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- 2021-08-06 发布
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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
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