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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
課時1 金屬晶體 離子晶體
課堂導入
通過觀察下圖中金屬置換反應中金屬的生長過程，我們能夠發現金屬具有較為規則的幾何外形，也是一種晶體，一般稱其為金屬晶體。那么金屬晶體是怎么樣形成的，金屬原子又是通過什么作用力結合在一起的？
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金屬鍵與金屬晶體
電子氣理論：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，這些電子又稱為自由電子。
金屬鍵：金屬陽離子與自由電子之間的強烈的相互作用。金屬晶體中原子以金屬鍵相結合。
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金屬鍵與金屬晶體
共價鍵是具有飽和性與方向性的，那金屬鍵具有這些特征嗎？
電子氣被所有的金屬原子共用，金屬鍵沒有方向性及飽和性。
所有金屬的金屬鍵強弱相同嗎，金屬鍵會怎么影響物質性質？
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金屬鍵與金屬晶體
根據所學知識分析鈉、鎂、鋁的金屬鍵強弱，思考三種金屬的熔點差異與金屬鍵強度間的聯系。
金屬鍵對物質性質的影響：
金屬鍵越強，金屬的熔沸點越高，硬度越大。
如熔點最高的金屬是鎢，硬度最大的金屬是鉻。
鈉、鎂、鋁原子半徑逐漸減小，價電子數逐漸增多，金屬鍵逐漸增強，熔點逐漸升高。
學習了金屬鍵之后，你能總結什么是金屬晶體嗎？
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金屬鍵與金屬晶體
金屬晶體：金屬(除汞外)在常溫下都是晶體，稱其為金屬晶體。
結構特點：金屬晶體的結構就好像很多硬球一層一層很緊密地堆積，每一個金屬原子的周圍有較多相同的原子圍繞著。
成鍵方式：在金屬晶體中，金屬原子之間以金屬鍵相互結合。
注意事項：
合金也屬于金屬晶體；
在金屬晶體中存在陽離子，但不存在陰離子；
晶體中存在陽離子時不一定存在陰離子；
晶體中存在陰離子時一定存在陽離子。
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金屬鍵與金屬晶體
金屬晶體熔點差別較大，一般熔、沸點較高，但有部分熔點較低，如Cs、Hg等。汞在常溫下是液體，熔點很低(-38.9℃)，而鎢的熔點高達3000℃以上。這是由于金屬晶體緊密堆積方式、金屬離子與自由電子的作用力強度不同。
金屬晶體中的原子可看成直徑相等的球體。把它們放置在平面上(即二維空間)有兩種排列方式，分別為非密置層和密置層。
金屬晶體的原子在三維空間里有3種常見的堆積方式(圖中不同顏色的小球都代表同一種金屬原子)，分別是簡單立方堆積、體心立方堆積、面心立方堆積。
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金屬鍵與金屬晶體
金屬晶體中，自由電子在外加電場作用下，發生定向移動，形成電流，使金屬具有良好的導電性，金屬晶體中除自由電子外的金屬陽離子在其位置附近振動，加熱時，金屬陽離子的振動加強，阻礙自由電子的運動，因而金屬的電阻隨溫度升高而增大。
雖然金屬晶體的熔沸點和硬度差異相對較大，但一般都具有良好的導電、導熱和延展性能，你知道為什么嗎？
金屬晶體中，自由電子在運動中不斷地與金屬陽離子碰撞，從而發生能量交換，當金屬晶體的一端受熱，加強了該端的金屬陽離子的振動，自由電子將熱能迅速地傳遞到另一端，使金屬整體的溫度很快的升高，所以金屬有很好的導熱性。
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金屬鍵與金屬晶體
金屬晶體中，由于自由電子的“膠合”作用，當金屬受到外力作用時，晶體中的各原子層就會發生相對滑動，但不會改變原來的排列方式，而且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，所以金屬有良好的延展性。
金屬內部原子以最緊密堆積狀態排列，且存在自由電子，當光線照射到金屬表面時，自由電子可以吸收所有頻率的光并很快放出，使金屬不透明且具有金屬光澤。而金屬在粉末狀態時，晶格排列不規則，吸收可見光后反射不出去，所以金屬粉末常呈暗灰色或黑色。
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離子晶體
食鹽(NaCl)也具有較高的熔沸點和較大的硬度，其也是金屬晶體嗎？
離子晶體：由陰離子和陽離子相互作用而形成的晶體。
常見的離子晶體：強堿、活潑金屬的氧化物和過氧化物、大多數鹽。
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離子晶體
離子晶體：由陰離子和陽離子相互作用而形成的晶體。
離子鍵：陰陽離子間通過靜電作用所形成的強烈的相互作用，包括了靜電引力和靜電斥力。
注意事項：
離子鍵不具有飽和性和方向性；
離子晶體中不一定只含有離子鍵，還可能存在著共價鍵甚至氫鍵；
離子晶體中除了陰陽離子外還可能存在著電中性分子，如水合物。
性質：陰陽離子的電荷數與半徑會影響離子鍵的強度，離子鍵越強，晶體硬度越大，熔沸點越高；離子晶體的固體不導電，但在熔融狀態或水溶液中能導電。
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離子晶體
觀察氯化鈉的晶胞結構，在離子分布、陰陽離子配位數上有什么不同？
氯化鈉晶胞中，體心1個Na+，棱上12個Na+，頂點8個Cl-，面心6個Cl-，晶胞中Na+和Cl-數目均為4，符合化學式中陰陽離子的比例。
每個Na+同時吸引著6個Cl-，分別在前后左右上下的位置，每個Cl-同時吸引著6個Na+，分別在前后左右上下的位置，均構成正八面體結構，因此陰陽離子的配位數均為6。
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離子晶體
觀察氯化銫的晶胞結構，在離子分布、陰陽離子配位數上有什么不同？
氯化銫晶胞中，體心1個Cs+，頂點8個Cl-，晶胞中Cs+和Cl-數目均為4，也符合化學式中陰陽離子的比例。
每個Cs+同時吸引著8個Cl-，分別在晶胞的八個頂點的位置，每個Cl-同時吸引著8個Na+，分別在所占據八個晶胞的體心位置，均構成正六面體的結構，因此陰陽離子的配位數均為8。
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離子晶體
以氯化鈉為例，如何解釋離子晶體熔沸點高、硬度大以及熔融態和水溶液中能導電等物理性質？
從結構上來看，陰陽離子間的靜電作用沒有方向性，每個粒子周圍會盡可能多的吸引帶相反電荷的離子，以達到降低體系能量的目的，故離子鍵沒有方向性和飽和性。所以離子在晶體中常常也趨向于采用盡可能緊密地堆積形式，可以視為圓球的密堆積，只不過陰離子、陽離子的半徑是不同的，是不等徑圓球的密堆積。
在NaCl中，離子間存在著較強的離子鍵，使離子晶體的硬度較大，難于壓縮；而且，要使它們由固態變成液態或氣態，需要較多的能量破壞這些較強的離子鍵，因此，NaCl具有較高的熔點和沸點。
Na+、Cs+所帶電荷一樣，但半徑Na+小于Cs+，故離子鍵NaCl強于CsCl，所以NaCl的熔點高于CsCl的熔點。
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離子晶體
金屬晶體的導電性與金屬晶體中自由電子有關，在外加電場條件下，自由電子定向運動而形成電流。
離子晶體在固態時不能導電，因為陰陽離子不能自由移動，在熔融或水溶液狀態下發生電離，產生自由移動的陰陽離子，離子晶體才能夠導電。
若對離子晶體施加外力，離子產生相對滑動，同種電荷之間產生斥力，使晶面裂開，因此離子晶體延展性差。
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離子晶體
化合物 熔點/℃ 化合物 熔點/℃
CaO 2613 Na2SO4 884
CuCl2 1326 Ca2SiO4 2130
NH4NO3 169.6 Na3PO4 340
BaSO4 1580 CH3COOCs 194
LiPF6 200 (分解溫度) NaNO2 270
離子晶體的熔點是否都較高？分析下表中的數據，能得出什么結論？
①從表中數據可知，離子晶體的熔點差異也較大。
②從表中還可以發現，大量離子晶體的陰離子或陽離子不是單原子，離子組成差異較大，有些晶體中還存在共價鍵，然而貫穿整個晶體的主要作用力仍是陰陽離子之間的作用力。
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正誤判斷
1. 不存在只有陽離子，沒有陰離子的物質。
4. 離子晶體的熔、沸點一定會低于共價晶體和金屬晶體。
2. 金屬晶體的熔點一定低于共價晶體，高于分子晶體。
3. 離子晶體中一定含有離子鍵，一定屬于離子化合物。
×
×
√
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X、Y、Z、W 是原子序數依次增大的四種短周期元素。基態X、Z原子的電子均填充了3個能級，且均有2個未成對電子，W的核外電子數是X原子最外層電子數的3倍。下列說法正確的是 ( )
A．與Y同周期且第一電離能比Y小的元素有四種
B．元素X的氫化物的沸點一定比元素Y的氫化物低
C．Z與W形成WZ，屬于離子晶體可作耐高溫材料
D．簡單離子半徑：r(W)>r(Z)>r(Y)
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C
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