第三节金属晶体[核心素养发展目标] 1.宏观辨识与微观探析：能辨识常见的金属晶体，能从微观角度分析金属晶体中的构成微粒及微粒间的相互作用。
2.证据推理与模型认知：能利用金属晶体的通性推导晶体类型，从而理解金属晶体中各微粒之间的作用，理解金属晶体的堆积模型，并能用均摊法分析其晶胞结构。
一、金属键和金属晶体1．金属键(1)概念：金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用。
(2)实质：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，形成一种“巨分子”。
(3)特征：金属键没有方向性和饱和性。
2．金属晶体(1)金属晶体通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的晶体，叫做金属晶体。
(2)用电子气理论解释金属的性质(1)金属单质和合金都属于金属晶体。
(2)金属晶体中含有金属阳离子，但没有阴离子。
(3)金属导电的微粒是自由电子，电解质溶液导电的微粒是自由移动的阳离子和阴离子；前者导电过程中不生成新物质，为物理变化，后者导电过程中有新物质生成，为化学变化。
因而，二者导电的本质不同。
例1下列关于金属键的叙述中，不正确的是( )A．金属键是金属阳离子和自由电子这两种带异性电荷的微粒间的强烈相互作用，其实质与离子键类似，也是一种电性作用B．金属键可以看作是许多原子共用许多电子所形成的强烈的相互作用，所以与共价键类似，也有方向性和饱和性C．金属键是带异性电荷的金属阳离子和自由电子间的相互作用，故金属键无饱和性和方向性D．构成金属键的自由电子在整个金属内部的三维空间中做自由运动【考点】金属键和金属晶体【题点】金属键的理解答案 B解析从基本构成微粒的性质看，金属键与离子键的实质类似，都属于电性作用，特征都是无方向性和饱和性；自由电子是由金属原子提供的，并且在整个金属内部的三维空间内运动，为整个金属的所有阳离子所共有，从这个角度看，金属键与共价键有类似之处，但两者又有明显的不同，如金属键无方向性和饱和性。
例2下列各组金属熔点高低顺序正确的是( )A．Mg>Al>Ca B．Al>Na>LiC．Al>Mg>Ca D．Mg>Ba>Al【考点】金属键与金属晶体【题点】金属晶体的物理性质及影响因素答案 C解析电荷数Al3＋>Mg2＋＝Ca2＋＝Ba2＋>Li＋＝Na＋，金属阳离子半径：r(Ba2＋)>r(Ca2＋)>r(Na＋) >r(Mg2＋)>r(Al3＋)>r(Li＋)，故C正确，A错误；B中Li>Na，D中Al>Mg>Ba。
方法规律(1)金属阳离子半径越小，离子所带电荷数越多，自由电子越多，金属键越强，金属晶体的熔点越高。
如K＜Na＜Mg＜Al，Li＞Na＞K＞Rb。
(2)一般合金的熔点低于各成分金属的熔点。
二、金属晶体的堆积方式1．二维空间的堆积模型金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。
把它们放置在平面上(即二维空间里)，可有两种方式——(a)非密置层和(b)密置层(如下图所示)，其配位数分别为4和6。
2．三维空间模型三维空间模型三维空间堆积图示说明非密置层在三维空间堆积简单立方堆积相邻非密置层原子的原子核在同一直线上的堆积，空间利用率太低，只有金属钋(Po)采用这种堆积方式体心立方堆积将上层金属原子填入下层金属原子形成的凹穴中，并使非密置层的原子稍稍分离，每层均照此堆积。
这种堆积方式所得的晶胞是一个含有两个原子的立方体，一个原子在立方体的顶角，另一个原子在立方体的体心，其空间利用率比简单立方堆积高，碱金属属于这种堆积方式密置层在三维空间堆积六方最密堆积按ABABAB……的方式堆积面心立方最密堆积按ABCABCABC……的方式堆积3.常见的堆积模型三种典型结构型式面心立方最密堆积体心立方堆积六方最密堆积常见金属Cu、Au、Ag Na、K、Fe Mg、Zn、Ti结构示意图晶胞配位数12 8 12空间利用率74% 68% 74% 每个晶胞所含原子数 4 2 2特别提醒(1)堆积原理：组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时，在空间的排列大都服从紧密堆积原理。
这是因为在金属晶体中，金属键没有方向性和饱和性，因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围，并以密堆积方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。
(2)六方最密堆积的晶胞是平行六面体但不是立方体，底面中的角度不是90°，而是60°和120°，晶胞内的原子不是在晶胞的中心。
例3(2019·沈阳高二检测)下列关于金属晶体的堆积模型的说法正确的是( )A．金属晶体中的原子在二维空间有三种放置方式B．金属晶体中非密置层在三维空间可形成两种堆积方式，其配位数都是6C．六方最密堆积和面心立方最密堆积是密置层在三维空间形成的两种堆积方式D．金属晶体中的原子在三维空间的堆积有多种方式，其空间利用率相同【考点】金属晶体堆积模型的判断与计算【题点】金属晶体堆积模型的判断与比较答案 C解析A项，金属晶体中的原子在二维空间只有非密置层和密置层两种放置方式；B项，非密置层在三维空间可以形成简单立方堆积和体心立方堆积两种堆积方式，其配位数分别是6和8；D项，金属晶体中的原子在三维空间有四种堆积方式，其中六方最密堆积和面心立方最密堆积的空间利用率较高。
例4金属金的晶胞结构是面心立方体，立方体的每个面上5个金原子紧密堆积(如图，其余各面省略)，金原子半径为A cm。
求：(1)金晶体中最小的一个立方体含有________个金原子。
(2)金的密度为________g·cm－3(用带A的计算式表示)。
(3)金原子空间占有率为________(Au的相对原子质量为197)。
【考点】金属晶体堆积模型的判断与计算【题点】金属晶胞的分析与计算答案 (1)4 (2)19742A 3N A(3)0.74(或74%) 解析 (1)根据晶胞结构可知，金晶胞中含有金原子数目为8×18＋6×12＝4。
(2)金原子半径为A cm ，则晶胞中面对角线是4A cm ，所以晶胞的边长是22A cm ，所以(22A )3·ρ197×N A ＝4，解得ρ＝4×197(22A )3·N A。
(3)晶胞的体积是(22A )3 cm 3，而金原子占有的体积是4×43πA 3 cm 3，所以金原子空间占有率为4×43πA 3(22A )3×100%＝4×43π(22)3×100%≈74%。
三、混合晶体——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正六边形平面网状结构。
所有碳原子的p 轨道相互平行且相互重叠，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，属于混合晶体。
石墨的性质(1)导电性、导热性：石墨晶体中，形成大π键的电子可以在整个碳原子平面上运动，比较自由，相当于金属中的自由电子，类似金属键的性质，所以石墨能导电、导热，并且沿层的平行方向导电性强，这也是晶体各向异性的表现。
(2)润滑性：石墨层间作用力为范德华力，结合力弱，层与层间可以相对滑动，使之具有润滑性，因而可以作润滑剂、铅笔芯等。
例5 碳元素的单质有多种形式，如图所示，依次是C 60、石墨和金刚石的结构图：回答下列问题：(1)金刚石、石墨、C 60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，它们互为________。
(2)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化形式分别为________、________。
(3)C 60属于________晶体，石墨属于________晶体。
(4)石墨晶体中，层内C—C键的键长为142pm，而金刚石中C—C键的键长为154pm。
其原因是金刚石中只存在C—C间的________共价键，而石墨层内的C—C间不仅存在________共价键，还有________键。
答案(1)同素异形体(2)sp3sp2(3)分子混合(4)σσπ(或大π或ppπ)解析(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管都是由同种元素形成的不同单质，故它们互为同素异形体。
(2)在金刚石中，每个碳原子都形成四个共价单键，故碳原子的杂化方式为sp3；石墨烯中碳原子采用sp2杂化。
(3)一个“C60”就是一个分子，故C60属于分子晶体；石墨层与层之间是范德华力，而同一层中碳原子之间是共价键，故形成的晶体为混合晶体。
(4)在金刚石晶体中，碳原子之间只形成共价单键，全部为σ键；在石墨层内的碳原子之间既有σ键又有π键。
1．正误判断(1)常温下，金属单质都以晶体形式存在( )(2)固态时能导电是判断金属晶体的标志( )(3)金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的静电吸引作用( )(4)金属晶体的熔点一定比分子晶体高( )(5)金属键的强弱决定金属晶体的熔点和硬度( )(6)金属晶体的堆积模型仅与金属原子半径有关( )(7)石墨为混合晶体，层与层之间存在分子间作用力，故熔点低于金刚石( )答案(1)×(2)×(3)×(4)×(5)√(6)×(7)×2．(2019·龙岩高二月考)金属键的实质是( )A．自由电子与金属阳离子之间的相互作用B．金属原子与金属原子间的相互作用C．金属阳离子与阴离子的吸引力D．自由电子与金属原子之间的相互作用【考点】金属键和金属晶体【题点】金属键的理解答案 A解析金属晶体由金属阳离子与自由电子构成，微粒间的作用力称为金属键。
3．(2018·四川中江龙台中学高二月考)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．金属原子间的相互作用C．金属阳离子与自由电子间的相互作用D．自由电子间的相互作用【考点】金属键和金属晶体【题点】金属键的理解答案 C4．下图是金属晶体内部电子气理论图电子气理论可以用来解释金属的性质，其中正确的是( )A．金属能导电是因为金属阳离子在外加电场作用下定向移动B．金属能导热是因为自由电子在热的作用下相互碰撞，从而发生热的传导C．金属具有延展性是因为在外力的作用下，金属阳离子各层间会出现相对滑动，但自由电子可以起到润滑的作用，使金属不会断裂D．合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，使电子数目增多，所以合金的延展性比纯金属强，硬度比纯金属小【考点】金属键和金属晶体【题点】金属晶体的通性及解释答案 C解析金属能导电是因为自由电子在外加电场作用下定向移动，A项错误；金属能导热是因为自由电子在热的作用下与金属阳离子碰撞，从而发生热的传导，B项错误；合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，相当于填补了金属阳离子之间的空隙，所以一般情况下合金的延展性比纯金属弱，硬度比纯金属大，D项错误。