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1、第三节金属晶体自制本讲稿第一页，共三十六页 大家都知道晶体有固定的几何外形、有固定大家都知道晶体有固定的几何外形、有固定的熔点，雪花、干冰等都属于分子晶体，靠的熔点，雪花、干冰等都属于分子晶体，靠范德范德华力华力结合在一起，金刚石等都是原子晶体，结合在一起，金刚石等都是原子晶体，靠靠共价键共价键相互结合，那么我们所熟悉的铁、铝相互结合，那么我们所熟悉的铁、铝等金属是不是晶体呢？它们又是靠等金属是不是晶体呢？它们又是靠什么作用结什么作用结合合在一起的呢？在一起的呢？本讲稿第二页，共三十六页第三节第三节 金属晶体金属晶体教学目标：教学目标：1 1、了解金属的性质和形成原因、了解金属的性质和形成原因
2、2 2、掌握金属键的本质、掌握金属键的本质“电子气理论电子气理论”3 3、能用电子气理论和金属晶体的有关知识解释金属的性、能用电子气理论和金属晶体的有关知识解释金属的性质质4 4、掌握金属晶体的四种原子堆积模型、掌握金属晶体的四种原子堆积模型教学重点：教学重点：金属具有共同物理性质的解释。金属晶金属具有共同物理性质的解释。金属晶体内原子的空间排列方式。金属晶体内原子的空体内原子的空间排列方式。金属晶体内原子的空间排列方式。间排列方式。教学难点：教学难点：金属键和电子气理论。金属晶体内原子的金属键和电子气理论。金属晶体内原子的空间排列方式空间排列方式本讲稿第三页，共三十六页阅读教材阅读教材P73
3、1.1.金属单质中金属原子之间是采取怎金属单质中金属原子之间是采取怎样的方式结合的呢？样的方式结合的呢？2.2.你能归纳出金属的物理性质吗你能归纳出金属的物理性质吗?你你知道金属为什么具有这些物理性质知道金属为什么具有这些物理性质吗吗?金属键金属键金属光泽、导电性、导热性、良好金属光泽、导电性、导热性、良好的延展性等。的延展性等。本讲稿第四页，共三十六页组成粒子：组成粒子：金属阳离子金属阳离子和自由电子和自由电子金属原子脱落来的价电子形成遍布整金属原子脱落来的价电子形成遍布整个晶体的个晶体的“电子云电子云”自由电子自由电子，被，被所有所有原子所共用原子所共用，从而把所有的原子维系在一起。，从而
4、把所有的原子维系在一起。金属键的结合力就来源于公有化电子和离子间金属键的结合力就来源于公有化电子和离子间的静电作用。的静电作用。一、金属键的本质与特征一、金属键的本质与特征特征：特征：没有饱和性没有饱和性和方向性。和方向性。本讲稿第五页，共三十六页金属晶体金属晶体：通过金属键作用形成的：通过金属键作用形成的 单质晶体单质晶体金属键强弱的影响因素：金属键强弱的影响因素：金属键的强弱决定于金属阳离子所金属键的强弱决定于金属阳离子所带电荷及阳离子半径的大小。一般带电荷及阳离子半径的大小。一般来说，金属阳离子所带电荷越多，来说，金属阳离子所带电荷越多，阳离子半径越小，金属键就越强。阳离子半径越小，金属
5、键就越强。金属的熔沸点就越高。金属的熔沸点就越高。本讲稿第六页，共三十六页【思考【思考1 1】已知碱金属元素的熔沸点随原】已知碱金属元素的熔沸点随原子序数的增大而递减，试用金属键理论加子序数的增大而递减，试用金属键理论加以解释。以解释。同主族元素价电子数相同（阳离子所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，原子带电荷数相同），从上到下，原子（离子）半径依次增大，则单质中所（离子）半径依次增大，则单质中所形成金属键依次减弱，故碱金属元素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。的熔沸点随原子序数的增大而递减。本讲稿第七页，共三十六页同周期元素，从左到右，价
6、电子数同周期元素，从左到右，价电子数依次增大，原子（离子）半径依次依次增大，原子（离子）半径依次减弱，则单质中所形成金属键依次减弱，则单质中所形成金属键依次增强，故钠、镁、铝三种金属熔沸增强，故钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度的大小顺序是：钠镁点和硬度的大小顺序是：钠镁铝。铝。【思考【思考2 2】试判断钠、镁、铝三种金属熔】试判断钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度的大小。沸点和硬度的大小。本讲稿第八页，共三十六页【问题【问题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，但在外自由电子的运动是没有
7、一定方向的，但在外加电场的条件下加电场的条件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，所以金属容易导电。因而形成电流，所以金属容易导电。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：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本讲稿第九页，共三十六页【问题【问题2 2】金属为什么易导热？金属为什么易导热？金属容易导热，是由于金属容易导热，是由
8、于自由电子运动时与金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。金属晶体中由于金属离子与自由电子间的金属晶体中由于金属离子与自由电子间的相相互作用没有方向性互作用没有方向性，各原子层之间发生相对滑动，各原子层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，发生形变也不易断裂。作用下，发生形变也不易断裂。【问题【问题3 3】金属为什么有较好的延展性？金属为什么有较好的延展性？本讲稿第十页，共三十六页【问题【问
9、题4 4】金属晶体为什么具有金属】金属晶体为什么具有金属 光泽和颜色光泽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，然后很，然后很快释快释放出各种频率的光放出各种频率的光，因此绝大多数金属，因此绝大多数金属具有银白色或钢灰色光泽。而某些金属（如具有银白色或钢灰色光泽。而某些金属（如铜、金、铯、铅等）由于铜、金、铯、铅等）由于较易吸收某些频率较易吸收某些频率的光而呈现较为特殊的颜色的光而呈现较为特殊的颜色。当金属成粉末状时，金属晶体的当金属成粉末状时，金属晶体的晶面取向杂乱、晶面取向杂乱、晶格排列不规则晶格排列不规则，吸收可见光后辐射不出去，吸收可见光后辐射不出去，所以成
10、黑色。所以成黑色。本讲稿第十一页，共三十六页【总结总结】金属晶体的结构与性质的关系金属晶体的结构与性质的关系微微 粒粒导电性导电性导热性导热性延展性延展性金属金属阳离阳离子和子和自由自由电子电子自由电子自由电子在外加电在外加电场的作用场的作用下发生定下发生定向移动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作用作用 不同的金属在某些性质方面，如不同的金属在某些性质方面，如密密度度、硬度硬度、熔点熔点等又表现出很大差别。等又表现出很大差别。这与金属原子本身、晶体中原子的排列这与金属原子本身、晶体中原子的排列方式
11、等因素有关。方式等因素有关。本讲稿第十二页，共三十六页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-熔点最高的金属是熔点最高的金属是-密度最小的金属是密度最小的金属是-密度最大的金属是密度最大的金属是-硬度最小的金属是硬度最小的金属是-硬度最大的金属是硬度最大的金属是-最活泼的金属是最活泼的金属是-最稳定的金属是最稳定的金属是-延性最好的金属是延性最好的金属是-展性最好的金属是展性最好的金属是-汞汞 -38.87钨钨 3410锂锂 0.53g/cm3锇锇 22.57g/cm3铯铯 0.2铬铬 9.0铯铯金金铂铂铂丝直径铂丝直径：mm金金金箔厚：金箔厚：mm本讲稿第十三页，共三十六页
12、二、金属晶体的原子堆积模型二、金属晶体的原子堆积模型哪种排列方式圆球周围剩余空隙最小？哪种排列方式圆球周围剩余空隙最小？（a）非密置层）非密置层（b）密置层密置层 课本课本P74P74 【学与问学与问】将直径相等的圆球置于平将直径相等的圆球置于平面上，使球面紧密接触，除上述两种方式外，还面上，使球面紧密接触，除上述两种方式外，还有没有有没有第第三种方式？三种方式？配配位位数数46没有没有本讲稿第十四页，共三十六页1 1、简单立方堆积、简单立方堆积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%本讲稿第十五页，共三十六页一个晶胞的体积：一个晶胞的体积：a
13、3=(2r)3=8r3一个晶胞内有一个原子，一个晶胞内有一个原子，一个原子的体积：一个原子的体积：4/3r3简单立方的空间利用率为：简单立方的空间利用率为：=52%4/3r38r3本讲稿第十六页，共三十六页2 2、体心立方堆积、体心立方堆积-钾型：钠钾铁等钾型：钠钾铁等868%2配位数：配位数：空间利用率：空间利用率：每个晶胞含原子数：每个晶胞含原子数：本讲稿第十七页，共三十六页课本课本P75【学与问】【学与问】体体心心立立方方堆堆积积是是个个立立方方体体，想想一一想想，如如果果原原来来的的非非密密置置层层上上的的原原子子保保持持紧紧密密接接触触，立立方方体体中中 心心 能能 否否 容容 得得
14、 下下 一一 个个 原原 子子？不能不能思考：非密置层堆积有简单立方和体心立方思考：非密置层堆积有简单立方和体心立方两种堆积方式，那么密置层的堆积方式又有两种堆积方式，那么密置层的堆积方式又有哪些？哪些？本讲稿第十八页，共三十六页金属晶体（第二课时）金属晶体（第二课时）本讲稿第十九页，共三十六页回顾上节内容回顾上节内容非密置层非密置层三维堆积简单立方堆积简单立方堆积体心立方堆积体心立方堆积密置层密置层三维堆积？本讲稿第二十页，共三十六页123456123456第二层第二层 对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准对准1，3，5 位。位。(或对准或对准 2，4，6
15、 位，其位，其情形是一样的情形是一样的)AB，关键是第三层，对第一、二层来说，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。第三层可以有两种最紧密的堆积方式。本讲稿第二十一页，共三十六页下图是此种六方紧下图是此种六方紧密堆积的前视图密堆积的前视图ABABA第一种是将球对准第一种是将球对准第一层的球。第一层的球。123456于是于是每两层形成一个每两层形成一个周期周期，即，即AB AB AB AB 堆积堆积方式，形成方式，形成六方紧密堆六方紧密堆积积。配位数配位数 12 。(同层同层 6，上下层各，上下层各3)本讲稿第二十二页，共三十六页六方最密堆积六方最密堆积俯视图俯视图本
16、讲稿第二十三页，共三十六页具有密排六方结构的金属有具有密排六方结构的金属有镁、锌、镁、锌、镉、锆、铍、钛、钴镉、锆、铍、钛、钴等。等。74%2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：本讲稿第二十四页，共三十六页第三层的另一种排列第三层的另一种排列方式，是将球对准第方式，是将球对准第一层的一层的2 2，4 4，6 6位位，不，不同于同于AB 两层的位置，两层的位置，这是这是C层。层。123456123456第四层再排第四层再排A，于是形，于是形成成ABC ABC三层一个三层一个周期。得到周期。得到面心立方面心立方堆积堆积。配位数配位数 12(同层同层6，上下层各，上下层各3)
17、本讲稿第二十五页，共三十六页123456此为立方紧密堆此为立方紧密堆积的前视图积的前视图ABCAABC俯视图俯视图 本讲稿第二十六页，共三十六页ABC ABC 形式的堆积，为什么是面心立方堆形式的堆积，为什么是面心立方堆积？我们来加以说明。积？我们来加以说明。俯视图俯视图稍向右转稍向右转本讲稿第二十七页，共三十六页本讲稿第二十八页，共三十六页具有面心立方最密堆积的金属有具有面心立方最密堆积的金属有Cu、Ag、Au等。等。74%4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：面心立方：面心立方：配位数：配位数：12本讲稿第二十九页，共三十六页典型金属结构典型金属结构简单立方结构简单
18、立方结构体心立方结构体心立方结构面心立方结构面心立方结构密排六方结构密排六方结构【练习练习】下列叙述正确的是下列叙述正确的是 A.任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子子B原子晶体中只含有共价键原子晶体中只含有共价键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分子晶体中只存在分子间作用力，不含有分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键其他化学键 B本讲稿第三十页，共三十六页资料资料LiBeNa MgAlKCaScTi VCr*FeCo NiCu ZnRb SrYZr Nb Mo TcRu Rh Pd Ag CdCs
19、 BaLa Hf Ta WRe Os IrPtAuTiPbCe Pr NdEu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu六方最六方最密堆积密堆积面心立方面心立方最密堆积最密堆积体心立方体心立方堆积堆积12345678910 111213 14本讲稿第三十一页，共三十六页简简简简单单单单立立立立方方方方钾钾钾钾型型型型（体体体体心心心心立立立立方方方方堆堆堆堆积积积积）镁镁镁镁型型型型（六六六六方方方方密密密密堆堆堆堆积积积积）镁镁镁镁型型型型（六六六六方方方方密密密密堆堆堆堆积积积积）本讲稿第三十二页，共三十六页金属晶体的四种堆积模型对比本讲稿第三十三页，共三十六页石墨是层状结构的石墨是
20、层状结构的混合型混合型晶体晶体 三、混合晶体三、混合晶体石墨石墨本讲稿第三十四页，共三十六页石墨晶体的层状结构，层内石墨晶体的层状结构，层内为平面正六边形结构为平面正六边形结构(如图如图)，试回答下列问题：，试回答下列问题：（1 1）图中平均每个正六边）图中平均每个正六边形占有形占有C原子数为原子数为_个、占个、占有的碳碳键数为有的碳碳键数为_个。个。（2 2）层内）层内7 7个六元环完全占个六元环完全占有的有的C原子数为原子数为_个，碳个，碳原子数目与原子数目与C-C化学键数目化学键数目之比为之比为_._.练习练习2 2：142:323混合型晶体混合型晶体本讲稿第三十五页，共三十六页【课后思考】分别计算体心立方堆积和面心立方【课后思考】分别计算体心立方堆积和面心立方最密堆积的空间利用率最密堆积的空间利用率（设原子的半径为（设原子的半径为r,立立方体的边长为方体的边长为a）本讲稿第三十六页，共三十六页