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第三章 晶體結構與性質
第三節 金屬晶體與離子晶體
3.3.1 金屬晶體
金屬有哪些物理性質呢？
生活中的金屬
一、概念：
金屬陽離子和電子之間的強烈的相互作用叫做金屬鍵。
①成鍵微粒：金屬陽離子、自由電子
②成鍵本質：金屬陽離子與自由電子之間的強烈的靜電作用
③特征：無方向性和飽和性，自由電子可以在金屬中自由移動
金屬鍵
④金屬鍵的存在：存在于金屬單質和合金中
一般來說，金屬鍵的強弱主要取決于金屬元素原子的半徑和價電子數。原子半徑越大，價電子數越少，金屬鍵越弱；原子半徑越小，價電子數越多，金屬鍵越強。
二、影響因素
下列各組金屬熔點高低順序正確的是(　　)
A．Mg>Al>Ca
B．Al>Na>Li
C．Al>Mg>Ca
D．Mg>Ba>Al
【課堂練習】
由于金屬原子的最外層電子數較少,容易失去電子成為金屬離子,金屬原子釋放出的價電子不專門屬于某個特定的金屬離子,而為許多金屬離子所共有,并在整個金屬中自由運動,這些電子又稱為自由電子。金屬脫落下來的價電子幾乎均勻分布在整個晶體中，像遍布整塊金屬的“電子氣”，從而把所有金屬原子維系在一起。
三、本質“電子氣理論”
1.定義：金屬原子之間通過金屬鍵相互結合形成的晶體，叫做金屬晶體。
2.組成粒子：金屬陽離子和自由電子。
3.微粒間的作用力：金屬鍵
①在金屬晶體中有陽離子，但沒有陰離子，所以，晶體中有陽離子不一定有陰離子，若有陰離子，則一定有陽離子。
②在金屬晶體中，不存在單個分子或原子，是一個“巨分子”，金屬單質或合金(晶體鍺、灰錫除外)屬于金屬晶體。
四、金屬晶體
4.金屬晶體的性質
(1)金屬晶體具有良好的導電性、導熱性和延展性。
(2)熔、沸點：金屬鍵越強，熔、沸點越高。
①同周期金屬單質，從左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸點升高。
②同主族金屬單質，從上到下(如堿金屬)熔、沸點降低。
③合金的熔、沸點一般比其各成分金屬的熔、沸點低。
④金屬晶體熔點差別很大，如汞常溫下為液體，熔點很低；而鐵常溫下為固體，熔點很高。
（1）金屬或合金的延展性很好：
外力
在金屬離子間的電子可以起到類似軸承中滾珠的潤滑劑作用。
當金屬晶體受外力作用時，晶體中各原子層就會發生相對滑動原來的排列方式不變。
“電子氣理論”解釋金屬的物理性質
（2）金屬或合金的導熱性很好：
“電子氣理論”解釋金屬的物理性質
金屬部分受熱，那個區域的自由電子能量增加，運動速率加快，通過與金屬陽離子頻繁碰撞，把能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分，從而使整塊金屬達到相同溫度。所以金屬有良好的導熱性。
金屬晶體內部的自由電子，在電場作用下，作定向移動，從而形成了電流。
外加電場
“電子氣理論”解釋金屬的物理性質
（3）金屬或合金常溫下能導電：
晶體類型 電解質 金屬晶體
導電時的狀態
導電粒子
導電時發生的變化
導電能力隨溫度的變化
水溶液或
熔融狀態下
晶體狀態
自由移動的離子
自由電子
思考：電解質在熔化狀態或溶于水能導電，這與金屬導電的本質是否相同？
化學變化
物理變化
增強
減弱
（4）金屬大都有特殊的金屬光澤：
由于自由電子可吸收所有頻率的光，然后很快釋放出各種頻率的光，因此絕大多數金屬具有銀白色或鋼灰色光澤。而某些金屬（如銅、金、銫、鉛等）由于較易吸收某些頻率的光而呈現較為特殊的顏色。
當金屬成粉末狀時，金屬晶體的晶面取向雜亂、晶格排列不規則，吸收可見光后輻射不出去，所以成黑色。
“電子氣理論”解釋金屬的物理性質
資料
金屬之最
熔點最低的金屬是--------
汞 [-38.87℃]
熔點最高的金屬是--------
鎢 [3410℃]
密度最小的金屬是--------
鋰 [0.53g/cm3]
密度最大的金屬是--------
鋨 [22.57g/cm3]
硬度最小的金屬是--------
銫 [0.2]
硬度最大的金屬是--------
鉻 [9.0]
最活潑的金屬是----------
銫
最穩定的金屬是----------
金
延性最好的金屬是--------
鉑[鉑絲直徑： mm]
展性最好的金屬是--------
金[金箔厚： mm]
導電性最好的的金屬是------
銀
1.正誤判斷
(1)金屬在常溫下都是晶體( )
(2)金屬鍵是金屬陽離子和自由電子之間存在的強烈的靜電吸引作用( )
(3)金屬晶體在外力作用下，各層之間發生相對滑動，金屬鍵被破壞( )
(4)共價晶體的熔點一定比金屬晶體的高，分子晶體的熔點一定比金屬晶體的低( )
(5)金屬晶體除了純金屬，還有大量的合金( )
(6)有機高分子化合物一定不能導電( )
(7)金屬的電導率隨溫度的升高而降低( )
×
×
×
×
√
×
√
【課堂練習】
2.下列關于金屬及金屬鍵的說法正確的是(　　)
A.金屬鍵具有方向性和飽和性
B.金屬鍵是金屬陽離子與自由電子之間的相互作用
C.金屬導電是因為在外加電場作用下產生自由電子
D.金屬具有光澤是因為金屬陽離子吸收并放出可見光
B
【課堂練習】
3.金屬晶體的下列性質中,不能用金屬晶體結構加以解釋的是(　　)
A.易導電 B.易導熱
C.有延展性 D.易銹蝕
D
【課堂練習】
4.下列關于金屬鍵的敘述不正確的是(　　)
A.金屬鍵是金屬陽離子和自由電子間的強烈相互作用,也是一種電性作用
B.金屬鍵可以看作是許多原子共用許多電子所形成的強烈的相互作用,所以與共價鍵類似,也有方向性和飽和性
C.金屬鍵是金屬陽離子和自由電子間的相互作用,故金屬鍵無方向性和飽和性
D.構成金屬鍵的自由電子在整個金屬內部的三維空間中做自由運動
B
【課堂練習】
5．下列有關金屬鍵的敘述中，錯誤的是(　　)A．金屬鍵沒有飽和性和有方向性B．金屬鍵是金屬陽離子和自由電子之間存在的強烈的靜電作用C．金屬鍵中的電子屬于整塊金屬D．金屬的性質和金屬固體的形成都與金屬鍵有關
【課堂練習】
由于金屬鍵沒有飽和性和方向性，每個金屬原子中的電子分布基本是球型對稱的，所以把金屬晶體可以看成是由直徑相等的圓球的三維空間堆積而成的。
理論基礎：
二、金屬晶體的原子堆積模型
緊密堆積：
微粒之間的作用力，使微粒間盡可能的相互接近，使它們占有最小的空間。
空間利用率：
晶體空間被粒子占據的百分數（離子的體積除以晶胞的體積）。
配位數：
晶體中每個粒子周圍距離最近且相等的粒子的數目。
金屬原子在一維（直線）方向上的排列方式
等徑圓球密置列
金屬原子在二維空間（平面）上有的排列方式
等徑圓球非密置層
配位數=4
配位數=6
等徑圓球密置層
非密置層之間采取非密置堆積
1、簡單立方堆積
[ Po ]
配位數：
空間占有率：
每個晶胞含原子數：
6
1
52%
代表金屬：
金屬原子半徑r與正方體邊長a的關系：
a
a
a
a
a = 2 r
非密置層之間采取密置堆積方式
配位數：
空間占有率：
每個晶胞含原子數：
8
68%
2
2、體心立方堆積-----鉀型
代表金屬：
K、Na、Fe
金屬原子半徑r與正方體邊長a的關系：
a
a
a
a
2
a
b = 4 r
b =
3
a
a = 4 r
3
b
2
a
鎂型
銅型
金屬晶體的兩種最密堆積方式
思考：密置層的堆積方式有哪些？
1
2
3
4
5
6
第二層可以將球對準1，3，5 位，
或對準 2，4，6 位。
1
2
3
4
5
6
A
B
，
關鍵是第三層，對第一、二層來說，第三層可以有兩種最緊密的堆積方式。
第一種是將球對準第一層的球
1
2
3
4
5
6
每兩層形成一個周期
AB AB 堆積方式
形成六方緊密堆積。
配位數 12 。 ( 同層 6，上下層各 3 ) ，空間利用率為74%
六方緊密堆積的前視圖
A
B
A
B
A
1
2
3
4
5
6
1200
3.六方最密堆積--鎂型
配位數：
每個晶胞含原子數：
空間利用率：
代表金屬：
12
（同層 6，上、下層各 3）
2
Mg、Zn、Ti
74%
六方晶胞中，DABO為正四面體，正四面體的高為c/2
a＝b＝2r
AE＝a sin 60°＝a
AG＝AE＝a
DG2＋AG2＝AD2（AD＝a）
——平行四邊形的高
——正四面體的高
即 DG＝a
＝a
c＝a＝r
——晶胞的高
c＝2×邊長為a的四面體高＝ 2×a＝a
V晶胞＝a2×a＝a3＝8r3
V球＝ 2×r3
晶胞中有2個球
×100%＝
知識海洋
D
金屬原子的半徑r與六棱柱的邊長a、高h
的關系：
a = 2 r
a
h
h =
a
6
3
2
第三層的另一種排列方式將球對準第一層的
2，4，6 位，不同于 AB 兩層的位置，這是 C 層
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
面心立方最密堆積的前視圖
A
B
C
A
A
B
C
第四層再排 A
ABC ABC 三層一個周期 面心立方最密堆積。
4.面心立方最密堆積-銅型
B
C
A
1
2
3
4
5
6
B
C
A
配位數：
空間占有率：
每個晶胞含原子數：
B
C
A
12
74%
4
代表金屬：
Cu、Ag、Au
邊長為 a
面對角線邊長為 a＝4r
金屬原子半徑 r與正方體邊長a 的關系：
密堆積的八面體空隙和四面體空隙
堆積方式 晶胞類型 空間利用率 配位數 實例
面心立方最密堆積
堆積方式及性質小結
簡單立方堆積
體心立方密堆積
六方最密堆積
面心立方
六方
體心立方
簡單立方
74%
74%
68%
52％
12
12
8
6
Cu、Ag、Au
Mg、Zn、Ti
Na、K、Fe
Po
三、空間利用率的計算
空間利用率：指構成晶體的原子、離子或分子在整個晶體空間中所占有的體積百分比。
球體積
空間利用率= = 100%
晶胞體積
a
a
a
a
a = 2 r
1、簡單立方晶胞
空間利用率=
4πr3/3
(2r)3
=
≈52%
π
6
a
a
a
a
2
a
b = 4 r
b =
3
a
a = 4 r
3
b
2
a
2、體心立方晶胞
a = 4 r /
3
空間利用率=
2×4πr3/3
( )3
=
≈68%
π
8
4 r /
3
3
邊長為: a
面對角線邊長為: b
a＝4r
＝ a
a＝4r/
空間利用率=
4×4πr3/3
( )3
=
≈74%
π
6
4 r /
3、面心立方晶胞
a = 2 r
a
h
h =
a
6
3
2
4、六方密堆積
平行四邊形的面積：
2
2
3
60
sin
a
a
a
S
=
×
=
o
a = 2 r
a
h
h =
a
6
3
2
3
3
2
2
8
2
3
6
2
2
3
r
a
a
a
V
=
=
X
=
晶胞
空間利用率=
2×4πr3/3
8 r3
=
≈74%
π
6
石墨晶體結構模型
石墨是層狀結構的混合型晶體
石墨晶體結構俯視圖
1．下列有關金屬元素特征的敘述中正確的是
A．金屬元素的原子只有還原性，離子只有氧化性
B．金屬元素在化合物中一定顯正價
C．金屬元素在不同化合物中的化合價均不同
D．金屬單質的熔點總是高于分子晶體
能力訓練
2.下列生活中的問題，不能用金屬鍵知識解釋的是 （ ）
A.用鐵制品做炊具
B.用金屬鋁制成導線
C.用鉑金做首飾
D.鐵易生銹
D
3.下列物質中含有金屬鍵的是 ( )
A、金屬鋁 B、合金
C、NaOH D、NH4Cl
AB
4.金屬鍵的強弱與金屬價電子數的多少有關，價電子數越多金屬鍵越強；與金屬陽離子的半徑大小也有關，金屬陽離子的半徑越大，金屬鍵越弱。據此判斷下列金屬熔點逐漸升高的是 （ ）
A、Li Na K B、Na Mg Al
C、Li Be Mg D、Li Na Mg
B
5.下列有關金屬晶體敘述正確的是（ ）
A、常溫下金屬單質都以金屬晶體形式存在
B、金屬離子與自由電子之間的強烈作用，在一定外力作用下，不因形變而消失
C、鈣的熔、沸點低于鉀
D、溫度越高，金屬的導電性越好
B
6.下列有關金屬元素特征的敘述中正確的是
A.金屬元素的原子只有還原性，離子只有氧化性
B.金屬元素在化合物中一定顯正價
C.金屬元素在不同化合物中的化合價均不同
D.金屬單質的熔點總是高于分子晶體
√
7.某些金屬晶體(Cu、Ag、Au)的原子按面心立方的形式緊密堆積，即在晶體結構中可以劃出一塊正立方體的結構單元，金屬原子處于正立方體的八個頂點和六個側面上，試計算這類金屬晶體中原子的空間利用率。
金屬“電子氣理論”
金屬晶體
1.試用“電子氣理論”解釋為什么金屬具有良好的①延展性、
②導電性、③導熱性。
①當金屬受到外力作用時，彌漫在金屬原子間的電子氣可以起到類似軸承中滾珠之間潤滑劑的作用，晶體中的各原子層就會發生相對滑動，原來的排列方式不變，電子氣也沒有被破壞，所以金屬有良好的延展性；
②金屬晶體中的自由電子在電場中定向移動而形成電流，呈現良好的導電性；
③金屬部分受熱，那個區域的自由電子能量增加，運動速率加快，通過與金屬陽離子頻繁碰撞，把能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分，呈現良好的導熱性。
【思考與討論】
金屬晶體可以看成金屬原子等徑圓球在三維空間中堆積而成.那么,非密置層在三維空間里有幾種堆積方式？不同方式堆積時金屬晶體的配位數、空間利用率、晶胞類型是什么？
思考與交流

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