金屬晶體與離子晶體

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第一講金屬晶體與離子晶體一、細品教材一、金屬晶體1.定義：金屬晶體是指金屬原子通過金屬鍵形成的晶體。2.金屬鍵：金屬晶體中金屬陽離子和自由電子之間的強烈的相互作用。金屬鍵的特征：由于自由電子為整個金屬所共有，所以金屬鍵沒有方向性和飽和性。金屬原子的外層電子數(shù)比較少，容易失去電子變成金屬離子和電子，金屬離子間存在反性電荷的維系――帶負電荷的自由移動的電子（運動的電子使體系更穩(wěn)定），這些電子不是專屬于某幾個特定的金屬離子這就是金屬晶體的形成的原因。小結(jié)：盡管每個電子的運動都是隨機的，但是大量的價電子運動統(tǒng)計的結(jié)果是均勻地分布在整個晶體中，每個金屬離子都均等的享用所有價電子，但都不可能獨占，這就是金屬鍵的核心思想。例1.金屬晶體的形成是因為晶體中存在(C)①金屬原子②金屬離子③自由電子④陰離子A.只有①B.只有③C.②③D.②④3.金屬晶體的結(jié)構(gòu)型式：（1）特點：最常見的結(jié)構(gòu)型式具有堆積密度大，原子配位數(shù)高，能充分利用空間等特點。小結(jié)：①緊密堆積：微粒間的作用力，使微粒間盡可能地相互接近，使它們占有最小的空間。②空間利用率：空間被晶格質(zhì)點占據(jù)的百分數(shù)。用來表示緊密堆積的程度。③配位數(shù)：在晶體中，原子配位數(shù)是指某一個原子周圍所接觸到的同種原子的數(shù)目。（2）分類：Ca、Al、Cu、Ag、Au等金屬晶體屬于A1型最密堆積，Mg、Zn等金屬晶體屬于A3型最密堆積，A2型密堆積又稱為體心立方密堆積，Li、Na、K、Fe等金屬晶體屬于A2型密堆積。A1型配位數(shù)為12，A2型配位數(shù)為8，A3型配位數(shù)為12。小結(jié)：①對金屬晶體的認識要抓住金屬晶體中存在微粒和微粒間的相互作用，并能由此來分析金屬晶體的特性。②熟悉常見三種結(jié)構(gòu)模式中的配位數(shù)、晶胞中所含有的原子數(shù)、晶胞名稱及是否是密堆積等。4.金屬晶體中的金屬鍵和原子的堆積方式與金屬晶體的物理性質(zhì)的關(guān)系（1）金屬晶體具有良好的導(dǎo)電性：金屬中有自由移動的電子，金屬晶體中的自由電子在沒有外加電場存在時是自由運動的，當有外加電場存在的情況下，電子發(fā)生了定向移動形成了電流，呈現(xiàn)良好的導(dǎo)電性。小結(jié)：金屬受熱后，金屬晶體中離子的振動加劇，阻礙著自由電子的運動。所以溫度升高導(dǎo)電性下降。10 （2）金屬晶體具有良好的導(dǎo)熱性：自由電子在運動時經(jīng)常與金屬離子碰撞，從而引起兩者能量的交換。當金屬某一部分受熱時，在那個區(qū)域里的自由電子能量增加，運動速度加快，于是通過碰撞，自由電子把能量傳給金屬離子。金屬容易導(dǎo)熱就是由于自由電子運動時，把能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分，從而使整塊金屬達到相同的溫度。小結(jié)：①金屬具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性都與自由電子有關(guān)。②自由電子通過運動把能量從高溫區(qū)傳到低溫區(qū)自由電子在運動過程中通過碰撞進行能量傳遞，使金屬具有良好的導(dǎo)熱性。（3）金屬晶體具有良好的延展性：當金屬受到外力作用時，晶體中的各原子層就會發(fā)生相對滑動，由于金屬離子與自由電子之間的相互作用沒有方向性，滑動以后，各層之間仍保持著這種相互作用，在外力作用下，金屬雖然發(fā)生了變形，但不會導(dǎo)致斷裂。小結(jié)：①金屬的堆積方式和金屬鍵共同決定金屬晶體是否具有良好的延展性。②注意金屬的延展性是有限度的；同時有少數(shù)金屬，如銻、鋨、錳等性質(zhì)較脆，沒有延展性。（4）金屬的熔點、硬度等取決于金屬晶體內(nèi)部作用力的強弱。一般來說金屬原子的價電子數(shù)越多，原子半徑越小，金屬晶體內(nèi)部作用力越強。因而晶體熔點越高、硬度越大。金屬晶體的熔點變化差別較大。如：Hg在常溫下為液態(tài)，熔點低（－38.9℃）,而鐵等金屬熔點高（1355℃），這是由于金屬晶體緊密堆積方式，金屬陽離子與自由電子的作用力不同造成的。同類型金屬金屬晶體，金屬晶體的熔點由金屬陽離子半徑，離子所帶的電荷決定，陽離子半徑越小，所帶電荷越多，相互作用力就越大，熔點就越高。如：熔點：Li>Na>K>Rb>Cs，Na②>③B、③>①>②C、③>②>①D、②>①>③5.離子晶體的結(jié)構(gòu)決定著離子晶體具有一系列特性：10 （1）離子晶體具有較高的熔點、沸點，難揮發(fā)。離子晶體中，陰、陽離子間有強烈的相互作用（離子鍵），要克服離子間的相互作用力使物質(zhì)熔化和沸騰，就需要較多的能量。小結(jié)：一般說來，陰、陽離子的電荷數(shù)越多，離子半徑越小，則離子鍵越強，離子晶體的熔、沸點越高，如Al2O3>MgO；NaCl>CsCl等。例6：離子晶體熔點的高低決定于晶體中陽離子與陰離子之間的靜電引力，靜電引力大則熔點高，引力小則反之。試根據(jù)你學(xué)到的電學(xué)知識，判斷KCl、NaCl、CaO、BaO四種晶體熔點的高低順序（C）A．KCl>NaCl>BaO>CaOB．NaCl>KCl>CaO>BaOC．CaO>BaO>NaCl>KClD．CaO>BaO>KCl>NaCl（2）離子晶體硬而脆。離子晶體中，陰陽離子間有較強的離子鍵，離子鍵表現(xiàn)出較強的硬度，當晶體受到?jīng)_擊力作用時，部分離子鍵發(fā)生斷裂，導(dǎo)致晶體破碎。（3）離子晶體不導(dǎo)電，熔化或溶于水后能導(dǎo)電。離子晶體中，離子鍵較強，離子不能自由移動，因此離子晶體不導(dǎo)電。當升高溫度時，陰、陽離子獲得足夠能量，克服了離子間的相互作用，成了自由移動的離子，在外界電場作用下，離子定向移動而導(dǎo)電。離子化合物溶于水時，陰、陽離子受到水分子作用變成了自由移動的離子（或水合離子），在外界電場作用下，陰、陽離子定向移動而導(dǎo)電。小結(jié)：（1）離子晶體導(dǎo)電的前提是先電離出自由移動的陰陽離子。（2）難溶于水的強電解質(zhì)如BaSO4、CaCO3等溶于水，由于濃度極小，故導(dǎo)電性極差。通常情況下，我們說它們的水溶液不導(dǎo)電。（4）大多數(shù)離子晶體易溶于極性溶劑（如水）中，難溶于非極性溶劑（如汽油、煤油）中。當把離子晶體放在水中時，極性水分子對離子晶體中的離子產(chǎn)生吸引作用，使晶體中的離子克服了離子間的作用而電離，變成在水中自由移動的離子。小結(jié)：①離子晶體的一些特殊物質(zhì)性質(zhì)可用于確定晶體構(gòu)型。如在水溶液中和在熔融狀況下能導(dǎo)電的晶體一定是離子晶體。②對于離子晶體的熔、沸點，要注意“一般地說”和“較高”等字詞?！耙话愕卣f”說明離子晶體的熔、沸點還有些特例；“較高”是與其他晶型比較的結(jié)果。例7：下列性質(zhì)中，可以證明某化合物形成的晶體一定是離子晶體的是()A.可溶于水B.具有較高的熔點C.水溶液能導(dǎo)電D.熔融狀態(tài)能導(dǎo)電解析：熔融狀態(tài)能導(dǎo)電的化合物形成的晶體一定是離子晶體。分子晶體和原子晶體熔融狀態(tài)成為分子和原子，不導(dǎo)電。金屬晶體在固態(tài)和熔融狀態(tài)均能導(dǎo)電，但金屬晶體是單質(zhì)。答案：D二：基礎(chǔ)整理本節(jié)主要介紹了兩種典型的晶體類型金屬晶體和離子晶體。構(gòu)成這兩種晶體的微粒類型不同，微粒間的作用力也不同，故性質(zhì)有所不同。在學(xué)習(xí)過程中注意將兩種晶體類型的構(gòu)成微粒、化學(xué)鍵、堆積模型、物理性質(zhì)等進行對比分析。10 三：綜合探究1、銀是一種銀白色的金屬，但是在氯化銀的分解實驗中卻觀察到生成灰黑色的固體粉末，這是為什么？對于這個問題的思考，應(yīng)首先考慮金屬晶體為什么呈現(xiàn)金屬光澤，它源于金屬晶體的結(jié)構(gòu)：金屬離子緊密堆積、規(guī)則排列且存在自由移動的電子。由于金屬晶體中金屬原子以最緊密堆積狀態(tài)排列，且存在可以自由移動的電子，所以，當光線照射到金屬晶體表面時，自由電子可以吸收所有頻率的射光，然后又很快輻射出各種頻率的光，這就使得絕大多數(shù)金屬呈現(xiàn)銀灰色以至銀白色光澤。粉末狀態(tài)的金屬由許許多多微小的晶體組成，微小晶體的晶面取向雜亂，晶格排列不規(guī)則，吸收可見光后輻射不出去，所以金屬粉末常呈暗灰色或黑色。氯化銀分解時，得到的是粉末狀的銀，所以看上去是灰黑色的。小結(jié)：大塊金屬晶體和金屬粉末在結(jié)構(gòu)上不同，金屬晶體規(guī)則排列而金屬粉末由許多小晶體構(gòu)成，排列雜亂無章，這也就找到了兩者存在性質(zhì)差異的本質(zhì)原因。2.金屬晶體具有延展性，為什么離子晶體硬而脆不具有延展性？金屬晶體中層與層之間發(fā)生滑動過程中自由電子能夠維系整個金屬鍵的存在。離子晶體中陰、陽離子通過離子鍵結(jié)合在一起，半徑大的離子采用等徑圓球的緊密堆積，半徑小的離子填充在空隙中。受力時發(fā)生錯位，使正正離子“相切”、負負離子“相切”，彼此排斥，離子鍵失去作用，故離子晶體無延展性，如CaCO3可用于雕刻，而不可用于鍛造，即不具有延展性。小結(jié)：首先要清楚金屬晶體具有延展性的原因：層與層之間發(fā)生滑動過程中自由電子是否能夠維系整個金屬鍵的存在。3.金屬無論在固態(tài)還是液態(tài)都可以導(dǎo)電，而離子晶體卻不能導(dǎo)電，它只有溶于水后或者在熔融狀態(tài)下才可以導(dǎo)電。如何來解釋這一事實？物質(zhì)導(dǎo)電是因為物質(zhì)中具有可自由移動的電荷。金屬晶體是由金屬離子和自由電子組成的，在固態(tài)時，金屬離子不能自由移動，但自由電子是分布于整塊金屬晶體可以自由移動，因此在外加電場的作用下定向移動，產(chǎn)生電流；在熔融狀態(tài)，除了自由電子外，金屬離子變得也可以自由移動，因此可以導(dǎo)電。離子晶體是陽離子和陰離子組成的，在固態(tài)時，陰、陽離子只能在各自的位置作輕微的振動，不能改變位置，因此不能發(fā)生帶電微粒的定向移動，所以固態(tài)的離子化合物不能導(dǎo)電；溶于水或者在熔融狀態(tài)，陰、陽離子離解成可以自由移動的離子，可以傳遞電荷，因此具有導(dǎo)電性。小結(jié)：對于這個問題的探究，首先要清楚物質(zhì)能導(dǎo)電必須具備的條件。帶電微粒在外加電場的作用下定向移動形成電流，即為物質(zhì)的導(dǎo)電過程，因此物質(zhì)具有自由移動的帶電微粒這是物質(zhì)導(dǎo)電必須具備的條件。離子晶體的導(dǎo)電過程是化學(xué)變化而金屬晶體的導(dǎo)電過程是物理變化。四：典題例析10 1．下列不屬于金屬晶體共性的是()A.易導(dǎo)電B.易導(dǎo)熱C.有延展性D.高熔點2．要使金屬晶體熔化必須破壞其中的金屬鍵。金屬晶體熔、沸點高低和硬度大小一般取決于金屬鍵的強弱，而金屬鍵與金屬陽離子所帶電荷的多少及半徑大小有關(guān)。由此判斷下列說法正確的是（）A、金屬鎂的硬度大于金屬鋁B、堿金屬單質(zhì)的熔、沸點從Li到Cs是逐漸增大的C、金屬鎂的熔點大于金屬鈉D、金屬鎂的硬度小于金屬鈣3.金屬晶體堆積密度大，原子配位數(shù)高，能充分利用空間的原因是（D）A、金屬原子的價電子數(shù)少B、金屬晶體中有自由電子C、金屬原子的原子半徑大D、金屬鍵沒有飽和性和方向性解析：這是因為分別借助于沒有方向性的金屬鍵形成的金屬晶體的結(jié)構(gòu)中，都趨向于使原子吸引盡可能多的原子分布于周圍，并以密堆積的方式降低體系的能量，使晶體變得比較穩(wěn)定。4.如圖是CsCl晶體的晶胞（晶體中最小重復(fù)單元），已知晶體中兩個最近的Cs+核間距為acm，氯化銫的式量為M，NA為阿伏加德羅常數(shù)，則氯化銫晶體的密度為（c）A.B.C.D.5.下列各類化合物中，固態(tài)時只能形成離子晶體的是（）A、非金屬氧化物B、非金屬單質(zhì)C、強酸D、強堿解析：根據(jù)分類標準，純凈物可分為單質(zhì)和化合物，單質(zhì)又分為金屬單質(zhì)與非金屬單質(zhì)，化合物可以分為離子化合物和共價化合物，在這四類物質(zhì)中，金屬單質(zhì)形成的晶體一定是金屬晶體，離子化合物形成的晶體一定是離子晶體，非金屬單質(zhì)與共價化合物形成的晶體可能是分子晶體，也可能是原子晶體。非金屬氧化物、強酸都屬于共價化合物，強堿屬于離子化合物。6．同類晶體物質(zhì)熔、沸點的變化是有規(guī)律的，試分析下列兩組物質(zhì)熔點規(guī)律性變化的原因：A組物質(zhì)NaClKClCsClB組物質(zhì)NaMgAl熔點（K）10741049918熔點（K）317923933答案：一般來說，陰陽離子的電荷數(shù)越多，離子半徑越小，則離子鍵越強，離子晶體的熔沸點越高，一般來說，金屬原子的價電子數(shù)越多，原子半徑越小，金屬晶體內(nèi)部作用力越強，晶體的熔沸點越高。五：思考發(fā)現(xiàn)1.離子晶體和金屬晶體熔點高低比較離子晶體的熔沸點與離子鍵有關(guān)，離子鍵與陰、陽離子所帶電荷多少及半徑大小有關(guān)，一般來說，陰陽離子的電荷數(shù)越多，離子半徑越小，則離子鍵越強，離子晶體的熔沸點越高，如熔沸點：Al2O3>MgO；NaCl>CsCl等。金屬晶體的熔沸點與金屬鍵的強弱有關(guān)，金屬鍵與金屬離子所帶電荷多少及半徑大小有關(guān)，一般來說，金屬原子的價電子數(shù)越多，原子半徑越小，金屬晶體內(nèi)部作用力越強，晶體的熔沸點越高。2.常見的金屬晶體和離子晶體舉例10 常見的離子晶體有：　　強堿：KOH、Ca(OH)2、NaOH、Ba(OH)2等?！　〈蟛糠蛀}類：NaCl、CaF2、Na2SO4、CH3COONa、NH4Cl等。　　某些金屬氧化物：CaO、K2O等常見的金屬晶體有：金屬和合金六：體驗成功基礎(chǔ)強化：1.（2004·上海）離子晶體不可能具有的性質(zhì)是()A.較高的熔、沸點B.良好的導(dǎo)電性C.溶于極性溶劑D.堅硬而易粉碎2.由短周期元素構(gòu)成的離子化合物中，一個陽離子和一個陰離子的核外電子數(shù)之和為20，下列說法正確的是A．晶體中陽離子和陰離子個數(shù)不一定相等B．晶體中一定只有離子鍵而沒有共價鍵C．所含元素一定不在同一周期也不在第一周期D．晶體中陽離子半徑一定大于陰離子半徑解析：短周期元素形成的一個陽離子和一個陰離子的核外電子數(shù)之和為20，可能的陽離子為、、、、，陰離子可能是、、、、這些陰、陽離子組合成的離子化合物中，陰、陽離子個數(shù)不一定相等，所以選項A正確；這些陰、陽離子中一定只有離子鍵而沒有共價鍵錯誤，因為中有共價鍵；從以上分析可知，元素可以在同一周期，如與元素同在第二周期，選項C不正確；晶體中陽離子半徑不一定大于陰離子半徑，如半徑比半徑小。答案：A3.離子晶體通常具有的性質(zhì)是（）。A、熔點、沸點都較高，難于揮發(fā)B、硬度很小，容易變形C、都能溶于有機溶劑而難溶于水D、密度很小解析：離子晶體中的陰、陽離子通過一種強烈的相互作用——離子鍵結(jié)合在一起，離子鍵的鍵能較大，且極性很強，除了有些在極性溶劑中容易斷裂外，其他的必須在高溫下才能斷裂，所以其熔點、沸點都較高不揮發(fā)，硬度很大，不易變形，難溶于有機溶劑；又因為在離子晶體中，較大的離子采取密堆積型式，較小離子填隙，所以密度一般都較大。4.下列說法中，不正確的是（D）A、離子晶體中不一定含有金屬離子B、在含有陽離子的化合物的晶體中，一定含有陰離子C、含有金屬元素的離子不一定是陽離子D、金屬晶體中原子的堆積方式都是A3或A1型最密堆積含有金屬元素的離子不一定是陽離子，如MnO4-或[Al(OH)4]-等；金屬晶體中也存在非最密堆積型式，如A2型密堆積，配位數(shù)只有八個。5.氯化銫晶胞（晶體中重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元）如圖（1）所示，該晶體中Cs+與Cl-的個數(shù)比為1:1，化學(xué)式為CsCl。若某晶體晶胞結(jié)構(gòu)簡式如圖（2）所示，其中含有A、B、C三種元素的微粒，則該晶體中A、B、C的微粒個數(shù)比為（）。10 （1）（2）A、8:6:1B、4:3:1C、1:6:1D、1:3:19.下列各指定微粒的數(shù)目之比不是1∶1的是()A.Na2O2晶體中的陰離子和陽離子B.NaHCO3晶體中的鈉離子和碳酸氫根離子C.2412Mg2+離子中的質(zhì)子和中子D.常溫下，pH＝7的氯化銨溶液中的銨根離子和氯離子解析：Na2O2晶體中的陰離子（O22－）和陽離子數(shù)目（Na＋）之比是1∶2；常溫下pH＝7，說明溶液呈中性，則根據(jù)電荷守恒C（NH4＋）＋C（H＋）＝C（Cl－）＋C（OH－），而C（H＋）＝C（OH－）所以C（NH4＋）＝C（Cl－）。答案：A10.如圖所示，食鹽晶體由鈉離子和氯離子構(gòu)成。已知食鹽的M＝58.5g·mol-1，食鹽的密度是2.2g·cm-3，阿伏加德羅常數(shù)為6.0×1023mol-1，在食鹽晶體中兩個距離最近的鈉離子中心間的距離最接近下列哪個數(shù)據(jù)（）A．3.0×10－8cmB．3.5×10－8cm　C．4.0×10－8cmD．5.0×10－8cm解析：從圖中可看出，頂點上的每個離子同為8個小立方體所共有，NaCl晶體的一個晶胞中有Na+：8×+6×=4個，有Cl－：12×+1=4個，即晶體為4個“NaCl分子”所占的體積。設(shè)每個小立方體的邊長為a。則(2a3×2.2g·cm-3)×6.0×1023mol-1=58.5g·mol-1。所以，兩個距離最近的鈉離子中心間的距離為a=4.0×10-8cm。答案：C。綜合應(yīng)用：12.（2005·濱州）某固體僅有一種元素組成，其密度為5.0g·cm-3。用X射線研究該固體的結(jié)構(gòu)時得知：在邊長為10-7cm的正方體中含有20個原子，則此元素的相對原子質(zhì)量最接近于下列數(shù)據(jù)中的()A.32B.120C.150D.180解析：一個正方體的體積為（10-7）3=10-21cm3,質(zhì)量為5×10-21g,則1mol該元素原子的質(zhì)量為5×10-21/20×6.02×1023=150.5g其數(shù)值與該元素的相對原子質(zhì)量相等，所以選C。答案：C13.（2005·海淀）螢石(CaF2)晶體屬于立方晶系，螢石中每個Ca2+被8個F-所包圍，則每個F-周圍最近距離的Ca2+數(shù)目為()A、2B、4C、6D、8解析：螢石(CaF2)中Ca2+和F-的數(shù)目之比為1∶2，Ca2+被8個F-所包圍，配為數(shù)是8，F(xiàn)-10 的配位數(shù)應(yīng)為4，所以每個F-周圍最近距離的Ca2+數(shù)目為4。答案：B14.下面列出的是一些離子晶體空間結(jié)構(gòu)示意圖（○陰離子，●陽離子）：用M和N分別代表陽離子和陰離子，分別寫出各離子晶體的化學(xué)式：A：B：C：D：解析：A中M與N的個數(shù)比為；B中M與N的個數(shù)比為；C中M與N的個數(shù)比為；D中M與N的個數(shù)比為。答案：MNM2N3MN2MN15.下圖所示是三種常見AB型離子晶體的晶胞[設(shè)三個立方體的邊長分別為a、b、c（單位為cm）]，請計算三種晶體密度?！餋s+●Cl-○Na+●Cl-○Zn2+●S2-CsCl型NaCl型立方ZnS型解析：要求密度，需知道對應(yīng)一定量物質(zhì)的質(zhì)量和體積，一般可以取1mol物質(zhì)為研究對象。三種物質(zhì)的摩爾質(zhì)量很容易可以算出，關(guān)鍵要準確地表達出各物質(zhì)的摩爾體積。一個晶胞的體積很容易算出，需要算出1mol該晶體含有幾個晶胞。對于CsCl來說，1mol含有NA個Cl－（或Cs+），又一個晶胞中含有1個Cl－(或Cs+)，所以1mol該晶體含有NA個晶胞。同樣的道理，可以算出1molNaCl晶體和1molZnS晶體中含有晶胞的個數(shù)分別為和。答案：ρ(CsCl)==g·cm-3=g·cm-3ρ(NaCl)==g·cm-3=g·cm-3ρ(ZnS)==g·cm-3=g·cm-310