2020学年高中化学 第3章 物质的聚集状态与物质性质 第2节 金属晶体与离子晶体教学案
第2节 金属晶体与离子晶体
[课标要求]
1．能列举金属晶体的基本堆积模型，能用金属键理论解释金属的一些物理性质。
2．了解晶格能的应用，知道晶格能的大小可以衡量离子晶体中离子键的强弱。
1.金属晶体是指金属阳离子和“自由电子”通过金属键形成的晶体。
2．常见金属晶体的堆积方式：面心立方最密堆积A1，体心立方密堆积A2，六方最密堆积A3。
3．金属晶体的物理通性包括金属光泽、导电性、导热性、延展性。
4．金属键的影响因素：离子半径和离子所带电荷数。
5．离子晶体是指阴、阳离子通过离子键形成的晶体。
6．典型离子晶体结构类型：NaCl型、CsCl型和ZnS型。
7．晶格能是指将1 mol离子晶体中的阴、阳离子完全气化而远离所吸收的能量。
8．金属键越强，金属晶体的熔、沸点越高；晶格能越大，离子晶体的熔、沸点越高。
1．金属晶体的结构
2．常见金属晶体的三种结构型式
结构
型式
面心立方最
密堆积A1
体心立方
密堆积A2
六方最密
堆积A3
结构
示意图
配位数
12
8
12
实例
Ca、Al、Cu、Ag、
Au、Pd、Pt
Li、Na、K、
Ba、W、Fe
Mg、Zn、Ti
13
3．金属晶体的物理通性
金属晶体有金属光泽，有良好的导电性、导热性、延展性。
1．金属键的特点是什么？
提示：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，从而导致金属晶体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。
2．影响金属键强弱的因素是什么？
提示：金属阳离子的半径大小和自由电子的数目(或金属阳离子所带的电荷数)多少。
1．金属物理通性的解释
2．金属晶体熔点的影响因素
同类型的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，金属键就越强，熔点就越高。例如熔点：Li＞Na＞K＞Rb＞Cs，Na＜Mg＜Al。
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)有阳离子的晶体中一定含有阴离子( )
(2)金属能导电，所以金属晶体是电解质( )
(3)金属晶体和电解质溶液在导电时均发生化学变化( )
(4)金属晶体只有还原性( )
(5)温度越高时，金属晶体的导电性越强( )
答案：(1)× (2)× (3)× (4)√ (5)×
2．在金属晶体中，金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属键越强，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( )
A．Mg>Al>Ca B．Al>Na>Li
C．Al>Mg>Ca D．Mg>Ba>Al
解析：选C 电荷数：Al3＋＞Mg2＋＝Ca2＋＞Li＋＝Na＋；而金属阳离子半径：r(Ba2＋)＞
13
r(Ca2＋)＞r(Na＋)＞r(Mg2＋)＞r(Al3＋)＞r(Li＋)，则A中熔、沸点Al＞Mg，B中熔、沸点Li＞Na，D中熔、沸点Al＞Mg＞Ba，都不符合题意。
1．离子晶体的结构
2．常见AB型离子化合物的晶体类型
晶体
类型
NaCl型
CsCl型
ZnS型
晶胞
配位数
6
8
4
实例
Li、Na、K、Rb的卤化物，AgF、MgO等
CsBr、CsI、
NH4Cl等
BeO、BeS等
3．晶格能
(1)概念：将_1_mol离子晶体中的阴、阳离子完全气化而远离所吸收的能量。
(2)影响因素
分析下面表格中有关数据，总结规律。
晶体
离子间距/pm
晶格能/kJ·mol－1
熔点/℃
NaCl
276
787
801
NaBr
290
736
750
NaI
311
686
662
MgO
205
3 890
2 800
规律：离子半径越小，离子带电荷越多，晶格能越大；反之越小。
4．离子晶体的特性
13
性质
规律
熔、沸点
较高，且晶格能越大，熔点越高
溶解性
一般易溶于水，难溶于非极性溶剂
导电性
固态时不导电，熔融状态或在水溶液中导电
[特别提醒]
离子晶体的化学式仅代表晶体中阴、阳离子个数比，并不代表分子组成，因为离子晶体中不存在分子。
1．为什么说离子晶体有较高的熔、沸点？
提示：离子晶体的构成微粒为阴、阳离子，阴、阳离子间以较强的离子键结合。
2．为什么离子晶体不导电，而溶于水或在熔化状态下能导电？
提示：晶体中阴、阳离子以离子键结合，离子不能自由移动，故不导电，离子晶体溶于水或在熔化状态，离子键被破坏，产生了自由移动的离子，故能导电。
对离子晶体特性的理解
(1)离子晶体熔、沸点的比较：一般来说，阴、阳离子所带的电荷数越多，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。
(2)对于离子晶体的熔、沸点，要注意“一般来说”和“较高”等字词。“一般来说”说明离子晶体的熔、沸点还有些特例；“较高”是与其他晶体类型比较的结果。
(3)离子晶体的一些特殊物理性质可用于确定晶体类型。如在固态时不导电，在水溶液中和熔融状态下能导电的晶体一定是离子晶体。
(4)离子晶体导电的前提是先电离出自由移动的阴、阳离子。难溶于水的强电解质如BaSO4、CaCO3等溶于水时，由于浓度极小，故导电性极弱。通常情况下，它们的水溶液不导电。
1．下列性质中，可以较充分说明某晶体是离子晶体的是( )
A．具有较高的熔点
B．固态不导电，水溶液能导电
C．可溶于水
D．固态不导电，熔融状态能导电
解析：选D A选项，SiO2
13
晶体熔点也较高，但不是离子晶体；B选项，HCl晶体的水溶液也能导电，也不是离子晶体；C选项，有些晶体如固体氨溶于水，不属于离子晶体；D选项，离子晶体固态时不能导电，在熔融时可导电。
2．NaF、NaI、MgO均为离子化合物，这三种化合物的熔点高低顺序是( )
①NaF ②NaI ③MgO
A．①>②>③ B．③>①>②
C．③>②>① D．②>①>③
解析：选B 离子化合物的熔点与离子键强弱有关，离子所带电荷数越多，离子半径之和越小，离子键越强，该离子化合物的熔点越高。已知离子半径Na＋>Mg2＋，I－>O2－>F－，可知NaI中离子键最弱，因MgO中的离子带两个单位电荷，故离子键比NaF中的强。
[三级训练·节节过关]
1．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的强烈作用，在一定外力作用下，不因形变而消失
C．钙的熔、沸点低于钾
D．温度越高，金属的导电性越好
解析：选B A项，Hg在常温下为液态；D项，金属的导电性随温度升高而降低；C项，r(Ca)
K，所以金属键Ca>K，故熔、沸点Ca>K。
2．下列物质的晶体属于离子晶体的是( )
A．苛性钾 B．碘化氢
C．硫酸 D．醋酸
解析：选A 苛性钾含有离子键，故属于离子晶体；碘化氢、硫酸、醋酸均由共价型分子组成，故三者均为分子晶体。
3．金属的下列性质中和金属晶体的结构无关的是( )
A．良好的导电性 B．反应中易失电子
C．良好的延展性 D．良好的导热性
解析：选B 金属的物理性质是由金属晶体所决定的，A、C、D三项都是金属共有的物理性质，这些性质都是由金属晶体所决定的。B项，金属易失电子是由金属原子的结构决定的，和晶体结构无关。
4．下列叙述不正确的是( )
A．离子晶体中一定含有阴、阳离子
B．离子晶体都是化合物
C．固态不导电、溶于水能导电，这一性质能说明某晶体一定是离子晶体
D．离子晶体一般具有较高的熔点
解析：选C 固体不导电、溶于水能导电的不一定是离子晶体，如AlCl3。
13
5．同类晶体物质熔点的变化是有规律的，试分析下表所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)
317
923
933
晶体熔点的高低，决定于组成晶体微粒间的作用力的大小。A组是________晶体，晶体微粒之间通过________结合。B组晶体属_______晶体，价电子数由少到多的顺序是________，离子半径由大到小的顺序是___________，金属键强度由小到大的顺序是__________。
解析：A组中，NaCl、KCl、CsCl都是离子晶体，微粒之间通过离子键结合，从熔点数值来看，由1 074 ℃→1 049 ℃→918 ℃，熔点逐渐降低，这是因为由Na＋→K＋→Cs＋，半径逐渐增大，离子键逐渐减弱，晶格能逐渐减小的缘故。B组中，Na、Mg、Al都是金属晶体，由于离子半径r(Na＋)>r(Mg2＋)>r(Al3＋)，价电子数Nar(Mg2＋)>r(Al3＋) NaCO2，故D错误。
7.锌与硫所形成化合物晶体的晶胞如图所示。下列判断正确的是( )
A．该晶体属于分子晶体
B．该晶胞中Zn2＋和S2－数目不相等
C．阳离子的配位数为6
D．氧化锌的晶格能大于硫化锌
解析：选D A项，该晶体属于离子晶体；B项，从晶胞图分析，属于该晶胞的Zn2＋
13
数目为8×＋6×＝4，S2－数目也为4，所以化合物中Zn2＋与S2－离子个数之比为1∶1，Zn2＋与S2－的数目相等；C项，在ZnS晶胞中，Zn2＋的配位数为4；D项，ZnO和ZnS中，O2－半径小于S2－，所带的电荷数又相等，所以ZnO的晶格能大于ZnS。
8．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( )
化合物
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
解析：选D 离子所带电荷数越多，键长越短，则离子键越强，晶体的熔点越高，EF化合物的键长短，电荷多，则熔点最高。
9.(1)如图，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请将其中代表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＋的周围与它最接近的且距离相等的Na＋共有________个。
③在NaCl晶胞中正六面体的顶角上、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________(填计算式)；Na＋的个数等于________，即________(填计算式)。
(2)通过观察CsCl的晶体结构示意图回答下列问题：
①每个Cs＋同时吸引着________个Cl－，每个Cl－同时吸引着________个Cs＋。
②在CsCl晶体中，每个Cs＋ 周围与它等距离且最近的Cs＋有________个。每个Cl－周围与它等距离且最近的Cl－有________个。
解析：(1)①如答案图所示。
②从体心Na＋看，与它最接近的且距离相等的Na＋共有12个。
③在NaCl晶胞中，含Cl－：8×＋6×＝4个，含Na＋：12×＋1＝4个。
13
(2)①由图可以看出，CsCl中Cl－与Cs＋的位置等同，Cs＋位于Cl－所形成的正方体的中心，每个Cs＋吸引8个Cl－，每个Cl－吸引8个Cs＋。
②取体心上的Cl－，看与Cl－距离最近的Cl－，位于六个面的面心，为6个；同样与Cs＋最近的Cs＋，应位于与此立方体共面的六个小立方体体心，共为6个。
答案：(1)①如图所示(答案不唯一，合理即可)：
②12 ③4 8×＋6×＝4 4 12×＋1＝4[答案不唯一，只要与第①问对应即可]
(2)①8 8 ②6 6
10．金属镍及其化合物在合金材料以及催化剂等方面应用广泛。请回答下列问题：
(1)NiO、FeO的晶体结构类型均与氯化钠的相同，Ni2＋和Fe2＋的离子半径分别为69 pm和78 pm，则熔点NiO________FeO(填“＜”或“＞”)；
(2)NiO晶胞中Ni和O的配位数分别为______、______；
(3)金属镍与镧(La)形成的合金是一种良好的储氢材料，其晶胞结构示意图如下图所示。该合金的化学式为________________。
解析：(1)NiO、FeO都属于离子晶体，熔点高低受离子键强弱影响，离子半径越小，离子键越强，熔点越高。(2)因为NiO晶体结构与NaCl相同，而NaCl晶体中Na＋、Cl－的配位数都是6，所以，NiO晶体中Ni2＋、O2－的配位数也是6。(3)根据晶胞结构可计算，一个合金晶胞中，La：8×＝1，Ni：1＋8×＝5，所以该合金的化学式为LaNi5。
答案：(1)＞ (2)6 6 (3)LaNi5
1．对于A1型密堆积的描述错误的是( )
A．A1型密堆积晶体的晶胞也叫面心立方晶胞
B．面心立方晶胞的每个顶点上和每个面的中心上都各有一个金属原子
C．平均每个面心立方晶胞中有14个金属原子
D．平均每个面心立方晶胞中有4个金属原子
解析：选C 应用分割法计算，平均每个晶胞含有金属原子：8×＋6×＝4。
2．关于金属晶体的体心立方密堆积的结构型式的叙述中，正确的是( )
A．晶胞是六棱柱 B．属于A2型密堆积
C．每个晶胞中含4个原子 D．每个晶胞中含5个原子
13
解析：选B 体心立方的堆积方式为立方体的顶点和体心均有一个原子，属于A2型密堆积，每个晶胞中含有8×＋1＝2个原子。
3．下列金属的密堆积方式对应晶胞都正确的是( )
A．Na、A1型、体心立方 B．Mg、A3型、六方
C．Ca、A3型、面心立方 D．Au、A1型、体心立方
解析：选B Na是A2型体心立方密堆积，Ca、Au属于面心立方最密堆积(A1型)。
4．下列图像是从NaCl或CsCl晶体结构图中分割出来的部分结构图，试判断属于NaCl晶体结构的图像是( )
A．图(1)和图(3) B．图(2)和图(3)
C．只有图(1) D．图(1)和图(4)
解析：选D NaCl晶体中，每个Na＋周围有6个Cl－，每个Cl－周围有6个Na＋；与每个Na＋等距离的Cl－有6个，且构成正八面体，同理，与每个Cl－等距离的Na＋也有6个，也构成正八面体，故可知图(1)和图(4)属于NaCl晶体结构。
5.如图是NaCl晶体的一个晶胞结构模型。KO2的晶体结构与NaCl相似，可以看作是Na＋的位置用K＋代替，Cl－位置用O代替，则关于KO2晶体结构的描述不正确的是( )
A．与K＋距离相等且最近的O共有6个
B．与K＋距离相等且最近的O构成的多面体是正八面体
C．与K＋距离相等且最近的K＋有8个
D．一个KO2晶胞中摊得的K＋和O微粒数均为4个
解析：选C 分析NaCl晶胞结构，并将Na＋用K＋代替，Cl－用O代替，可知A、B、D正确；与K＋距离相等且最近的K＋有12个。
6．碱金属卤化物是典型的离子晶体，它们的晶格能与成正比(d0是晶体中最邻近的异电性离子的核间距)。下面说法错误的是( )
晶格能/kJ·mol－1
离子半径/pm
①
LiF LiCl LiBr LiI
1 031 845 807 752
Li＋ Na＋ K＋
60 95 133
②
NaF NaCl NaBr NaI
915 777 740 693
F－ Cl－ Br－ I－
136 181 195 216
13
③
KF KCl KBr KI
812 708 676 641
A．晶格能的大小与离子半径成反比
B．阳离子相同阴离子不同的离子晶体，阴离子半径越大，晶格能越小
C．阳离子不同阴离子相同的离子晶体，阳离子半径越小，晶格能越大
D．金属卤化物晶体中，晶格能越小，氧化性越强
解析：选D 由表中数据可知晶格能的大小与离子半径成反比，A项正确；由NaF、NaCl、NaBr、NaI晶格能的大小即可确定B项说法正确；由LiF、NaF、KF晶格能的大小即可确定C项说法正确；表中晶格能最小的为碘化物，因还原性F－＜Cl－＜Br－＜I－，可知D项错误。
7.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.
解析：选A 一个CsCl晶胞中含Cs＋：8×＝1个，含Cl－1个，m(晶胞)＝ g，V＝a3 cm3；即ρ＝ g·cm－3，故M＝ρ·a3·NA。
8.金属钠晶体为体心立方晶胞(如图)，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( )
A. B.·
C.· D.·
解析：选C 该晶胞中实际含钠原子两个，晶胞边长为，则ρ＝，进一步化简后可得答案。
9．随着科学技术的发展，阿伏加德罗常数的测定手段越来越多，测定的精确度也越来越高。现有一种简单可行的测定方法，具体步骤为：
13
①将NaCl固体颗粒干燥后，准确称取m g NaCl固体颗粒并转移到定容A仪器中；
②用滴定管向A仪器中加苯，不断振荡，继续加苯到A仪器的刻度，计算出NaCl固体的体积为V cm3。
(1)步骤①中A仪器最好使用________(填字母)。
A．量筒 B．烧杯
C．容量瓶 D．试管
(2)步骤②中是用酸式滴定管还是用碱式滴定管________________________。
(3)能否用水代替苯________。
(4)已知NaCl晶体中，相邻最近的Na＋、Cl－间的距离为a cm(如右图)，则用上述方法测得的阿伏加德罗常数NA的表达式为______________。
解析：(1)测定液体体积的定容仪器，最好用容量瓶。
(2)滴加苯应用酸式滴定管，若用碱式滴定管，苯对橡胶管有腐蚀作用。
(3)因为NaCl易溶于水中，故不能用水代替苯。
(4)NaCl晶胞中含Na＋：12×＋1＝4(个)，含Cl－：8×＋6×＝4(个)，故每个晶胞中含4个“NaCl微粒”。则ρ(NaCl)＝＝＝，故NA＝。
答案：(1)C (2)酸式滴定管 (3)不能 (4)
10．(2016·全国卷Ⅰ节选)晶胞有两个基本要素：
(1)原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置。
下图为Ge单晶的晶胞，其中原子坐标参数A为(0,0,0)；B为；C为。则D原子的坐标参数为________。
(2)晶胞参数，描述晶胞的大小和形状。已知Ge单晶的晶胞参数a＝565.76 pm，其密度为________g·cm－3(列出计算式即可)。
解析：(1)根据题给图示可知，D原子的坐标参数为。
(2)每个晶胞中含有锗原子8×1/8＋6×1/2＋4＝8(个)，每个晶胞的质量为，晶胞的体积为(565.76×10－10 cm)3，所以晶胞的密度为
13
eq f(8×73 g·mol－1,NA×(565.76×10－10 cm)3)。
答案：(1)
(2)×107
13
