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第三节 金属晶体与离子晶体
一、金属键
1．定义：在金属单质晶体中原子之间以金属阳离子与自由电子之间强烈的
相互作用。
2．成键粒子：金属阳离子和自由电子。
3．成键条件：金属单质或合金。
4．成键本质
电子气理论：金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，
被所有原子共用，从而把所有金属原子维系在一起，形成像共价晶体一样的
“巨分子”。
5.特征：自由电子不属于某个特定的金属阳离子，即每个金属阳离子均可
享有所有的自由电子，但都不可能独占某个或某几个自由电子在整块金属中自
由移动。金属键既没有方向性，也没有饱和性。
6. 金属键的强弱比较
一般来说，金属键的强弱主要取决于金属元素原子的半径和价电子数。原
子半径越大，价电子数越少，金属键越弱；原子半径越小，价电子数越多，金
属键越强。
7.金属键对物质性质的影响
①金属键越强，晶体的熔、沸点越高。
②金属键越强，晶体的硬度越大。
1二、金属晶体
1．通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体，叫做金属晶
体。
【注】①在金属晶体中有阳离子，但没有阴离子，所以，晶体中有阳离子
不一定有阴离子，若有阴离子，则一定有阳离子。
②金属单质或合金的晶体（晶体锗、灰锡除外）属于金属晶体。
③金属晶体与共价晶体一样。是一种“巨分子”。
2．用电子气理论解释金属的物理性质
3．金属晶体的性质
(1)金属晶体具有良好的导电性、导热性和延展性。
(2)熔、沸点：金属键越强，熔、沸点越高。
①同周期金属单质，从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点升高。
②同主族金属单质，从上到下(如碱金属)熔、沸点降低。
③合金的熔、沸点一般比其各成分金属的熔、沸点低。
④金属晶体熔点差别很大，如汞常温下为液体，熔点很低；而铁常温下
2为固体，熔点很高。
例1．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”，在外加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 [金属一般具有银白色的金属光泽，与金属键密切相关。由于金属
原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光辐射到它的表面上
时，自由电子可以吸收所有频率的光，然后很快释放出各种频率的光，这就使
得绝大多数金属呈现银灰色以至银白色光泽，故A项错误；B、C、D项均正
确。]
例2．在金属晶体中，如果金属原子的价电子数越多，金属阳离子的半径越
小，自由电子与金属阳离子间的作用力越大，金属的熔点越高。由此判断下列
各组金属熔点的高低顺序，其中正确的是( )
A．Mg＞Al＞Ca B．Al＞Na＞Li
C．Al＞Mg＞Ca D．Mg＞Ba＞Al
答案 C [金属原子的价电子数：Al＞Mg＝Ca＝Ba＞Li＝Na，金属阳离子
的半径：r(Ba2＋)＞r(Ca2＋)＞r(Na＋)＞r(Mg2＋)＞r(Al3＋)＞r(Li＋)，则C正确。]
三、离子晶体
31．离子键
(1)构成粒子：阳离子和阴离子。
(2)作用力：离子键。
(3)特征：没有饱和性和方向性。
(4)形成条件：一般应满足两种元素的电负性之差大于 1.7，即活泼的金属元
素和活泼的非金属元素。
(5)配位数：一个离子周围最邻近的异电性离子的数目。
2.离子晶体
(1)常见离子晶体
一般来说，含金属或NH +的晶体，但AlCl 为分子晶体。
4 3
【注】①离子晶体中一定含有离子键，可能含有共价键和氢键等，如
CuSO ·H O。
4 2
②离子晶体中，每个阴（阳）离子周围排列的带相反电荷的离子的
数目是固定的，不是任意的。
(2)离子晶体的性质
性质 原因
离子晶体中有较强的离子键，熔化或汽化时需消耗较多的能
量。所以离子晶体有较高的熔点、沸点和难挥发性。通常情况
熔、沸点
下，同种类型的离子晶体，离子半径越小，离子键越强，熔、
沸点越高
硬而脆。离子晶体表现出较高的硬度。当晶体受到冲击力作用
硬度
时，部分离子键发生断裂，导致晶体破碎
导电性 不导电，但熔融或溶于水后能导电。离子晶体中，离子键较
强，阴、阳离子不能自由移动，即晶体中无自由移动的离子，
4因此离子晶体不导电。当升高温度时，阴、阳离子获得足够的
能量克服了离子间的相互作用力，成为自由移动的离子，在外
加电场的作用下，离子定向移动而导电。离子晶体溶于水时，
阴、阳离子受到水分子的作用成了自由移动的离子(或水合离
子)，在外加电场的作用下，阴、阳离子定向移动而导电
大多数离子晶体易溶于极性溶剂 ( 如水 ) 中，难溶于非极性溶剂
( 如汽油、苯、 CCl ) 中 。当把离子晶体放入水中时，水分子对离
4
溶解性
子晶体中的离子产生吸引，使离子晶体中的离子克服离子间的
相互作用力而离开晶体，变成在水中自由移动的离子
离子晶体中阴、阳离子交替出现，层与层之间如果滑动，同性
延展性
离子相邻而使斥力增大导致不稳定，所以离子晶体无延展性
【注】①离子晶体的熔、沸点和硬度与离子键的强弱有关，离子键越强，
离子晶体的熔沸点越高，硬度越大。
②离子键的强弱与离子半径和离子所带电荷数有关，离子半径越小，
离子所带的电荷数越多，离子键越强。
【拓展】常见的离子晶体
晶体类型 NaCl CsCl
晶胞
阳离子的配位数 6 8
阴离子的配位数 6 8
Cl－ 4 Cs＋ 1
晶胞中所含离子数
Na＋ 4 Cl－ 1
5四、过度晶体和混合型晶体
1．过渡晶体
(1)四类典型的晶体是指分子晶体、共价晶体、金属晶体和离子晶体。
(2)过渡晶体：介于典型晶体之间的晶体。
①几种氧化物的化学键中离子键成分的百分数
氧化物 Na O MgO Al O SiO
2 2 3 2
离子键的
62 50 41 33
百分数/%
从上表可知，表中4种氧化物晶体中的化学键既不是纯粹的离子键，也不
是纯粹的共价键，这些晶体既不是纯粹的离子晶体也不是纯粹的共价晶体，只
是离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体。
②偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体接近，因而通
常当作离子晶体来处理，如Na O 等。同样，偏向共价晶体的过渡晶体则当作共
2
价晶体来处理，如Al O 、SiO 等。
2 3 2
【注】四类典型晶体都有过渡晶体存在。
2．混合型晶体
(1)晶体模型
6石墨结构中未参与杂化的p轨道
(2)结构特点——层状结构
①同层内碳原子采取sp2杂化，以共价键(σ键)结合，形成平面六元并环结
构。
②石墨是层状结构的，层与层之间不存在化学键，是靠范德华力维系。
③石墨的二维结构内，每个碳原子的配位数为 3，有一个未参与杂化的2p
电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面。
(3)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。
(4)性质：熔点很高、质软、易导电等。
【拓展】①由于碳原子的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，所以石墨具有良好的导电性。
②石墨晶体中碳原子数与共价键数的关系：
每个六元环中含有C—C键数为 =3
每个六元环中含有C原子数为 =2
(5)混合型晶体的概念
7向石墨这样的晶体，既有共价键，又有范德华力，同时存在类似金属键的作
用力，兼具有共价晶体、分子晶体、金属晶体特征的晶体叫混合型晶体。
例3．自然界中的CaF 又称萤石，是一种难溶于水的固体，属于典型的离
2
子晶体。下列一定能说明CaF 是离子晶体的实验是( )
2
A．CaF 难溶于水，其水溶液的导电性极弱
2
B．CaF 的熔、沸点较高，硬度较大
2
C．CaF 固体不导电，但在熔融状态下可以导电
2
D．CaF 在有机溶剂(如苯)中的溶解度极小
2
答案 C [离子晶体中含有离子键，离子键在熔融状态下被破坏，电离出自
由移动的阴、阳离子，所以离子晶体在熔融状态下能够导电，这是判断某晶体
是否为离子晶体的依据。]
例4．(双选)泽维尔研究发现，当用激光脉冲照射 NaI，使Na＋和I－两核间
距为1.0～1.5 nm时，呈离子键；当两核靠近约距0.28 nm时，呈共价键。根据
泽维尔的研究成果能得出的结论是( )
A．NaI晶体是过渡晶体
B．离子晶体可能含有共价键
C．NaI晶体中既有离子键，又有共价键
D．共价键和离子键没有明显的界线
答案 AD [化学键既不是纯粹的离子键也不是纯粹的共价键，共价键和离
子键没有明显的界线。]
例5．如图所示是从NaCl或CsCl的晶体结构中分割出来的部分结构图，其
8中属于从NaCl晶体中分割出来的结构图是( )
(1) (2) (3) (4)
A．图(1)和(3) B．图(2)和(3)
C．图(1)和(4) D．只有图(4)
答案 C [本题考查了离子晶体的代表物质NaCl、CsCl的晶体结构。NaCl
晶体中，每个Na＋周围最邻近的Cl－有6个，构成正八面体，同理，每个Cl－周
围最邻近的6个Na＋也构成正八面体，由此可知图(1)和(4)是从NaCl晶体中分
割出来的结构图，C项正确。]
例6．碳元素的单质有多种形式，如图所示，依次是 C 、石墨和金刚石的
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结构图：
回答下列问题：
(1)金刚石、石墨、C 、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，它们互为
60
________。
(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 属于________晶体，石墨属于________晶体。
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9(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。
[解析] (1)金刚石、石墨、C 、碳纳米管都是由同种元素形成的不同单质，
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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“C ”就是一
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个分子，故C 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
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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。
[答案] (1)同素异形体 (2)sp3 sp2 (3)分子 混合 (4)σ σ π(或大π
或ppπ)
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