金属键金属晶体

1、专题专题3 3 微粒间作用力与物质性质微粒间作用力与物质性质 金属的分类金属的分类 按密度分按密度分 重金属：铜、铅、锌等重金属：铜、铅、锌等 轻金属：铝、镁等轻金属：铝、镁等 冶金工业冶金工业 黑色金属：铁、铬、锰黑色金属：铁、铬、锰 有色金属：除铁、铬、锰以外的金属有色金属：除铁、铬、锰以外的金属 按储量分按储量分 常见金属：铁、铝等常见金属：铁、铝等 稀有金属：稀有金属：锆、钒、钼锆、钒、钼 4.5g/cm3 一、金属键与金属特性一、金属键与金属特性 存存 在：在：金属单质或合金。金属单质或合金。 成键微粒：成键微粒： 微粒间作用力：微粒间作用力： 金属键金属键 金属阳离子和自由电子金属

2、阳离子和自由电子 成键特点：成键特点：无方向性和饱和性 无方向性和饱和性 金属键概念：金属阳离子与自由电子之间的强烈的金属阳离子与自由电子之间的强烈的 相互作用相互作用金属键金属键。 金属键的本质：静电作用 根据金属的用途和日常生活经验，金根据金属的用途和日常生活经验，金 属有哪些的物理性质属有哪些的物理性质? 金属物理性质：金属物理性质： 容易导电、导热，有延展性等。不同的金属有容易导电、导热，有延展性等。不同的金属有 不同的熔沸点。硬度也不相同。不同的熔沸点。硬度也不相同。 通常情况下金属晶体内部电子的运动是自通常情况下金属晶体内部电子的运动是自 由流动的，但在外加电场的作用下会定向由流动

3、的，但在外加电场的作用下会定向 移动形成电流移动形成电流, ,所以金属具有导电性。所以金属具有导电性。 （1）导电性）导电性 （2）导热性）导热性 由于金属晶体中自由电子运动时与金属离子碰撞由于金属晶体中自由电子运动时与金属离子碰撞 并把能量从温度高的部分传导温度低的部分，从并把能量从温度高的部分传导温度低的部分，从 而使整块金属达到相同的温度而使整块金属达到相同的温度 金属的延展性金属的延展性 自由电子自由电子 +金属离子金属离子金属原子金属原子 错位错位 + + + + + + + + 4 4、金属晶体结构具有金属光泽和颜色、金属晶体结构具有金属光泽和颜色 由于自由电子可由于自由电子可吸收

4、所有频率的光吸收所有频率的光，然后很快释，然后很快释放出各放出各 种频率的光种频率的光，因此绝大多数金属具有银白色或钢灰色光，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）由于泽。而某些金属（如铜、金、铯、铅等）由于较易吸收较易吸收 某些频率的光而呈现较为特殊的颜色。某些频率的光而呈现较为特殊的颜色。 当金属成粉末状时，金属晶体的当金属成粉末状时，金属晶体的晶面取向杂乱、晶格排晶面取向杂乱、晶格排 列不规则列不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以成黑色。，吸收可见光后辐射不出去，所以成黑色。 金属的特点金属的特点 常温下，单质都是固体，汞常温下，单质都是固体，汞(hg

5、)除外；除外； 大多数金属呈银白色，有金属光泽，但大多数金属呈银白色，有金属光泽，但 金金(au)色，铜色，铜(cu)色，色， 铋铋(bi) 色，铅色，铅(pb) 色。色。 黄黄 红红 微红微红 蓝白蓝白 金属键的强弱可用金属键的强弱可用金属的原子化热金属的原子化热来衡量。来衡量。 金属的金属的原子化热原子化热是指：是指： 1mol金属固体完全气金属固体完全气 化成相互远离的气态原子时吸收的能量。化成相互远离的气态原子时吸收的能量。 单位：单位：kj/mol 影响金属键的因素影响金属键的因素 有的金属软如蜡有的金属软如蜡, ,有的金属硬如钢有的金属硬如钢; ;有的金属熔点低有的金属熔点低, ,

6、 有的金属熔点高有的金属熔点高, ,为什么为什么? ? 观察下表，思考金属的原子化热与什么因素有观察下表，思考金属的原子化热与什么因素有 关，其可能会影响金属的什么性质？关，其可能会影响金属的什么性质？ 金属金属na mgalcr 原子外围电子排布原子外围电子排布3s1 3s23s23p13d54s1 原子半径原子半径/pm186160143.1124.9 原子化热原子化热/kjmol-1108.4146.4326.4397.5 熔点熔点/97.56506601900 金属的熔点、硬度与金属键的强弱有关，金属键金属的熔点、硬度与金属键的强弱有关，金属键 的强弱又可以用的强弱又可以用原子化热原子

7、化热来衡量。来衡量。 (2)影响金属键强弱的因素影响金属键强弱的因素 金属元素的原子半径金属元素的原子半径 单位体积内自由电子的数目单位体积内自由电子的数目 一般而言：一般而言： 金属元素的原子半径越小，单位体积内自由电子数目越金属元素的原子半径越小，单位体积内自由电子数目越 大，金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。大，金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。 (3)金属键对物质性质影响金属键对物质性质影响 金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。 如：如： 同一周期金属原子半径越来越小，单位体积内自由电子数同一周期金属原子半

8、径越来越小，单位体积内自由电子数 增加，故熔点越来越高，硬度越来越大；增加，故熔点越来越高，硬度越来越大； 同一主族金属原子半径越来越大，单位体积内自由电子数同一主族金属原子半径越来越大，单位体积内自由电子数 减少，故熔点越来越低，硬度越来越小。减少，故熔点越来越低，硬度越来越小。 金属晶体熔点差别很大金属晶体熔点差别很大 1.下列有关金属键的叙述错误的是下列有关金属键的叙述错误的是 ( ) a. 金属键没有方向性金属键没有方向性 b. 金属键是金属阳离子和自由电子之间存在金属键是金属阳离子和自由电子之间存在 的强烈的静电吸引作用的强烈的静电吸引作用 c. 金属键中的电子属于整块金属金属键中的

9、电子属于整块金属 d. 金属的性质和金属固体的形成都与金属键金属的性质和金属固体的形成都与金属键 有关有关 b 练 习 晶胞晶胞：从晶体中：从晶体中“截取截取”出来具有代表性的出来具有代表性的最小部分最小部分。 是能够反映晶体结构特征的是能够反映晶体结构特征的基本重复单元基本重复单元。 晶胞与晶体 砖块与 墙 蜂室与蜂巢 nacl晶胞晶胞 密堆积的定义密堆积的定义: 密堆积：密堆积：由无方向性的金属键、离子键和范德华力等结合的由无方向性的金属键、离子键和范德华力等结合的 晶体中，原子、离子或分子等微观粒子总是趋向于相互配晶体中，原子、离子或分子等微观粒子总是趋向于相互配 位数高，能充分利用空间

10、的堆积密度最大的那些结构。位数高，能充分利用空间的堆积密度最大的那些结构。 密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低，密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低， 而结构稳定。而结构稳定。 二维平面堆积方式二维平面堆积方式 i i 型型ii ii 型型 行列对齐四球一空行列对齐四球一空 非最紧非最紧 密排列密排列 行列相错三球一空最紧密行列相错三球一空最紧密 排列排列 密置层密置层非密置层非密置层 展示两种排列方式并理解每一种方式的配位数及空间利用率。展示两种排列方式并理解每一种方式的配位数及空间利用率。 配位数配位数：一个原子紧密接触的原子数：一个原子紧密接触的原子数

11、非密置层非密置层 密置层密置层 2 13 4 21 36 45 金属晶体 金属原子自由电子 (2) 三维空间堆积方式三维空间堆积方式 . 简单立方堆积简单立方堆积 形成简单形成简单立方晶胞立方晶胞，配位数为，配位数为6 6，为，为非密置非密置堆积，空间利用率较低，为堆积，空间利用率较低，为5252 ， 金属钋（金属钋（popo）采取这种堆积方式。采取这种堆积方式。 形成简单形成简单立方晶胞立方晶胞，空间利用率较低，为，空间利用率较低，为5252 ， 教科书教科书p36图图3-10 nana、k k、crcr、momo、w w等等 . 体心立方堆积体心立方堆积 非密置层的另一种堆积非密置层的另一

12、种堆积 是将上层金属原子填入是将上层金属原子填入 下层的金属原子形成的下层的金属原子形成的 凹穴中凹穴中 这是另一种这是另一种非密置非密置堆积方式，将上层金属填入下层金属原子形成的凹穴中堆积方式，将上层金属填入下层金属原子形成的凹穴中, ,得得 到的是到的是体心立方堆积体心立方堆积。其配位数为。其配位数为8 8，空间利用率为，空间利用率为68.02%68.02%。 体心立方堆积体心立方堆积 钾型钾型 配位数：配位数：8 空间占有率：空间占有率： 68.02% 第一层第一层 ： 密置堆积密置堆积 1 2 3 45 6 第二层第二层 ： 对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准对第一层来讲最紧密的堆

13、积方式是将球对准1，3，5 位。位。 ( 或对准或对准 2，4，6 位，其情形是一样的位，其情形是一样的 ) 1 2 3 45 6 ab ， 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。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。 上图是此种六方上图是此种六方 堆积的前视图堆积的前视图 a b a b a 第一种：第一种： 将第三层球对准第一层的球将第三层球对准第一层的球 1 2 3 45 6 于是每两层形成一个周期，即于是每两层形成一个周期，即 ab ab 堆积方式，形成六方堆积堆积方式，形成六方堆积。 iii.六方堆积六方堆积 镁、锌、钛等镁、锌

14、、钛等 六方最密堆积分解图六方最密堆积分解图 配位数配位数 12 ( 同层同层 6，上下层各上下层各 3 ) （1）abab堆积方式堆积方式 （2）abcabc堆积方式堆积方式 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 a b a b c a 1 2 3 4 5 6 c iv. 面心立方面心立方 （铜型铜型） 金属晶体的原子空间堆积模型金属晶体的原子空间堆积模型4 4 此种立方紧密堆积的前视图此种立方紧密堆积的前视图 配位数配位数 12 12 ( ( 同层同层 6 6， 上下层各上下层各 3 3 ) ) 面心立方堆积面心立方堆积金、银、铜、铅等金、银、铜、铅等 b c a abc abc

15、 abc abc 形式的堆积，为什么是面形式的堆积，为什么是面 心立方堆积？心立方堆积？ 我们来加以说明。我们来加以说明。 红红、蓝蓝球是同种原子，球是同种原子， 使用两种色球只是为使用两种色球只是为 了看清两层的关系了看清两层的关系 。 密置双层密置双层 a1型最密堆积型最密堆积: abcabc a a1 1型第型第3 3层球堆在正八面层球堆在正八面 体空隙上体空隙上 面心立方面心立方 b c a 面心立方最密堆积分解图 堆积模型堆积模型 采纳这种堆积的典采纳这种堆积的典 型代表型代表 空间空间 利用率利用率 配位数配位数晶胞晶胞 非密置非密置 层层 简单立简单立 方堆积方堆积 po(钋钋)

16、52%6 体心立体心立 方堆积方堆积 na、k、cr、mo、 w 68%8 2、金属晶体的堆积方式和对应的晶胞、金属晶体的堆积方式和对应的晶胞 堆积模型堆积模型 采纳这种堆积的典型采纳这种堆积的典型 代表代表 空间空间 利用率利用率 配位数配位数晶胞晶胞 密密 置置 层层 六方最六方最 密堆积密堆积 mg、zn、ti74%12 面心立面心立 方最密方最密 堆积堆积 cu、ag、au pb 74%12 2. 晶胞中金属原子数目的计算晶胞中金属原子数目的计算(平均值平均值) 顶点占顶点占1/8 棱上占棱上占1/4 面心占面心占1/2体心占体心占1 2.晶胞中微粒数的计算晶胞中微粒数的计算 在六方体

17、顶点的微粒为在六方体顶点的微粒为6个晶胞共有，在面心的为个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有，个晶胞共有， 在体内的微粒全属于该晶胞。在体内的微粒全属于该晶胞。 微粒数为：微粒数为：121/6 + 21/2 + 3 = 6 在立方体顶点的微粒为在立方体顶点的微粒为8个晶胞共有，在面心的为个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有。个晶胞共有。 微粒数为：微粒数为：81/8 + 61/2 = 4 在立方体顶点的微粒为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个晶胞共享，处于体心的金属原子全 部属于该晶胞。部属于该晶胞。 微粒数为：微粒数为：81/8 + 1 = 2 长方体晶胞中不同位置的粒子对

18、晶胞的贡献：长方体晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献： 顶点顶点-1/8 棱棱-1/4 面心面心-1/2 体心体心-1 (1)(1)体心立方：体心立方： (2)(2)面心立方：面心立方： (3)(3)六方晶胞：六方晶胞： 【思考思考】钠的晶胞里，含多少原子？钠的晶胞里，含多少原子？ 2 2 钠晶体的晶胞钠晶体的晶胞 4 4 【思考思考】铜的晶胞里，含多少原子？铜的晶胞里，含多少原子？ 如某晶体是右图六棱柱状晶胞，如某晶体是右图六棱柱状晶胞， 12 1/6+2 1/2 + 3 = 6 顶端原子一般只计算顶端原子一般只计算 面上原子一般只计算面上原子一般只计算 内部原子一般计算成内部原子一般计算成

19、则此晶胞中含则此晶胞中含 原子。原子。 六方晶胞六方晶胞 1/6 1/6 1/2 1/2 1 1 四种堆积方式四种堆积方式,最常见的堆积为后三种最常见的堆积为后三种: 六方堆积六方堆积 理解金属晶体中原理解金属晶体中原 子的堆积方式子的堆积方式 六方堆积六方堆积 面心立方堆积面心立方堆积 体心立方堆积体心立方堆积立方堆积立方堆积 钾钾 型型 铜铜 型型 钋钋 型型 镁镁 型型 金属晶体的空间利用率金属晶体的空间利用率 空间利用率空间利用率= 晶胞中原子的体积晶胞中原子的体积 晶胞的体积晶胞的体积 合金合金 (1)定义：定义：把两种或两种以上的金属把两种或两种以上的金属(或金或金 属与非金属属与

20、非金属)熔合而成的具有金属特性的物熔合而成的具有金属特性的物 质叫做合金。质叫做合金。 例如，黄铜是铜和锌的合金（含铜例如，黄铜是铜和锌的合金（含铜67%、锌、锌33%）；）； 青铜是铜和锡的合金（含铜青铜是铜和锡的合金（含铜78%、锡、锡22%）；钢和）；钢和 生铁是铁与非金属碳的合金。故合金可以认为是具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。有金属特性的多种元素的混合物。 (2) (2) 合金的特性合金的特性 合金的熔点比其成分中金属合金的熔点比其成分中金属 (低，低， 高，介于两种成分金属的熔点之间；高，介于两种成分金属的熔点之间；) 具有比各成分金属

21、更好的硬度、强度和具有比各成分金属更好的硬度、强度和 机械加工性能。机械加工性能。 低低 简单立方堆积 配位数 = 6 空间利用率 = 52.36% 体心立方堆积 体心立方晶胞 配位数 = 8 空间利用率 = 68.02% 六方堆积 六方晶胞 配位数 = 12 空间利用率 = 74.05% 面心立方堆积 面心立方晶胞 配位数 = 12 空间利用率 = 74.05% 堆积方式及性质小结堆积方式及性质小结 ab 1 1、1183 k1183 k以下纯铁晶体的基本结构单元如图以下纯铁晶体的基本结构单元如图1 1 所示，所示，1183 k1183 k以上转变为图以上转变为图2 2所示结构的基本所示结构

22、的基本 结构单元，结构单元，在两种晶体中最邻近的铁原子间距在两种晶体中最邻近的铁原子间距 离相同离相同（1 1）在）在1183 k1183 k以下的纯铁晶体中，与以下的纯铁晶体中，与 铁原子等距离且最近的铁原子数为铁原子等距离且最近的铁原子数为_个；个； 在在1183 k1183 k以上的纯铁晶体中，与铁原子等距离以上的纯铁晶体中，与铁原子等距离 且最近的铁原子数为且最近的铁原子数为_； 图 1 图 2 8 12 a 3.合金有许多特点合金有许多特点,如钠如钠-钾合金钾合金 ( 含钾含钾 50% 80%)为液体，而钠钾的单质均为液体，而钠钾的单质均 为固体，据此推测生铁、纯铁、碳三为固体，据此推测