金属晶体高二化学人教版选择性必修2

第三章

晶体结构与性质第三节

金属晶体与离子晶体第1课时

金属晶体学习目标知道金属键的含义及决定金属键强弱的主要因素。能用金属键理论从微观的视角来解释金属晶体的导电性、导热性、延展性等宏观性质。理解金属晶体的四种堆积方式，掌握四种堆积方式的配位数和空间利用率的计算。通过前面对于分子晶体与共价晶体的学习，我们可以总结晶体性质与结构的一般研究方法和思路为构成的微粒微粒间相互作用晶体类型，微粒的排布物质的性质导电性、导热性、延展性、金属光泽……铝锂合金用于C919飞机的外壳国家体育场的钢架结构铜电缆金属为什么有这些共同性质呢？金属原子间是通过什么作用结合在一起的？任务一金属键与金属晶体(1)成键粒子:

和

。

(2)存在范围:

或

。

(3)成键本质——电子气理论:自由电子

金属阳离子合金金属单质1.金属键金属阳离子和自由电子之间强烈的相互作用。自由电子++++++++++++++++金属离子+金属原子的最外层电子数较少，容易失去电子成为金属离子，金属脱落下来的价电子几乎均匀分布在整个晶体中，像遍布整块金属的“电子气”，被所有原子共用。这些电子又称为自由电子。金属阳离子浸泡在电子的海洋中，金属晶体和共价晶体都是一种“巨分子”。金属键无方向性和饱和性。金属晶体里的自由电子不专属于某几个特定的金属原子,而是几乎均匀地分布在整个晶体里,把所有金属原子维系在一起,所以金属键没有方向性和饱和性。(4)金属键的特征:任务一金属键与金属晶体2.金属晶体1）金属（除汞外）在常温下都是晶体，称其为金属晶体，在金属晶体中，原子之间以金属键相互结合。Ti观察金属置换反应中金属的生长过程，可知：金属具有较为规则的几何外形，是一种晶体，我们称其为金属晶体。任务一金属键与金属晶体2.金属晶体2）结构特点：金属晶体的结构就好像很多硬球一层一层很紧密地堆积，每一个金属原子的周围有较多相同的原子围绕着。微点拨①在金属晶体中，不存在单个分子或原子，金属单质或合金(晶体锗、灰锡除外)属于金属晶体。②金属晶体是一个“巨分子”。注意事项：合金也属于金属晶体；合金的硬度更大，强度更高；在金属晶体中存在阳离子，但不存在阴离子；晶体中存在阳离子时不一定存在阴离子，存在阴离子时一定存在阳离子。AuCu任务一金属键与金属晶体3）成键方式：在金属晶体中，金属原子之间以金属键相互结合。金属键是金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用。是以即影响化学性质稳定性，又影响物理性质。4）物理特性①大多数金属常温下为银白色的固体。②金属晶体都具有金属光泽。③都具有良好的导电性和导热性。④都具有良好的延展性。⑤熔点、密度与硬度相差很大。金属为什么具有这些共同性质?你能用金属键的理论解释吗？任务一金属键与金属晶体3.“电子气理论”解释金属的通性金属晶体中，自由电子在外加电场作用下，发生定向移动，形成电流，使金属具有良好的导电性，金属晶体中除自由电子外的金属阳离子在其位置附近振动，加热时，金属阳离子的振动加强，阻碍自由电子的运动，因而金属的电阻随温度升高而增大。通性一：金属的导电性以及金属的电阻随温度升高而增大+++++++++++++++---------------外加电场+-+++-+++++++++++-------------注意：金属在固态或液体都有导电性不同的金属导电能力不同，导电性最强的三种金属是：Ag、Cu、Al。能导电的晶体不一定是金属晶体，eg：晶体Si、石墨、导电塑料（如聚乙炔加入碘单质或金属）任务一金属键与金属晶体3.“电子气理论”解释金属的通性金属晶体中，自由电子在运动中不断地与金属阳离子碰撞，从而发生能量交换，当金属某部分受热时，该区域的电子运动加剧，通过碰撞，电子将能量传递给金属原子或离子，这样能量从温度高的区域传递到温度低的区域，所以金属有很好的导热性。通性二：金属的导热性冬天我们感觉金属制品比木制品更凉，原因是当人接触到金属时，金属很快将人体的热量传递出去，因为木制品不易导热所以当人接触到木制品时，身体的热量不易散失。任务一金属键与金属晶体金属晶体中，由于自由电子的“胶合”作用，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，而且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，所以金属有良好的延展性。通性三：金属的延展性3.“电子气理论”解释金属的通性提示

:

当向金属晶体中掺入不同的原子时，就像在滚珠之间掺入了细小的碎石一样，因此形成合金会使金属的延展性变差、硬度增大。任务一金属键与金属晶体3.“电子气理论”解释金属的通性金属晶体内部存在自由电子，当光线投射到金属表面时，自由电子吸收可见光，然后又把各种波长的光大部分再反射出来，这就使绝大多数块状金属呈现银灰色或银白色光泽。某些金属因易吸收某些频率光而呈特殊颜色。通性四：金属光泽金属在粉末状态时，金属原子的取向杂乱，排列不规则，吸收可见光后不能再反射出来，所以金属粉末常呈暗灰色或黑色。任务一金属键与金属晶体4.金属键的强弱及其对金属物理性质的影响金属键的强弱主要决定于金属元素的原子半径和价电子数。原子半径越大、价电子数越少，金属键越弱；反之，金属键越强。金属键主要影响金属晶体的熔点、硬度等物理性质。金属键越强，金属晶体的熔点越高，硬度越大；金属键越弱，金属晶体的熔点越低，硬度越小。解释Na、Mg、Al的熔点依次升高、硬度依次增大的原因。钠、镁、铝原子半径逐渐减小，价电子数逐渐增多，金属键逐渐增强，熔点逐渐升高。金属晶体熔点差别较大，一般熔、沸点较高，但有部分熔点较低，如Cs、Hg等。汞在常温下是液体，熔点很低(-38.9℃)，而钨的熔点最高，高达3000℃以上。这是由于金属晶体紧密堆积方式、金属离子与自由电子的作用力强度不同。任务二金属晶体的堆积方式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)有两种排列方式，分别为非密置层和密置层。非密置层放置密置层放置⑥①②③④⑤①②③④AB配位数为4配位数为61.金属晶体的原子在二维平面的堆积模型正方形空隙面积大于三角形空隙面积任务二金属晶体的堆积方式2.金属晶体的原子在三维平面的堆积模型（1）简单立方堆积

为清晰起见，我们使金属原子不相切，以便更好地观察堆积的晶胞。简单立方堆积的特征：第二层小球的球心正对着第一层小球的球心，空间利用率较低，金属钋（Po）采用这种堆积方式，因此又称为钋型。1.非密置层堆积形式任务二金属晶体的堆积方式2.金属晶体的原子在三维平面的堆积模型1.非密置层堆积形式（1）简单立方堆积

①代表金属钋（Po）②配位数：6简单立方的晶胞边长a=2r每个晶胞含原子数：1任务二金属晶体的堆积方式2.金属晶体的原子在三维平面的堆积模型体心立方堆积的特征：上层金属原子填入下层的金属原子的凹穴中，空间利用率比简单立方堆积高，碱金属（Na、K等）和铁属于这种堆积方式，又叫钾型。1.非密置层堆积形式（2）体心立方堆积

任务二金属晶体的堆积方式2.金属晶体的原子在三维平面的堆积模型①代表金属Na、K、Fe②配位数：8简单立方的晶胞边长a=1.非密置层堆积形式（2）体心立方堆积

每个晶胞含原子数：2任务二金属晶体的堆积方式2.金属晶体的原子在三维平面的堆积模型

第一层中心原子周围有6个空隙，第二层原子放置于第一层的①③⑤空隙内，第三层原子对准第一层②④⑥空隙内，依次重叠，每三层形成一个周期，这种紧密堆积叫面心立方最密堆积。配位数是________________________，完全属于一个晶胞的原子有___个。412（同层6个,上下层各3个）123456ACBACBA正视图（1）面心立方堆积

2.密置层堆积形式任务二金属晶体的堆积方式2.金属晶体的原子在三维平面的堆积模型①代表金属

铜、银、金②配位数：122.密置层堆积形式（1）面心立方堆积

a面心立方堆积的空间利用率≈74.05％

面对角线：4r=a；a=2rV=a3=（2r）3___________=43__4×πr3（2r）3任务二金属晶体的堆积方式2.金属晶体的原子在三维平面的堆积模型第二层小球的球心对准第一层的1、3、5位（▽）或对准2、4、6位（△），第三层小球对准第一层的小球，每两层形成一个周期地紧密堆积。这种紧密堆积叫六方最密堆积。在六方最密堆积中，配位数_____________________，完全属于一个晶胞的原子有___个。空间利用率各是多少？212（同层6个，上下层各3个）晶胞为平行六面体，底面是平行四边形，侧面是矩形123456ABABA前视图六方最密堆积晶胞2.密置层堆积形式（2）六方最密堆积

任务二金属晶体的堆积方式2.金属晶体的原子在三维平面的堆积模型①代表金属镁、锌、钛②配位数：12任务二金属晶体的堆积方式2.金属晶体的原子在三维平面的堆积模型六方最密堆积金属原子的半径r与六棱柱的边长a、高h的关系：a=2rha任务二金属晶体的堆积方式2.金属晶体的原子在三维平面的堆积模型hah=2×边长为的正四面体的高晶胞底面积S底=a2sin60°=晶胞体积S底

×h

=×

=a=2rV晶胞=晶胞空间利用率=×2×100％≈74.05％=六方最密堆积的空间利用率

。hah=2×边长为的正四面体的高晶胞底面积S底=a2sin60°=晶胞体积S底

×h

=×

=a=2rV晶胞=晶胞空间利用率=×2×100％≈74.05％=六方最密堆积的空间利用率

。任务二金属晶体的堆积方式1.简单立方堆积2.体心立方堆积3.面心立方堆积4.六方最密堆积非密置层堆积形式密置层堆积形式密堆积最密堆积空间利用率较高空间利用率较低金属晶体堆积方式

非密置层

简单立方堆积体心立方堆积密置层六方最密堆积面心立方堆积三种最常见的堆积方式任务二金属晶体的堆积方式金属键没有饱和性和方向性，金属原子尽可能采取最紧密的堆积方式，使得金属晶体结构最稳定，能量最低。六方堆积面心立方堆积体心立方堆积Ca、Al、Cu、Ag、Au、Pd、PtLi、Na、K、Ba、W、FeMg、Zn、Ti简单立方堆积（Po）任务二金属晶体的堆积方式堆积类型代表物质层类型晶胞相切原子配位数

空间利用率简单立方体心立方面心最密面对角线3球六方最密Po非密置层棱上2球6KNaFe非密置层体对角线3球8CuAgAu密置层12密置层三棱柱的中心1252%68%74%74%MgZnTi金属晶体的四种堆积方式比较知识补充①铝:地壳中含量最多的金属元素②钙:人体中含量最多的金属元素③铁:目前世界年产量最多的金属(铁>铝>铜)④银:导电、导热性最好的金属(银>铜>金>铝)⑤铬:

硬度最高的金属⑥钨:熔点最高的金属⑦汞:熔点最低的金属⑧锇:密度最大的金属⑨锂:密度最小的金属⑩金:延展性最好的金属拓展提高【归纳总结】三种晶体类型与性质的比较晶体类型共价晶体分子晶体金属晶体概念作用力构成微粒物理性质熔沸点硬度导电性实例金刚石、二氧化硅、晶体硅、碳化硅Ar、S8等Au、Fe、Cu、钢铁等相邻原子之间以共价键相结合而成具有空间网状结构的晶体共价键原子很大很高不导电（硅为半导体）分子分子间以范德华