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1、高二化学选修3第三章 物质结构与性质第3节 金属晶体TiTi金属样品金属样品1 1、金属键的定义：金属离子和自由电子、金属键的定义：金属离子和自由电子之间的强烈的相互作用，叫金属键。之间的强烈的相互作用，叫金属键。（1 1）金属键的成键微粒是金属阳离子和）金属键的成键微粒是金属阳离子和自由电子。自由电子。（2 2）金属键存在于金属单质和合金中。）金属键存在于金属单质和合金中。（3 3）金属键没有方向性也没有饱和性。）金属键没有方向性也没有饱和性。一、金属的结构一、金属的结构2 2、金属晶体的定义：通过金属、金属晶体的定义：通过金属离子与离子与自由电子之间自由电子之间的较强的相互作用形成的的较强
2、的相互作用形成的晶体。晶体。（1 1）在晶体中，不存在单个分子）在晶体中，不存在单个分子（2 2）金属阳离子被自由电子所包围。）金属阳离子被自由电子所包围。金属晶体金属原子自由电子3 3、电子气理论：经典的金属键理论叫做、电子气理论：经典的金属键理论叫做“电子气理论电子气理论”。它把金属键形象地描绘成从。它把金属键形象地描绘成从金属原子上金属原子上“脱落脱落”下来的大量自由电子形下来的大量自由电子形成可与气体相比拟的带负电的成可与气体相比拟的带负电的“电子气电子气”，金属原子则金属原子则“浸泡浸泡”在在“电子气电子气”的的“海洋海洋”之中。之中。二、二、金属共同的物理性质金属共同的物理性质容易
3、导电、导热、有延展性、有金属光泽容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。等。【讨论讨论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
4、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：三、金属晶体的结构与金属性质的内在联系三、金属晶体的结构与金属性质的内在联系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
5、属容易导热，是由于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，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无延展性。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
6、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和、金属晶体结构具有金属光泽和颜色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，然后很快释然后很快释放出各种频率的光放出各种频率的光，因此，因此绝大多数金属具有银白色或钢灰色光绝大多数金属具有银白色或钢灰色光泽。而某些金属（如铜、金、铯、铅泽。而某些金属（如铜、金
7、、铯、铅等）由于等）由于较易吸收某些频率的光而呈较易吸收某些频率的光而呈现较为特殊的颜色现较为特殊的颜色。当金属成粉末状时，金属晶体的当金属成粉末状时，金属晶体的晶面晶面取向杂乱、晶格排列不规则取向杂乱、晶格排列不规则，吸收可，吸收可见光后辐射不出去，所以成黑色。见光后辐射不出去，所以成黑色。【总结】金属晶体的结构与性质的关系导电性导电性导热性导热性延展性延展性金属离金属离子和自子和自由电子由电子自由电子在自由电子在外加电场的外加电场的作用下发生作用下发生定向移动定向移动自由电子自由电子与金属离与金属离子碰撞传子碰撞传递热量递热量晶体中各晶体中各原子层相原子层相对滑动仍对滑动仍保持相互保持相互
8、作用作用5 5、影响金属键强弱的因素：、影响金属键强弱的因素：金属阳离子所带电荷越多、金属阳离子所带电荷越多、离子半径越小，金属键越强。离子半径越小，金属键越强。一般情况下，金属晶体熔点由金属键强弱一般情况下，金属晶体熔点由金属键强弱决定决定金属阳离子半径越小，所带电荷越多，金属阳离子半径越小，所带电荷越多，自由电子越多，自由电子越多，金属键越强，熔点就相应越高，金属键越强，熔点就相应越高，硬度也越大硬度也越大【思考思考4】已知碱金属元素的熔沸点随原子序数的增已知碱金属元素的熔沸点随原子序数的增大大 而递减，试用金属键理论加以解释。而递减，试用金属键理论加以解释。同主族元素价电子数相同（阳离子
9、所带电荷数同主族元素价电子数相同（阳离子所带电荷数相同），从上到下，原子（离子）半径依次增相同），从上到下，原子（离子）半径依次增大，则单质中所形成金属键依次减弱，故碱金大，则单质中所形成金属键依次减弱，故碱金属元素的熔沸点随原子序数的增大而递减属元素的熔沸点随原子序数的增大而递减。【思考思考5】试判断钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度试判断钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度的的 大小。大小。同周期元素，从左到右，价电子数依次增大，同周期元素，从左到右，价电子数依次增大，原子（离子）半径依次减弱，则单质中所形成原子（离子）半径依次减弱，则单质中所形成金属键依次增强，故钠、镁、铝三种金属熔沸金属键依次增
10、强，故钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度的大小顺序是：钠镁铝点和硬度的大小顺序是：钠镁铝。资料资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 -38.87熔点最高的金属是熔点最高的金属是-钨钨 3410密度最小的金属是密度最小的金属是-锂锂 0.53g/cm3密度最大的金属是密度最大的金属是-锇锇 22.57g/cm3硬度最小的金属是硬度最小的金属是-铯铯 0.2硬度最大的金属是硬度最大的金属是-铬铬 9.0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 铂丝直径：铂丝直径：mm展性最好的金属是展性最好的金属是-金金 金箔厚：
11、金箔厚：mm1.1.金属晶体的形成是因为晶体中存在（金属晶体的形成是因为晶体中存在（）A.A.金属离子间的相互作用金属离子间的相互作用B B金属原子间的相互作用金属原子间的相互作用 C.C.金属离子与自由电子间的相互作用金属离子与自由电子间的相互作用 D.D.金属原子与自由电子间的相互作用金属原子与自由电子间的相互作用2.2.金属能导电的原因是（金属能导电的原因是（）A.A.金属晶体中金属阳离子与自由电子间的金属晶体中金属阳离子与自由电子间的 相互作用较弱相互作用较弱 B B金属晶体中的自由电子在外加电场作用金属晶体中的自由电子在外加电场作用下可发生定向移动下可发生定向移动 C C金属晶体中的
12、金属阳离子在外加电场作金属晶体中的金属阳离子在外加电场作用下可发生定向移动用下可发生定向移动 D D金属晶体在外加电场作用下可失去电子金属晶体在外加电场作用下可失去电子 练习练习CB3.3.下列叙述正确的是（下列叙述正确的是（）A.A.任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子离子B B原子晶体中只含有共价键原子晶体中只含有共价键 C.C.离子晶体中只含有离子键，不含有共价键离子晶体中只含有离子键，不含有共价键 D D分子晶体中只存在分子间作用力，不含分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键有其他化学键4.4.为什么碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降为什么
13、碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降低，而卤素单质的熔沸点从上到下却升高？低，而卤素单质的熔沸点从上到下却升高？B练习练习知识回顾：知识回顾：三种晶体类型与性质的比较三种晶体类型与性质的比较晶体类型晶体类型原子晶体原子晶体分子晶体分子晶体金属晶体金属晶体概念概念相邻原子之间以共价相邻原子之间以共价键相结合而成具有空键相结合而成具有空间网状结构的晶体间网状结构的晶体分子间以范德分子间以范德华力相结合而华力相结合而成的晶体成的晶体通过金属键形成的通过金属键形成的晶体晶体作用力作用力构成微粒构成微粒物物理理性性质质熔沸点熔沸点硬度硬度导电性导电性实例实例金刚石、二氧化硅、金刚石、二氧化硅、晶体硅、碳化硅
14、晶体硅、碳化硅 Ar、S等等Au、Fe、Cu、钢、钢铁等铁等共价键共价键范德华力范德华力金属键金属键原子原子分子分子金属阳离子金属阳离子和自由电子和自由电子很高很高很低很低差别较大差别较大很大很大很小很小差差别较大别较大无（硅为半导体）无（硅为半导体）无无导体导体金属原子在金属原子在二维空间（平面）二维空间（平面）上有二种排列方式上有二种排列方式二、金属晶体的原子堆积模型二、金属晶体的原子堆积模型 （a a）非密置层）非密置层（b b）密置）密置层层 金属晶体可以看成金属原子在三维金属晶体可以看成金属原子在三维空间中堆积而成空间中堆积而成.那么那么,非密置层在三维空间里堆积有非密置层在三维空间
15、里堆积有几种方式？请比较不同方式堆积时金属晶体的配位几种方式？请比较不同方式堆积时金属晶体的配位数、原子的空间利用率、晶胞的区别。数、原子的空间利用率、晶胞的区别。配位数配位数=4配位数配位数=6思考与交流思考与交流晶胞的形状是什么晶胞的形状是什么？含几个原子？含几个原子？1 1、简单立方堆、简单立方堆积积 Po 配位数：配位数：空间占有率：空间占有率：每个晶胞含原子数：每个晶胞含原子数：6152%2、体心立方堆积体心立方堆积-钾型钾型金属晶体的堆积方式金属晶体的堆积方式体心立方堆积体心立方堆积 非密置层的另一种堆积是将上层金属非密置层的另一种堆积是将上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中
16、原子填入下层的金属原子形成的凹穴中（IA，VB，VIB）配位数：配位数：空间占有率：空间占有率：每个晶胞含原子数：每个晶胞含原子数：868%2空间利用率计算例例1：计算体心立方晶胞中金属原子的空间利用率。：计算体心立方晶胞中金属原子的空间利用率。解：体心立方晶胞：中心有1个原子，8个顶点各1个原子，每个原子被8个 晶胞共享。每个晶胞含有几个原子:1+8 1/8=2空间利用率计算空间利用率计算设原子半径为r、晶胞边长为a，根据勾股定理，得：2a 2+a 2=(4r)2空间利用率 =晶胞含有原子的体积/晶胞体积100%=123456第二层对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准第二层对第一层来讲最紧
17、密的堆积方式是将球对准 1 1，3 3，5 5 位。位。(或对准或对准 2 2，4 4，6 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。思考：密置层的堆积方式有哪些？思考：密置层的堆积方式有哪些？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第一种是将第三层的球对准第一第一种是将第三层的球对准第一层的球。层的球。123456于是每两层形成一个周期，于是每两层形成一个周期，即即ABAB堆积方式，形成六堆积方式，形成六方紧密堆
18、积方紧密堆积。配位数配位数 。(同层同层 ，上下层各上下层各 。)12 63第二种是将第三层的第二种是将第三层的球球对准第一层的对准第一层的 2 2，4 4，6 6 位位，不同于不同于 AB AB 两层两层的位置的位置，这是这是 C 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ABCABC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 。(同层同层 ，上下层各上下层各 )126 3镁镁型型六方密堆积六方密堆积3、按密置层的堆积方式的第一种：按密置层的
19、堆积方式的第一种：六方密堆积六方密堆积配位数：配位数：空间占有率：空间占有率：每个晶胞含原子数：每个晶胞含原子数：1274%2镁型镁型六方密堆积六方密堆积（Be Mg B B B Be Mg B B B）4 4、铜型铜型 面心立方面心立方 按密置层的堆积方式的第二种：按密置层的堆积方式的第二种：面心立方堆积面心立方堆积面心立方面心立方 BCA配位数：配位数：空间占有率：空间占有率：每个晶胞含原子数：每个晶胞含原子数：铜型铜型 面心立方面心立方 BCA1274%4（B Pb Pd Pt）例2：求面心立方晶胞的空间利用率.解：晶胞边长为a，原子半径为r.由勾股定理：a 2+a 2=(4r)2 a=
20、2.83r每个面心立方晶胞含原子数目：81/8+6=4=(44/3r 3)/a 3=(44/3r 3)/(2.83 r)3100%=74%空间利用率计算三、金属晶体的结构特征三、金属晶体的结构特征：在金属晶体里，金属阳离子有规则地紧密堆积，自由电子几乎均匀分布在整个晶体中，不专属哪几个特定的金属离子，而是被许多金属离子共有。四、金属晶体的熔点变化规律：四、金属晶体的熔点变化规律：（1）金属晶体熔点变化差别较大。如汞在常温下是液体，熔点很低（38.9。C）。而铁等金属熔点很高（1535。C）。这是由于金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子与自由电子的静电作用力不同而造成的差别。（2）一般情况下（同类型
21、的金属晶体），金属晶体的熔点由金属阳离子半径、所带的电荷数、自由电子的多少而定。阳离子半径越小，所带的电荷越多，自由电子越多，相互作用就越大，熔点就会越高。1 1、金属晶体的四种堆积模型对比、金属晶体的四种堆积模型对比阅读阅读资料卡片资料卡片并掌握并掌握2、石墨是层状结构的混合型晶体 晶体具有规则的几何外形，晶体中最基本的重复单位称为是晶晶体具有规则的几何外形，晶体中最基本的重复单位称为是晶胞。胞。NaCl晶体结构如图所示，已知晶体结构如图所示，已知FexO晶体晶胞结构为晶体晶胞结构为NaCl型，由于晶体缺陷，型，由于晶体缺陷，x值小于值小于1，测知，测知FexO晶体密度为晶体密度为5.71g
22、/cm3，晶胞边长为，晶胞边长为4.2810-10m。（1）FexO中中x值（精确到值（精确到0.01）为）为？（2）晶体中的）晶体中的Fen+分别为分别为Fe2+、Fe3+，在，在Fe2+和和Fe3+总数中，总数中，Fe2+所占分数（用小数表示，精确至所占分数（用小数表示，精确至0.001）为）为？(3)此晶体的化学式为此晶体的化学式为？（4）与某个）与某个Fe2+（或（或Fe3+）距离最近且等距离的）距离最近且等距离的O2-围成的空间围成的空间几何形状是几何形状是？（5）在晶体中，铁元素的离子间的最短距离为）在晶体中，铁元素的离子间的最短距离为？m配位数：配位数：在晶体中，与每个微粒紧密相邻的微粒个数在晶体中，与每个微粒紧密相邻的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百分数，它用来晶体的空间被微粒占满的体积百分数，它用来表示紧密堆积的程度表示紧密堆积的程度