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，并能用均摊法分析其晶胞结构。3.了解混合晶体——石墨的结构与性质。
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
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>Li
C．Al>Mg>Ca D．Mg>Ba>Al
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、混合晶体——石墨
1．结构特点——层状结构
(1)同层内，碳原子采用sp2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
3碳元素的单质有多种形式，如图所示，依次是C60、石墨和金刚石的结构图：
回答下列问题：
(1)金刚石、石墨、C60、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)C60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142 pm，而金刚石中C—C键的键长为154 pm。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)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)×
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
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
答案 C
4．下图是金属晶体内部电子气理论图
