高中化学选修--物质结构与性质

高中化学选修——物质结构与性质

专题3 微粒间作用力与物质性质

【教材内容分析】

在必修2中，学生已初步了解了物质结构和元素周期律、离子键、共价键、分子间作用力等微粒间作用力的知识，又初步了解了离子晶体、分子晶体和原子晶体等结构知识。本专题内容是在学生学习必修2和从原子、分子水平上认识物质构成的基础上，以微粒之间不同的作用力为线索，侧重研究不同类型物质的有关性质，使学生能更深层次上认识物质的结构与性质之间的关系。本专题分四个单元介绍微粒间作用力与物质性质的关系。第一单元的内容首先从介绍金属键入手，对金属的特性作出了解释，又介绍了影响金属键的主要因素；并在金属键的基础上，简单介绍了金属晶体中晶胞的几种常见的堆积模型以及有关晶胞的计算；最后又拓展了合金的性质与结构。让学生对金属晶体有一个较为全面的认识。第二单元通过复习钠与氯形成氯化钠的过程，使学生理解离子键的形成过程和特点；晶格能与离子型化合物的物理性质的关系以及有关晶胞的计算；最后拓展了离子晶体中阴、阳离子半径比与配位数的关系。使学生对于离子晶体有一个较全面的了解。第三单元通过对氢分子的形成过程的分析，使学生理解共价键的本质和特征；以氮分子、乙烯等共价型物质为例介绍共价键的类型；共价键的键能与化学反应热的关系；原子晶体的性质与键能的内在联系。第四单元介绍范德华力、氢键的形成，以及范德华力、氢键对分子晶体性质的影响。通过本专题的学习，使学生进一步认识晶体的结构与性质之间的关系，也可使学生进一步深化“结构决定性质”的认识。

【课时分配】

第一单元 3课时

第二单元 3课时

【教案设计】

第一单元 金属键 金属晶体

【知识与技能】

1．通过联系金属实物，复习金属的一些物理共性，使学生理解金属键的概念，初步学会用金属键知识解释金属的物理性质

2． 理解金属晶体的概念、构成及物理性质特征；了解金属晶体中晶胞的堆积方式，掌握有关晶胞的计算方法。

【过程与方法】1。通过多媒体动画来展示金属的导电、导热、延展性，使学生理解金属键与金属性质的关系。培养学生的想象力和从微观到宏观的认识方法。

2．通过对晶体结构示意图和晶体模型的观察认识，教会学生研究方法，培养学生的观察能力、空间想象力，提高思维的全面性、严密性。

【情感态度与价值观】能够利用所学的化学知识从微观角度解释金属的导电、导热、延展性，激发学生的学习热情，培养学生体验科学探究的乐趣，激发学生对科学的热爱。

本单元重点：

金属晶体与离子晶体的结构特点，从结构的角度分析两种晶体的某些物理性质进行了解。

本单元难点：

金属晶体与离子晶体的空间堆积方式。

（第二课时）

【教学过程设计】

【引入】展示：雪花、石英、食盐、铝的晶体结构图，

大多数的金属及其合金也是晶体，具有规则的几何外形。

【阅读】课本P30 化学史话：人类对晶体结构的认识。

【板书】一、晶体与非晶体

晶体:具有规则几何外形的固体

非晶体:没有规则几何外形的固体

二、晶体的特性

1、有规则的几何外形

2、有固定的熔沸点

3、各向异性(强度、导热性、光学性质等）

三、 晶体的分类(依据：构成晶体的粒子种类及粒子之间的作用)

分为：金属晶体、离子晶体、原子晶体、分子晶体、混合晶体。

【板书】§3-1-2 金属晶体

一、金属晶体的密堆积结构

【展示】 钠晶体的堆积方式，讲解晶胞的概念。

【板书】1、晶胞：金属晶体中能够反映晶体结构特征的基本重复单位

【讲解】晶体的结构是晶胞在空间连续重复延伸而形成的。晶胞与晶体的关系如同砖块与墙的关系。在金属晶体中，金属原子如同半径相等的小球一样，彼此相切、紧密堆积成晶体。金属晶体中金属原子的紧密堆积是有一定规律的。

【展示】金属晶体的原子平面堆积模型

（a ）非密置层 （b ）密置层

【设问】哪种排列方式圆球周围剩余空隙最小？

【投影并讲解】金属晶体中离子是以紧密堆积的形式存在的. 下面的刚性球模型来讨论堆积方式.

在一个层中，最紧密的堆积方式是，一个球与周围 6 个球相切，在中心的周围形成 6 个凹位，将其算为第一层.

第二层: 对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准1, 3, 5 位 (若对准2, 4, 6 位, 其情形是一样的).

关键是第三层, 对第一、二层来说, 可以有两种最紧密的堆积方式: 第一种是将球对准第一层的球, 于是每两层形成一个周期，即 ABAB 堆积方式，形成六方紧密堆积, 配位数

12

(同层 6, 上下各 3). 此种六方紧密堆积的前视图:

另一种是将球对准第一层的 2, 4, 6 位, 不同于 AB 两层的位置, 这是 C 层. 第四层再排 A , 于是形成 ABCABC 三层一个周期. 得到面心立方堆积, 配位数 12.

这两种堆积都是最紧密堆积, 空间利用率为 74.05%.

还有一种空间利用率稍低的堆积方式, 立方体心堆积: 立方体 8 个顶点上的球互不相切, 但均与体心位置上的球相切. 配位数 8, 空间利用率为 68.02%

【板书】2. 金属晶体的常见的三种堆积方式：

(1)六方堆积. 如镁、锌、钛等

(2) )面心立方堆积。如金、银、铜、铝等

(3)体心立方堆积。如钠、钾、铬、钨

（4）简单立方堆积。如钋等

二、金属晶体中晶胞粒子数的计算

【引导】学生观察右图立方体晶胞，并思考晶胞

中原子的计算方法：讨论后，请学生回答。

【板书】1、立方体晶胞中原子的计算方法

（1）顶端原子一般只计算 1/8 棱边原子一般只计算 1/4

面上原子一般只计算 1/2 内部原子一般计算成 1

（2）晶胞内含的原子数=a*1/8+b*1/4+c*1/2+d

a 位于顶点的原子或离子数； b为位于棱边的原子或离子数；

c 为位于面上的原子或离子数； d为位于晶胞内的原子或离子数

【思考】

右图是钠晶体的晶胞结构，

则晶胞中的原子数是

钠晶体的晶胞

2、若如右图六棱柱状晶胞，顶端原子一般只计算 1/6

棱边原子一般只计算 1/3

面上原子一般只计算

1/2

内部原子一般计算成 1

若此晶胞所有原子相同，则此晶胞中含 6 个原子。

能力训练：1、 在金属晶体中最常见的三种堆积方式有：（1）配位数为8的 堆积，

（2）配位数为 的立方面心堆积，（3）配位数为 的 堆积。其中 和 空间相等， 以ABAB 方式堆积， 以ABCABC 方式堆积，就的堆积层来看，二者的区别是在第 层。

2、1183 K 以下纯铁晶体的基本结构单元如图1所示，1183 K 以上转变为图2所示结构的基本结构单元，在两种晶体中最邻近的铁原子间距离相同。

（1）在1183 K 以下的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子数为______个；在1183 K 以上的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子数为___________；

（2）纯铁晶体在晶型转变前后，二者基本结构单元的边长之比为（1183 K 以下与1183K 以上之比）___________。

（3）转变温度前后两者的密度比（1183 K以下与1183 K以上之比）______。

【过渡】我们学习了金属晶体中金属原子的紧密堆积的方式，知道尽管原子尽可能多地紧密堆积，但原子与原子之间还存在着一定的空隙，于是人们就想能否在金属中加入其他的金属或非金属，以填入原金属的空隙中。

【播放】我国古代很早就掌握了合金的制造和加工技术的画面。

【板书】三、合金

1、合金：是指一种金属与另一种（或几种）金属或非金属经过熔合而得到的具有

金属性质的物质。

【讲述】例如，黄铜是铜和锌的合金（含铜67%、锌33%）；青铜是铜和锡的合金（含铜78%、锡22%）；钢和生铁是铁与非金属碳的合金。故合金可以认为是具有金属特性的多种元素的混合物。

【板书】2、性质：合金在硬度、弹性、强度、熔点等许多性能方面都优于纯金属。

【讲解】合金的某些性质比纯金属更优越，例如铁易生锈，而在普通钢中加入约15%的铬和约0.5%的镍形成的不锈钢；金属铝很软，而一定比例的铝、铜、镁熔合而成的硬铝。具有较大的硬度。当原子半径较小的H 、B 、C 、N 等非金属元素与金属元素形成合金时，非金属元素的原子渗入金属晶体的空隙中，这类合金一般具有较高的熔点和较大的硬度。当电负性和原子半径相差不大的两种金属元素形成的合金，一种金属原子将占据另一种金属原子的晶体结构中的位置，从而使形成的合金的强度和硬度比组成它的金属的强度和硬度都要大。因此合金的性质主要决定于它的组成和内部结构。其内部结构与成分金属的性质，各成分用量之比及制备合金时的条件有密切的关系。特别是温度的控制，对结构有很大的影响。

3、合金的分类：（1）．以某种金属作基质，掺入适量其他金属或非金属的合金，称为某基质的合金。如钢，是以铁为基质的铁合金。

练习：请你写出五种以上的合金名称______,_________, _________, _________, ________。

（2）．在金属晶体的不同空隙中适度填入一定量的其他金属或非金属所形成的合金，称为金属间充化合物。许多金属间充化合物具有低密度，高强度以及高温力学性能和抗氧化性能的优异特点，被视为新一代高温结构材料。金属间充化合物主要用于航天、航空、汽车和化工工业。

思考：你认为金属间充化合物与高温结构陶瓷相比，优越性体现在什么方面？

能力训练：2

1、合金有许多特点, 如钠-钾合金(含钾50%-80%)为液体, 而钠钾的单质均为固体，据此推测生铁、纯铁、碳三种物质中，熔点最低的是 ( )

A . 生铁 B.纯铁 C.碳 D.无法确定

2、下列铁及铁的合金中，最易生锈的是（ ）

A 、生铁 B、纯铁 C、 镍铬钢 D、钢

简单立方堆积

非密置层三种立方堆积

【课堂小结】体心立方堆积

1、金属晶体中原子的堆积方式 面心立方堆积 密置层

三种最常见堆积方式

六方密堆积

2、晶体中晶胞粒子数的计算

（1）立方堆积 体心：1 面心:1/2 顶点:1/8 棱边:1/4

3、合金

【课后练习】

1．金属钠晶体为体心立方晶格（如图），实验测得钠的密度为ρ（g ·cm ）。已知钠的相对原子质量为a ，阿伏加德罗常数为N A （mol ），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 ．32a 2a 2a 12a ⋅ B．⋅3 C． D．⋅ N A ρ2N A ρN A ρ4N A ρ-1-3

2．拟晶(quasicrystal)钠晶体的晶胞 是2000年之前发现的几百种拟晶之一，具有合金的某些优良物理性能。有关这种拟晶的说法错误的是 ．．

A．Al 65Cu 23Fe 12的硬度比金属Al 、Cu 、Fe 都大

B ．Al 65Cu 23Fe 12中三种金属的化合价均可视作零

C ．Al 65Cu 23Fe 12不可用作长期浸泡在海水中的材料

D ．1mol Al65Cu 23Fe 12溶于过量的硝酸时共失去265 mol电子

3、硼和镁形成的化合物刷新了金属化合物超导温度的最高记录，如图所示，

○镁原子，位于定点和上下两个面心

●硼原子，位于六棱柱的内部

则该化合物的化学式可表示为

A 、MgB B、MgB 2 C、Mg 2B D、Mg 3B 2

4．纳米材料的表面微粒数占微粒总数的比例极大，这是它有许多特殊性质的原因，假设某纳米颗粒中粒子分布类似于硼镁化合物，其结构如上图所示，则这种纳米颗粒的表面微粒数占总微粒数的百分数为

A ．22％ B ． 70％ C．66.7％ D． 33.3％

5、某固体仅由一种元素组成，其密度为5.0g.cm-3, 用X 射线研究该固体的结构时, 得知在边长为10-7cm 的立方体中含有20个原子, 则此元素的相对原子质量最接近于下列数据中的

( ) A、32 B、120 C、150 D、180

6. 现有甲、乙、丙、丁四种晶胞（如图2-8所示），可推知：甲晶体中A 与B 的离子个数比为 ；乙晶体的化

学式为 ；丙

晶体的化学式为

______；丁晶体的化

学式为______。

7．金晶体的最小重

复单元（也称晶胞）是面心立方体，即在立方体的8个顶点各有

一个金原子，各个面的中心有一个金原子，每个金原子被相邻的

晶胞所共用（如图）。金原子的直径为d cm，用N A 表示阿伏加德

罗常数，M 表示金的摩尔质量。

（1）金晶体每个晶胞中含有________个金原子。

（2）欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，

还应假定_______________。

（3）一个晶胞的体积是多少？（4）金晶体的密度是多少？

8．晶体是质点（分子、离子、或原子）在空间有规则地排列的，具有整齐外形，以多面体出现的固体物质。在空间里无限地周期性的重复能成为晶体的具有代表性的最小单元，称为晶胞。一种Al －Fe 合金的立体晶胞如图所示。

⑴确定该合金的化学式____________。

⑵若晶胞的边长＝a nm，计算此合金的___________g/cm。

⑶取一定质量的该合金粉末溶于足量的稀NaOH 溶液中， Fe 3

（四条体对角线的待反应完全停止后得到气体6.72L 1处） 4

洗净后，取其质量的十分之一，投入100mL 一定浓度的稀硝酸中，恰好完全反应，共收集到气体0.672L 。（气体体积均在标准状况下测定）①计算硝酸的物质的量浓度。

②最终所得溶液中Fe 的物质的量浓度（假设溶液体积仍为100mL ）。

3＋