高中化学选修3课件第三章-第三节-金属晶体.ppt

1、第三章 晶体结构与性质3.3 金属晶体金属晶体学习目标学习目标 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。教学难点教学难点:金属键和电子气理论。金属晶体内原子的空间排列方式学习重难点学习重难点金属样品金属样品45 一一、金属共同的物理性质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。容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。金属为什么具有这些共同性质呢金属为什么具有这些共同性质呢?二、金属的结构二、金

2、属的结构 问题问题:1、构成金属的粒子有哪些？、构成金属的粒子有哪些？2、是否存在阴离子？、是否存在阴离子？6组成粒子组成粒子:金属阳离子和自由电子、金属阳离子和自由电子、金属原子金属原子“有阳离子而无阴离子有阳离子而无阴离子”是金属独有的特性。是金属独有的特性。金属原子脱落下来的金属原子脱落下来的价电子价电子形成遍布整块晶体的形成遍布整块晶体的“电子气电子气”,”,被所有原子所共用，从而把被所有原子所共用，从而把所有的原子维系在一起。所有的原子维系在一起。不存在单个分子不存在单个分子1.“1.“电子气理论电子气理论”(自由电子理论自由电子理论)7（1 1）金属键的成键微粒）金属键的成键微粒:

3、（2 2）金属键存在）金属键存在:（3 3）金属键的特征）金属键的特征:（4 4）金属键的实质）金属键的实质:2 2、金属键金属键:金属阳离子和自由电子之间的强烈金属阳离子和自由电子之间的强烈的相互作用叫做金属键（电子气理论）的相互作用叫做金属键（电子气理论）金属阳离子和自由电子金属阳离子和自由电子金属单质和合金金属单质和合金没有方向性没有方向性和和饱和性饱和性一种电性作用一种电性作用3 3、金属晶体金属晶体:金属原子通过金属键结合形成的晶体。金属原子通过金属键结合形成的晶体。在晶体中，不存在单个分子。在晶体中，不存在单个分子。金属阳离子被自由电子所包围。金属阳离子被自由电子所包围。金属晶体熔

4、化时破坏的作用力？金属晶体熔化时破坏的作用力？8 一般阳离子所带电荷越多、半径越小一般阳离子所带电荷越多、半径越小 ，金属，金属键键 _ _，熔沸点，熔沸点_，硬度，硬度_。与金属性强弱判断有什么不同与金属性强弱判断有什么不同?（1 1）金属键的成键微粒）金属键的成键微粒:（2 2）金属键存在）金属键存在:（3 3）金属键的特征）金属键的特征:（4 4）金属键的实质）金属键的实质:（5 5）金属键强弱的判断）金属键强弱的判断:2 2、金属键金属键:金属阳离子和自由电子之间的强烈金属阳离子和自由电子之间的强烈的相互作用叫做金属键（电子气理论）的相互作用叫做金属键（电子气理论）金属离子和自由电子金

5、属离子和自由电子金属单质和合金金属单质和合金没有方向性没有方向性和和饱和性饱和性一种电性作用一种电性作用金属阳离子电荷和半径金属阳离子电荷和半径越强越强越高越高越大越大9练习练习1 1、下列说法错误的是（、下列说法错误的是（）A A、镁的硬度大于铝、镁的硬度大于铝 B B、镁的熔沸点低于钙、镁的熔沸点低于钙C C、镁的硬度大于钾、镁的硬度大于钾 D D、钙的熔沸点高于钾、钙的熔沸点高于钾AB 2 2、下列四中有关性质的描述，可能是金属晶体、下列四中有关性质的描述，可能是金属晶体的是（的是（）A A、有分子间作用力结合而成，熔点很低、有分子间作用力结合而成，熔点很低 B B、固体或熔融态易导电，

6、熔点较高、固体或熔融态易导电，熔点较高 C C、由共价键结合成网状晶体，熔点很高、由共价键结合成网状晶体，熔点很高 D D、固体不导电，熔融态也不导电，但溶于水后、固体不导电，熔融态也不导电，但溶于水后能导电能导电B三、电子气理论对金属物理性质的解释三、电子气理论对金属物理性质的解释教材教材P73 第三、四自然段，讨论以下几个问题第三、四自然段，讨论以下几个问题【讨论讨论1 1】金属为什么易导电？金属为什么易导电？【讨论讨论2】金属为什么易导热？金属为什么易导热？【讨论讨论3】金属为什么有良好的延展性？金属为什么有良好的延展性？【讨论讨论4】为什么在纯金属加入其他元素形成合为什么在纯金属加入其

7、他元素形成合金以后，它的性能与纯金属有很大的差异呢？金以后，它的性能与纯金属有很大的差异呢？11【讨论讨论1 1】金属为什么易导电？金属为什么易导电？在金属晶体中，存在着带负电的在金属晶体中，存在着带负电的“电子气电子气”，这些电子气的运动是没有一定方向的，但在这些电子气的运动是没有一定方向的，但在外加外加电场电场的条件下的条件下电子气电子气就会就会发生发生定向移动定向移动，因而形，因而形成电流，所以金属容易导电。成电流，所以金属容易导电。【讨论讨论2 2】金属为什么易导热？金属为什么易导热？金属容易导热，是由于电子气中的金属容易导热，是由于电子气中的自由电子自由电子在在热的作用下与金属原子频

8、繁热的作用下与金属原子频繁碰撞碰撞把能量从温度把能量从温度高高的部分的部分传传到温度到温度低低的部分，从而使整块金属达到的部分，从而使整块金属达到相同的温度。相同的温度。思考思考:温度升高，金属的导电性是增强还是减弱？温度升高，金属的导电性是增强还是减弱？12晶体类型晶体类型电解质电解质金属晶体金属晶体 导电时的状态导电时的状态导电粒子导电粒子导电时发生的导电时发生的变化变化导电能力随温导电能力随温度的变化度的变化水溶液或水溶液或熔融状态下熔融状态下晶体状态晶体状态自由移动的离子自由移动的离子自由电子自由电子思考思考:电解质在熔化状态或溶于水能导电，这与金电解质在熔化状态或溶于水能导电，这与金

9、属导电的本质是否相同？属导电的本质是否相同？化学变化化学变化物理变化物理变化增强增强减弱减弱【讨论讨论3 3】金属为什么具有较好的延展性？金属为什么具有较好的延展性？延展性延展性:金属材料在外力作用下会发生形变，金属材料在外力作用下会发生形变，但不会断裂。但不会断裂。原子晶体原子晶体:金属晶体金属晶体:受外力作用时，原子间的位移必然导致共价受外力作用时，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。键的断裂，因而难以锻压成型，无延展性。当金属受到外力时，由于当金属受到外力时，由于金属键无方向性金属键无方向性，各原子层发生相对滑动，各原子层发生相对滑动，但排列方式不变，弥漫在金但

10、排列方式不变，弥漫在金属原子间的属原子间的电子气电子气可起到类似轴承中滚珠之间的可起到类似轴承中滚珠之间的润滑润滑剂剂的作用，所以金属具有良好的延展性。的作用，所以金属具有良好的延展性。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+外力外力14【讨论讨论4】为什么在纯金属加入其他元素形成合为什么在纯金属加入其他元素形成合金以后，它的性能与纯金属有很大的差异呢？金以后，它的性能与纯金属有很大的差异呢？v 总结总结 金属晶体的结构与性质的关系金属晶体的结构与性质的关系 导电性导电性导热性导热性延展性延展性金属阳金属阳离子和离子和自由电自由电子子电子气在外加电子气在外加电场的作用下电场

11、的作用下发生定向移动发生定向移动自由电子与自由电子与金属原子碰金属原子碰撞传递热量撞传递热量晶体中各原晶体中各原子层相对滑子层相对滑动仍保持相动仍保持相互作用互作用资料资料金属之最金属之最熔点最低的金属是熔点最低的金属是-汞汞 熔点最高的金属是熔点最高的金属是-钨钨 密度最小的金属是密度最小的金属是-锂锂 密度最大的金属是密度最大的金属是-锇锇 硬度最小的金属是硬度最小的金属是-铯铯 硬度最大的金属是硬度最大的金属是-钨钨最活泼的金属是最活泼的金属是-铯铯最稳定的金属是最稳定的金属是-金金延性最好的金属是延性最好的金属是-铂铂展性最好的金属是展性最好的金属是-金金随练随练:见课见课后习题后习题

12、16【讨论【讨论5 5】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所有频率的光吸收所有频率的光，然后，然后很快释很快释放出各种频率的光放出各种频率的光，因此绝大多数，因此绝大多数金属具有银白色或钢灰色光泽。而某些金金属具有银白色或钢灰色光泽。而某些金属（如属（如铜、金、铯、铅铜、金、铯、铅等）由于等）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晶面取向杂乱、晶格排列不规则杂乱、晶格排列不规则，吸收可见光后辐，吸收可见光后辐射不出去，所以

13、成黑色。射不出去，所以成黑色。【思考思考1 1】已知碱金属元素的熔沸点随原子序数已知碱金属元素的熔沸点随原子序数的增大而递减，试用电子气理论加以解释。的增大而递减，试用电子气理论加以解释。同主族元素价电子数相同（阳离子所带电荷数相同），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的增大而递减。【思考思考2 2】试判断钠、镁、铝三种金属熔沸点和试判断钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度的大小。硬度

14、的大小。同周期元素，从左到右，价电子数依次增大，原子同周期元素，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（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强，故钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度的大小顺序是:钠镁铝。钠镁铝。18v 三种晶体类型与性质的比较三种晶体类型与性质的比较晶体类型晶体类型原子晶体原子晶体分子晶体分子晶体金属晶体金属晶体概念概念相邻原子之间以共价相邻原子之间以共价键相结合而成具有空键相结合而成具有空间网状结构的晶体间网状结构的晶体分子间以范德分子间以范德华力相结合而华力相结合而成的晶体成的晶

15、体通过金属键形成的通过金属键形成的晶体晶体作用力作用力构成微粒构成微粒物物理理性性质质熔沸点熔沸点硬度硬度导电性导电性实例实例共价键共价键范德华力范德华力金属键金属键原子原子分子分子金属离子和金属离子和自由电子自由电子很高很高很低很低差别较大差别较大很大很大很小很小差别较大差别较大无（硅为半导体）无（硅为半导体）无无导体导体191 1、金属原子在二维空间（平面）上有二种排列方式、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二、金属晶体的原子堆积模型 （a a）非密置层）非密置层 （b b）密置层）密置层配位数配位数=4 4配位数配位数=6 6配位数配位数:任意一个原子周

16、围与之相接触的原子的数目。任意一个原子周围与之相接触的原子的数目。20 金属晶体可以看成金属原子在三维空间中金属晶体可以看成金属原子在三维空间中堆积而成堆积而成.那么那么,非密置层非密置层在三维空间里堆积有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、原子的空间利用率、晶胞的区别。思考与交流思考与交流2 2、金属晶体在三维空间堆积模式、金属晶体在三维空间堆积模式 v 非密置层的堆积非密置层的堆积22（1 1）简单立方堆积）简单立方堆积:2 2、金属晶体在三维空间堆积模式、金属晶体在三维空间堆积模式

17、 只有金属（只有金属（PoPo）配位数配位数:空间占有率空间占有率:每个晶胞含原子数每个晶胞含原子数:6 61 152%52%23金属晶体的堆积方式金属晶体的堆积方式体心立方堆积体心立方堆积 非密置层的另一种堆积是将上层金属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原子填入下层的金属原子形成的凹穴中24（2 2）体心立方堆积）体心立方堆积-钾型钾型 每个晶胞每个晶胞含每个晶胞每个晶胞含 个原子个原子 空间利用率不高空间利用率不高_ 配位数为配位数为_ 2868%(碱金属碱金属/Fe/Fe)123456 第二层对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准第二层对第一层来讲最紧密

18、的堆积方式是将球对准 1 1，3 3，5 5 位。位。(或对准或对准 2 2，4 4，6 6 位，其情形是一样的位，其情形是一样的 )123456AB，关键是第三层。对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧关键是第三层。对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧密的堆积方式。密的堆积方式。26金属晶体的两种最密堆积方式金属晶体的两种最密堆积方式镁型和铜型镁型和铜型（3 3）镁型和铜型）镁型和铜型镁型镁型铜型铜型 下图是此种六方下图是此种六方紧密堆积的前视图紧密堆积的前视图ABABA 第一种第一种是将第三层的球对准是将第三层的球对准第一层的球。第一层的球。123456 于是每两层形成一个周期，于是每两

19、层形成一个周期，即即 AB AB 堆积方式，形成六堆积方式，形成六方紧密堆积。方紧密堆积。配位数配位数 。(同层同层 ，上下层各，上下层各 。)1212 6 63 3281200平行六面体平行六面体空间利用率高空间利用率高_，属于最密置层堆积，属于最密置层堆积.配位数为配位数为 ，每个晶胞所含原子个数每个晶胞所含原子个数_许多金属许多金属（如（如MgMg、ZnZn、TiTi等）等）采取这种堆积方式。采取这种堆积方式。12镁型镁型（Zn TiZn Ti Mg B B B Mg B B B）74%2第二种第二种是将第三层的球是将第三层的球对准第一层的对准第一层的 2 2，4 4，6 6 位，不同于

20、位，不同于 AB AB 两两层的位置，这是层的位置，这是 C C 层层。123456123456123456123456此种立方紧密堆积的前视图此种立方紧密堆积的前视图ABCAABC 第四层再排第四层再排 A，于是形，于是形成成 ABC ABC 三层一个周三层一个周期。期。得到面心立方堆积。得到面心立方堆积。配位数配位数 。(同层同层 ，上下层各上下层各 )12126 6 3 331123456铜铜 型型配位数配位数:空间占有率空间占有率:每个晶胞含原子数每个晶胞含原子数:铜型铜型 面心立方面心立方 BCA121274%74%4 4（Cu/Ag/Au）33镁型镁型铜型铜型金属晶体的两种最密堆积

21、方式金属晶体的两种最密堆积方式34堆积方堆积方式式晶胞类晶胞类型型空间利空间利用率用率配位配位数数实例实例面心立方面心立方最密堆积最密堆积堆积方式及性质小结堆积方式及性质小结简单立简单立方堆积方堆积体心立方体心立方密堆积密堆积六方最六方最密堆积密堆积面心立方面心立方六方六方体心立方体心立方简单立方简单立方74%74%74%74%68%68%5252121212128 86 6CuCu、AgAg、AuAuNaNa、K K、FeFePoPoZn Zn、Ti Ti、Mg Mg 35v 空间利用率的计算空间利用率的计算 空间利用率空间利用率:指构成晶体的原子、离子或分子在指构成晶体的原子、离子或分子在

22、整个晶体空间中所占有的体积百分比。整个晶体空间中所占有的体积百分比。晶胞中含有原子晶胞中含有原子(球球)体积体积 空间利用率空间利用率=100%晶胞体积晶胞体积 先计算每个晶胞中所含原子个数 再计算空间利用率3637解:先计算每个晶胞中所含原子个数体心立方晶胞:1+8 1/8=2 例例2 2:体心立方体心立方晶胞中金属原子的空间利用率晶胞中金属原子的空间利用率。设原子半径为r、晶胞边长为a，根据勾股定理，得:2a 2 +a 2 =(4r)2a43rr16a322空间利用率 =晶胞含有原子的体积/晶胞体积 100%=%68%100a)a43(342ar3423333 再计算空间利用率例3:面心立

23、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:a 2+a 2 =(4r)2 a=2.83 r每个面心立方晶胞含原子数目:8 1/8+6 =4=(4 4/3 r 3)/a 3 =(4 4/3 r 3)/(2.83 r)3 100%=74%三、金属晶体的结构特征三、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

24、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），金属晶体的熔点由金属阳离子半径、所带的电荷数、自由电子的多少而定。阳离子半径越小，所带的电荷越多，自由电子越多，相互作用就越大，熔点就会越高。41石墨中的碳原子采取什么杂化？与金刚石有什么区别？石墨中的碳原子采取什么杂化？与金刚石有什么区别？石墨为什么很软？石墨为什么很软？石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，容易滑动，所以石墨石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，容易滑动，所以石墨很软。很软。石墨为什么能导电？石墨为什么能导电？石墨的熔点石墨的熔点3652 为什么高于金刚石为

25、什么高于金刚石3550？石墨各层均为平面网状结构，碳原子之间存在很强的共价键，故熔石墨各层均为平面网状结构，碳原子之间存在很强的共价键，故熔点很高。点很高。石墨属于哪类晶体？为什么？石墨属于哪类晶体？为什么？石墨晶体中既有共价键、又有金属键，还有范得华力，是原子晶体石墨晶体中既有共价键、又有金属键，还有范得华力，是原子晶体与分子晶体之间的一种过渡型晶体，又具有金属晶体某些性质，所与分子晶体之间的一种过渡型晶体，又具有金属晶体某些性质，所以石墨晶体被称为混合键型晶体。以石墨晶体被称为混合键型晶体。知识拓展石墨知识拓展石墨晶体具有规则的几何外形，晶体中最基本的重复单位称为是晶晶体具有规则的几何外形

26、，晶体中最基本的重复单位称为是晶胞。胞。NaCl晶体结构如图所示，已知晶体结构如图所示，已知FexO晶体晶胞结构为晶体晶胞结构为NaCl型，由于晶体缺陷，型，由于晶体缺陷，x值小于值小于1，测知，测知FexO晶体密度为晶体密度为5.71g/cm3，晶胞边长为，晶胞边长为4.2810-10m。（1）FexO中中x值（精确到值（精确到0.01）为）为？（2）晶体中的）晶体中的Fen+分别为分别为Fe2+、Fe3+，在，在Fe2+和和Fe3+总数中，总数中，Fe2+所占分数（用小数表示，精确至所占分数（用小数表示，精确至0.001）为）为？(3)此晶体的化学式为此晶体的化学式为？（4）与某个）与某个Fe2+（或（或Fe3+）距离最近且等距离的）距离最近且等距离的O2-围成的空围成的空间几何形状是间几何形状是？（5）在晶体中，铁元素的离子间的最短距离为）在晶体中，铁元素的离子间的最短距离为？m