浙江省奉化中学高中化学 课题7 金属晶体竞赛讲义.doc

课题7 金属晶体学习目标：1认识合金的性能及应用；2了解金属原子化热的概念； 3金属晶体的晶胞及三种堆积方式。学习过程：【板书】 二、金属晶体 1、晶体 （1）定义：晶体：具有规则几何外形的固体。非晶体：没有规则几何外形的固体。（2）晶体的特性： 有规则的几何外形； 有固定的熔沸点； 各向异性（强度、导热性、光学性质等）。 （3）晶体的分类（依据：构成晶体的粒子种类及粒子之间的作用）分为：金属晶体、离子晶体、原子晶体、分子晶体、混合晶体。 （4）晶体的结构特征：内部的微粒在三维空间的排布具有特定的周期性，即隔一定距离重复出现。【师】 大多数的金属及其合金也是晶体，具有规则的几何外形。【板书】 2、晶胞：晶体中能够反映晶体结构特征的基本重复单位。【讲解】 晶体的结构是晶胞在空间连续重复延伸而形成的。晶胞与晶体的关系如同砖块与墙的关系。在金属晶体中，金属原子如同半径相等的小球一样，彼此相切、紧密堆积成晶体。金属晶体中金属原子的紧密堆积是有一定规律的。 原子和离子都具有一定的有效半径，因而可以看成是具有一定大小的球体。在金属晶体和离子晶体中，金属键和离子键没有方向性和饱和性。因而，金属原子之间或者粒子之间的相互结合，在形式上可以看作是球体间的相互堆积。 【设问】 哪种排列方式圆球周围剩余空隙最小？（b）【师】 密置层则充分利用空间，从而降低体系内能，粒子相互结合时体系更稳定。【板书】 （1）二维空间（平面）堆积方式：非密置层：配位数（与一个原子紧密接触的原子数）为4；密置层：配位数为6。【师】 金属晶体是金属原子在三维空间按一定的规律堆积而成的。将二维空间的密置层与非密置层按一定的方式在三维空间堆积，就得到了金属晶体的4种基本堆积方式：简单立方、体心立方、面心立方和六方。【板书】 （2）三维空间堆积方式： . 简单立方堆积 形成简单立方晶胞，空间利用率较低52 ，金属钋（po）采取这种堆积方式。 这是非密置层的另一种堆积方式，将上层金属填入下层金属原子形成的凹穴中，每层均照此堆积。这种堆积方式形成的每个晶胞含2个原子，配位数为8。 ia，vb，vib，如钾、钠、铬、钼、钨等金属采用这种堆积方式，简称为钾型。这种堆积方式的空间利用率显然比简单立方堆积的高多了。立方体 8 个顶点上的球互不相切, 但均与体心位置上的球相切. 配位数 8, 空间利用率为 68.02%。【师】 以上是由非密置层堆积的两种方式：简单立方堆积、体心立方堆积。下面介绍由密置层堆积的两种方式。金属晶体中离子是以紧密堆积的形式存在的. 下面的刚性球模型来讨论堆积方式. 在一个层中，最紧密的堆积方式是，一个球与周围 6 个球相切，在中心的周围形成 6 个凹位，将其算为第一层。 第二层：对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准1, 3, 5 位 （若对准2, 4, 6 位，其情形是一样的）。 关键是第三层, 对第一、二层来说, 可以有两种最紧密的堆积方式：第一种是将球对准第一层的球，于是每两层形成一个周期，即 abab 堆积方式，形成六方紧密堆积，配位数 12 （同层 6，上下各 3）。此种六方紧密堆积的前视图。另一种是将球对准第一层的 2, 4, 6 位，不同于 ab 两层的位置，这是 c 层. 第四层再排 a，于是形成 abcabc 三层一个周期. 得到面心立方堆积，配位数 12。这两种堆积都是最紧密堆积, 空间利用率为 74.05%。【小结】 四种堆积方式，最常见的堆积为三种。金属晶体的常见的三种堆积方式：（1）简单立方堆积：如钋等。配位数为6，空间利用率为52.36%。（2）体心立方堆积：如钠、钾、铬、钨。配位数为8，空间利用率为68.02%。（3）六方堆积：如镁、锌、钛等。配位数为12，空间利用率为74.05%。（4）面心立方堆积：如金、银、铜、铝等。配位数为12，空间利用率为74.05%。【板书】 4、晶胞中金属原子数目的计算（平均值）（1）立方体晶胞中原子的计算方法 顶点占 1/8 ，棱边占 1/4 ，面上占 1/2 ，内部占 1 。 晶胞内含的原子数 = a1/8 + b1/4 + c1/2 + d a位于顶点的原子或离子数； b为位于棱边的原子或离子数；c为位于面上的原子或离子数； d为位于晶胞内的原子或离子数 （2）金属晶体三种晶胞的计算 体心立方：在立方体顶点的微粒为8个晶胞共享，处于体心的金属原子全部属于该晶胞。 微粒数为：81/8 + 1 = 2 面心立方：在立方体顶点的微粒为8个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有。 微粒数为：81/8 + 61/2 = 4 六方：在六方体顶点的微粒为6个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有，在体内的微粒全属于该晶胞。 微粒数为：121/6 + 21/2 + 3 = 6 【过渡】 我们学习了金属晶体中金属原子的紧密堆积的方式，知道尽管原子尽可能多地紧密堆积，但原子与原子之间还存在着一定的空隙，于是人们就想能否在金属中加入其他的金属或非金属，以填入原金属的空隙中。【板书】 三、合金1合金：是指一种金属与另一种（或几种）金属或非金属经过熔合而得到的具有金属性质的物质。【讲述】 例如，黄铜是铜和锌的合金（含铜67%、锌33%）；青铜是铜和锡的合金（含铜78%、锡22%）；钢和生铁是铁与非金属碳的合金。故合金可以认为是具有金属特性的多种元素的混合物。【板书】 2性质： 合金的熔点比其成分中金属 低 。 具有比各成分金属更好的硬度、强度和机械加工性能。 【讲解】 合金的某些性质比纯金属更优越，例如铁易生锈，而在普通钢中加入约15%的铬和约0.5%的镍形成的不锈钢；金属铝很软，而一定比例的铝、铜、镁熔合而成的硬铝。具有较大的硬度。当原子半径较小的h、b、c、n等非金属元素与金属元素形成合金时，非金属元素的原子渗入金属晶体的空隙中，这类合金一般具有较高的熔点和较大的硬度。当电负性和原子半径相差不大的两种金属元素形成的合金，一种金属原子将