让男人断子绝孙的药:金属晶体和离子晶体

教学内容：
金属晶体和离子晶体
1. 金属键
2. 金属晶体的原子堆积模型
3. 离子键和离子晶体
二. 重点、难点
1. 理解金属键的概念和电子气理论，初步学会用电子气理论解释金属的物理性质。
2. 了解金属晶体内原子的几种常见排列方式。
3. 掌握离子晶体的概念，能识别氯化钠、氯化铯、氟化钙的晶胞结构。
4. 学会离子晶体的性质与晶胞结构的关系，通过探究知道离子晶体的配位数与离子半径比的关系，通过分析数据和信息了解晶格能的大小与离子晶体性质的关系。
三. 教学过程
（一）金属键
1、金属键的定义：金属离子和自由电子之间的强烈的相互作用，叫金属键。
（1）金属键的成键微粒是金属阳离子和自由电子。
（2）金属键存在于金属单质和合金中。
（3）金属键没有方向性也没有饱和性。
2、金属晶体的定义：通过金属离子与自由电子之间的较强的相互作用形成的晶体。
（1）在晶体中，不存在单个分子。
（2）金属阳离子被自由电子所包围。
3、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。
4、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。
【思考1】金属为什么易导电？
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2】金属为什么易导热？
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。
【思考3】金属为什么具有较好的延展性？
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。

【总结】金属晶体的结构与性质的关系
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
5、影响金属键强弱的因素：金属阳离子所带电荷越多、离子半径越小，金属键越强。
【思考4】已知碱金属元素的熔沸点随原子序数的增大而递减，试用金属键理论加以解释。
同主族元素价电子数相同（阳离子所带电荷数相同），从上到下，原子（离子）半径依次增大，则单质中所形成金属键依次减弱，故碱金属元素的熔沸点随原子序数的增大而递减。
【思考5】试判断钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度的大小。
同周期元素，从左到右，价电子数依次增大，原子（离子）半径依次减弱，则单质中所形成金属键依次增强，故钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度的大小顺序是：钠＜镁＜铝。
（二）金属晶体的原子堆积模型
1、金属晶体中原子在二维空间（平面）的二种放置方式：非密置层和密置层
（1）非密置层（非最紧密排列）：配位数（同一层内与一个原子紧密接触的原子数）为4。
（2）密置层（最紧密排列）：配位数为6。
2、金属晶体中原子在三维空间的四种放置方式：
（1）简单立方堆积：这是非密置层的一种堆积方式，这种堆积方式是上下对齐，形成的晶胞是一个立方体，每个晶胞含1个原子，配位数为6，被称为简单立方堆积。这种堆积方式的空间利用率太低，只有金属钋采取这种堆积方式。
     
（2）体心立方堆积──钾型：这是非密置层的另一种堆积方式，将上层金属填入下层金属原子形成的凹穴中，每层均照此堆积。这种堆积方式形成的每个晶胞含2个原子，配位数为8。钾、钠、铁等金属采用这种堆积方式，简称为钾型。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。

（3）面心立方堆积──铜型：这是密置层堆积方式，这种堆积方式形成的每个晶胞含4个原子，配位数为12。铜、银、金等金属采用这种堆积方式，简称为铜型。这是等径圆球密堆积所能达到的最高利用率。

（4）六方堆积──镁型：这是密置层堆积方式，这种堆积方式形成的每个晶胞含2个原子，配位数为12。镁、锌、钛等金属采用这种堆积方式，简称为镁型。

【小结】金属晶体原子堆积模型

3、金属晶体的结构特征：在金属晶体里，金属阳离子有规则地紧密堆积，自由电子几乎均匀分布在整个晶体中，不专属哪几个特定的金属离子，而是被许多金属离子共有。
4、金属晶体的熔点变化规律：
（1）金属晶体熔点变化差别较大。如汞在常温下是液体，熔点很低（－38.9。C）。而铁等金属熔点很高（1535。C）。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静电作用力不同而造成的差别。
（2）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。阳离子半径越小，所带的电荷越多， 自由电子越多，相互作用就越大， 熔点就会越高。
（三）离子键和离子晶体
1、离子键：阴、阳离子间通过静电作用所形成的化学键叫做离子键。
（1）成键元素：活泼金属（如：K、Na、Ca、Ba等，主要是ⅠA和ⅡA族元素）和活泼非金属（如：F、Cl、Br、O等，主要是ⅥA族和ⅦA族元素）相互结合时形成离子键。
（2）成键原因：活泼金属原子容易失去电子而形成阳离子，活泼非金属原子容易得到电子形成阴离子。当活泼金属遇到活泼非金属时，电子发生转移，分别形成阳、阴离子，再通过静电作用形成离子键。
（3）离子键只存在于离子化合物中。
（4）强碱、活泼金属氧化物、大多数盐类是典型的离子化合物。
2、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叫离子晶体。
（1）成键微粒：阴阳离子。
（2）微粒间的作用力：离子键。
（3）离子晶体实际就是离子化合物的固体。
（4）离子晶体的化学式只表示晶体中阴、阳离子的个数比，而不是表示分子组成的化学式。
3、离子晶体中离子键的配位数（C.N.）
（1）定义：是指一个离子周围邻近的异电性离子的数目。
（2）影响阴、阳离子的配位数的因素：
         
①几何因素：晶体中正负离子的半径比（r+/r－）是决定离子晶体结构的重要因素。
配位数
4
6
8
半径比
0.2—0.4
0.4—0.7
0.7—1.0
化学式
ZnS
NaCl
CsCl
②电荷因素：晶体中正负离子的电荷比决定正负离子配位数是否相等。
③键性因素：离子晶体的结构类型还与离子键的纯粹程度（简称键性因素），即与晶体中正负离子的相互极化程度有关。（不作要求）
4、离子晶体的特性
（1）无单个分子存在，NaCl不表示分子式。
（2）熔沸点较高，硬度较大，难挥发，难压缩（易脆）。
（3）晶体时不导电，熔融状态都导电或者有些在溶液中能导电。
（4）大多数离子晶体易溶于极性溶剂水，难溶于非极性溶剂。
5、晶格能
（1）定义：气态离子形成1mol离子晶体释放的能量。如1mol气态钠离子和1mol气态氯离子结合生成1mol氯化钠晶体释放的能量为氯化钠晶体的晶格能。
Na+（g）+Cl－（g）===NaCl（s）  △H=786kJ/mol
（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。如：
①NaF、NaCl、NaBr、NaI（阳离子相同，阴离子半径依次增大）和LiF、NaF、KF、RbF、CsF（阴离子相同，阳离子半径依次增大）；
②NaF和MgO（阳离子电荷数Mg2+大于Na+，阴离子电荷数O2—大于F－）
<2>晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，熔点越高，硬度越大。
<3>晶格能的应用：晶格能高的晶体，熔点较高，更容易在岩浆冷却过程中先结晶析出。（美国矿物学家鲍文）
【总结归纳1】离子化合物、共价化合物的判断方法
（1）根据构成化合物的微粒间是以离子键还是共价键结合来判断。
（2）根据物质的类型判断：绝大多数碱性氧化物、碱和盐都属于离子化合物。氢化物、非金属氧化物、含氧酸等都属于共价化合物。但要注意（AlCl3）2等属于共价化合物，而NaH等属于离子化合物。
（3）根据化合物的性质判断：熔化状态下能导电的是离子化合物；熔、沸点低的化合物一般是共价化合物；溶解在水中不能电离的化合物是共价化合物等等。
（4）离子化合物中一定含有离子键，但也有可能含有共价键（包括极性键、非极性键或配位键）；共价化合物中一定不存在离子键，肯定含有共价键（包括极性键、非极性键或配位键）。
【总结归纳2】四种晶体的比较

【总结归纳3】物质的熔点与晶体类型的关系
1、若晶体类型不同，一般情况下：原子晶体＞离子晶体＞分子晶体。
2、若晶体类型相同，则有：
⑴离子晶体中，结构相似时，离子半径越小，离子电荷越高，晶格能越大，离子键就越强，熔点就越高。
⑵原子晶体中，结构相似时，原子半径越小，共价键键长越短，键能越大，熔点越高。
⑶分子晶体中（不含氢键时），分子组成和结构相似时，相对分子质量越大，范德华力就越强，熔点就越高。
⑷金属晶体中，离子半径越小，离子电荷越高，金属键就越强，熔点就越高。合金的熔点比它的各成分金属的熔点低。
【典型例题】
例1、下列说法正确的是（　　）
A. 冰融化时，分子中H—O键发生断裂
B. 原子晶体中，共价键越强，熔点越高
C. 分子晶体中，共价键越强，该分子晶体的熔沸点一定高
D. 分子晶体中，分子间作用力越大，则分子晶体越稳定
分析：冰融化只破坏范德华力和氢键，不破坏共价键，所以分子晶体的熔沸点高低决定于范德华力（有些物质还有氢键），而共价键决定分子晶体的稳定程度。对原子晶体，共价键越强，晶体的熔沸点越高。答案：B
例2、下列关于晶体的叙述错误的是
A. 离子晶体中，一定存在离子键  B .原子晶体中，只存在共价键
C. 金属晶体的熔沸点均很高      D. 稀有气体的原子能形成分子晶体
分析：离子晶体中阴、阳离子通过离子键结合形成晶体；原子晶体中原子之间通过共价键结合形成晶体；稀有气体的粒子是原子，但原子之间通过范德华力结合形成分子晶体，A、B、D三项说法均正确。金属晶体的熔沸点差异较大，有些金属熔点很高，如金属钨的熔点高达3410 ℃；而有些金属（如碱金属）则熔点较低。故C项说法是错误的。答案：C
例3、已知CsCl晶体的密度为ρg·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的相对分子质量可表示为（　　）

A.              B.              C.              D. NA·a3·ρ
分析：由“均摊法”知CsCl一个晶胞中含Cs+、Cl－各一个。
=a3 cm3
一个晶胞的质量为m=ρ=ρg·cm－3·a3 cm3=ρa3 g
CsCl的相对分子质量：m·NA=ρ·a3·NA
答案：D
例4、1987年2月，朱经武教授等发现钇钡铜氧化合物在温度90 K下即具有超导性，若该化合物的基本结构单元如图所示，则该化合物的化学式可能是

A. YBa2CuO7－x       B. YBa2Cu2O7－x   C. YBa2Cu3O7－x             D. YBa2Cu4O7－x
分析：由钇钡铜氧化合物的结构单元可以看出该结构单元中含有完全的Y原子1个，Ba原子2个，Cu原子×8+×8=3个，O原子若干个。故化学式为YBa2Cu3O7－x。
答案：C
例5、某些金属晶体（Cu、Ag、Au）的原子按面心立方的形式紧密堆积，即在晶体结构中可以划出一块正立方体的结构单元，金属原子处于正立方体的八个顶点和六个侧面上，试计算这类金属晶体原子的空间利用率。
分析：依题意画出侧面图如图所示

设正立方体边长为a，则体积为a3，原子半径r=，每个正立方体包括的金属原子：8×+6×=4（个），球体体积：V球=4×π×r3=4×π×（）3=0.74 a3。则空间利用率：×100%=74%。
答案：74%
例6、测得氯化钠晶体中相邻的Na+和Cl－的核间距为a cm，该晶体的密度为ρg·cm－3。求阿伏加德罗常数NA关于a、ρ的表达式。
分析：相邻Na+和Cl－的核间距为a cm，则由其构成的立方体体积为a3 cm3。
在此立方体中含Na+：4×=，含Cl－：4×=，共含NaCl。
1个NaCl的体积为2a3 cm3，NA个NaCl体积为NA2a3 cm3。
因为，ρ===
所以NA=。
答案：
例7、β－羧乙基锗倍半氧化物（即Ge－132）是与人体健康有关的最重要的有机锗化合物，其片层结构如图所示，其重复结构是由六个锗原子和六个氧原子构成的十二元环。每个锗原子还同时与三个氧原子相连，形成可以任意延伸的片层，每个锗原子连接一个羧乙基（—CH2CH2COOH），各片层间存在相互作用，连接成三维网状结构。

（1）每个正六边形拥有_____个锗原子，_____个氧原子。
（2）试写出Ge－132的化学式。
分析：每个正六边形中含有的6个Ge原子同时分别为其他两个正六边形所共有，故含有Ge原子：×6=2个，同理含有O原子：×6=3个，所含羧乙基也为×6=2个，即2个—CH2CH2COOH、2个Ge原子、3个O原子，故化学式为Ge2C6H10O7。
答案：（1）2  3  （2）Ge2C6H10O7
例8、已知有关物质的熔沸点数据如下：
物 质
MgO
Al2O3
MgCl2
AlCl3
熔点/ ℃
2852
2072
714
190（2.5×105 Pa）
沸点/ ℃
3600
2980
1420
182.7
请参考上述数据，填空和回答下列问题。
（1）工业上用电解熔融MgCl2的方法生产金属镁，电解Al2O3与冰晶石熔融混合物的方法生产铝。为什么不用电解MgO的方法生产镁，也不用电解AlCl3的方法生产铝？
（2）设计可靠的实验，证明MgCl2、AlCl3所属的晶体类型，其实验方法是：______。
分析：从表中数据分析：MgO、Al2O3、MgCl2熔沸点较高，应属于离子晶体；AlCl3熔沸点低，说明AlCl3晶体属于分子晶体；因为MgO的熔点远远高于MgCl2，电解熔融状MgO需要更高的温度，不利于工业生产；AlCl3易升华、熔沸点低，属于共价化合物，熔融时不能电离出自由离子，故不能电解。
答案：（1）MgO熔点很高，熔化时需消耗大量的能量，故不用电解MgO的方法制Mg。而AlCl3属于共价化合物、分子晶体，在熔融状态下不能导电，故不能电解AlCl3，而只能电解Al2O3制取Al。（2）将两种晶体加热到熔融状态，MgCl2能导电，可证明MgCl2是离子晶体；AlCl3不能导电，则证明AlCl3是分子晶体
【模拟试题】
1、构成金属晶体的微粒是（   ）
A、原子   B、分子     C、金属阳离子   D、金属阳离子和自由电子
2、金属键具有的性质是（   ）
A、饱和性  B、方向性  C、无饱和性和方向性  D、既有饱和性又有方向性
3、金属键是正、负电荷之间的（   ）
A、相互排斥           B、阴、阳离子之间的相互作用
C、相互吸引           D、相互排斥和相互吸引，即相互作用
4、金属具有的通性是（   ）
①具有良好的导电性  ②具有良好的传热性  ③具有延展性  ④都具有较高的熔点  ⑤通常状况下都是固体  ⑥都具有很大的硬度
A、①②③          B、②④⑥          C、④⑤⑥           D、①③⑤
5、下图是金属晶体内部的电气理论示意图：

仔细观察并用电气理论解释金属导电的原因是（   ）
A、金属能导电是因为含有金属阳离子
B、金属能导电是因为含有的自由电子在外电场作用下做定向运动
C、金属能导电是因为含有电子且无规则运动
D、金属能导电是因为金属阳离子和自由电子的相互作用
6、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
7、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
8、合金有许多特点，如Na—K合金为液体，而Na和K的单质均为固体。据此，试推测生铁、纯铁、碳三种物质中，熔点最低的是  （    ）
A、纯铁    B、生铁（Fe、C的合金）      C、碳    D、无法确定
9、铝的熔点、沸点比镁高的原因是（    ）
A、镁比铝活泼                   B、铝的化合价比镁高
C、铝能与酸碱反应               D、铝比镁的价电子多、半径比镁小
10、下列物质的熔沸点依次升高的是 （     ）
A、Na、Mg、A1                    B、Na、Rb、Cs
C、Mg、Na、K                     D、铝、硅铝合金、单晶硅
11、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、离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
12、下列各对物质中，化学键类型和晶体类型完全相同的是
A、NaCl和NaOH                      B、Br2和H2
C、CCl4和FeCl3                        D、CO2和SiO2
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、离子晶体中可能含有共价键
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作用力，不含有其他化学键
14、下面有关离子晶体的叙述中，不正确的是（    ）
A、1mol氯化钠中有NA个NaCl分子
B、氯化钠晶体中，每个Na+周围距离相等的Cl—共有6个
C、氯化铯晶体中，每个CS+周围紧邻8个Cl—
D、平均每个NaCl晶胞中有4个Na+、4个Cl—
15、离子晶体熔点的高低决定于晶体中阳离子与阴离子之间的静电引力，静电引力大则熔点高，引力小则反之。试根据你学到的电学知识，判断KCl、NaCl、CaO、BaO四种晶体熔点的高低顺序（    ）
A、KCl>NaCl>BaO>CaO           B、NaCl>KCl>CaO>BaO
C、CaO>BaO>NaCl>KCl           D、CaO>BaO>KCl>NaCl
16、金属晶体的某些物质性质差别很大。
（1）常温下呈液态的是_____（填元素符号，下同），熔点最高的是_____（比金刚石高）；硬度最大的是_____，硬度最小的是_____。
（2）若是同主族，如碱金属，它们的熔沸点会随着________的增加而呈_____的变化；若是同周期，如Na、Mg、Al，它们的熔沸点由_____到_____，原因是__________。
17、参考下列熔点数据回答：
物质
NaF
NaCl
NaBr
NaI
熔点℃
995
801
755
651
物质
NaCl
KCl
RbCl
CsCl
熔点℃
801
776
715
646
钠的卤化物从NaF到NaI及碱金属的氯化物从NaCl到CsCl的熔点逐渐________这与_______有关。随着________逐渐增大________逐渐减小，故熔点逐渐       。
18、有一种金属的结构单元是一个“面心立方体”（注：八个顶点和六个面分别有一个金属原子）。该单元平均是由_______个金属原子组成的。
19、如果1 mol金属钠的质量为23 g，密度=0.97 g·cm－3，则每个钠原子的半径约为多少？（设钠为紧密堆积的球体）
20、晶体具有规则的几何外形，晶体中最基本的重复单元称为晶胞。NaCl晶体结构如图所示。已知FexO晶体晶胞结构为NaCl型，由于晶体缺陷，x值小于1。测知FexO晶体密度ρ为5.71g/cm3，晶胞边长为4.28×10－10m。（铁相对原子质量为55.9，氧相对原子质量为16）求：

（1）FexO中x值（精确至0.01）为_____________。
（2）晶体中的Fe分别为Fe2＋、Fe3＋，在Fe2＋和Fe3＋的总数中，Fe2＋所占分数（用小数表示，精确至0.001）为___________。
（3）此晶体的化学式为___________。
（4）Fe在此晶体中占据空隙的几何形状是___________（即与O2－距离最近且等距离的铁离子围成的空间形状）。
（5）在晶体中，铁元素的离子间的最短距离为________m。

【试题答案】
1、D        2、C      3、D     4、D      5、B     6、B      7、B       8、B
9、D B      10、A    11、A    12、B    13、B    14、A     15、C
16、（1）Hg  W  Cr  Hg（2）核电荷数、原子半径逐渐降低  低  高  Na、Mg、Al的原子半径逐渐减小，而形成金属阳离子的半径越小，所带的电荷越多，金属键越强，故熔沸点逐渐升高
17、降低；钠的卤化物及碱金属的氯化物均为离子晶体；阴、阳离子的半径和；阴阳离子间的相互作用；降低。
18、4
19、2.11×10－8 cm
20、（1）0.92 （2）0.826 （3）19FeO·2Fe2O3  （4）正八面体（5）3.03×10－10
【励志故事】
错误的恐慌
安德鲁·杰克逊，1837年曾任美国总统，美国历史上最出色的政客之一，这是关于他的一个小故事。
在他妻子死后，杰克逊对自己的健康状况变得非常地担忧，家中已经有好几个人死于瘫痪性中风，杰克逊因此认定他必会死于同样的症状，所以他一直在这种阴影下极度恐慌地生活着。
一天，他正在朋友家与一位年轻的小姐下棋。突然杰克逊的手垂了下来，整个人看上去非常地虚弱，脸色发白，呼吸沉重，他的朋友走到他身边。
“最后还是来了，”杰克逊乏力地说，“我得了中风，我的整个右侧瘫痪了。”
“你是怎么知道的呢？”朋友问。
“因为，”杰克逊答道，“刚才我在右腿上捏了几次，但是一点感觉也没有。”
“可是，先生，”和杰克逊下棋的那位姑娘说道，“你刚才捏的是我的腿啊！”
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