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1、第三节第三节 金属晶体金属晶体高2013级化学课题组制 一一、金属共同的物理性质金属共同的物理性质容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。金属为什么具有这些共同性质呢金属为什么具有这些共同性质呢? ?二、金属的结构二、金属的结构组成粒子：组成粒子：金属阳离子和自由电子金属阳离子和自由电子作用力：作用力：金属离子和自由电子之间的较强作金属离子和自由电子之间的较强作用用 金属键（电子气理论）金属键（电子气理论）金属晶体：金属晶体：通过金属键作用形成的单质晶体通过金属键作用形成的单质晶体金属键强弱判断金属键强弱判断: :阳离子所带电荷多、阳离子所带电荷多、半径
2、小金属键强，半径小金属键强，熔沸点高。熔沸点高。金属晶体熔点变化规律金属晶体熔点变化规律1、金属晶体熔点变化较大，、金属晶体熔点变化较大，与金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子与自由电子之间的金与金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子与自由电子之间的金属键的强弱有密切关系属键的强弱有密切关系熔点最低的金属：汞（常温时成液态）熔点最低的金属：汞（常温时成液态）熔点很高的金属：钨（熔点很高的金属：钨（3410）铁的熔点：铁的熔点：1535 2、一般情况下，金属晶体熔点由金属键强弱决定：、一般情况下，金属晶体熔点由金属键强弱决定： 金属阳离子半径越小，所带电荷越多，自由电子越多，金属阳离子半径越小，所带电荷越
3、多，自由电子越多， 金属键越强，熔点就相应越高，硬度也越大。金属键越强，熔点就相应越高，硬度也越大。但金属性越弱但金属性越弱如：如：K Na Mg Al Li Na K Rb Cs资资料料金属之最金属之最熔点最低的金属是熔点最低的金属是- 汞汞熔点最高的金属是熔点最高的金属是- 钨钨密度最小的金属是密度最小的金属是- 锂锂密度最大的金属是密度最大的金属是- 锇锇硬度最小的金属是硬度最小的金属是- 铯铯硬度最大的金属是硬度最大的金属是- 铬铬最活泼的金属是最活泼的金属是-铯铯最稳定的金属是最稳定的金属是-金金延性最好的金属是延性最好的金属是- 铂铂展性最好的金属是展性最好的金属是- 金金【讨论【
4、讨论1 1】 金属为什么易导电？金属为什么易导电？ 在金属晶体中，存在着许多自由电子，这些自由在金属晶体中，存在着许多自由电子，这些自由电子的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件电子的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件下下自由电子自由电子就会就会发生定向运动发生定向运动，因而形成电流，所以，因而形成电流，所以金属容易导电。金属容易导电。晶体类型晶体类型离子晶体离子晶体金属晶体金属晶体 导电时的状态导电时的状态导电粒子导电粒子水溶液或水溶液或熔融状态下熔融状态下晶体状态晶体状态自由移动的离子自由移动的离子自由电子自由电子比较离子晶体、金属晶体导电的区别：比较离子晶体、金属晶体导电的区别
5、：金属晶体的结构与金属性质的内在联系金属晶体的结构与金属性质的内在联系(用电子气理论解释金属的物理性质用电子气理论解释金属的物理性质)1、金属晶体结构与金属导电性的关系、金属晶体结构与金属导电性的关系【讨论【讨论2 2】金属为什么易导热？金属为什么易导热？ 自由电子在运动时经常与金属离子碰撞，自由电子在运动时经常与金属离子碰撞，引起两者能量的交换。当金属某部分受热时，引起两者能量的交换。当金属某部分受热时，那个区域里的自由电子能量增加，运动速度加那个区域里的自由电子能量增加，运动速度加快，通过碰撞，把能量传给金属离子。快，通过碰撞，把能量传给金属离子。 金属容易导热，是由于金属容易导热，是由于
6、自由电子运动时与自由电子运动时与金属离子碰撞把能量从温度高的部分传到温度金属离子碰撞把能量从温度高的部分传到温度低的部分低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。，从而使整块金属达到相同的温度。2、金属晶体结构与金属导热性的关系、金属晶体结构与金属导热性的关系【讨论【讨论3 3】金属为什么具有较好的延展性？金属为什么具有较好的延展性？ 原子晶体受外力作用时，原子间的位移必然导致共价键的断裂，因而难以锻压成型，无延展性。而金属晶体中由于金属离子与自。而金属晶体中由于金属离子与自由电子间的相互作用没有方向性，各原子层由电子间的相互作用没有方向性，各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互之间发生
7、相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使在外力作用下，发生形变也作用，因而即使在外力作用下，发生形变也不易断裂。不易断裂。3、金属晶体结构与金属延展性的关系、金属晶体结构与金属延展性的关系4、金属晶体结构具有金属光泽、金属晶体结构具有金属光泽和颜色和颜色 由于自由电子可由于自由电子可吸收所有频率的光吸收所有频率的光，然后，然后很快释很快释放出各种频率的光放出各种频率的光，因此绝大多数，因此绝大多数金属具有银白色或银灰色光泽。而某些金金属具有银白色或银灰色光泽。而某些金属（如铜、金、铯、铅等）由于属（如铜、金、铯、铅等）由于较易吸收较易吸收某些频率的光而呈现较为特殊的颜色某些频率的光而呈现较
8、为特殊的颜色。 当金属成粉末状时，金属晶体的当金属成粉末状时，金属晶体的晶面取向晶面取向杂乱、晶格排列不规则杂乱、晶格排列不规则，吸收可见光后辐，吸收可见光后辐射不出去，所以成黑色。射不出去，所以成黑色。 I. 有自由电子存在, 是良好的导体; II.自由电子与金属离子碰撞传递热量，具有良好的传热性能; III.自由电子能够吸收可见光并能随时放出, 使金属不透明, 且有光泽; IV. 等径圆球的堆积使原子间容易滑动, 所以金属具有良好的延展性和可塑性; V. 金属间能“互溶”, 易形成合金。 金属晶体的一般性质及其结构根源金属晶体的一般性质及其结构根源金属晶体的原子堆积模型金属晶体的原子堆积模
9、型金属晶体的原子堆积模型金属晶体的原子堆积模型（1 1）几个概念）几个概念 紧密堆积紧密堆积：微粒之间的作用力使微粒间尽：微粒之间的作用力使微粒间尽可能的相互接近，使它们占有最小的空间可能的相互接近，使它们占有最小的空间 配位数配位数：在晶体中与每个微粒紧密相邻的：在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数微粒个数 空间利用率空间利用率：晶体的空间被微粒占满的体积：晶体的空间被微粒占满的体积百分数，用它来表示紧密堆积的程度百分数，用它来表示紧密堆积的程度（2）金属晶体的原子在二维平面堆积模型）金属晶体的原子在二维平面堆积模型（a a）非密置层）非密置层 （b b）密置层）密置层金属晶体的原子平面堆积
10、模型金属晶体的原子平面堆积模型（a）非密置层（b）密置层哪种排列方式圆球哪种排列方式圆球周围剩余空隙最小？周围剩余空隙最小？配位数：4配位数：6 简单立方堆积（简单立方堆积（PoPo）金属晶体的原子空间堆积模型金属晶体的原子空间堆积模型1 1金属晶体的堆积方式金属晶体的堆积方式简单立方堆积简单立方堆积 晶胞的形状是什晶胞的形状是什么？含几个原子？么？含几个原子？金属晶体的原子堆积模型金属晶体的原子堆积模型简单立方堆积简单立方堆积简单立方晶胞的抽取1、简单立方晶胞、简单立方晶胞a=2rV晶胞晶胞=a3V球球=4r3/3空间利用率空间利用率=4r3/3a3100%52%边长为边长为a a体心立方堆
11、积（体心立方堆积（ IA，VB，VIB）金属晶体的原子空间堆积模型金属晶体的原子空间堆积模型2 2金属晶体的堆积方式金属晶体的堆积方式钾型钾型 2、钾型钾型（体心立方堆积）钾型晶胞的抽取边长为边长为 a面对角线边长为面对角线边长为 a体对角线边长为体对角线边长为 a = 4r2、体心立方晶胞、体心立方晶胞23arra4343ar43 = 晶胞含有原子的体积晶胞含有原子的体积 / 晶胞体积晶胞体积 100% =%68%100a) a43(342ar3423333123456 第二层第二层 对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准 1，3，5 位。位。 ( 或对
12、准或对准 2，4，6 位，其情形是一样的位，其情形是一样的 )123456AB， 关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧密的堆积方式。密的堆积方式。 下图是此种六方下图是此种六方紧密堆积的前视图紧密堆积的前视图ABABA 第一种是将球对准第一层的球。第一种是将球对准第一层的球。123456 于是于是每两层形成一个周期每两层形成一个周期，即即 AB AB 堆积方式，形成六堆积方式，形成六方紧密堆积方紧密堆积。 配位数配位数 12 。 ( 同层同层 6，上下层各上下层各 3 ) 第三层的第三层的另一种另一种排列排列方式，方式，是将球
13、对准第一层是将球对准第一层的的 2，4，6 位位，不同于不同于 AB 两层的位置两层的位置，这是这是 C 层。层。123456123456123456123456此种立方紧密堆积的前视图此种立方紧密堆积的前视图ABCAABC 第四层再排第四层再排 A，于是形于是形成成 ABC ABC 三层一个周三层一个周期。期。 得到面心立方堆积得到面心立方堆积。 配位数配位数 12 。( 同层同层 6， 上下层各上下层各 3 ) 镁型镁型铜型铜型金属晶体的两种最密堆积方式金属晶体的两种最密堆积方式AABCBA 3、镁型镁型（AB型六方最密堆积）BABABA镁型晶胞的抽取BAB3 3、（六方）最密堆积、（六方
14、）最密堆积 解：解：A3堆积的一个六方晶胞a120ocaa120oca在在A3型堆积中取出六方晶胞，平行六面体的底是型堆积中取出六方晶胞，平行六面体的底是平行四边形，各边长平行四边形，各边长a=2r，则平行四边形的面积，则平行四边形的面积 平行六面体的高：平行六面体的高：22360sinaaaSaaah3623622的四面体高边长为33228236223raaaV晶胞)2(3423个球晶胞中有球rV%05.74%100晶胞球VV4 4、铜型（、铜型（面心立方最密堆积) )BAACCB1ABC铜型面心立方晶胞的抽取BBAC面心立方面心立方 BCA边长为边长为 a面对角线边长为面对角线边长为 a4
15、r3、面心立方晶胞、面心立方晶胞2arra4242 a = 2.83 r 每个每个面心立方晶胞含原子数目面心立方晶胞含原子数目： 8 1/8 + 6 = 4 % = (4 4/3 r 3) / a 3 = (4 4/3 r 3) / (2.83 r ) 3 100% = 74%arra4242三、金属晶体的四种堆积模型对比三、金属晶体的四种堆积模型对比堆积模型堆积模型典型代表典型代表空间利空间利用率用率配位数配位数晶胞晶胞简单立方简单立方钾型钾型( bcp )镁型镁型(hcp)铜型铜型(ccp)阅读课文阅读课文7676资料卡片资料卡片，并填写下表，并填写下表金属晶体的四中堆积模型对比金属晶体的
16、四中堆积模型对比四、空间利用率的计算四、空间利用率的计算空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在整空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比。个晶体空间中所占有的体积百分比。 球体积球体积 空间利用率空间利用率= 100% 晶胞体积晶胞体积1 1下列有关金属元素特征的叙述中正确的是下列有关金属元素特征的叙述中正确的是A A金属元素的原子只有还原性，离子只有氧金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性化性B B金属元素在化合物中一定显正价金属元素在化合物中一定显正价C C金属元素在不同化合物中的化合价均不同金属元素在不同化合物中的化合价均不同D D金属单质的熔点总是高于分子晶体金属单质的熔点总是高于分子晶体能力训练能力训练