2018-2019版高中化學 專題3 微粒間作用力與物質性質 第一單元 金屬鍵 金屬晶體 第2課時學案 蘇教版選修3.docx

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第一單元　金屬鍵　金屬晶體 第2課時　金屬晶體 [學習目標定位]　1.認識晶體的結構特點，明確晶胞的概念，學會晶胞中微粒數(shù)的計算方法(切割法)。2.熟知金屬晶體的原子堆積模型。 一、晶體、晶胞及其所含微粒數(shù)的計算方法 1．晶體：具有規(guī)則幾何外形的固體，晶體的外形規(guī)則是其內部結構規(guī)則的外部表現(xiàn)，構成晶體的微粒的排列是規(guī)則的。 2．晶胞 (1)晶體結構中最小的重復單元叫晶胞。 (2)一般來說，晶胞都是平行六面體。 (3)晶胞只是晶體微?？臻g里的一個基本單元，在它的上下左右前后無隙并置地排列著無數(shù)晶胞，而且所有晶胞的形狀及其內部含有的原子種類、個數(shù)及幾何排列都是完全相同的。 3．金屬銅的晶胞為面心立方晶胞，如圖所示。 銅晶體面心立方晶胞及其切割示意圖 觀察分析上圖，回答下列問題： (1)位于頂角上的銅原子為8個晶胞共有。 (2)位于面心上的銅原子為2個晶胞共有。 (3)晶體銅中完全屬于某一晶胞的銅原子數(shù)是4。 (1)晶體是由無數(shù)個晶胞堆積得到的。知道晶胞的大小和形狀以及晶胞中粒子的種類、數(shù)目和粒子所處的空間位置，就可以認識整個晶體的結構。 (2)晶胞中微粒個數(shù)的計算(切割法)。 計算一個晶胞中實際擁有的微粒數(shù)，常用切割法。即某個粒子為n個晶胞所共有，則該粒子的屬于這個晶胞。 如長方體(正方體)晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計算 ①處于頂點上的粒子，同時為8個晶胞所共有，每個粒子有屬于該晶胞。 ②處于棱邊上的粒子，同時為4個晶胞所共有，每個粒子有屬于該晶胞。 ③處于晶面上的粒子，同時為2個晶胞所共有，每個粒子有屬于該晶胞。 ④處于晶胞內部的粒子，則完全屬于該晶胞。 例1　現(xiàn)有甲、乙、丙(如下圖)三種晶體的晶胞(甲中x處于晶胞的中心，乙中a處于晶胞的中心)，可推知：甲晶胞中x與y的個數(shù)比是__________，乙晶胞中a與b的個數(shù)比是__________，丙晶胞中有________個c離子，有________個d離子。 答案　4∶3　1∶1　4　4 解析　處于晶胞中心的x或a為該晶胞單獨占有，位于立方體頂點的微粒為8個立方體共有，位于立方體棱邊上的微粒為4個立方體共有，位于立方體面上的微粒為2個立方體共有，所以x∶y＝1∶(6)＝4∶3；a∶b＝1∶(8)＝1∶1；丙晶胞中c離子為12＋1＝4個，d離子為8＋6＝4個。 例2　如圖所示是晶體結構中具有代表性的最小重復單元(晶胞)的排列方式，圖中○—X、●—Y、?—Z。其對應的化學式不正確的是(　　) 答案　B 解析　A圖中X、Y原(離)子的位置、數(shù)目完全等同，化學式為XY，正確；B圖化學式應為XY，錯誤；C圖中X的數(shù)目：4＋1＝，Y的數(shù)目：4＝，化學式為X3Y，正確；D圖中X的數(shù)目：8＝1，Y的數(shù)目：6＝3，Z位于內部，數(shù)目為1，化學式為XY3Z，正確。 誤區(qū)提醒 非長方體(正方體)晶胞中粒子對晶胞的貢獻應視具體情況而定。如六棱柱頂點上的粒子被6個晶胞共用，該頂點個粒子屬于該晶胞，棱上的粒子有屬于該晶胞。 二、金屬晶體中金屬原子的堆積方式 1．金屬原子在二維平面中放置的兩種方式 金屬晶體中的原子可看成直徑相等的球體。把它們放置在平面上(即二維空間里)，可有兩種方式——a：非密置層，b：密置層(如下圖所示)。 (1)晶體中一個原子周圍距離相等且最近的原子的數(shù)目叫配位數(shù)。分析上圖非密置層的配位數(shù)是4，密置層的配位數(shù)是6。 (2)密置層放置時，平面的利用率比非密置層的要高。 2．金屬晶體的原子在三維空間里的4種堆積模型 金屬原子在三維空間按一定的規(guī)律堆積，有4種基本堆積方式。 堆積方式 圖式 實例 簡單立方堆積 釙 體心立方堆積 鈉、鉀、鉻、鉬、鎢等 面心立方堆積 金、銀、銅、鉛等 六方堆積 鎂、鋅、鈦等 3.合金 (1)概念：由一種金屬和另一種或幾種金屬(非金屬)混合形成具有金屬性質的物質稱為合金。如鈉鉀合金、銅鋅合金等。 (2)合金的性質 ①合金的熔、沸點一般比組成它的各成分金屬的熔、沸點低。 ②形成合金后硬度、強度大(一般情況下)。 (1)堆積原理 組成晶體的金屬原子在沒有其他因素影響時，在空間的排列大都服從緊密堆積原理。這是因為在金屬晶體中，金屬鍵沒有方向性和飽和性，因此都趨向于使金屬原子吸引更多的其他原子分布于周圍，并以緊密堆積方式降低體系的能量，使晶體變得比較穩(wěn)定。 (2)常見的堆積模型 堆積模型 采納這種堆積的典型代表 晶胞 配位數(shù) 空間利用率 每個晶胞所含原子數(shù) 非密置層 簡單立方堆積 Po(釙) 6 52% 1 體心立方堆積 Na、K、Fe 8 68% 2 密置層 六方 堆積 Mg、Zn、Ti 12 74% 6 面心立方堆積 Cu、Ag、Au 12 74% 4 例3　對圖中某金屬晶體結構的模型進行分析，有關說法正確的是(　　) A．該種堆積方式稱為六方堆積 B．該種堆積方式稱為體心立方堆積 C．該種堆積方式稱為面心立方堆積 D．金屬Mg就屬于此種堆積方式 答案　C 解析　由圖示知該堆積方式為面心立方堆積，A、B錯誤，C正確，Mg是六方堆積，D錯誤。 例4　金晶體是面心立方體，立方體的每個面上5個金原子緊密堆砌(如圖，其余各面省略)，金原子半徑為Acm。求： (1)金晶體中最小的一個立方體含有________個金原子。 (2)金的密度為______gcm－3(用帶A的計算式表示)。 答案　(1)4　(2) 解析　(1)根據(jù)晶胞結構可知，金晶體中最小的一個立方體含有金原子數(shù)目為8＋6＝4。 (2)金原子半徑為A cm，則晶胞中面對角線是4A cm，所以晶胞的邊長是2A cm，所以NA＝4，解得ρ＝。 方法規(guī)律——立方晶胞中各物理量的關系 m＝ρV＝a3ρ＝N 1．下列不屬于晶體的特點的是(　　) A．一定有固定的幾何外形 B．一定有各向異性 C．一定有固定的熔點 D．一定是無色透明的固體 答案　D 2．金屬鈉是體心立方堆積，下列關于鈉晶體的判斷合理的是(　　) A．其熔點比金屬鋁的熔點高 B．一個鈉的晶胞中，平均含有4個鈉原子 C．該晶體中的自由電子在外加電場作用下可發(fā)生定向移動 D．該晶體中的鈉離子在外加電場的作用下可發(fā)生定向移動 答案　C 解析　金屬的原子半徑越小，金屬離子所帶電荷數(shù)越多，金屬鍵越強，金屬熔化時破壞金屬鍵，所以Al的金屬鍵強度大于Na的金屬鍵強度，所以Na的熔點比金屬Al的熔點低，故A錯誤；晶胞中Na原子位于立方體的頂點和體心，則一個鈉的晶胞中，平均含有鈉原子數(shù)為8＋1＝2，故B錯誤；自由電子在電場的作用下可以定向移動，金屬晶體中存在自由移動的電子，所以該晶體中的自由電子在外加電場作用下可發(fā)生定向移動，故C正確；晶體中的鈉離子不能自由移動，所以晶體中的鈉離子在外加電場作用下不能定向移動，故D錯誤。 3．已知某晶體晶胞如圖所示，則該晶體的化學式為(　　) A．XYZ B．X2Y4Z C．XY4Z D．X4Y2Z 答案　C 解析　該晶體的晶胞是正方體形晶胞。該晶胞擁有的X原子數(shù)為8＝1；Y原子位于該晶胞內，共有4個，因此該晶胞中擁有的Y原子數(shù)為4；Z只有1個，位于晶胞的體心上，故該晶體的化學式為XY4Z。 4．有四種不同堆積方式的金屬晶體的晶胞如圖所示，有關說法正確的是(　　) A．①為簡單立方堆積，②為六方最密堆積，③為體心立方堆積，④為面心立方最密堆積 B．每個晶胞含有的原子數(shù)分別為①1個，②2個，③2個，④4個 C．晶胞中原子的配位數(shù)分別為①6，②8，③8，④12 D．空間利用率的大小關系為①<②<③<④ 答案　B 解析　本題考查了金屬晶體的堆積方式。準確理解并記憶金屬晶體的四種常見堆積方式是解答本題的關鍵。①為簡單立方堆積，②為體心立方堆積，③為六方最密堆積，④為面心立方最密堆積，A項錯誤；每個晶胞含有的原子數(shù)分別為①8＝1，②8＋1＝2，③8＋1＝2，④8＋6＝4，B項正確；晶胞③中原子的配位數(shù)應為12，C項錯誤；四種晶體的空間利用率分別為52%、68%、74%、74%，所以D項錯誤，應為④＝③>②>①。 5．回答下列問題： (1)1183K以下純鐵晶體的基本結構單元如圖1所示，1183K以上轉變?yōu)閳D2所示的基本結構單元，在兩種晶體中最鄰近的鐵原子間距離相同。 ①鐵原子的簡化電子排布式為__________；鐵晶體中鐵原子以__________鍵相互結合。 ②在1183K以下的純鐵晶體中，與鐵原子等距離且最近的鐵原子數(shù)為__________；在1183K以上的純鐵晶體中，與鐵原子等距離且最近的鐵原子數(shù)為__________。 (2)銅的晶胞示意為圖3，晶胞中所含的銅原子數(shù)為__________個。金屬銅晶胞的邊長為acm。又知銅的密度為ρgcm－3，阿伏加德羅常數(shù)為________。 答案　(1)①[Ar]3d64s2　金屬?、?　12　(2) 4　mol－1 解析　(1)②在1 183 K以下的純鐵晶體中，與體心鐵原子等距離且最近的鐵原子是8個頂點的鐵原子；在1 183 K以上的純鐵晶體中，與面心鐵原子等距離且最近的鐵原子有12個。 (2)銅晶胞為面心立方最密堆積，1個晶胞能分攤到4個Cu原子；1個晶胞的體積為a3 cm3；一個晶胞的質量為a3ρ g；由＝a3ρ g，得NA＝mol－1。 [對點訓練] 題組一　晶胞及其微粒數(shù)目的確定 1．下列有關晶胞的敘述中正確的是(　　) A．晶胞的結構是晶體的結構 B．不同的晶體中晶胞的大小和形狀都相同 C．晶胞中的任何一個粒子都屬于該晶胞 D．已知晶胞的組成就可推知晶體的組成 答案　D 解析　由晶胞的定義可知A選項錯誤；相同晶體中晶胞的大小和形狀完全相同，不同晶體中晶胞的大小和形狀不一定相同，B選項錯誤；晶體中的大部分粒子被若干個晶胞所共有，不專屬于某個晶胞，C選項錯誤；知道晶胞的組成，利用“切割法”，即可推知晶體的組成，D選項正確。 2．下列能夠表示出每個晶胞中所含實際微粒個數(shù)的面心立方晶胞的是(　　) 答案　B 解析　A項和B項是面心立方晶胞，其中B項是經(jīng)過切割了的面心立方晶胞，它能表示出此晶胞中所含微粒的實際數(shù)目，C項和D項是體心立方晶胞。 3．MCl晶體具有立方體結構，其晶胞結構如圖所示，在該晶體中，每個M＋周圍與它最接近的且距離相等的M＋的個數(shù)共有(　　) A．6個 B．8個 C．12個 D．16個 答案　A 解析　根據(jù)MCl的晶胞結構可以看出每個M＋的正上、正下、左、右、前、后各有一個M＋與之距離相等且最近，故每個M＋周圍與它最接近的且距離相等的M＋共有6個。 4．科學家把C60和K摻雜在一起制造出的物質具有超導性能，其晶胞結構如圖所示。該物質中K和C60的個數(shù)之比為(　　) A．1∶1 B．2∶1 C．3∶1 D．4∶1 答案　C 解析　根據(jù)均攤法可知，該晶胞中K的個數(shù)為26＝6，C60的個數(shù)為1＋8＝2，所以該物質中K和C60的個數(shù)之比為6∶2＝3∶1。 題組二　晶體化學式的確定方法 5．金屬晶體中金屬原子有三種常見的堆積方式，a、b、c分別代表這三種晶胞的結構，其晶胞a、b、c內金屬原子個數(shù)比為(　　) A．3∶2∶1 B．11∶8∶4 C．9∶8∶4 D．21∶14∶9 答案　A 解析　a晶胞中，頂點的微粒被6個晶胞共用，所以a中原子個數(shù)為12＋2＋3＝6；b中原子個數(shù)為8＋6＝4；c中原子個數(shù)為8＋1＝2。 6．最近發(fā)現(xiàn)，只含鎂、鎳和碳三種元素的晶體竟然也具有超導性。該新型超導晶體的一個晶胞如圖所示，則該晶體的化學式為(　　) A．Mg2CNi3 B．MgC2Ni C．MgCNi2 D．MgCNi3 答案　D 解析　Mg處于晶胞的頂點上，故有8＝1個；Ni處于晶胞的面心，故有6＝3個；C處于晶胞的體心，完全屬于該晶胞，故該晶體的化學式為MgCNi3。 7．硼和鎂形成的化合物刷新了金屬化合物超導的最高紀錄。如圖所示的是該化合物的晶體結構：鎂原子間形成正六棱柱，且棱柱的上、下底面還各有一個鎂原子；6個硼原子位于棱柱內。則該化合物的化學式為(　　) A．MgB B．MgB2 C．Mg2B D．Mg3B2 答案　B 解析　棱柱內硼原子數(shù)為6，均屬于這個晶胞。鎂原子位于上、下面心(2個)及12個頂點，共有鎂原子數(shù)為2＋12＝3，則鎂、硼原子個數(shù)之比為1∶2。 8．釔鋇銅氧化合物晶胞的結構如下圖所示，則該化合物的化學式可能是(　　) A．YBa2Cu3O4 B．YBa2Cu2O5 C．YBa2Cu3O5 D．YBaCu4O4 答案　C 解析　位于頂點的銅原子(最上層平面和最下層平面)的共8個，這個晶胞中只分攤到8＝1個；位于棱上(中間兩個平面)的也是8個，這個晶胞分攤到的是8＝2個，所以，每個晶胞單獨含有的銅原子數(shù)為3個。氧原子共13個，位于晶胞面上(不含棱)的是7個，位于晶胞棱上的是6個，所以，每個晶胞單獨含有的氧原子數(shù)為7＋6＝5個。所以該晶體每個晶胞中平均分攤到(即單獨含有)的釔原子、鋇原子、銅原子和氧原子個數(shù)分別為1、2、3、5，化學式為YBa2Cu3O5。 題組三　金屬晶體的原子堆積模型 9．仔細觀察下圖，這種堆積方式是(　　) A．體心立方 B．簡單立方 C．六方 D．面心立方 答案　B 解析　題圖所示的堆積方式為簡單立方堆積，該堆積方式的空間利用率最低，只有52%，配位數(shù)為6，所以B正確。 10．下列金屬的晶體結構類型都屬于面心立方最密堆積的是(　　) A．Li、Na、Mg、Ca B．Li、Na、K、Rb C．Pb、Ag、Cu、Au D．Be、Mg、Cu、Zn 答案　C 題組四　關于晶胞綜合的計算 11．已知CsCl晶體的密度為ρgcm－3，NA為阿伏加德羅常數(shù)，相鄰的兩個Cs＋的核間距為acm，如圖所示，則CsCl的相對分子質量可以表示為(　　) A．NAa3ρ B. C. D. 答案　A 解析　根據(jù)晶胞中粒子個數(shù)的計算知，1個CsCl晶胞中含1個Cs＋，1個Cl－。有M＝ρVNA＝ρa3NA。 12．(2017佛山期末)金晶體的晶胞為面心立方堆積，如圖所示。設金原子的直徑為d，用NA表示阿伏加德羅常數(shù)，在立方體的各個面的對角線上，3個金原子彼此兩兩相切，M表示金的摩爾質量。則下列說法錯誤的是(　　) A．金晶體每個晶胞中含有4個金原子 B．金屬鍵無方向性，金屬原子盡可能采取密堆積 C．一個晶胞的體積是16d3 D．金晶體的密度是 答案　C 解析　因為是面心立方最密堆積，故每個晶胞中含有金原子數(shù)為8＋6＝4，A項正確；金屬鍵無方向性，金屬原子盡可能采取密堆積，B項正確；因為立方體的各個面的對角線上，3個金原子彼此兩兩相切，則該立方體的棱長為d，體積為2d3，C項錯誤；金晶體的密度ρ＝＝，D項正確。 [綜合強化] 13．(1)將等徑圓球在二維空間里進行排列，可形成密置層和非密置層，在圖1所示的半徑相等的圓球的排列中，A屬于______層，配位數(shù)是______；B屬于______層，配位數(shù)是______。 (2)將非密置層一層一層地在三維空間里堆積，得到如圖2所示的一種金屬晶體的晶胞，它被稱為簡單立方堆積，在這種晶體中，金屬原子的配位數(shù)是________，平均每個晶胞所占有的原子數(shù)目是________。 (3)有資料表明，只有釙的晶體中的原子具有如圖2所示的堆積方式，釙位于元素周期表的第________周期________族，元素符號是________，最外電子層的電子排布式是________。 答案　(1)非密置　4　密置　6　(2) 6　1　 (3)6　ⅥA　Po　6s26p4 14．Mn、Fe均為第4周期過渡金屬元素，兩元素的部分電離能數(shù)據(jù)如下表： 元素 Mn Fe 電離能/kJmol－1 I1 717 759 I2 1509 1561 I3 3248 2957 回答下列問題： (1)Mn元素基態(tài)原子的外圍電子排布式為_________，比較兩元素的I2、I3可知，氣態(tài)Mn2＋再失去一個電子比氣態(tài)Fe2＋再失去一個電子難。對此你的解釋是___________________ ________________________________________________________________________。 (2)金屬鐵的晶體在不同溫度下有兩種堆積方式，晶胞分別如下圖所示。面心立方晶胞和體心立方晶胞中實際含有的Fe原子個數(shù)之比為____________，F(xiàn)e原子配位數(shù)之比為________。 答案　(1)3d54s2　Mn2＋轉化為Mn3＋時，3d軌道由較穩(wěn)定的3d5半充滿狀態(tài)轉變?yōu)椴环€(wěn)定的3d4狀態(tài)(或Fe2＋轉化為Fe3＋時，3d軌道由不穩(wěn)定的3d6狀態(tài)轉變?yōu)檩^穩(wěn)定的3d5半充滿狀態(tài)) (2)2∶1　3∶2 解析　(1)根據(jù)錳在元素周期表中的位置可寫出其外圍電子排布，由于Mn2＋轉化為Mn3＋時，3d軌道由較穩(wěn)定的3d5半充滿狀態(tài)轉變?yōu)椴环€(wěn)定的3d4狀態(tài)(或Fe2＋轉化為Fe3＋時，3d軌道由不穩(wěn)定的3d6狀態(tài)轉變?yōu)檩^穩(wěn)定的3d5半充滿狀態(tài))，所以，氣態(tài)Mn2＋再失去一個電子比氣態(tài)Fe2＋再失去一個電子難。 (2)根據(jù)題給晶胞的結構，在每個體心立方晶胞中含有的鐵原子數(shù)目是2個(配位數(shù)是8)，在每個面心立方晶胞中含有的鐵原子數(shù)目是4個(配位數(shù)是12)。 15．(1)KIO3晶體是一種性能良好的非線性光學材料，具有鈣鈦礦型的立方結構，邊長為a＝0.446nm。晶胞中K、I、O分別處于頂角、體心、面心位置，如圖所示。 ①K與O間的最短距離為________nm，與K緊鄰的O個數(shù)為________。 ②在KIO3晶胞結構的另一種表示中，I處于各頂角位置，則K處于________位置，O處于________位置。 (2)(2017江蘇單科，21A節(jié)選)某FexNy的晶胞如圖1所示，Cu可以完全替代該晶體中a位置Fe或者b位置Fe，形成Cu替代型產(chǎn)物Fe(x－n)CunNy。FexNy轉化為兩種Cu替代型產(chǎn)物的能量變化如圖2所示，其中更穩(wěn)定的Cu替代型產(chǎn)物的化學式為__________________。 答案　(1)①0.315　12?、隗w心　棱心(2)Fe3CuN 解析　(1)①K與O間的最短距離是面對角線的，即a＝0.446 nm≈0.315 nm。與K緊鄰的O共有12個。 ②以I為頂角畫立方體，可以看出K處于體心位置，O處于棱心位置。 (2)由題圖2可知更穩(wěn)定的Cu替代型產(chǎn)物為Cu替代a位置Fe型，利用均攤法可得晶胞中各原子個數(shù)Cu：8＝1，F(xiàn)e：6＝3，N：1，故化學式為Fe3CuN。