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1、 第十四讲 金属晶体与离子晶体 主要知识点:大家都知道晶体有固定的几何外形、有确定的熔点，水、干冰等都属于分子晶体，靠范德华力结合在一起，金刚石、金刚砂等都是原子晶体，靠共价键相互结合，那么我们所熟悉的铁、铝等金属是不是晶体呢？它们又是靠什么作用结合在一起的呢？一、金属键 1.金属键：在金属单质晶体中,使金属原子相互结合的强烈作用（金属离子与自由电子间的强烈的相互作用）叫金属键。2.金属晶体:金属阳离子和自由电子之间通过金属键结合而形成的晶体 构成微粒：金属阳离子与自由电子；微粒间的作用：金属键 物性特点：大部分金属熔点较高、质硬（少数质软），难溶于水（K、Na、Ca 等与水反应），能导电、导
2、热、有延展性等 金属原子的电离能低，容易失去电子而形成阳离子和自由电子，阳离子整体共同整体吸引自由电子而结合在一起。这种金属离子与自由电子之间的较强作用就叫做金属键。金属键可看成是由许多原子共用许多电子的一种特殊形式的共价键，这种键既没有方向性也没有饱和性，金属键的特征是成键电子可以在金属中自由流动，使得金属呈现出特有的属性在金属单质的晶体中，原子之间以金属键相互结合。金属键是一种遍布整个晶体的离域化学键。注意：金属晶体是以金属键为基本作用力的晶体。二、电子气理论及其对金属通性的解释 1电子气理论 经典的金属键理论叫做“电子气理论”。它把金属键形象地描绘成从金属原子上“脱落”下来的大量自由电子
3、形成可与气体相比拟的带负电的“电子气”，金属原子则“浸泡”在“电子气”的“海洋”之中。2金属通性的解释 金属共同的物理性质 容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。金属导电性的解释 在金属晶体中，充满着带负电的“电子气”，这些电子气的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件下电子气就会发生定向移动，因而形成电流，所以金属容易导电。思考：导热是能量传递的一种形式，它必然是物质运动的结果，那么金属晶体导热过程中电子气中的自由电子担当什么角色?金属容易导热，是由于电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。（2）金属延展性的
4、解释 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，但不会改变原来的排列方式，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，所以在各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使在外力作用下，发生形变也不易断裂。因此，金属都有良好的延展性。阅读材料 1 超导体一类急待开发的材料 一般说来，金属是电的良好导体(汞的很差)。1911年荷兰物理学家 H 昂内斯在研究低温 条件下汞的导电性能时，发现当温度降到约 4 K(即269、)时汞的电阻“奇异”般地降为零，表现出超导电性。后又发现还有几种金属也有这种性质，人们将具有超导性的物质叫做超导体。2 合金 两种和两
5、种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质，叫做合金，合金属于混合物，对应的固体为金属晶体。合金的特点仍保留金属的化学性质，但物理性质改变很大；熔点比各成份金属的都低；强度、硬度比成分金属大；有的抗腐蚀能力强；导电性比成分金属差。3 金属的物理性质由于金属晶体中存在大量的自由电子和金属离子(或原子)排列很紧密，使金属具有很多共同的性质。(1)状态：通常情况下，除 Hg 外都是固体。(2)金属光泽：多数金属具有光泽。但除 Mg、Al、Cu、Au 在粉末状态有光泽外，其他金属在块状时才表现出来。(3)易导电、导热：由于金属晶体中自由电子的运动，使金属易导电、导热。(4)延展性(5)
6、熔点及硬度：由金属晶体中金属离子跟自由电子间的作用强弱决定。金属除有共同的物理性质外，还具有各自的特性。颜色：绝大多数金属都是银白色，有少数金属具有颜色。如 Au 金黄色 Cu 紫红色 Cs 银白略带金色。密度：与原子半径、原子相对质量、晶体质点排列的紧密程度有关。最重的为锇(Os)铂(Pt)最轻的为锂(Li)熔点：最高的为钨(W)，最低的为汞(Hg)，Cs，为 284 Ca 为 30 硬度：最硬的金属为铬(Cr)，最软的金属为钾(K)，钠(Na)，铯(Cs)等，可用小刀切割。导电性：导电性能强的为银(Ag)，金(Au)，铜(Cu)等。导电性能差的为汞(Hg)延展性：延展性最好的为金(Au)，
7、Al 三、金属晶体内原子的空间排列方式 分子晶体中，分子间的范德华力使分子有序排列；原子晶体中，原子之间的共价键使原子有序排列；金属晶体中，金属键使金属原子有序排列。（一）简单立方堆积 1 相邻非密置层原子在一条直线上 2 这种堆积方式空间利用率最低，只有金属钋采取这种堆积方式 （二）钾型（体心立方）这种堆积方式的空间利用率显然比简单立方堆积的高多了，许多金属是这种堆积方式，如碱金属，简称为钾型。方法点拨 1.金属晶体性质及理论解释 导电性 导热性 延展性 金属离子和自由电子 自由电子在外加电场的作用下发生定向移动 自由电子与金属离子碰撞传递热量 晶体中各原子层相对滑动仍保持相互作用 2.金属
8、晶体的熔点变化规律 金属晶体熔点差别较大，汞在常温下是液体，熔点很低(38.9)，而钨的熔点高达3410 这是由于金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子与自由电子的作用力不同而造成的差别 一般情况下(同类型的金属晶体)，金属晶体的熔点由金属阳离子半径、所带的电荷数、自由电子的多少而定金属离子半径越小，所带的电荷越多，自由电子越多，金属键越强，熔点就越高例如，熔点：NaMgNaKRbCs 典例剖析：例 1 金属的下列性质中和金属晶体无关的是（）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：备选答案 A、C、D 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，备选答
9、案 B，金属易失电子是由原子的结构决定的，所以和金属晶体无关 答案：B 例 2 关于晶体的下列说法正确的是（）A、在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子 B、在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子 C、原子晶体的熔点一定比金属晶体的高 D、分子晶体的熔点一定比金属晶体的低 解析：只有认识四类晶体物理性质差异的本质原因才能对此题进行正确判断。在四类晶体中，金属晶体的结构及物理性质最特殊，应予重视。金属晶体中，构成晶体的微粒既有金属原子，又有金属阳离子，且二者不断转换，晶体中自由电子与金属离子间的电性作用形成了金属键。因此晶体中有阳离子，不一定有阴离子，如金属晶体。金属键强弱相差很大（主要由阳离子半径大小
10、决定），因此金属晶体的熔、沸点、硬度等物理性质相差极大，它与其他类晶体相比很特殊，有的晶体熔沸点很低，甚至小于分子晶体如金属汞、碱金属等；有的金属熔沸点很高，甚至高于原子晶体如金属钨。答案：A 例 3.下列有关金属元素特征的叙述正确的是（）A、金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性 B、金属元素在一般化合物中只显正价 C、金属元素在不同的化合物中的化合价均不同 D、金属元素的单质在常温下均为金属晶体 解析：A、对于变价金属中，较低价态的金属离子既有氧化性，又有还原性，如 Fe2+。B、金属元素的原子只具有还原性，故在化合物中只显正价。C、金属元素有的有变价，有的无变价，如 Na+。D、金属汞
11、常温下为液体。答案：B。例 4.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，且据研究表明，一般说来金属原子半径越小，价电子数越多，则金属键越强由此判断下列说法错误的是()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钙的熔沸点高于钾 解析：价电子数 AlMg，原子半径 AlMg，所以 Al 的金属键更强，所以 A 的说法错误Mg和Ca的价电子数相同，而原子半径MgCa，所以金属键的强弱MgCa，所以B 的说法错误 价电子数 MgK，原子半径 MgCaK，所以 C 的说法正确 价电子数 CaK，原子半径 Ca
12、K，所以 D 的说法也正确 答案：AB 巩固练习 1 下列有关金属元素的特征叙述正确的是()A 金属元素的原子具有还原性，离子只有氧化性 B金属元素的化合价一定显正价 C 金属元素在不同化合物中的化合价均不相同 D 金属元素的单质在常温下均为金属晶体 2 下列有关金属元素特征的叙述中正确的是()A金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性 B金属元素在化合物中一定显正价 C 金属元素在不同化合物中的化合价均不同 D 金属单质在常温下都是金属晶体 3 金属的下列性质中，不能用金属的电子气理论加以解释的是()A易导电 B易导热 C有延展性 D易锈蚀 4 下列晶体中由原子直接构成的单质有()A白磷 B
13、氦 C 金刚石 D金属镁 5 金属具有延展性的原因是()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 6 下列说法不正确的是()A 金属单质的熔点一定比非金属单质高 B离子晶体中不一定含有金属元素 C 在含有阳离子的晶体中，一定含有阴离子 D含有金属元素的离子不一定是阳离子 7 金属晶体的形成是因为晶体中存在()A 金属离子间的相互作用 B金属原子间产生相互作用 C 金属离子与自由电子间的相互作用 D金属原子与自由电子间的相互作用 8 关于金属元素的特征，下
14、列叙述正确的是()金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性 金属元素在化合物中一般显正价 金属性越强的元素相应的离子氧化性越弱 金属元素只有金属性，没有非金属性 价电子越多的金属原子的金属性越强 A B C D全部 9 金属的下列性质中，与自由电子无关的是()A 密度大小 B 容易导电 C延展性好 D易导热 10下列有关金属的叙述正确的是()A 金属元素的原子具有还原性，其离子只有氧化性 B 金属元素的化合价般表现为正价 C 熔化状态能导电的物质定是金属的化合物 D 金属元素的单质在常温下均为金属晶体 11.下列叙述正确的是 ()A 原子晶体中可能存在离子键 B分子晶体中不可能存在氢键 C 在
15、晶体中可能只存在阳离子不存在阴离子 D金属晶体导电是金属离子所致 12.金属能导电的原因是（）A.金属晶体中金属阳离子与自由电子间的相互作用较弱 B 金属晶体中的自由电子在外加电场作用下可发生定向移动 C 金属晶体中的金属阳离子在外加电场作用下可发生定向移动 D 金属晶体在外加电场作用下可失去电子 13下列叙述正确的是 （）A.任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子 B 原子晶体中只含有共价键 C.离子晶体中只含有离子键，不含有共价键 D 分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键 14.在核电荷数 118的元素中，其单质属于金属晶体的有 ，属于分子晶体的有 ，属于原子晶体的有 15.简
16、要填空：(1)金属导电是_的结果(2)金属导热是_的结果(3)金属抽成丝或压成薄板是金属受到外力作用，紧密堆积的原子(离子)层发生了_，而金属离子和自由电子之间的_没有改变 一、离子晶体 1、离子晶体定义：由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体 注：（1）结构微粒：阴、阳离子 （2）相互作用：离子键 （3）种类繁多：含离子键的化合物晶体：强碱、活泼金属氧化物、绝大多数盐 （4）理论上，结构粒子可向空间无限扩展 二、晶格能 1、定义：气态离子形成1mol 离子晶体时释放的能量。2、规律：（1）离子电荷越大，离子半径越小的离子晶体的晶格能越大。（2）晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，熔点越高，硬
17、度越大。总结归纳：1.离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体的比较 晶体类型 原子晶体 分子晶体 金属晶体 离子晶体 晶体质点（粒子）原子 分子 金属阳离子、自由电子 阴、阳离子 粒子间作用（力）共价键 分子间作用力 复杂的静电作用 离子键 熔沸点 很高 很低 一般较高，少部分低 较高 硬度 很硬 一般较软 一般较硬，少部分软 较硬 溶解性 难溶解 相似相溶 难溶（Na 等与水反应）易溶于极性溶剂 导电情况 不导电（除硅）一般不导电 良导体 固体不导电，熔化或溶于水后导电 实例 金刚石、水晶、碳化硅等 干冰、冰、纯硫酸、H2(S)Na、Mg、Al 等 NaCl、CaCO3 NaOH等 2 物质
18、熔沸点的比较 不同类晶体：一般情况下，原子晶体 离子晶体 分子晶体 同种类型晶体：构成晶体质点间的作用大，则熔沸点高，反之则小。四种晶体熔、沸点对比规律 离子晶体：结构相似且化学式中各离子个数比相同的离子晶体中，离子半径小(或阴、阳离子半径之和越小的)，键能越强的熔、沸点就越高。如 NaCl、NaBr、Nal;NaCl、KCl、RbCl等的熔、沸点依次降低。离子所带电荷大的熔点较高。如：MgO熔点高于 NaCl 分子晶体：在组成结构均相似的分子晶体中，式量大的分子间作用力就大熔点也高。如：F2、Cl2、Br2、I2 和 HCl、HBr、HI 等均随式量增大。熔、沸点升高。但结构相似的分子晶体，
19、有氢键存在熔、沸点较高。原子晶体：在原子晶体中，只要成键原子半径小，键能大的，熔点就高。如金刚石、金刚砂(碳化硅)、晶体硅的熔、沸点逐渐降低。金属晶体：在元素周期表中，主族数越大，金属原子半径越小，其熔、沸点也就越高。如A 的 Al，A 的 Mg，IA 的 Na，熔、沸点就依次降低。而在同一主族中，金属原子半径越小的，其熔沸点越高。常温常压下状态 熔点：固态物质 液态物质 沸点：液态物质 气态物质 3.均摊法确定晶体的化学式 在学习晶体时和在一些考试中，我们会遇到这样一类试题：题目中给出晶体的部分(称为晶胞)的图形，要求我们确定晶体的化学式求解这类题，通常采用均摊法 均摊法是先求出给出的图形(
20、晶胞)中平均拥有的各种粒子(离子或原子)的数目，再计算各种粒子数目的比值，从而确定化学式 均摊法有如下规则，以 NaCl的晶胞为例：处于顶点的粒子，同时为 8 个晶胞所共有，所以，每个粒子只分摊 1/8给该晶胞 处于棱上的粒子，同时为 4 个晶胞所共有，所以，每个粒子只分摊 1/4给该晶胞 处于面上的粒子，同时为 2 个晶胞所共有，所以，每个粒子只分摊 1/2给该晶胞 处于晶胞内部的粒子，则完全属于该晶胞 由此算出在 NaCl的晶胞中：含Na数：414112 含Cl数：4216818 故 NaCl晶体中，Na和Cl数目之比为 1 1 例题解析 例 1.下列性质中，可以证明某化合物内一定存在离子
21、键的是()A、可溶于水 B、具有较高的熔点 C、水溶液能导电 D、熔融状态能导电 解析：本题考查对化学键-离子键的判断。只要化合物中存在离子键必为离子晶体，而离子晶体区别其它晶体的突出特点是：熔融状态下能导电，故 D正确；至于 A可溶于水，共价化合物如：HCl也可以；B 具有较高熔点，也可能为原子晶体，如 SiO2；C 水溶液能导电，可以是共价化合物如硫酸等。答案:D 例 2.参考下表中物质的熔点，回答下列问题。物 质 NaF NaCl NaBr NaI NaCl KCl RbCl CsCl 熔点（）995 801 755 651 801 776 715 646 物 质 SiF4 SiCl4
22、SiBr4 SiI4 SiCl4 GeCl4 SbCl4 PbCl4 熔点（）-90.4-70.2 5.2 120-70.2-49.5-36.2-15(1)钠的卤化物及碱金属的氯化物的熔点与卤离子及碱金属离子的_ 有关,随着 增大,熔点依次降低.(2)硅的卤化物及硅、锗、锡、铅的氯化物熔点与 有关,随着 增大,增强，熔点依次升高.(3)钠的卤化物的熔点比相应的硅的卤化物的熔点高得多,这与 有关,因为一般 比 熔点高.解析：本题主要考查物质溶沸点的高低与晶体类型和晶体内部微粒之间作用力的关系以及分析数据进行推理的能力。（1）表中第一栏的熔点明显高于第二栏的熔点，第一栏为 IA 元素与A 元素组成
23、的离子晶体，则第二栏为分子晶体。（2）分析比较离子晶体熔点高低的影响因素：物质熔化实质是减弱晶体内微粒间的作用力，而离子晶体内是阴、阳离子，因此离子晶体的熔化实际上是减弱阴、阳离子间的作用力-离子键，故离子晶体的熔点与离子键的强弱有关。从钠的卤化物进行比较：卤素离子半径是 r（F-）r(Cl-)r(Br-)r(I-)，说明熔点随卤素阴离子半径的增大而减小。又从碱金属的氯化物进行比较：碱金属阳离子半径是 r （Na+）r(K+)r(Rb+)r(Cs+)，说明熔点随碱金属阳离子半径的增大而减小。（3）分析比较分子晶体熔点高低的影响因素：分子晶体内的微粒是分子，因此分子晶体的熔点与分子间的作用力有关
24、。从硅的卤化物进行比较：硅的卤化物分子具有相似的结构，从 SiF4到 SiI4相对分子量逐步增大，说明熔点随化学式的式量的增加而增大。由从硅、锗、锡、铅的氯化物进行比较：这些氯化物具有相似的结构，从 SiCl4到 PbCl4相对分子质量逐步增大，说明熔点随化学式的式量的增加而增大。答案：第一问 半径，半径 第二问：相对分子质量，相对分子质量，分子间作用力。第三问：晶体类型，离子晶体，分子晶体。巩固练习：1.由钾和氧组成的某种离子晶体中含钾的质量分数为 78/126，其阴离子只有过氧离子(O22)和超氧离子(O2)两种。在此晶体中，过氧离子和超氧离子的物质的量之比为 A.21 B.11 C.12
25、 D.13 2 下列物质中，含有共价键的离子晶体是()A NaCl B NaOH C NH4Cl D I2 3 实现下列变化，需克服相同类型作用力的是()A 石墨和干冰的熔化 B 食盐和冰醋酸的熔化 C 液溴和水的汽化 D 纯碱和烧碱的熔化 4 下列性质中，能较充分说明某晶体是离子晶体的是()A 具有高的熔点 B 固态不导电，水溶液能导电 C 可溶于水 D 固态不导电，熔化状态能导电 5 下列叙述中正确的是()A 离子晶体中肯定不含非极性共价键 B 原子晶体的熔点肯定高于其他晶体 C 由分子组成的物质其熔点一定较低 D 原子晶体中除去极性共价键外不可能存在其他类型的化学键 6.实现下列变化，需
26、克服相同类型作用力的是()A碘和干冰升华 B二氧化硅和生石灰熔化 C氯化钠和铁熔化 D苯和乙烷蒸发 7.下列各组物质的晶体中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是()ASO2和 SiO2 B CO2和 H2O CNaCl和 HCl DCCl4和 KCl 第三节 金属晶体 参考答案 1 B 2B 3 D 4 BC 5 B 6 AC 7 C 8 B 9 A 10B 11.C 12.B 13.B 14.答案：Li、Be、Na、Mg、Al；H2、He、N2、O2、F2、Ne、P4、S、Cl2、Ar；C、Si、B 15.答案(1)自由电子在电场作用下定向移动(2)自由电子碰撞金属离子而将能量传给金属离子(3)相对滑动 较强烈的相互作用(金属键)1.C 2.B C 3.C D 4.D 5.D 6.A D 7.B