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1、3.3金属晶体第1页教学目标教学目标v知识与能力知识与能力v1、了解金属性质和形成原因v2、掌握金属键本质“电子气理论”v3、能用电子气理论和金属晶体相关知识解释金属性质v4、掌握金属晶体四种原子堆积模型教学重点：教学重点：金属含有共同物理性质解释。金属晶体内原子空间排列方式。金属晶体内原子空间排列方式。教学难点：教学难点：金属键和电子气理论。金属晶体内原子空间排列方式第2页TiTi金属样品金属样品第3页1 1、金属键定义：金属离子和自由电子之、金属键定义：金属离子和自由电子之间强烈相互作用，叫金属键。间强烈相互作用，叫金属键。（1 1）金属键成键微粒是金属阳离子和自）金属键成键微粒是金属阳离
2、子和自由电子。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、金属结构一、金属结构第4页2 2、金属晶体定义：经过金属、金属晶体定义：经过金属离子与自离子与自由电子之间由电子之间较强相互作用形成晶体。较强相互作用形成晶体。（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。第5页金属晶体金属原子自由电子第6页3 3、电子气理论：经典金属键理论叫做、电子气理论：经典金属键理论叫做“电电子气理论子气理论”。它把金属键
3、形象地描绘成从金。它把金属键形象地描绘成从金属原子上属原子上“脱落脱落”下来大量自由电子形成可下来大量自由电子形成可与气体相比拟带负电与气体相比拟带负电“电子气电子气”，金属原子，金属原子则则“浸泡浸泡”在在“电子气电子气”“海洋海洋”之中。之中。二、二、金属共同物理性质金属共同物理性质轻易导电、导热、有延展性、有金属光泽轻易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。等。第7页【讨论讨论1 1】金属为何易导电？金属为何易导电？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，这些自由电子运动是没有一定方向，但在外加电场条件下电子运动是没有一定方向，但在外加电场条件下自由自由
4、电子电子就会就会发生定向运动发生定向运动，因而形成电流，所以金属轻，因而形成电流，所以金属轻易导电。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 v导电时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离子自由移动离子自由电子自由电子比较离子晶体、金属晶体导电区分：比较离子晶体、金属晶体导电区分：三、金属晶体结构与金属性质内在联络三、金属晶体结构与金属性质内在联络1、金属晶体结构与金属导电性关系、金属晶体结构与金属导电性关系第8页【讨论讨论2 2】金属为何易导热？金属为何易导热？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，
5、引发二者能量交换。当金属某部分受热时，那引发二者能量交换。当金属某部分受热时，那个区域里自由电子能量增加，运动速度加紧，个区域里自由电子能量增加，运动速度加紧，经过碰撞，把能量传给金属离子。经过碰撞，把能量传给金属离子。金属轻易导热，是因为金属轻易导热，是因为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部分传到温度低金属离子碰撞把能量从温度高部分传到温度低部分部分，从而使整块金属到达相同温度。，从而使整块金属到达相同温度。2、金属晶体结构与金属导热性关系、金属晶体结构与金属导热性关系第9页【讨论讨论3 3】金属为何含有很好延展性？金属为何含有很好延展性？原子晶体受外力作用时，原子
6、间位移必定原子晶体受外力作用时，原子间位移必定造成共价键断裂，因而难以锻压成型，无延造成共价键断裂，因而难以锻压成型，无延展性。而金属晶体中因为金属离子与自由电展性。而金属晶体中因为金属离子与自由电子间相互作用没有方向性，各原子层之间发子间相互作用没有方向性，各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，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，发生形变也不易断因而即使在外力作用下，发生形变也不易断裂。裂。3、金属晶体结构与金属延展性关系、金属晶体结构与金属延展性关系第10页4、金属晶体结构含有金属光泽和颜色、金属晶体结构含有金属光泽和颜色v因为自由电子可因为自由电子可
7、吸收全部频率光吸收全部频率光，然后很快，然后很快释释放出各种频率光放出各种频率光，所以绝大多数金属含有，所以绝大多数金属含有银白色或钢灰色光泽。而一些金属（如铜、银白色或钢灰色光泽。而一些金属（如铜、金、铯、铅等）因为金、铯、铅等）因为较易吸收一些频率光而较易吸收一些频率光而展现较为特殊颜色展现较为特殊颜色。v当金属成粉末状时，金属晶体当金属成粉末状时，金属晶体晶面取向杂乱、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，所以成黑色。所以成黑色。第11页【总结】金属晶体结构与性质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
8、电子v自由电子在外加电场作用下发生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作用作用第12页5 5、影响金属键强弱原因：、影响金属键强弱原因：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。普通情况下，金属晶体熔点由金属键强弱普通情况下，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，熔点就对应越高，金属键越强，熔点就对应越高，硬度也越大硬度也越大第13页【思索思
9、索4】已知碱金属元素熔沸点随原子序数增大已知碱金属元素熔沸点随原子序数增大而递减，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，故碱金属元素熔沸点随原子序数增大而递减属元素熔沸点随原子序数增大而递减。【思索思索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
10、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强，故钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度大小次序是：钠镁铝点和硬度大小次序是：钠镁铝。第14页资料资料金属之最金属之最熔点最低金属是熔点最低金属是-汞汞 -38.87熔点最高金属是熔点最高金属是-钨钨 3410密度最小金属是密度最小金属是-锂锂 0.53g/cm3密度最大金属是密度最大金属是-锇锇 22.57g/cm3硬度最小金属是硬度最小金属是-铯铯 0.2硬度最大金属是硬度最大金属是-铬铬 9.0最活泼金属是最活泼金属是-铯铯最稳定金属是最稳
11、定金属是-金金延性最好金属是延性最好金属是-铂铂 铂丝直径：铂丝直径：mm展性最好金属是展性最好金属是-金金 金箔厚：金箔厚：mm第15页1.1.金属晶体形成是因为晶体中存在（金属晶体形成是因为晶体中存在（）A.A.金属离子间相互作用金属离子间相互作用B B金属原子间相互作用金属原子间相互作用 C.C.金属离子与自由电子间相互作用金属离子与自由电子间相互作用 D.D.金属原子与自由电子间相互作用金属原子与自由电子间相互作用2.2.金属能导电原因是（金属能导电原因是（）A.A.金属晶体中金属阳离子与自由电子间金属晶体中金属阳离子与自由电子间 相互作用较弱相互作用较弱 B B金属晶体中自由电子在外
12、加电场作用下金属晶体中自由电子在外加电场作用下可发生定向移动可发生定向移动 C C金属晶体中金属阳离子在外加电场作用金属晶体中金属阳离子在外加电场作用下可发生定向移动下可发生定向移动 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CB第16页3.3.以下叙述正确是（以下叙述正确是（）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
13、分子间作用力，不含有其它化学键有其它化学键4.4.为何碱金属单质熔沸点从上到下逐步降低，为何碱金属单质熔沸点从上到下逐步降低，而卤素单质熔沸点从上到下却升高？而卤素单质熔沸点从上到下却升高？B练习练习第17页知识回顾：知识回顾：三种晶体类型与性质比较三种晶体类型与性质比较晶体晶体类类型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v相邻原子之间以共价键相结合而成含有空间网状结构晶体v分子间以范德华力相结合而成晶体v经过金属键形成晶体作用力作用力v组成微粒物物理理性性质质熔沸点熔沸点硬度硬度导电导电性性实实例例金金刚刚石、二氧化硅、石、二氧化硅、晶体硅、碳化硅晶体硅、碳化硅Ar、S等
14、等Au、Fe、Cu、钢钢铁铁等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异较大差异较大很大很大很小很小差异较大差异较大无（硅为半导体）无（硅为半导体）无无导体导体第18页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、金属晶体原子堆积模型二、金属晶体原子堆积模型 （a a）非密置层）非密置层（b b）密置层）密置层金属晶体能够看成金属原子在三维金属晶体能够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里堆积有几个方式？请比较不
15、一样方式堆积时金属晶体配位几个方式？请比较不一样方式堆积时金属晶体配位数、原子空间利用率、晶胞区分。数、原子空间利用率、晶胞区分。配位数配位数=4配位数配位数=6思索与交流思索与交流第19页晶胞形状是什么？晶胞形状是什么？含几个原子？含几个原子？第20页配位数：配位数：在晶体中，与每个微粒紧密相邻微粒个数在晶体中，与每个微粒紧密相邻微粒个数空间利用率：空间利用率：晶体空间被微粒占满体积百分数，它用来表示晶体空间被微粒占满体积百分数，它用来表示紧密堆积程度紧密堆积程度第21页1 1、简单立方堆积、简单立方堆积Po配位数：配位数：空间拥有率：空间拥有率：每个晶胞含原子数：每个晶胞含原子数：6152
16、%第22页2、体心立方堆积体心立方堆积-钾型钾型v金属晶体堆积方式体心立方堆积非密置层另一个堆积是将上层金属原非密置层另一个堆积是将上层金属原子填入下层金属原子形成凹穴中子填入下层金属原子形成凹穴中（IA，VB，VIB）第23页配位数：配位数：空间拥有率：空间拥有率：每个晶胞含原子数：每个晶胞含原子数：868%2第24页空间利用率计算例例1：计算体心立方晶胞中金属原子空间利用率。：计算体心立方晶胞中金属原子空间利用率。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第25页空间利用率计算空间利用率计算设原子半径为r、晶胞边
17、长为a，依据勾股定理，得：2a 2+a 2=(4r)2空间利用率 =晶胞含有原子体积/晶胞体积100%=第26页123456第二层对第一层来讲最紧密堆积方式是将球对准第二层对第一层来讲最紧密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，其情形是一样位，其情形是一样 )123456AB，关键是第三层。对第一、二层来说，第三层能够有两种最紧关键是第三层。对第一、二层来说，第三层能够有两种最紧密堆积方式。密堆积方式。思索：密置层堆积方式有哪些？思索：密置层堆积方式有哪些？第27页下列图是此种六方下列图是此种六方紧密堆积前视图紧密堆积前视图ABABA第
18、一个是将第三层球对准第一层第一个是将第三层球对准第一层球。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28页第二种是将第三层球第二种是将第三层球对准第一层对准第一层 2 2，4 4，6 6 位位，不一样于不一样于 AB AB 两层位两层位置置，这是这是 C C 层。层。123456123456123456第29页123456此种立方紧密堆积前视图此种立方紧密堆积前视图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
19、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第30页镁型镁型 六方密堆积六方密堆积3、按密置层堆积方式第一个：按密置层堆积方式第一个：六方密堆积六方密堆积第31页配位数：配位数：空间拥有率：空间拥有率：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）第32页4 4、铜型、铜型 面心立方面心立方 按密置层堆积方式第二种：按密置层堆积方式第二种：面心立方堆积面心立方堆积第33页面心立方面心立方 BCA第34页配位数：配位数：空间拥有率：空间拥有率：每个晶胞含
20、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（BPbPdPt）第35页第36页例2：求面心立方晶胞空间利用率.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=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%空间利用率计算第37页三、金属晶体结构特征三、金属晶体结构特征：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，不专属哪几个特定金属离子，而是被许多金属离子共有。四、金属晶体熔点改变规律：四、金属晶体熔点改变规律：（1）金属晶体熔点改变差异较大。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）。这是因为金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子与自由电子静电作用力不一样而造成差异。（2）普通情况下（同类型金属晶体），金属晶体熔点由金属阳离子半径、所带电荷数、自由电子多少而定。阳离子半径越小，所带电荷越多，自由电子越多，相互作用就越大，熔点就会越高。第38页1 1、金属晶体四种堆积模型对比、金属晶体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第39页2、石墨是层状结构混合型晶体 第40页第41页