选择题
10．判断下列晶体类型。
(1)SiI4：熔点120.5 ℃，沸点287.4 ℃，易水解：__分子晶体____。
(2)硼：熔点2 300 ℃，沸点2 550 ℃，硬度大：__原子晶体____。
(3)硒：熔点217 ℃，沸点685 ℃，溶于氯仿：__分子晶体____。
(4)锑：熔点630.74 ℃，沸点1 750 ℃，导电：__金属晶体____。
解析：(1)SiI4熔点低，沸点低，是分子晶体。(2)硼熔、沸点高，硬度大，是典型的原子晶体。(3)硒熔、沸点低，易溶于CHCl3，属于分子晶体。(4)锑熔点较高，沸点较高，固态能导电，是金属晶体。
11．(1)如图甲所示为二维平面晶体示意图，化学式表示为AX3的是__b____。
(2)图乙为一个金属铜的晶胞，请完成以下各题：
①该晶胞“实际”拥有的铜原子数是__4____个；
②该晶胞称为__C____(填序号)；
A．六方晶胞 B．体心立方晶胞
C．面心立方晶胞
③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/cm3，则阿伏加德罗常数为______ (用a、ρ表示)。
(3)《X射线金相学》中记载关于铜与金可形成两种有序的金属互化物，其结构如下图所示。下列有关说法正确的是__B____。
A．图Ⅰ、Ⅱ中物质的化学式相同
B．图Ⅱ中物质的化学式为CuAu3
C．图Ⅱ中与每个铜原子紧邻的铜原子有3个
D．设图Ⅰ中晶胞的边长为a cm，则图Ⅰ中合金的密度为 g·cm－3
解析：(1)由题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AX2、AX3，故答案为b。
(2)用“切割分摊法”：①8×＋6×＝4；②面心立方晶胞；③·64＝ρ·a3，NA＝。
(3)题图Ⅰ中，铜原子数为8×＋2×＝2，金原子数为4×＝2，故化学式为CuAu。题图Ⅱ中，铜原子数为8×＝1，金原子数为6×＝3，故化学式为CuAu3。题图Ⅱ中，铜原子位于立方体的顶点，故紧邻的铜原子有6个。题图Ⅰ中，铜原子、金原子各为2个，晶胞的体积为a3 cm3，密度ρ＝＝×(64＋197)÷a3＝ g·cm－3。
能 力 提 升
一、选择题
1．下列生活中的问题，不能用电子气理论知识解释的是( A )
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
解析：A、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；
B、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；
C、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；
D、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；
故选A。
2．下列有关物质结构的叙述正确的是( C )
A．有较强共价键存在的物质熔点一定很高
B．由于石墨晶体导电，所以它是金属晶体
C．含有共价键的物质不一定是共价化合物
D．在离子化合物中不可能存在非极性共价键
3．下列各组物质中，按熔点由低到高的顺序排列正确的是( A )
①O2、I2、Hg ②CO、KCl、SiO2 ③Na、K、Rb ④Na、Mg、Al
A．①③ B．①④
C．②③ D．②④
4．已知铜的晶胞结构如图所示，则在铜的晶胞中所含铜原子数及配位数分别是( D )
A．14、6 B．14、8
C．4、8 D．4、12
解析：(1)晶胞中所含原子的计算方法：晶胞顶点上的原子占，棱上的原子占，面上的原子占，体心上的原子为1，根据以上规律就可计算晶胞所含的原子数。(2)金属晶体中金属原子的配位数即为距离该原子最近的金属原子的数目。在Cu的晶胞中，顶角原子为8个晶胞共用，面上的铜原子为两个晶胞共用，因此，金属铜的一个晶胞的原子数为8×＋6×＝4。在Cu的晶胞中，与每个顶点的Cu原子距离相等的铜原子共有12个，因此其配位数为12。
5．下图为金属镉的堆积方式，下列说法正确的是( D )
A．此堆积方式属于非最密堆积
B．此晶胞类型为面心立方堆积
C．配位数(一个金属离子周围紧邻的金属离子的数目)为8
D．镉的堆积方式与铜的堆积方式不同
解析：据图可看出，镉的堆积方式为“…ABAB…”形式，为A3型堆积，即六方最密堆积，而铜的堆积方式为面心立方最密堆积，故A、B两项错误，D项正确；六方最密堆积的配位数为12，中间一层为6个，上下两层各有3个，C项错误。
6．(2018·宁夏石嘴山月考)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( B )
A．①为简单立方堆积，②为镁型，③为钾型，④为铜型
B．每个晶胞含有的原子数分别为：①1个，②2个，③2个，④4个
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
解析：A、②为体心立方堆积，属于钾、钠和铁型；③是六方最密堆积，属于镁、锌、钛型，A错误。B、利用均摊法计算原子个数，①中原子个数为8×1/8＝1个，②中原子个数为8×1/8＋1＝2个，③中原子个数为8×1/8＋1＝2个，④中原子个数为8×1/8＋6×1/2＝4个，B正确。C、③为六方最密堆积，此结构为六方锥晶包的1/3，配位数为12，C错误。D、③、④的空间利用率最高，都是74%，①中简单立方堆积空间利用率最小为52%，②中体心立方堆积空间利用率为68%，所以空间利用率大小顺序为①<②<③＝④，D错误，正确答案为B。
7．金属钠晶体为体心立方晶胞，实验测得钠的密度为ρ(g·cm－3)。已知钠的相对原子质量为a，阿伏加德罗常数为NA(mol－1)，假定金属钠原子为等径的刚性小球且处于体对角线上的三个球相切。则钠原子的半径r(cm)为( C )
A． B．
C． D．
解析：该晶胞中实际含钠原子2个，晶胞边长为，则ρ＝，进一步化简后可得答案。
二、非选择题
8．金晶体的最小重复单元(也称晶胞)是面心立方体，如图所示，即在立方体的8个顶点各有一个金原子，各个面的中心有一个金原子，每个金原子被相邻的晶胞所共有。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。请回答下列问题：
(1)金晶体每个晶胞中含有__4____个金原子。
(2)欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定__金属原子间相接触，即相切____。
(3)一个晶胞的体积是__2d3____。
(4)金晶体的密度是______。
解析：利用均摊法解题，8个顶点上每个金原子有属于该晶胞，6个面上每个金原子有属于该晶胞，故每个晶胞中金原子个数＝8×＋6×＝4。假设金原子间相接触，则有正方形的对角线为2d。正方形边长为 d。所以V晶＝(d)3＝2 d3，Vm＝NA＝d3NA，所以ρ＝＝。
9．信息一：铬同镍、钴、铁等金属可以构成高温合金、电热合金、精密合金等，用于航空、宇航、电器及仪表等工业部门。
信息二：氯化铬酰(CrO2Cl2)是铬的一种化合物，常温下该化合物是暗红色液体，熔点为－96.5 ℃，沸点为117 ℃，能和丙酮(CH3COCH3)、四氯化碳、CS2等有机溶剂互溶。
(1)写出Fe(26号元素)原子的基态电子排布式：__1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)_____。
(2)CH3COCH3分子中含有__1____个π键，含有__9____个σ键。
(3)固态氯化铬酰属于__分子____晶体，丙酮中碳原子的杂化方式为__甲基碳原子为sp3杂化、羰基碳原子为sp2杂化_____，二硫化碳属于__非极性____(填“极性”或“非极性”)分子。
(4)K[Cr(C2O4)2(H2O)2]也是铬的一种化合物，该化合物属于离子化合物，其中除含离子键、共价键外，还含有__配位____键。
(5)金属铬的晶胞如图所示，一个晶胞中含有__2____个铬原子。
解析：(1)Fe(26号元素)原子的基态电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，
故答案为：1s22s22p63s23p63d64s2；
(2)单键为σ键，双键含有1个σ键、1个π键，CH3COCH3分子中含有1个π键，含有9个σ键，故答案为：1；9；
(3)固态氯化铬酰熔沸点低，易溶于有机溶剂，应属于分子晶体，丙酮中羰基中碳原子形成3个σ键，甲基中碳原子形成4个σ键，均没有孤对电子，杂化轨道数目分别为3、4，甲基碳原子为sp3杂化，羰基碳原子为sp2 杂化，二硫化碳与二氧化碳结构相似，为直线型对称结构，分子中正负电荷重心重合，属于非极性分子，故答案为：分子；sp3、sp2 ；非极性；
(4)配离子中Cr3＋有空轨道，C2O、H2O含有孤对电子，Cr3＋与C2O、H2O之间形成配位键，故答案为：配位；
(5)晶胞中Cr原子处于体心与顶点，晶胞中Cr原子数目＝1＋8×＝2，故答案为：2。
第三节 金属晶体
在广东省某一山区的村寨里，前些年连续出生的净是女孩，人们急了，照这样下去，这个地区岂不变成女儿国了吗？有的人求神拜佛，也无济于事。有位风水老者说道：“地质队在后龙山寻矿，把龙脉破坏了，这是风水的报应啊！”于是，迷信的村民千方百计地找到了原来在此地探矿的地质队，闹着要他们赔“风水”。地质队又回到了这个山寨，进行了深入的调查，终于找到了原因。原来是在探矿的时候，钻机把地下含铍的泉水引了出来，扩散了铍的污染，使饮用水的铍含量大为提高，长时间饮用这种水，就会导致生女而不生男。经过治理，情况得到了好转，在“女儿国”里又生出男孩了。
卫星、飞船、飞机、大炮和生活用品都离不开金属，为什么金属具有优良的导电、导热、延展性？构成金属的粒子是什么？金属晶体内部的作用力是什么？
一、金属键与金属晶体
1．金属键：
2．金属晶体，
(1)概念：原子间以__金属键____结合形成的晶体。
(2)用电子气理论解释金属的性质：
二、金属晶体原子的堆积模型
1．二维空间模型：
(1)非密置层。
配位数为__4____，如图所示：
(2)密置层。
配位数为__6____，如图所示：
2．三维空间模型：
(1)非密置层在三维空间堆积。
①简单立方堆积。
相邻非密置层原子的原子核在__同一条直线上____的堆积，只有金属__钋(Po)____采用这种堆积方式，其空间利用率太低。
②体心立方堆积。
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。其空间的利用率比简单立方堆积__高____，属于该堆积方式的主要有碱金属等。
(2)密置层在三维空间堆积。
①六方最密堆积。
如图所示，按__ABABABAB____……的方式堆积。
②面心立方最密堆积。
如图所示，按__ABCABCABC____……的方式堆积。
三、混合晶体——石墨晶体
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__正六边形____平面网状结构。所有碳原子的p轨道平行且相互重叠，p电子可在整个平面中运动。
(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．思考辨析：
(1)晶体中有阳离子一定有阴离子。( × )
(2)金属在拉成丝或者压成薄片的过程中，金属键遭到了破坏。 ( × )
(3)金属导电与电解质溶液导电本质相同。( × )
(4)金属晶体绝大多数采用密堆积方式。 ( √ )
(5)金属晶体中自由电子专属于某个金属离子。( × )
2．(2018·宁夏石嘴山月考)下列晶体属于A1型最密堆积的是( A )
A．干冰、氯化钠、金属铜
B．硫化锌、金属镁、氮化硼
C．水晶、金刚石、晶体硅
D．硫化锌、氯化钠、金属镁
解析：A、干冰、NaCl、Cu为面心立方堆积即A1型。B、硫化锌为面心立方堆积即A1型，A正确，Mg为A3型，氮化硼为原子晶体，不符合紧密堆积原则，B错误。C、水晶、金刚石、晶体硅均为原子晶体，不符合密堆积原则，C错误。D、氯化钠、硫化锌为面心立方堆积即A1型、金属镁为A3型，D错误。正确答案为A。
3．下列有关金属晶体的说法中不正确的是( D )
A．金属晶体是一种“巨分子”
B．“电子气”为所有原子所共有
C．简单立方堆积的空间利用率最低
D．体心立方堆积的空间利用率最高
解析：根据金属晶体的电子气理论，选项A、B都是正确的。金属晶体的堆积方式中空间利用率分别是：简单立方堆积52%，体心立方堆积68%，面心立方最密堆积和六方最密堆积均为74%。因此简单方式堆积的空间利用率最低，六方最密堆积和面心立方最密堆积的空间利用率最高。
4．金属晶体堆积密度大，原子配位数大，能充分利用空间的原因是( D )
A．金属原子价电子数少
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：金属键无方向性和饱和性，使原子采取最大的密堆积方式进行。
5．金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式：六方堆积、面心立方堆积和体心立方堆积，如图(a)(b)(c)分别代表这三种晶胞的结构，其晶胞内金属原子个数比为( A )
A．3︰2︰1 B．11︰8︰4
C．9︰8︰4 D．21︰14︰9
解析：本题考查晶胞中微粒数的计算方法，用均摊法计算。晶胞a中所含原子＝12×＋2×＋3＝6，晶胞b中所含原子＝8×＋6×＝4，晶胞c中所含原子＝8×＋1＝2。
6．石墨晶体是层状结构，在每一层内，每一个碳原子都跟其他3个碳原子相结合，如图是其晶体结构的俯视图，则图中7个六元环完全占有的碳原子数是( D )
A．10 B．18
C．24 D．14
解析：石墨晶体中最小的碳环为六元环，每个碳原子为3个六元环共用，故平均每个六元环含2个碳原子，图中7个六元环完全占有的碳原子数为14。
知识点一 金属晶体的结构与性质
1．在金属晶体中只有阳离子，而无阴离子，带负电的为自由电子。
2．金属导电与电解质溶液导电的比较：
运动的微粒
过程中发生的变化
温度的影响
金属导电
自由电子
物理变化
升温，导电
性减弱
电解质溶
液导电
阴、阳离子
化学变化
升温，导电
性增强
3．影响金属熔点、硬度的因素：
(1)一般地，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，晶体熔点越高，硬度越大。
(2)合金的熔、沸点比其各成分金属的熔、沸点低。
4．金属晶体的原子堆积模型：
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
Na、K、Fe
68%
8
六方最
密堆积
Mg、Zn、Ti
74%
12
面心立
方最密
堆积
Cu、Ag、Au
74%
12
典例1 金属原子在二维空间里的放置有如图所示的两种方式，下列说法中正确的是( C )
A．图a为非密置层，配位数为6
B．图b为密置层，配位数为4
C．图a在三堆空间里堆积可得六方最密堆积和面心立方最密堆积
D．图b在三维空间里堆积仅得简单立方堆积
解析：金属原子在二维空间里有两种排列方式，一种是密置层排列，一种是非密置层排列。密置层排列的空间利用率高，原子的配位数为6，非密置层的配位数较密置层小，为4。由此可知，上图中a为密置层，b为非密置层。密置层在三维空间堆积可得到六方最密堆积和面心立方最密堆积两种堆积模型，非密置层在三维空间堆积可得简单立方堆积和体心立方堆积两种堆积模型。所以，只有C选项正确。
〔变式训练1〕 下列有关金属晶体判断正确的是( D )
A．简单立方、配位数6、空间利用率68%
B．钾型、配位数6、空间利用率68%
C．镁型、配位数8、空间利用率74%
D．铜型、配位数12、空间利用率74%
解析：简单立方空间利用率为52%，故A错；钾型配位数为8，故B错；镁型配位数为12，故C错。
知识点二 石墨与金刚石
1．石墨
石墨中碳原子采取sp2杂化，形成平面六元环结构，层内碳原子核间距小于金刚石中碳原子核间距，层内碳原子通过范德华力维系。
(1)石墨的晶体结构
石墨是层状结构的晶体，在每一层内，碳原子排列成六边形，一个个六边形排列成平面的网状结构，每一个碳原子都跟其他三个碳原子相结合。在同一层内，相邻的碳原子以共价键相结合，层与层之间以分子间作用力相结合。石墨晶体中每个碳原子提供三个电子参加成键形成平面网状结构，碳原子最外层上的另一个电子成为自由电子，并通过自由电子在层间产生范德华力。石墨的很多性质与自由电子有关。
(2)石墨晶体不是原子晶体，而是原子晶体与分子晶体之间的一种过渡型晶体。
(3)石墨晶体的物理性质
由于石墨晶体结构的特殊性，它的物理性质为熔点很高，有良好的导电性，还可作润滑剂。
2．石墨与金刚石的比较
金刚石
石墨
晶体类型
原子晶体
混合晶体
构成微粒
碳原子
碳原子
微粒间的
作用力
C—C共价键
C—C共价键
分子间作用力
碳原子的
杂化方式
sp3杂化
sp2杂化
碳原子
成键数
4
3
碳原子有无剩余价电子
无
有一个2p电子
配位数
4
3
晶体结构
特征
正四面体空间网状结构
平面六边形层状结构
晶体结构
物理性质
高熔点、高硬度、不导电
熔点比金刚石还高，质软、滑腻、易导电
最小碳环
六元环、不共面
六元环、共面
典例2 下列能说明石墨具有分子晶体的性质的是( C )
A．晶体能导电 B．熔点高
C．硬度小 D．燃烧产物是CO2
解析：分子晶体具有硬度小、熔点低的特点，因此C项能说明石墨具有分子晶体的性质。A项晶体能导电是金属晶体的性质；B项熔点高是原子晶体的性质；D项燃烧产物是CO2只能说明石墨能燃烧，是碳单质的化学性质。
〔变式训练2〕 科学家对石墨进行处理，使得石墨片的厚度逐渐减少，最终获得目前已知的最薄的材料——石墨烯(如图)。下列关于石墨烯的说法正确的是( B )
A．石墨烯是一新型的纳米化合物
B．石墨烯与C60互为同素异形体
C．石墨烯是一种有机物
D．石墨烯中碳元素的化合价为＋3
知识点三 金属晶体中晶胞中的相关计算
金属晶体中晶胞空间利用率的计算：
(1)计算晶胞中含有几个原子。
(2)找出原子半径r与晶胞边长a的关系。
(3)利用公式计算金属原子的空间利用率：
×100%
①简单立方堆积空间利用率＝×100%≈52.36%
②体心立方堆积空间利用率＝＝＝×100%≈68.02%
③面心立方堆积空间利用率＝＝×100%≈74.1%
2．利用均摊法计算金属晶体的密度的方法：
(1)首先利用均摊法确定一个晶胞中平均含有的原子数目。
(2)其次确定金属原子的半径和晶胞边长之间的关系。
具体方法是：根据晶胞中金属原子的位置，灵活运用
数学上立体几何的对角线(体对角线或面对角线)和边长的关系，将金属原子的半径和晶胞的边长放在同一个直角三角形中，通过解直角三角形即可。
(3)计算金属晶体的密度。
首先求一个晶胞的质量：m＝NM/NA，N表示一个晶胞中平均含有的金属原子数，M表示金属的摩尔质量，NA表示阿伏加德罗常数。然后求金属晶体的密度：密度ρ＝m/V，V表示一个晶胞的体积。
典例3 用X射线研究某金属晶体，测得在边长为360 pm(1 pm＝1×10－10cm)的立方晶胞中含有4个金属原子，此时金属的密度为9.0 g·cm－3。试回答：
(1)此金属晶体属于哪一种堆积方式？
(2)每个晶胞的质量是多少克？
(3)求此金属的相对原子质量。
(4)求此原子的原子半径(pm)。
答案：(1)面心立方最密堆积
(2)4.2×10－22g
(3)63.21 (4)127.28 pm
解析：根据题意，此金属晶体属于面心立方最密堆积。每个晶胞中含有4个原子，则该晶胞如图所示：
(2)根据晶胞的边长为360 pm，可得晶胞的体积为(3.6×10－8)3cm3。根据质量＝密度×体积，可得晶胞的质量＝9.0 g·cm－3×(3.6×10－8)3 cm3＝4.2×10－22g。
(3)金属的相对原子质量＝NA×原子的质量＝4.2×10－22×6.02×1023÷4＝63.21。
(4)在面心立方最密堆积中，晶胞的边长＝，因此，原子的原子半径＝×360 pm＝127.28 pm。
〔变式训练3〕 有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示，有关说法正确的是(假设金属的摩尔质量为M g•mol－1，金属原子半径为r cm，用NA表示阿伏加德罗常数的值)( D )
A．金属Mg采用②堆积方式
B．①和③中原子的配位数分别为：8、12
C．对于采用②堆积方式的金属，实验测得W g该金属的体积为V cm3，则阿伏加德罗常数NA的表达式为
D．④中空间利用率的表达式为：×100%
解析：A．Mg属于六方最密堆积，所以金属Mg采用③堆积方式，故A错误；
B．，其配位数是6，，配位数为12，故B错误；
C．中原子个数为8×＋1＝2，晶胞质量m＝2M，密度ρ＝＝，故C错误；
D．面心立方堆积空间利用率为×100%＝×100%，故D正确。故选：D。
“神奇材料”石墨烯
2010年10月5日，2010年度的诺贝尔物理学奖由英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)获得。他们在石墨烯材料研究方面作出了突出贡献。
石墨烯具有诸多超乎人类想象的优越特性，主要有以下两点：
(1)石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料：据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜(厚度约100纳米)，那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂。可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料、23000英里长的“太空电梯”等。
(2)石墨烯是世界上导电性最好的材料：电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命。用石墨烯制造超微型晶体管，可以用来生产未来的超级计算机。用它制造的超级电池将取代现在的所有动力电池，包括现在的镍氢电池和锂电池。
1．下列关于金属元素特征的叙述正确的是( C )
①金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性 ②金属元素在化合物中显正价 ③通常情况下，还原性越强的金属，其对应的离子氧化性越弱 ④金属元素只有金属性，没有非金属性 ⑤价电子数越多，金属性越强 ⑥铵盐中一定不含有金属元素 ⑦原子晶体都是由非金属元素组成的，都不含有金属元素
A．都正确 B．除①、⑤外都正确
C．只有②、③正确 D．都不正确
解析：有些金属离子有还原性，如Fe2＋，①错；金属元素只有正化合价，金属原子越容易失去电子，其对应的离子(如Fe对应Fe2＋)就越难得到电子，即氧化性越弱，②、③正确；位于硼－砹分界线附近的元素既有金属性也有非金属性，④错；Al的价电子数比Na多，但Na的金属性比Al强，(NH4)2Cr2O7等铵盐中含有金属元素，AlN等原子晶体中含有金属元素，⑤、⑥、⑦错。
2．金属具有延展性的原因是( B )
A．金属原子半径都较大，价电子较少
B．金属受外力作用变形时，金属阳离子与自由电子间仍保持较强烈作用
C．金属中大量自由电子受外力作用时，运动速度加快
D．自由电子受外力作用时能迅速传递能量
3．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．① B．③
C．②③ D．②④
4．下列叙述不正确的是( D )
A．金属键无方向性和饱和性，原子配位数较高
B．晶体尽量采取紧密堆积方式，以使其变得比较稳定
C．因为共价键有饱和性和方向性，所以原子晶体不遵循“紧密堆积”原理
D．金属铜和镁均以ABAB……方式堆积
解析：晶体一般尽量采取紧密堆积方式，但金属键没有饱和性和方向性，原子晶体共价键有饱和性和方向性，所以不遵循紧密堆积方式；Mg以ABAB……方式堆积，但Cu以ABCABC……方式堆积。
5．关于金属性质和原因的描述不正确的是( A )
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
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，又把各种波长的光大部分再发射出来，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，金属键未被破坏。
6．金属晶体中金属原子主要有三种常见的堆积方式：体心立方堆积、面心立方堆积和六方堆积，其结构单元分别如下图甲、乙、丙所示：
(1)甲、乙、丙三种结构单元中，金属原子个数之比为__1︰2︰3____。
(2)如图为高温超导体领域里的一种化合物——钙钛矿晶体结构。该结构是具有代表性的最小重复单元。
①在该晶体中，每个钛原子周围与它最近且距离相等的钛原子共有__6____个，若将之连接，则呈__正八面体____形状。
②该晶体结构中，氧、钛、钙的原子个数之比为__3︰1︰1____。
解析：(1)甲晶胞中所含金属原子数为8×＋1＝2；乙晶胞中所含金属原子数为8×＋6×＝4；丙晶胞中所含金属原子数为12×＋2×＋3＝6。(2)①钛原子位于立方体的8个顶点上，与一个钛原子等距离的钛原子有6个，呈正八面体形状。②该晶体结构中钙原子数为1，钛原子数为8×＝1，氧原子数为12×＝3，故氧、钛、钙的原子个数之比为3︰1︰1。
基 础 巩 固
一、选择题
1．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( C )
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
解析：Mg的半径大于Al的半径，且价电子数小于Al的，所以金属键应为Mg
2．关于晶体的下列说法正确的是( B )
A．晶体中只要有阳离子，就一定有阴离子
B．晶体中只要有阴离子，就一定有阳离子
C．有金属光泽的晶体一定是金属晶体
D．根据晶体能否导电能判断晶体是否属于金属晶体
解析：金属晶体较特殊。金属晶体中，有金属阳离子而没有阴离子，A项错；晶体中只要有阴离子，根据电荷守恒，就一定有阳离子，B项正确；有金属光泽的晶体不一定是金属晶体，如晶体碘、晶体硅；能导电的晶体不一定是金属晶体，如石墨。
3．下列有关金属的说法正确的是( D )
A．金属原子的核外电子在金属晶体中都是自由电子
B．金属导电的实质是金属阳离子在外电场作用下的定向移动
C．金属原子在化学变化中失去的电子数越多，其还原性越强
D．体心立方晶胞和面心立方晶胞中实际含有的原子个数之比为1∶2
解析：A、因金属的最外层电子受原子核的吸引小，则金属原子中的最外层电子在晶体中为自由电子，故A错误；
B、金属导电的实质是金属阳离子和自由电子定向移动而产生电流的结果，故B错误；
C、金属原子在化学变化中失去电子越容易，其还原性越强，故C错误；
D、体心立方晶胞中原子在顶点和体心，则原子个数为1＋8×＝2，面心立方晶胞中原子在顶点和面心，原子个数为8×＋6×＝4，原子的个数之比为2∶4＝1∶2，故D正确。
4．下列有关金属的说法正确的是( D )
A．常温下都是晶体
B．最外层电子数小于3个的都是金属
C．任何状态下都有延展性
D．都能导电、传热
解析：Hg常温下是液态，不是晶体，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、轧成薄片的性质，在液态时，由于金属具有流动性，不具备延展性，所以C项也是错误的。金属晶体中存在自由电子，能够导电、传热，因此D项是正确的。
5．下列说法正确的是( B )
A．S2－电子排布式：1s22s22p63s23p4
B．在金属晶体中，自由电子与金属离子或金属原子的碰撞有能量传递，可以用此来解释金属的物理性质是导热性
C．金属键可以看做是许多原子共用许多电子所形成的强烈相互作用，所以和共价键类似，也有饱和性和方向性
D． 某物质的晶体中含A、B、C三种元素，其排列方式如图所示，晶胞中A、B、C的原子个数比为1∶2∶2
解析：A、S2－电子排布式：1s22s22p63s23p6，故A错误；
B、金属自由电子受热后运动速率增大，与金属离子碰撞频率增大，传递了能量，故金属有良好的导热性，故B正确；
C、金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈相互作用，自由电子为整个金属的所有阳离子所共有，所以金属键没有方向性和饱和性，而共价键有方向性和饱和性，故C错误；
D、根据图片知，该小正方体中A原子个数＝8×＝1，B原子个数＝6×＝3，C原子个数＝1，所以晶体中A、B、C的原子个数比为1∶3∶1，故D错误；
故选B。
6．下列有关化学键、氢键和范德华力的叙述中，不正确的是( D )
A．金属键是金属离子与“电子气”之间的较强作用，金属键无方向性和饱和性
B．共价键是原子之间通过共用电子对形成的相互作用，共价键有方向性和饱和性
C．范德华力是分子间存在的一种作用力，分子的极性越大，范德华力越大
D．氢键不是化学键而是分子间的一种作用力，所以氢键只存在于分子与分子之间
解析：氢键既可以存在于分子间(如水、乙醇、甲醇、液氨等)，也可以存在于分子内，所以应选择D选项。
7．合金是金属与一些非金属或其他金属在熔化状态下形成的一种熔合物，根据下表中提供的数据，判断可以形成合金的是( A )
金属或非金属
钠
铝
铁
硅
硫
熔点/℃
97.8
660.4
1 535
1 410
112.8
沸点/℃
883
2 467
2 750
2 353
444.6
A．铝与硅 B．铝与硫
C．钠与硫 D．钠与硅
解析：能发生反应的物质不能形成合金，故B、C错；钠的沸点远低于硅的熔点，当硅熔化时，钠已经气化，故它们不能形成合金，D错。
8．关于体心立方堆积晶体(如图)结构的叙述中正确的是( C )
A．是密置层的一种堆积方式
B．晶胞是六棱柱
C．每个晶胞内含2个原子
D．每个晶胞内含6个原子
解析：体心立方堆积晶体的晶胞为立方体，是非密置层的一种堆积方式，其中有8个顶点和1个体心，晶胞内含有原子个数为8×＋1＝2。
9．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熔沸点高低顺序，其中正确的是( C )
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；B中Li>Na，D中Al>Mg>Ba。
二、非选择题
10．判断下列晶体类型。
(1)SiI4：熔点120.5 ℃，沸点287.4 ℃，易水解：__分子晶体____。
(2)硼：熔点2 300 ℃，沸点2 550 ℃，硬度大：__原子晶体____。
(3)硒：熔点217 ℃，沸点685 ℃，溶于氯仿：__分子晶体____。
(4)锑：熔点630.74 ℃，沸点1 750 ℃，导电：__金属晶体____。
解析：(1)SiI4熔点低，沸点低，是分子晶体。(2)硼熔、沸点高，硬度大，是典型的原子晶体。(3)硒熔、沸点低，易溶于CHCl3，属于分子晶体。(4)锑熔点较高，沸点较高，固态能导电，是金属晶体。
11．(1)如图甲所示为二维平面晶体示意图，化学式表示为AX3的是__b____。
(2)图乙为一个金属铜的晶胞，请完成以下各题：
①该晶胞“实际”拥有的铜原子数是__4____个；
②该晶胞称为__C____(填序号)；
A．六方晶胞 B．体心立方晶胞
C．面心立方晶胞
③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/cm3，则阿伏加德罗常数为______ (用a、ρ表示)。
(3)《X射线金相学》中记载关于铜与金可形成两种有序的金属互化物，其结构如下图所示。下列有关说法正确的是__B____。
A．图Ⅰ、Ⅱ中物质的化学式相同
B．图Ⅱ中物质的化学式为CuAu3
C．图Ⅱ中与每个铜原子紧邻的铜原子有3个
D．设图Ⅰ中晶胞的边长为a cm，则图Ⅰ中合金的密度为 g·cm－3
解析：(1)由题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AX2、AX3，故答案为b。
(2)用“切割分摊法”：①8×＋6×＝4；②面心立方晶胞；③·64＝ρ·a3，NA＝。
(3)题图Ⅰ中，铜原子数为8×＋2×＝2，金原子数为4×＝2，故化学式为CuAu。题图Ⅱ中，铜原子数为8×＝1，金原子数为6×＝3，故化学式为CuAu3。题图Ⅱ中，铜原子位于立方体的顶点，故紧邻的铜原子有6个。题图Ⅰ中，铜原子、金原子各为2个，晶胞的体积为a3 cm3，密度ρ＝＝×(64＋197)÷a3＝ g·cm－3。
能 力 提 升
一、选择题
1．下列生活中的问题，不能用电子气理论知识解释的是( A )
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
解析：A、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；
B、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；
C、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；
D、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；
故选A。
2．下列有关物质结构的叙述正确的是( C )
A．有较强共价键存在的物质熔点一定很高
B．由于石墨晶体导电，所以它是金属晶体
C．含有共价键的物质不一定是共价化合物
D．在离子化合物中不可能存在非极性共价键
3．下列各组物质中，按熔点由低到高的顺序排列正确的是( A )
①O2、I2、Hg ②CO、KCl、SiO2 ③Na、K、Rb ④Na、Mg、Al
A．①③ B．①④
C．②③ D．②④
4．已知铜的晶胞结构如图所示，则在铜的晶胞中所含铜原子数及配位数分别是( D )
A．14、6 B．14、8
C．4、8 D．4、12
解析：(1)晶胞中所含原子的计算方法：晶胞顶点上的原子占，棱上的原子占，面上的原子占，体心上的原子为1，根据以上规律就可计算晶胞所含的原子数。(2)金属晶体中金属原子的配位数即为距离该原子最近的金属原子的数目。在Cu的晶胞中，顶角原子为8个晶胞共用，面上的铜原子为两个晶胞共用，因此，金属铜的一个晶胞的原子数为8×＋6×＝4。在Cu的晶胞中，与每个顶点的Cu原子距离相等的铜原子共有12个，因此其配位数为12。
5．下图为金属镉的堆积方式，下列说法正确的是( D )
A．此堆积方式属于非最密堆积
B．此晶胞类型为面心立方堆积
C．配位数(一个金属离子周围紧邻的金属离子的数目)为8
D．镉的堆积方式与铜的堆积方式不同
解析：据图可看出，镉的堆积方式为“…ABAB…”形式，为A3型堆积，即六方最密堆积，而铜的堆积方式为面心立方最密堆积，故A、B两项错误，D项正确；六方最密堆积的配位数为12，中间一层为6个，上下两层各有3个，C项错误。
6．(2018·宁夏石嘴山月考)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( B )
A．①为简单立方堆积，②为镁型，③为钾型，④为铜型
B．每个晶胞含有的原子数分别为：①1个，②2个，③2个，④4个
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
解析：A、②为体心立方堆积，属于钾、钠和铁型；③是六方最密堆积，属于镁、锌、钛型，A错误。B、利用均摊法计算原子个数，①中原子个数为8×1/8＝1个，②中原子个数为8×1/8＋1＝2个，③中原子个数为8×1/8＋1＝2个，④中原子个数为8×1/8＋6×1/2＝4个，B正确。C、③为六方最密堆积，此结构为六方锥晶包的1/3，配位数为12，C错误。D、③、④的空间利用率最高，都是74%，①中简单立方堆积空间利用率最小为52%，②中体心立方堆积空间利用率为68%，所以空间利用率大小顺序为①<②<③＝④，D错误，正确答案为B。
7．金属钠晶体为体心立方晶胞，实验测得钠的密度为ρ(g·cm－3)。已知钠的相对原子质量为a，阿伏加德罗常数为NA(mol－1)，假定金属钠原子为等径的刚性小球且处于体对角线上的三个球相切。则钠原子的半径r(cm)为( C )
A． B．
C． D．
解析：该晶胞中实际含钠原子2个，晶胞边长为，则ρ＝，进一步化简后可得答案。
二、非选择题
8．金晶体的最小重复单元(也称晶胞)是面心立方体，如图所示，即在立方体的8个顶点各有一个金原子，各个面的中心有一个金原子，每个金原子被相邻的晶胞所共有。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。请回答下列问题：
(1)金晶体每个晶胞中含有__4____个金原子。
(2)欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定__金属原子间相接触，即相切____。
(3)一个晶胞的体积是__2d3____。
(4)金晶体的密度是______。
解析：利用均摊法解题，8个顶点上每个金原子有属于该晶胞，6个面上每个金原子有属于该晶胞，故每个晶胞中金原子个数＝8×＋6×＝4。假设金原子间相接触，则有正方形的对角线为2d。正方形边长为 d。所以V晶＝(d)3＝2 d3，Vm＝NA＝d3NA，所以ρ＝＝。
9．信息一：铬同镍、钴、铁等金属可以构成高温合金、电热合金、精密合金等，用于航空、宇航、电器及仪表等工业部门。
信息二：氯化铬酰(CrO2Cl2)是铬的一种化合物，常温下该化合物是暗红色液体，熔点为－96.5 ℃，沸点为117 ℃，能和丙酮(CH3COCH3)、四氯化碳、CS2等有机溶剂互溶。
(1)写出Fe(26号元素)原子的基态电子排布式：__1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)_____。
(2)CH3COCH3分子中含有__1____个π键，含有__9____个σ键。
(3)固态氯化铬酰属于__分子____晶体，丙酮中碳原子的杂化方式为__甲基碳原子为sp3杂化、羰基碳原子为sp2杂化_____，二硫化碳属于__非极性____(填“极性”或“非极性”)分子。
(4)K[Cr(C2O4)2(H2O)2]也是铬的一种化合物，该化合物属于离子化合物，其中除含离子键、共价键外，还含有__配位____键。
(5)金属铬的晶胞如图所示，一个晶胞中含有__2____个铬原子。
解析：(1)Fe(26号元素)原子的基态电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，
故答案为：1s22s22p63s23p63d64s2；
(2)单键为σ键，双键含有1个σ键、1个π键，CH3COCH3分子中含有1个π键，含有9个σ键，故答案为：1；9；
(3)固态氯化铬酰熔沸点低，易溶于有机溶剂，应属于分子晶体，丙酮中羰基中碳原子形成3个σ键，甲基中碳原子形成4个σ键，均没有孤对电子，杂化轨道数目分别为3、4，甲基碳原子为sp3杂化，羰基碳原子为sp2 杂化，二硫化碳与二氧化碳结构相似，为直线型对称结构，分子中正负电荷重心重合，属于非极性分子，故答案为：分子；sp3、sp2 ；非极性；
(4)配离子中Cr3＋有空轨道，C2O、H2O含有孤对电子，Cr3＋与C2O、H2O之间形成配位键，故答案为：配位；
(5)晶胞中Cr原子处于体心与顶点，晶胞中Cr原子数目＝1＋8×＝2，故答案为：2。
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