《金属晶体》(新人教版选修)

高中 化学 新人教版选修3系列课件 物质结构与性质 3 3 金属晶体 教学目标 知识与能力1 了解金属的性质和形成原因2 掌握金属键的本质 电子气理论 3 能用电子气理论和金属晶体的有关知识解释金属的性质4 掌握金属晶体的四种原子堆积模型教学重点 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间排列方式 教学难点 金属键和电子气理论 金属晶体内原子的空间排列方式 Ti 金属样品 1 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 1 金属键的成键微粒是金属阳离子和自由电子 2 金属键存在于金属单质和合金中 3 金属键没有方向性也没有饱和性 一 金属的结构 2 金属晶体的定义 通过金属离子与自由电子之间的较强的相互作用形成的晶体 1 在晶体中 不存在单个分子 2 金属阳离子被自由电子所包围 3 电子气理论 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 二 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 讨论1 金属为什么易导电 在金属晶体中 存在着许多自由电子 这些自由电子的运动是没有一定方向的 但在外加电场的条件下自由电子就会发生定向运动 因而形成电流 所以金属容易导电 水溶液或熔融状态下 晶体状态 自由移动的离子 自由电子 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 1 金属晶体结构与金属导电性的关系 讨论2 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 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 运动速度加快 通过碰撞 把能量传给金属离子 金属容易导热 是由于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低的部分 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 讨论3 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 仍可保持这种相互作用 因而即使在外力作用下 发生形变也不易断裂 3 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颜色 由于自由电子可吸收所有频率的光 然后很快释放出各种频率的光 因此绝大多数金属具有银白色或钢灰色光泽 而某些金属 如铜 金 铯 铅等 由于较易吸收某些频率的光而呈现较为特殊的颜色 当金属成粉末状时 金属晶体的晶面取向杂乱 晶格排列不规则 吸收可见光后辐射不出去 所以成黑色 总结 金属晶体的结构与性质的关系 5 影响金属键强弱的因素 金属阳离子所带电荷越多 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决定 金属阳离子半径越小 所带电荷越多 自由电子越多 金属键越强 熔点就相应越高 硬度也越大 思考4 已知碱金属元素的熔沸点随原子序数的增大而递减 试用金属键理论加以解释 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 思考5 试判断钠 镁 铝三种金属熔沸点和硬度的大小 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 则单质中所形成金属键依次增强 故钠 镁 铝三种金属熔沸点和硬度的大小顺序是 钠 镁 铝 金属晶体的形成是因为晶体中存在 A 金属离子间的相互作用B 金属原子间的相互作用C 金属离子与自由电子间的相互作用D 金属原子与自由电子间的相互作用金属能导电的原因是 A 金属晶体中金属阳离子与自由电子间的相互作用较弱B 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C 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D 金属晶体在外加电场作用下可失去电子 练习 C B 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子B 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D 分子晶体中只存在分子间作用力 不含有其他化学键为什么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 B 练习 金属原子在二维空间 平面 上有二种排列方式 二 金属晶体的原子堆积模型 a 非密置层 b 密置层 金属晶体可以看成金属原子在三维空间中堆积而成 那么 非密置层在三维空间里堆积有几种方式 请比较不同方式堆积时金属晶体的配位数 原子的空间利用率 晶胞的区别 配位数 4 配位数 6 思考与交流 配位数 在晶体中 与每个微粒紧密相邻的等距离微粒个数 空间利用率 晶体的空间被微粒占满的体积百分数 它用来表示紧密堆积的程度 晶胞的形状是什么 含几个原子 1 简单立方堆积 Po 每个晶胞含原子数 6 1 52 2 体心立方堆积 钾型 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 IA VB VIB 每个晶胞含原子数 8 68 2 空间利用率计算 例1 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 设原子半径为r 晶胞边长为a 根据勾股定理 得 2a2 a2 4r 2 空间利用率 晶胞含有原子的体积 晶胞体积 100 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 或对准2 4 6位 其情形是一样的 关键是第三层 对第一 二层来说 第三层可以有两种最紧密的堆积方式 思考 密置层的堆积方式有哪些 下图是此种六方紧密堆积的前视图 A 第一种是将第三层的球对准第一层的球 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 同层 上下层各 12 6 3 此种立方紧密堆积的前视图 A 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 同层 上下层各 12 6 3 镁型 六方密堆积 3 按密置层的堆积方式的第一种 六方密堆积 每个晶胞含原子数 12 74 2 镁型 六方密堆积 BeMg B B B 4 铜型 面心立方 按密置层的堆积方式的第二种 面心立方堆积 面心立方 每个晶胞含原子数 铜型 面心立方 12 74 4 BPbPdPt 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 a2 a2 4r 2a 2 83r每个面心立方晶胞含原子数目 8 1 8 6 4 4 4 3 r3 a3 4 4 3 r3 2 83r 3 100 74 空间利用率计算 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 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 同类型的金属晶体