第三章 晶体结构与性质第三节 金属晶体与离子晶体【学习目标】 1.能辨识常见的金属晶体，能从微观角度分析金属晶体中构成微粒及微粒间作用，并解释金属的物理性质。2.能辨识常见的离子晶体，能从微观角度理解离子键对离子晶体性质的影响，能从宏观角度解释离子晶体性质的差异。3.通过对离子晶体模型的认识，理解离子晶体的结构特点，预测其性质。4.从化学键变化上认识过渡晶体，理解纯粹的典型晶体在自然界中是不多的。2.从结构和性质上认识典型的混合型晶体——石墨。【基础知识】一、金属键与金属晶体1、金属键(1)概念：“电子气理论”把金属键描述为金属原子脱落下来的 价电子 形成遍布整块晶体的“ 电子气 ”，被所有原子所共用，从而把所有的 金属原子 维系在一起。(2)成键粒子是 金属阳离子 和 自由电子 。(3)金属键的强弱和对金属性质的影响①金属键的强弱主要决定于金属元素的原子半径和价电子数。原子半径越 大 、价电子数越 少，金属键越 弱 ；反之，金属键越 强 。②金属键越强，金属的熔、沸点越 高 ，硬度越 大 。如：熔点最高的金属是 钨 ，硬度最大的金属是 铬 。2、金属晶体(1)在金属晶体中，原子间以 金属键 相结合。(2)金属晶体的性质：优良的 导电性 、 导热性 和 延展性 。二、离子晶体1、离子键及其影响因素(1)概念：阴、阳离子之间通过 静电作用 形成的化学键。(2)影响因素：离子所带电荷数越 多 ，离子半径越 小 ，离子键越 强 。2、离子晶体及其物理性质(1)概念：由 阳离子 和 阴离子 相互作用而形成的晶体。(2)离子晶体的性质①熔、沸点较 高 ，硬度较 大 。②离子晶体不导电，但 熔化 或 溶于水 后能导电。③大多数离子晶体能溶于水，难溶于有机溶剂。3、常见离子晶体的结构(1)NaCl 晶胞NaCl 晶胞如图所示，每个 Na＋周围距离最近的 Cl－有 6 个(上、下、左、右、前、后各 1 个)，构成正八面体，每个 Cl－周围距离最近的 Na＋有 6 个，构成正八面体，由此可推知晶体的化学式为NaCl。①每个 Na＋(Cl－)周围距离相等且最近的 Na＋(Cl－)是 12 个。②每个晶胞中实际拥有的 Na＋数是 4 个，Cl－数是 4 个。③若晶胞参数为a pm，则氯化钠晶体的密度为 g·cm－3。(2)CsCl 晶胞 CsCl 晶胞如图所示，每个 Cs＋周围距离最近的 Cl－有 8 个，每个 Cl－周围距离最近的 Cs＋有 8 个，它们均构成正六面体，由此可推知晶体的化学式为 CsCl。回答下列问题：①每个 Cs＋(Cl－)周围距离最近的 Cs＋(Cl－)有 6 个，构成 正八面体 。②每个晶胞中实际拥有的 Cs＋有 1 个，Cl－有 1 个。③若晶胞参数为a pm，则氯化铯晶体的密度为 g·cm－3。三、过渡晶体与混合型晶体1、过渡晶体(1)四类典型晶体是 分子晶体 、 共价晶体 、 金属晶体、离子晶体。(2)离子晶体和共价晶体的过渡标准是化学键中离子键成分的 百分数 。离子键成分的百分数大，作为离子晶体处理，离子键成分的百分数小，作为 共价晶体 处理。(3)Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、SO3、Cl2O7七种氧化物中从左到右，离子键成分的百分数越来越小，其中作为离子晶体处理的是 Na 2O 、 MgO ；作为共价晶体处理的是 Al 2O3、 SiO 2 ；作为分子晶体处理的是 P 2O5、 SO 3、 Cl 2O7 。2、混合型晶体——石墨(1)结构特点——层状结构①同层内，碳原子采用 sp 2 杂化，以 共价键 相结合形成 平面六元并环 结构。所有碳原子的 p 轨道平行且相互重叠，p 轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动。②层与层之间以 范德华力 相结合。(2)晶体类型石墨晶体中，既有 共价键 ，又有 金属键 和 范德华力 ，属于 混合型晶体 。(3)物理性质：①导电性，②导热性，③润滑性。四、晶体类型的比较1、四种晶体的比较晶体分子晶体离子晶体 金属晶体 共价晶体构成微粒 分子 阴、阳离子金属离子、自由电子原子微粒间作用力范德华力(少数有氢键)离子键 金属键 共价键性质熔、沸点较低 较高 一般较高 很高硬度小 略硬而脆 一般较大 很大溶解性相似相溶多数溶于水不溶，有些与水反应不溶机械加工性能不良 不良 良好 不良导电性固态、液态均不导电，部分溶于水时导电固态时不导电，熔融时导电，能溶于水的溶于水时导电固态、熔融态时导电大部分固态、熔融时都不导电作用力大小规律组成和结构相似的分子，相对分子质量大的范德华力大离子所带电荷数多、半径小的离子键强金属原子的价电子数多、半径小的金属离子与自由电子间的作用力强共价键键长短(电子云重叠多)、原子半径小的共价键稳定2、晶体类型的判断方法(1)依据组成晶体的微观粒子和粒子间的作用判断分子间通过 分子间作用力 形成的晶体属于分子晶体；由原子通过共价键形成的晶体属于共价晶体；由阴、阳离子通过离子键形成的晶体属于离子晶体；由金属阳离子和自由电子通过金属键形成的晶体属于金属晶体。 (2)依据物质的分类判断①活泼金属的 氧化物 (如 Na2O、MgO 等)、 强碱 [如 KOH、Ba(OH)2等]和绝大多数的 盐类 是离子晶体。②大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硼、晶体硅等外)、 气态氢化物 、 非金属氧化物(除 SiO2外)、酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是 分子晶体 。③常见的共价晶体单质有金刚石、晶体硼、晶体硅等；常见的共价晶体化合物有碳化硅、SiO2等。④ 金属 单质(除汞外)与 合金 均属于金属晶体。(3)依据晶体的熔点判断离子晶体的熔点较高，常在数百至几千摄氏度；共价晶体的熔点 高 ，常在一千至几千摄氏度；分子晶体的熔点较低，常在数百摄氏度以下至很低温度；金属晶体多数熔点 高 ，但也有熔点相当 低 的。(4)依据导电性判断离子晶体在水溶液中和熔融状态下都导电；共价晶体一般为非导体，但晶体硅能导电；分子晶体为非导体，而分子晶体中的电解质(主要是酸和非金属氢化物)溶于水，使分子内的化学键断裂形成自由离子，也能导电；金属晶体是电的良导体。(5)依据硬度和机械性能判断离子晶体硬度较大或略硬而脆；共价晶体硬度 大 ；分子晶体硬度小且较脆；金属晶体多数硬度大 ，但也有硬度较小的，且具有延展性。【考点剖析】考点一　金属键及金属晶体1．下列有关金属晶体的说法中正确的是(　　)A．金属晶体所有性质均与金属键有关B．最外层电子数少于 3 个的原子一定都是金属C．任何状态下都有延展性D．都能导电、传热答案　D解析　金属键只影响金属的物理性质，A 项错误；H、He 最外层电子数都少于 3 个，但它们不是金属，B 项错误；金属的延展性指的是能抽成细丝、压成薄片的性质，在液态时，由于金属具有流动性，不具备延展性，C 项错误；金属晶体中存在自由电子，能够导电、传热，D 项正确。2．关于金属性质和原因的描述不正确的是(　　)A．金属一般具有银白色光泽是物理性质，与金属键没有关系B．金属具有良好的导电性，是因为在金属晶体中共享了金属原子的价电子，形成了“电子气”，在外电场的作用下自由电子定向移动便形成了电流，所以金属易导电C．金属具有良好的导热性能，是因为自由电子在受热后，加快了运动速率，自由电子通过与金属离子发生碰撞，传递了能量D．金属晶体具有良好的延展性，是因为金属晶体中的原子层可以滑动而不破坏金属键答案　A解析　金属具有金属光泽是由于金属中的自由电子吸收了可见光以后，发生跃近，成为高能态，然后又回到低能态时，把多余的能量以可见光的形式释放出来，因而金属一般显银白色光泽；金属导电性是由于在外加电场下，电子气中的电子定向移动形成电流；导热性是由于自由电子受热后与金属离子发生碰撞，传递能量；良好的延展性是由于原子层滑动时，金属键未被破坏。3．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。据研究表明，一般地，金属原子的半径越小，价电子数越多，则金属键越强。由此判断下列说法正确的是(　　)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、沸点低于钾答案　C解析　Mg 的半径大于 Al 的半径，且价电子数小于 Al 的价电子数，所以金属键：Mg<Al，A 项错；而 Mg 与 Ca 为同一主族，价电子数相同，半径：Mg<Ca，故金属键：Mg＞Ca，B 项错；Ca 与 K 同周期，半径：Ca＜K，价电子数 Ca>K，故金属键：Ca>K，D 项错。4．下列生活中的问题，不能用电子气理论知识解释的是(　　)A．铁易生锈 B．用金属铝制成导线C．用金箔做外包装 D．用铁制品做炊具答案　A解析　铁易生锈，是因为铁中含有碳，易发生电化学腐蚀，与金属键无关，故 A 选；用金属铝制成导线，是利用金属的导电性，金属中存在金属阳离子和自由电子，当给金属通电时，自由电子定向移 动而导电，能用金属键理论知识解释，故 B 不选；用金箔做外包装，是因为有金属光泽，金属具有光泽是因为自由电子能够吸收可见光，能用金属键理论知识解释，故 C 不选；用铁制品做炊具，是利用了金属的导热性，金属容易导热是因为自由电子在运动时经常与金属离子碰撞而引起能量的交换，能用金属键理论知识解释，故 D 不选。考点二　离子晶体及性质5．有关离子晶体的下列说法中不正确的是(　　)A．离子晶体在熔融状态时都能导电B．离子晶体具有较高的熔、沸点，较大的硬度C．离子晶体中阴、阳离子个数比为 1∶1D．氯化钠溶于水时离子键被破坏答案　C解析　在熔融状态下，离子晶体中存在自由移动的离子，故能导电，A 项正确；离子晶体具有较高的熔、沸点和较大的硬度，B 项正确；离子晶体中阴、阳离子个数比各不相同，C 项不正确；氯化钠溶于水时，电离成自由移动的阴、阳离子，离子键被破坏，D 项正确。6．据所学知识判断 KCl、NaCl、CaO、BaO 四种离子晶体熔点的高低顺序是(　　)A．KCl＞NaCl＞BaO＞CaOB．NaCl＞KCl＞CaO＞BaOC．CaO＞BaO＞KCl＞NaClD．CaO＞BaO＞NaCl＞KCl答案　D7．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(　　)ABCDEF离子电荷数 1 1 2键长(10－10m)2.313.182.10A.CD＞AB＞EF B．AB＞EF＞CDC．AB＞CD＞EF D．EF＞AB＞CD答案　D8．北京大学和中国科学院的化学工作者已成功研制出碱金属与 C60形成的球碳盐 K3C60，实验测知该物质属于离子化合物，具有良好的超导性。下列有关分析正确的是(　　)A．K3C60中只有离子键B．K3C60中不含共价键C．该晶体在熔融状态下能导电D．C60与12C 互为同素异形体答案　C解析　首先判断球碳盐 K3C60中，在 K 与 C 之间有离子键。而 60 个 C 之间为共价键。所以该晶体在熔融状态下能电离出 K＋，所以能导电。D 选项中的同素异形体应该对应由相同元素组成的不同单质，12C 不是单质而是元素符号或者代表一个碳原子。9．元素 X、Y 和 Z 可结合形成化合物 XYZ3；X、Y 和 Z 的原子序数之和为 26；Y 和 Z 在同一周期。下列有关推测正确的是(　　)A．XYZ3是一种可溶于水的酸，且 X 与 Z 可形成共价化合物 XZB．XYZ3是一种微溶于水的盐，且 X 与 Z 可形成离子化合物 XZC．XYZ3是一种易溶于水的盐，且 Y 与 Z 可形成离子化合物 YZD．XYZ3是一种离子化合物，且 Y 与 Z 可形成离子化合物 YZ2答案　B解析　由题目可知，XYZ3可能的物质有：HClO3、NaNO3、MgCO3。若 XYZ3为一种可溶于水的酸HClO3，XZ(HO)不能形成共价化合物，且 Y、Z 不在同一周期，A 项错；若 XYZ3为 MgCO3，微溶于水，则XZ 可形成离子化合物 MgO，B 项正确；若 XYZ3为 NaNO3，是易溶于水的盐，YZ(NO)不是离子化合物，C项错；若 XYZ3是离子化合物，YZ2为 NO2或 CO2，均不是离子化合物，D 项错。考点三　离子晶体晶胞的分析与应用10．钡在氧气中燃烧时得到一种钡的氧化物晶体，其晶胞的结构如图所示，下列有关说法中正确的是(　　) A．该晶体属于离子晶体B．晶体的化学式为 Ba2O2C．该晶体的晶胞结构与 CsCl 相似D．与每个 Ba2＋距离相等且最近的 Ba2＋共有 8 个答案　A解析　晶体中含有 Ba2＋和 O，则该晶体属于离子晶体，A 正确；该晶体的晶胞结构与 NaCl 的晶胞结构相似，所以与每个 Ba2＋距离相等且最近的 Ba2＋共有 12 个，C、D 不正确；该氧化物的 1 个晶胞中含有4 个 Ba2＋和 4 个 O，则晶体的化学式应为 BaO2，B 不正确。考点四　过渡晶体与混合晶体11．下列能说明石墨具有分子晶体的性质的是(　　)A．晶体能导电 B．熔点高C．硬度小 D．燃烧产物是 CO2答案　C解析　分子晶体具有硬度小、熔点低的特点，因此 C 项能说明石墨具有分子晶体的性质。A 项，晶体能导电是金属晶体的性质；B 项，熔点高是共价晶体的性质；D 项，燃烧产物是 CO2只能说明石墨能燃烧，是碳单质的化学性质。12．在a mol 石墨中含 C—C 数为(　　)A．4a×6.02×1023 B．a×6.02×1023C．a××6.02×1023 D．8a×6.02×1023答案　C解析　在石墨晶体中，每一个碳原子与 3 个碳原子构成 3 个共价键，因此，每个碳原子可形成 3×＝个 C—C 共价键。即a mol C 原子可形成a××6.02×1023个共价键。13.石墨烯是只由一层碳原子所构成的平面薄膜，其结构模型如图所示。下列有关说法错误的是(　)A．晶体中碳原子间全部是碳碳单键B．石墨烯与石墨都是碳的同素异形体C．石墨烯中所有碳原子可以处于同一个平面D．从石墨中剥离得到石墨烯需克服分子间作用力答案　A解析　根据 C 原子成键特点知，每个 C 原子形成两个碳碳单键和一个碳碳双键，故 A 错误；石墨烯和石墨是碳元素的不同单质，属于同素异形体，故 B 正确；碳碳双键上所有原子都处于同一平面，所以导致石墨烯分子中所有原子可以处于同一平面，故 C 正确；石墨结构中，石墨层与层之间存在分子间作用力，所以从石墨中剥离得到石墨烯需克服石墨层与层之间的分子间作用力，故 D 正确。14．碳有多种同素异形体，其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示，下列说法错误的是(　　)A．在石墨烯晶体中，每个 C 原子连接 3 个六元环B．在石墨烯晶体中，每个六元环占有 3 个 C 原子C．在金刚石晶体中，C 原子所连接的最小环为六元环，每个 C 原子连接 12 个六元环D．在金刚石晶体中，六元环中最多有 4 个 C 原子在同一平面答案　B解析　石墨烯晶体中最小的环为六元环，每个碳原子连接 3 个 C—C 化学键，则每个 C 原子连接 3 个 六元环，故 A 正确；每个六元环占有的 C 原子数为 6×＝2，故 B 错误；在金刚石晶体中，C 原子所连接的最小环为六元环，每个 C 原子连接 4 个 C 原子，连接的 4 个 C 原子中每个 C 原子形成 3 个六元环，所以金刚石晶体中每个 C 原子能形成 12 个六元环，故 C 正确；晶胞中共平面的原子如图 ，最多有 4 个 C 原子在同一平面，故 D 正确。15．碳的两种同素异形体金刚石和石墨晶体结构如图(石墨晶体中是由一个个正六边形组成的片层结构，层与层之间靠微弱的范德华力结合)，下列说法正确的是(　　)A．根据：C(金刚石，s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH＝－395.41 kJ·mol－1，C(石墨，s)＋O2(g)===CO2(g)ΔH＝－393.5 kJ·mol－1，说明金刚石比石墨稳定，石墨转变为金刚石为放热反应B．相同质量的金刚石与石墨晶体中，所含共价键数相同C．估计金刚石与石墨的熔、沸点均较高，硬度均较大D．现代科技已经实现了石墨制取金刚石，该过程属于化学变化答案　D解析　由石墨、金刚石燃烧的热化学方程式① C(石墨，s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH＝－393.5 kJ·mol－1，② C(金刚石，s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH＝－395.41 kJ·mol－1，利用盖斯定律将①－②可得：C(石墨，s)===C(金刚石，s)　ΔH＝＋1.91 kJ·mol－1，则由石墨制备金刚石是吸热反应，石墨的能量低于金刚石，所以石墨比金刚石更稳定，故 A 错误；金刚石中每个 C 原子与相邻的 4 个 C 成键，因此 1 mol C 形成 2 mol 共价键，石墨中每个 C 原子与相邻的 3 个 C 成键，1 mol C 形成 1.5 mol 共价键，等质量时二者含有的共价键数之比为 4∶3，故 B 错误；石墨的硬度小，金刚石的硬度大，故 C 错误；石墨和金刚石是不同物质，两者之间的转化有新物质生成，是化学变化，故 D 正确。16．C 元素有多种同素异形体。而石墨烯是目前科技研究的热点，可看作将石墨的层状结构一层一层的剥开得到的单层碳原子。将氢气加入石墨烯中可得石墨烷。根据下列四图以下描述合理的是(　)A．四者互为同素异形体B．石墨烯和石墨化学性质和物理性质都相同C．四晶体的化学键只有共价键D．四者都是共价晶体答案　C解析　石墨烷不是单质，故 A 错误；石墨烯和石墨的化学性质和物理性质不同，故 B 错误；四晶体都是非金属元素形成的晶体，化学键只有共价键，故 C 正确；只有金刚石是共价晶体，故 D 错误。17．石墨能与熔融金属钾作用，形成石墨间隙化合物，钾原子填充在石墨各层原子中。比较常见的石墨间隙化合物是青铜色的化合物，其化学式可写为 CxK，其平面图形如图所示。x的值为(　　)A．8 B．12 C．24 D．60答案　A解析　可选取题图中 6 个钾原子围成的正六边形为结构单元，每个钾原子被 3 个正六边形共用，则该结构单元中实际含有的钾原子数为 6×＋1＝3，该六边形内的碳原子数为 24，故钾原子数与碳原子数之比为 1∶8。考点五　晶体类型的比较18．下列叙述中正确的是(　　) A．分子晶体中一定存在共价键B．离子晶体中一定含金属元素C．共价晶体中一定不存在离子D．晶体中有阳离子必定含有阴离子答案　C解析　分子晶体由分子通过分子间的作用力(有的是氢键)结合而成，一般分子由原子通过共价键形成。但是，稀有气体的分子就是单个原子，没有共价键，所以 A 错；强碱、典型的盐类物质，例如钠盐、铵盐、活泼金属氧化物对应的晶体是离子晶体，铵盐不含金属离子，所以 B 错；共价晶体是原子通过共价键形成的有空间网状结构的晶体，所以 C 对；金属晶体由金属阳离子和自由电子通过金属键形成，所以 D 错。19．下列每组物质发生状态变化时所克服的微粒间的相互作用属于同种类型的是(　　)A．食盐和蔗糖熔化B．金刚石和硫熔化C．碘和干冰升华D．二氧化硅和氧化钠熔化答案　C解析　A 项，食盐熔化破坏离子键，蔗糖熔化破坏分子间作用力；B 项，金刚石熔化破坏共价键，硫熔化破坏分子间作用力；C 项，两者升华均破坏分子间作用力；D 项，SiO2熔化破坏共价键，Na2O 熔化破坏离子键。20．根据下列几种物质的熔点和沸点数据，判断下列有关说法中错误的是(　　)物质NaClMgCl2AlCl3SiCl4单质 B熔点/℃810710190－682 300沸点/℃1 4651 418182.7572 500注：AlCl3熔点在 2.02×105 Pa 条件下测定。A．SiCl4是分子晶体B．单质 B 是共价晶体C．AlCl3加热能升华D．MgCl2所含离子键的强度比 NaCl 大答案　D解析　由表中数据可知，SiCl4的熔、沸点较低，属于分子晶体，A 正确；单质 B 的熔、沸点很高，所以单质 B 是共价晶体，B 正确；由表中数据可知 AlCl3的沸点比熔点高，所以 AlCl3加热能升华，C 正确；离子晶体的离子键越强，熔、沸点越高，由表中数据可知，NaCl 的熔、沸点均比 MgCl2高，所以NaCl 晶体中的离子键应比 MgCl2的强，D 错误。