江苏省平潮高级中学高中化学集体备课 《第三章 晶体结构与性质》第三节 金属晶体教案 苏教版选修3

1 课题 第三节课题 第三节 金属晶体金属晶体 1 1 教教 案案 授课班级授课班级课题 第三节课题 第三节 金属晶体金属晶体 1 1 课课 时时 知识知识 与与 技能技能 1 理解金属键的概念和电子气理论 2 初步学会用电子气理论解释金属的物理性质 过程过程 与与 方法方法 学会运用探究方法进行学习 教教 学学 目目 的的 情感情感 态度态度 价值观价值观 让学生形成实事求是的科学态度 培养学生合作学习精神 重重 点点金属键和电子气理论 难难 点点金属具有共同物理性质的解释 知知 识识 结结 构构 与与 板板 书书 设设 计计 一 金属键一 金属键 1 1 定义 金属阳离子和自由电子的较强的相互作用叫做金属键 定义 金属阳离子和自由电子的较强的相互作用叫做金属键 2 2 成键微粒 金属阳离子和自由电子 成键微粒 金属阳离子和自由电子 3 3 本质 金属阳离子和自由电子间的作用叫静电作用 本质 金属阳离子和自由电子间的作用叫静电作用 4 4 特征 没有饱和性和方向性 特征 没有饱和性和方向性 5 5 影响因素 金属元素的原子半径和单位体积内自由电子的数目及所带电荷的多 影响因素 金属元素的原子半径和单位体积内自由电子的数目及所带电荷的多 少少 二 电子气理论及其对金属通性的解释二 电子气理论及其对金属通性的解释 1 1 电子气理论 电子气理论 2 2 金属晶体 金属晶体 1 1 定义 通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体 叫金属晶体 定义 通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体 叫金属晶体 2 2 微粒间的相互作用 金属键微粒间的相互作用 金属键 3 3 金属通性的解释 金属通性的解释 金属导电性的解释金属导电性的解释 金属导热性的解释金属导热性的解释 金属延展性的解释金属延展性的解释 4 4 熔沸点熔沸点 5 5 颜色颜色 教学过程教学过程 2 教学步骤 内容教学步骤 内容 教学方法 手段 教学方法 手段 师生活动师生活动 引入 引入 大家都知道晶体有固定的几何外形 有确定的熔点 水 干 冰等都属于分子晶体 靠范德华力结合在一起 金刚石 金刚砂等都 是原子晶体 靠共价键相互结合 那么我们所熟悉的铁 铝等金属是 不是晶体呢 它们又是靠什么作用结合在一起的呢 板书 一 金属键 板书 一 金属键 1 1 定义 金属阳离子和自由电子的较强的相互作用叫做金属键 定义 金属阳离子和自由电子的较强的相互作用叫做金属键 2 2 成键微粒 金属阳离子和自由电子 成键微粒 金属阳离子和自由电子 讲 讲 金属原子的电离能低 容易失去电子而形成阳离子和自由电子 阳离子整体共同整体吸引自由电子而结合在一起 这种金属离子与自 由电子之间的较强作用就叫做金属键 板书 板书 3 3 本质 金属阳离子和自由电子间的作用叫静电作用 本质 金属阳离子和自由电子间的作用叫静电作用 讲 讲 金属键可看成是由许多原子共用许多电子的一种特殊形式的共 价键 这种键既没有方向性也没有饱和性 金属键的特征是成键电子 可以在金属中自由流动 使得金属呈现出特有的属性在金属单质的晶 体中 原子之间以金属键相互结合 金属键是一种遍布整个晶体的离 域化学键 板书 板书 4 4 特征 没有饱和性和方向性 特征 没有饱和性和方向性 讲 讲 金属键的强弱差别很大 例如钠 钾的熔点低 存在的金属键 较弱 铬的硬度较大 沸点高 存在的金属键的较强 同主族元素 随着核电荷数的增大 金属原子半径增大 金属键变弱 键能减小 同周期元素 随着核电荷数的增加 金属原子半径减小 金属键增强 键能增大 物质的熔沸点升高 板书 板书 5 5 影响因素 金属元素的原子半径和单位体积内自由电子 影响因素 金属元素的原子半径和单位体积内自由电子 的数目及所带电荷的多少的数目及所带电荷的多少 强调 强调 金属晶体是以金属键为基本作用力的晶体 由金属键结合成 的金属是大分子 板书 二 电子气理论及其对金属通性的解释 板书 二 电子气理论及其对金属通性的解释 1 1 电子气理论 电子气理论 讲 讲 经典的金属键理论叫做 电子气理论 它把金属键形象地描 绘成从金属原子上 脱落 下来的大量自由电子形成可与气体相比拟 的带负电的 电子气 金属原子则 浸泡 在 电子气 的 海洋 之中 投影 投影 3 讲 讲 在金属晶体中 自由电子不专属于某几个特定的金属离子 它 们几乎均匀地分布在整个晶体中 被许多金属离子所共有 金属离子 的运动状态是在一定范围内振内 而不是自由移动 板书 板书 2 2 金属晶体 金属晶体 1 1 定义 通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体 定义 通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体 叫金属晶体 叫金属晶体 2 2 微粒间的相互作用 金属键微粒间的相互作用 金属键 讲 讲 在这里特别要注意的是含金属阳离子的晶体中不一定含阴离子 含阳离子的晶体不一定含有离子键 展示金属实物 展示金属实物 展示的金属实物有金属导线 铜或铝 铁丝 镀铜 金属片等 并将铁丝随意弯曲 引导观察铜的金属光泽 叙述应用部 分包括电工架设金属高压电线 家用铁锅炒菜 锻压机把钢锭压成钢 板等 教师引导 教师引导 从上述金属的应用来看 金属有哪些共同的物理性质呢 学生分组讨论 学生分组讨论 请一位同学归纳 其他同学补充 投影 投影 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 讲 讲 在金属晶体中 充满着带负电的 电子气 这些电子气的运 动是没有一定方向的 但在外加电场的条件下电子气就会发生定向移 动 因而形成电流 所以金属容易导电 板书 板书 3 3 金属通性的解释 金属通性的解释 金属导电性的解释金属导电性的解释 讲 讲 金属导电的带电微粒是电子 离子晶体熔化或溶于水后导电的 微粒是阳离子和阴离子 金属导电过程不生成新物质 属物理变化 而电解质导电的同时要在阴阳两极生成新物质 属化学变化 故二者 导电本质是不同的 设问 设问 导热是能量传递的一种形式 它必然是物质运动的结果 那 么金属晶体导热过程中电子气中的自由电子担当什么角色 板书 板书 金属导热性的解释金属导热性的解释 4 讲 讲 金属容易导热 是由于电子气中的自由电子在热的作用下与金 属原子频繁碰撞从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分 从而 使整块金属达到相同的温度 板书 板书 金属延展性的解释金属延展性的解释 讲 讲 大多数金属具有较好的延展性 与金属离子和自由电子之间的 较强作用有关 当金属受到外力作用时 晶体中的各原子层就会发生 相对滑动 但不会改变原来的排列方式 弥漫在金属原子间的电子气 可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用 所以在各原子层之间发 生相对滑动以后 仍可保持这种相互作用 因而即使在外力作用下 发生形变也不易断裂 因此 金属都有良好的延展性 投影投影 电子气理论对金属良好延展性的解释 讲 讲 当向金属晶体中掺人不同的金属或非金属原子时 就像在滚珠 之间掺人了细小而坚硬的砂土或碎石一样 会使这种金属的延展性甚 至硬度发生改变 这也是对金属材料形成合金以后性能发生改变的一 种比较粗浅的解释 讲 纯金属内 所有原子的大小和形状都是相同的 原子的排列十 分规整 而合金中加入了其他元素或大或小的原子 改变了金属原子 有规则的层状排列 使原子层之间的相对滑动变得困难 因此合金比 纯金属延展性要差 讲 金属晶体的熔点变化差别很大 如Hg在常温下为液态 熔点低 而Fe等金属熔点高 这是由于金属晶体密堆积方式 金属阳离子与自 由电子的作用力不同造成的 板书 板书 4 4 熔沸点熔沸点 讲 讲 金属键的强弱与离子半径 离子电荷有关 离子半径越小 离 子所带的电荷越多 则金属键越强 金属的熔点沸点高 硬度越大 同周期的金属单质 从左到右点升高 硬度增大 同主族的金属单质 从上至下熔沸点降低 硬度减小 一般地 合金的熔沸点比其他各成 分金属的熔沸点低 板书 板书 5 5 颜色颜色 讲 讲 由于金属原子以最紧密堆积状态排列 内部存在自由电子 所 以当光线投射到它的表面上时 自由电子可以吸收所有频率的光 然 后很快放出各种频率的光 这就使绝大多数金属呈现银灰色以至银白 色光泽 而金属在粉末状态时 金属的取向杂乱 晶格排列得不规则 吸收可见光后辐射不出去 所以金属粉末常呈暗灰色或黑色 5 教学回顾教学回顾 6 教教 案案 授课班级授课班级课题 第三节课题 第三节 金属晶体金属晶体 2 2 课课 时时 知识知识 与与 技能技能 了解金属晶体内原子的几种常见排列方式 过程过程 与与 方法方法 训练学生的动手能力和空间想象能力 教教 学学 目目 的的 情感情感 态度态度 价值观价值观 培养学生的合作意识 重重 点点金属晶体内原子的空间排列方式 难难 点点金属晶体内原子的空间排列方式 知知 识识 结结 构构 与与 板板 书书 设设 计计 二 金属晶体的原子堆积模型二 金属晶体的原子堆积模型 1 1 基本概念 基本概念 紧密堆积 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紧密堆积 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 配位数 在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数配位数 在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数 空间利用率 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空间利用率 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 2 2 简单立方堆积 晶胞 一个立方体 简单立方堆积 晶胞 一个立方体 1 1个原子 如金属钋个原子 如金属钋 Po Po 3 3 钾型 钾型 晶胞 体心立方 两个原子 如碱金属 晶胞 体心立方 两个原子 如碱金属 4 4 镁型和铜型 镁型和铜型 镁型 按镁型 按ABABABAB ABABABAB 方式堆积 方式堆积 铜型 铜型 ABCADCABC ABCADCABC 方式堆积 方式堆积 配位数均为配位数均为 1212 空间利用率均为 空间利用率均为 7474 教学过程教学过程 教学步骤 内容教学步骤 内容 教学方法 手段 教学方法 手段 师生活动师生活动 过渡过渡 金属 除贡外 在常温下一般都是晶体 在金属中 金属原子容 易失去外层电子变成金属离子 金属原子释出电子后形成的金属离子 按一定规律堆积 释出的电子在整个晶体里自由运动 称为自由电子 金属离子与自由电子之间存在着较强的相互作用 使许许多多金属离 子结合在一起形成金属晶体 原子象钢球一样堆积着 咱们接着研究 金属原子的堆积模型 板书板书 二 金属晶体的原子堆积模型二 金属晶体的原子堆积模型 7 1 1 基本概念 基本概念 紧密堆积 微粒之间的作用力使微粒间尽可能的相互接近 使它们占紧密堆积 微粒之间的作用力使微粒间尽可能的相互接近 使它们占 有最小的空间有最小的空间 配位数 在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数配位数 在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数 空间利用率 晶体的空间被微粒占满的体积百分数 用它来表示紧密空间利用率 晶体的空间被微粒占满的体积百分数 用它来表示紧密 堆积的程度堆积的程度 讲讲 金属晶体中的原子可看成直径相等的球体 把它们放置在平面上 即二维空间里 可有两种方式 如图3 22所示 投影投影 金属原子在平面上的的两种放置方式 讲讲 金属原子在二维平面里放置得到的两种方式 配位数分别为4和 6 可分别称为非密置层和密置层 交流探究交流探究 动手 将直径相等的圆球放置在平面上 使球面紧密接 触 除上面两种方式外 还有没有第三种方式 你不妨用实物 如用中 药丸的蜡壳或玻璃球等 自己动手试一试 汇报 汇报 取16个直径相等的球体 在平面上排成一正方形 每排都有 4个球体 在这种放置方式中 每个球体周围都有4个球体与其紧密接 触 得到配位数与其紧密接触 得到配位数为4的试 称为非密置层 放置 同样取16个球体 在平面上也排成4排 第二排球体排在第一排球体 的间隙中 每排均照此方式排列 在这种放置方式中 每个球体周围 都有6个球体与其紧密接触 得到配位数为6的放置方式 称为密置层 放置 过渡过渡 金属晶体可看成金属原子在三维空间中堆积而成 金属原子堆 积有如下4种基本模式 投影投影 讲讲 不难理解 这种堆积方式形成的晶胞是一个立方体 每个晶胞含 1个原子 被称为简单立方堆积 这种堆积方式的空间利用率太低 只有金属钋 Po 采取这种堆积方式 板书板书 2 2 简单立方堆积 晶胞 一个立方体 简单立方堆积 晶胞 一个立方体 1 1个原子 如金属钋个原子 如金属钋 8 Po Po 投影投影 讲讲 非密置层的另一种堆积方式是将上层金属原子填人下层的金属原 子形成的凹穴中 每层均照此堆积 如图3 24所示 设问设问 与立方堆积相比空间利用率那一个高 板书板书 3 3 钾型 钾型 晶胞 体心立方 两个原子 如碱金属 晶胞 体心立方 两个原子 如碱金属 思考与交流 思考与交流 钾型晶胞是立文体 想一想 如果原来的非密置层上 的原子保持紧密接触 立方体中心能否容得下一个原子 汇报 汇报 1 取8个直径相等的球体 每4个球体按非密置层放置并粘 在一起 在三维空间里 把两层球体按球体在同一直线上堆积 形成 一立方体 这种堆积为简单立方堆积 每个晶胞含有1个原子 2 取12个直径相等的球体 每4个球体按非密置层放置并粘在一起 把上层球体放在下层球体形成的凹穴中 每层均照此方式堆积 这种 堆积方式称为钾型 形成的晶胞也是一个立方体 每个晶胞含有2个 原子 非密置层在三维空间里的紧密接触除上述两种方式外 没有第三种方 式 交流探究交流探究 动手 把非密置层的小球黏合在一起 再一层一层地堆积 起来 使相邻层的球紧密接触 试一试 除了上述两种堆积方式外 是否可能有第三种方式 板书板书 4 4 镁型和铜型 镁型和铜型 讲讲 密置层的原子按上述钾型堆积方式堆积 会得到两种基本堆积 方式 镁型和铜型 镁型如图3 25左所示 按ABABABAB 的方 式堆积 铜型如图3 25右所示 按ABCADCABC 的方式堆积 分别 用代表性金属命名为镁型和铜型 这两种堆积方式都是金属晶体的 最密堆积 配位数均为12 空间利用率均为74 但所得晶胞的形式 不同 投影投影 金属晶体的两种堆积方式 9 板书板书 镁型 按镁型 按ABABABAB ABABABAB 方式堆积 方式堆积 铜型 铜型 ABCADCABC ABCADCABC 方式堆积 方式堆积 配位数均为配位数均为1212 空间利用率均为 空间利用率均为7474 投影小结 空间利用率的计算 投影小结 空间利用率的计算 1 1 空空间间占占有有率率空空间间占占有有率率 等等径径球球两两种种最最密密堆堆积积具具有有相相同同的的堆堆积积密密度度 等等径径球球两两种种最最密密堆堆积积具具有有相相同同的的堆堆积积密密度度 晶晶胞胞中中圆圆球球体体积积与与晶晶胞胞体体积积之之比比称称空空间间占占有有晶晶胞胞中中圆圆球球体体积积与与晶晶胞胞体体积积之之比比称称空空间间占占有有 率率 六六方方最最密密堆堆积积 率率 六六方方最最密密堆堆积积 hcphcp 与与立立方方最最密密堆堆积积 与与立立方方最最密密堆堆积积 ccpccp 空空间间占占有有率率均均为为 空空间间占占有有率率均均为为74 0574 05 设设圆圆半半径径为为设设圆圆半半径径为为R R 晶晶胞胞棱棱长长为为 晶晶胞胞棱棱长长为为a a 晶晶胞胞面面对对 晶晶胞胞面面对对 角角线线长长角角线线长长则则则则晶晶胞胞体体晶晶胞胞体体 积积积积 立立方方面面心心晶晶胞胞中中含含立立方方面面心心晶晶胞胞中中含含4 4个个圆圆球球 每每个个球球体体积积个个圆圆球球 每每个个球球体体积积 为为为为 立立方方最最密密堆堆积积虽虽晶晶胞胞大大小小不不同同 每每个个晶晶胞胞中中立立方方最最密密堆堆积积虽虽晶晶胞胞大大小小不不同同 每每个个晶晶胞胞中中 含含球球数数不不同同 但但计计算算得得到到空空间间占占有有率率相相同同 含含球球数数不不同同 但但计计算算得得到到空空间间占占有有率率相相同同 10 而而体体心心立立方方堆堆积积 而而体体心心立立方方堆堆积积 bcpbcp 则则空空间间占占有有率率低低一一 则则空空间间占占有有率率低低一一 些些 些些 体体对对角角线线长长为为体体对对角角线线长长为为 晶晶胞胞体体积积晶晶胞胞体体积积 体体心心立立方方晶晶胞胞含含体体心心立立方方晶晶胞胞含含2 2个个球球个个球球 2 2 2 2 某某些些金金属属晶晶体体 某某些些金金属属晶晶体体 Cu Cu AgAg Au Au 的的原原子子按按面面的的原原子子按按面面 心心立立方方的的形形式式紧紧密密堆堆积积 即即在在晶晶体体结结构构中中可可心心立立方方的的形形式式紧紧密密堆堆积积 即即在在晶晶体体结结构构中中可可 以以划划出出一一块块正正立立方方体体的的结结构构单单元元 金金属属原原子子以以划划出出一一块块正正立立方方体体的的结结构构单单元元 金金属属原原子子 处处于于正正立立方方体体的的八八个个顶顶点点和和六六个个侧侧面面上上 试试处处于于正正立立方方体体的的八八个个顶顶点点和和六六个个侧侧面面上上 试试 计计算算这这类类金金属属晶晶体体中中原原子子的的空空间间利利用用率率 计计算算这这类类金金属属晶晶体体中中原原子子的的空空间间利利用用率率 11 2 2 立立方方面面心心结结构构立立方方面面心心结结构构 立立方方面面心心结结构构的的配配位位数数 立立方方面面心心结结构构的的配配位位数数 1212 即即每每个个圆圆球球有有 即即每每个个圆圆球球有有1212个个个个 最最近近的的邻邻居居 同同一一