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,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晶胞,而且所有晶胞的形狀及其內部含有的原子種類、個數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是4。(1)晶體是由無數個晶胞堆積得到的。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)晶胞中微粒個數的計算(切割法)。計算一個晶胞中實際擁有的微粒數,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的計算處于頂點上的粒子,同時為8個晶胞所共有,每個粒子有屬于該晶胞。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。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。處于晶胞內部的粒子,則完全屬于該晶胞。例1現有甲、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的個數比是_,乙晶胞中a與b的個數比是_,丙晶胞中有_個c離子,有_個d離子。答案431144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xy1(6)43;ab1(8)11;丙晶胞中c離子為1214個,d離子為864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的數目:41,Y的數目:4,化學式為X3Y,正確;D圖中X的數目:81,Y的數目:63,Z位于內部,數目為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目叫配位數。分析上圖非密置層的配位數是4,密置層的配位數是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)合金的性質合金的熔、沸點一般比組成它的各成分金屬的熔、沸點低。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空間利用率每個晶胞所含原子數非密置層簡單立方堆積Po(釙)652%1體心立方堆積Na、K、Fe868%2密置層六方堆積Mg、Zn、Ti1274%6面心立方堆積Cu、Ag、Au1274%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_gcm3(用帶A的計算式表示)。答案(1)4(2)解析(1)根據晶胞結構可知,金晶體中最小的一個立方體含有金原子數目為864。(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NA4,解得。方法規(guī)律立方晶胞中各物理量的關系mVa3N1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D2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,平均含有鈉原子數為812,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()AXYZBX2Y4ZCXY4ZDX4Y2Z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原子數為81;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為簡單立方堆積,為六方最密堆積,為體心立方堆積,為面心立方最密堆積B每個晶胞含有的原子數分別為1個,2個,2個,4個C晶胞中原子的配位數分別為6,8,8,12D空間利用率的大小關系為。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。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。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為_。(2)銅的晶胞示意為圖3,晶胞中所含的銅原子數為_個。金屬銅晶胞的邊長為acm。又知銅的密度為gcm3,阿伏加德羅常數為_。答案(1)Ar3d64s2金屬812(2) 4mol1解析(1)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a3 g;由a3 g,得NAmol1。對點訓練題組一晶胞及其微粒數目的確定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目,C項和D項是體心立方晶胞。3MCl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的個數共有()A6個B8個C12個D16個答案A解析根據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的個數之比為()A11B21C31D41答案C解析根據均攤法可知,該晶胞中K的個數為266,C60的個數為182,所以該物質中K和C60的個數之比為6231。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內金屬原子個數比為()A321B1184C984D21149答案A解析a晶胞中,頂點的微粒被6個晶胞共用,所以a中原子個數為12236;b中原子個數為864;c中原子個數為812。6最近發(fā)現,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()AMg2CNi3BMgC2NiCMgCNi2DMgCNi3答案D解析Mg處于晶胞的頂點上,故有81個;Ni處于晶胞的面心,故有63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()AMgBBMgB2CMg2BDMg3B2答案B解析棱柱內硼原子數為6,均屬于這個晶胞。鎂原子位于上、下面心(2個)及12個頂點,共有鎂原子數為2123,則鎂、硼原子個數之比為12。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()AYBa2Cu3O4BYBa2Cu2O5CYBa2Cu3O5DYBaCu4O4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81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82個,所以,每個晶胞單獨含有的銅原子數為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為765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()ALi、Na、Mg、CaBLi、Na、K、RbCPb、Ag、Cu、AuDBe、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gcm3,NA為阿伏加德羅常數,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()ANAa3B.C.D.答案A解析根據晶胞中粒子個數的計算知,1個CsCl晶胞中含1個Cs,1個Cl。有MVNAa3NA。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,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16d3D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為864,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,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,配位數是_;B屬于_層,配位數是_。(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,金屬原子的配位數是_,平均每個晶胞所占有的原子數目是_。(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) 61 (3)6APo6s26p414Mn、Fe均為第4周期過渡金屬元素,兩元素的部分電離能數據如下表:元素MnFe電離能/kJmol1I1717759I215091561I332482957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原子個數之比為_,Fe原子配位數之比為_。答案(1)3d54s2Mn2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)2132解析(1)根據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)根據題給晶胞的結構,在每個體心立方晶胞中含有的鐵原子數目是2個(配位數是8),在每個面心立方晶胞中含有的鐵原子數目是4個(配位數是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a0.446nm。晶胞中K、I、O分別處于頂角、體心、面心位置,如圖所示。K與O間的最短距離為_nm,與K緊鄰的O個數為_。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替代型產物Fe(xn)CunNy。FexNy轉化為兩種Cu替代型產物的能量變化如圖2所示,其中更穩(wěn)定的Cu替代型產物的化學式為_。答案(1)0.31512體心棱心(2)Fe3CuN解析(1)K與O間的最短距離是面對角線的,即a0.446 nm0.315 nm。與K緊鄰的O共有12個。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Cu:81,Fe:63,N:1,故化學式為Fe3CuN。- 配套講稿:
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