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第三章晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
第三節(jié)金屬晶體與離子晶體
3.3.1金屬晶體
年 級(jí)：高二 學(xué) 科：化學(xué)(人教版)
學(xué)習(xí)目標(biāo)
課標(biāo)要求：
1. 借助金屬晶體等模型認(rèn)識(shí)晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
2. 知道金屬鍵的特點(diǎn)與金屬某些性質(zhì)的關(guān)系。
3. 認(rèn)識(shí)金屬晶體的物理性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
素養(yǎng)要求：
1. 結(jié)合常見(jiàn)的離子化合物和金屬單質(zhì)的實(shí)例，認(rèn)識(shí)這些物質(zhì)的構(gòu)成微粒、
微粒間相互作用與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系，培養(yǎng)宏觀辨識(shí)與微觀探析的核心素養(yǎng)。
2. 知道介于典型晶體之間的過(guò)渡晶體及混合型晶體是普遍存在的。
3. 借助離子晶體、金屬晶體等模型認(rèn)識(shí)晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，預(yù)測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)， 形成證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。
金屬原子 金屬晶體 導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延展性等
思考2金屬晶體中的原子是通過(guò)什么作用結(jié)合在一起的 金 屬 鍵
金屬晶體
國(guó)家體育場(chǎng)的鋼架結(jié)構(gòu)鋁鋰合金用于C919飛機(jī)的外殼 銅電纜
構(gòu)成的微粒 → 微粒間相互作用 → 物質(zhì)的聚集狀態(tài) → 物質(zhì)的性質(zhì)
思考1 金屬有哪些共同的物理性質(zhì)
【主干知識(shí)梳理】
一、金屬鍵和金屬晶體
1、金屬鍵(1)概念：在金屬單質(zhì)晶體中原子之間以金屬陽(yáng)離子與自由電子之 間的強(qiáng)烈的相互作用叫做金屬鍵(2)成鍵微粒：金屬陽(yáng)離子和自由電子(3)成 鍵條件：金屬單質(zhì)或合金(4)成鍵本質(zhì)——電子氣理論：金屬原子對(duì)外圍電子 的束縛力不強(qiáng)，從金屬原子脫落下來(lái)的價(jià)電子形成遍布整塊晶體的“ 電子氣 ”,被所有原子所共用，從而把所有金屬原子維系在一起，形成像共價(jià)晶體 一樣的 “巨分子”
金屬晶體的電子氣理論示意圖
金屬鍵小結(jié)
金屬鍵 決定 金屬的物理性質(zhì)
原子半徑 價(jià)電子數(shù)
熔沸點(diǎn)
延展性
導(dǎo)電性
導(dǎo)熱性
金屬光澤
原子半徑越大，價(jià)電子數(shù)越少，
金屬鍵越弱，反之，金屬鍵越強(qiáng)
金屬鍵越強(qiáng)，金屬的熔 沸點(diǎn)越高，硬度越大
(5)金屬鍵的特征：金屬鍵沒(méi)有方向性和飽和性。晶體中的電子不專(zhuān)屬于某 一個(gè)或幾個(gè)特定的金屬陽(yáng)離子，而幾乎是均勻地分布在整塊晶體中，因此晶 體中存在所有金屬陽(yáng)離子與所有自由電子之間“彌漫”的電性作用，這就是 金屬鍵，因此金屬鍵沒(méi)有方向性和飽和性
2、金屬晶體(1)概念：通過(guò)金屬陽(yáng)離子與自由電子之間的較強(qiáng)作用形成的晶 體，叫做金屬晶體(2)構(gòu)成的微粒：金屬陽(yáng)離子和自由電子(3)微粒間的作
用力：金屬鍵(4)氣化或熔化時(shí)破壞的作用力：金屬鍵(5)常見(jiàn)的金屬晶體： 金屬單質(zhì)和合金
3、用電子氣理論解釋金屬的物理性質(zhì)(1)延展性：金屬材料有良好的延展性， 由于金屬鍵沒(méi)有方向性，當(dāng)金屬受到外力作用時(shí)，晶體中的各原子層發(fā)生相 對(duì)滑動(dòng)，但不會(huì)改變?cè)瓉?lái)的排列方式，而且彌漫在金屬原子間的電子氣可以 起到類(lèi)似軸承中滾珠之間潤(rùn)滑劑的作用，所以金屬有良好的延展性。當(dāng)向金 屬晶體中摻入不同的金屬或非金屬原子時(shí)，就像在滾珠之間摻入了細(xì)小而堅(jiān) 硬的砂土或碎石一樣，會(huì)使這種金屬的延展性甚至硬度發(fā)生改變，這也是對(duì) 金屬材料形成合金以后性能發(fā)生改變的一種解釋(2)導(dǎo)熱性：金屬的導(dǎo)熱性是 自由電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)與金屬離子碰撞而引起能量的交換，從而使能量從溫度高 的部分傳到溫度低的部分，使整塊金屬達(dá)到相同的溫度。
外 力
【微點(diǎn)撥】金屬的熱導(dǎo)率隨溫度升高而降低是由于在熱的作用下，自由電 子與金屬原子頻繁碰撞，阻礙了自由電子對(duì)能量的傳遞(3)導(dǎo)電性：金 屬 材料有良好的導(dǎo)電性是由于金屬晶體中的自由電子可以在外加電場(chǎng)作用下 發(fā)生定向移動(dòng)而形成電流，呈現(xiàn)良好的導(dǎo)電性【微點(diǎn)撥】金屬導(dǎo)電的微粒 是自由電子，電解質(zhì)溶液導(dǎo)電的微粒是自由移動(dòng)的陽(yáng)離子和陰離子；前 者 導(dǎo)電過(guò)程中不生成新物質(zhì)，為物理變化，后者導(dǎo)電過(guò)程中有新物質(zhì)生成， 為化學(xué)變化。因而，二者導(dǎo)電的本質(zhì)不同
電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有固定方向 電子定向移動(dòng)
未通電
導(dǎo)電
通電
0
IA ⅢA IVA VA VIA VIA
Mg Al
熔點(diǎn)升高
半徑依次減小，陽(yáng)離子電荷數(shù)依次增多，金屬鍵強(qiáng)度增強(qiáng)
半徑依次增大，陽(yáng)離子電荷數(shù)相同，金屬鍵強(qiáng)度減弱
IA
Li
Na
K
Rb
Cs
為什么
s 區(qū) nsl-2
熔點(diǎn)降低
4、金屬晶體熔、沸點(diǎn)比較(1)金屬的熔點(diǎn)高低與金屬鍵的強(qiáng)弱直接相關(guān)。
金屬鍵越強(qiáng)，金屬的熔點(diǎn)(沸點(diǎn))越高，硬度一般也越大(2)金屬鍵的強(qiáng)弱
主要取決于金屬元素原子的半徑和價(jià)電子數(shù)。原子半徑越 小 ，價(jià)電子數(shù)越 多 ，金屬鍵越強(qiáng)①同周期金屬單質(zhì)，從左到右熔、沸點(diǎn)升高，如：Na、Mg、 Al的熔、沸點(diǎn)逐漸升高②同主族金屬單質(zhì)，從上到下熔、沸點(diǎn)降低，如：
堿金屬?gòu)纳系较氯邸⒎悬c(diǎn)逐漸降低(3)金屬晶體熔點(diǎn)差別很大，如汞常溫 為液體，熔點(diǎn)很低(-38.9 ℃), 而鐵等金屬熔點(diǎn)很高(1535 ℃)
(4)金屬的熔點(diǎn)和硬度差別很大，和什么因素有關(guān)
一般存在以下規(guī)律：
①同周期金屬單質(zhì)，從左到右熔、沸點(diǎn)升高
②同主族金屬單質(zhì)，從上到下熔、沸點(diǎn)降低
③合金的熔、沸點(diǎn)比其各成分金屬的熔、沸點(diǎn)低
金屬單質(zhì)
熔點(diǎn)/℃
Li
180.5
Na
97.81
K
63.65
Rb
38.89
Cs
28.40
離子半徑越 小
一電荷越多
熔沸點(diǎn)越高 硬度越大
金屬鍵
越強(qiáng)
金屬鍵 的強(qiáng)弱
答題策略
看金屬鍵的強(qiáng)弱，取決于金屬原子的半徑和價(jià)電子數(shù)
答題模板
金屬原子價(jià)電子數(shù)相等，則看金屬原子的半徑：同主族金屬元素同為 金屬晶體，M原子半徑小于N原子，故M晶體的金屬鍵強(qiáng)，熔、沸點(diǎn)高
金屬原子價(jià)電子數(shù)不相等，金屬原子的半徑也不相等：同周期金屬元 素同為金屬晶體，M原子半徑小于N原子，M原子價(jià)電子數(shù)大于N原子價(jià) 電子數(shù)，故M晶體的金屬鍵強(qiáng)，熔、沸點(diǎn)高
1 K的熔沸點(diǎn)小于Na,原因是：同為金屬晶體，K原子的半徑大于Na原子，故金 屬鍵Na的強(qiáng)，熔、沸點(diǎn)也高 2 Mg的熔沸點(diǎn)小于Al,原因是：同為金屬晶體，Mg原子的半徑大于AI原子， Mg原子的價(jià)電子數(shù)小于AI原子的價(jià)電子數(shù)，故金屬鍵AI的強(qiáng)，熔、沸點(diǎn)也高
5、金屬晶體熔、沸點(diǎn)比較答題模板
【對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練1】
思考與討論
(1)含有陽(yáng)離子的晶體中一定含有陰離子嗎
提示：不一定。如金屬晶體中含有金屬陽(yáng)離子和自由電子，但沒(méi)有陰離子；但晶體 中有陰離子時(shí)，一定有陽(yáng)離子。
(2)含金屬陽(yáng)離子的晶體一定是離子晶體嗎 提示：不一定。也可能是金屬晶體。
(3)離子晶體中一定含有金屬元素嗎 由金屬元素和非金屬元素組成的晶體一定 是離子晶體嗎
提示：不一定。離子晶體中不一定含金屬元素，如NH C1、NH NO 等銨鹽。由金屬 元素和非金屬元素組成的晶體不一定是離子晶體，如A1Cl 晶體是分子晶體。
(4)純鋁硬度不大，形成硬鋁合金后，硬度很大，金屬形成合金后為什么有些物理 性質(zhì)會(huì)發(fā)生很大的變化
提示：金屬晶體中摻入不同的金屬或非金屬原子時(shí)，影響了金屬的延展性和硬度。
晶體類(lèi)型 電解質(zhì)
金屬晶體
導(dǎo)電時(shí)的狀態(tài) 水溶液或熔融狀態(tài)下
晶體狀態(tài)
導(dǎo)電粒子 自由移動(dòng)的離子
自由電子
導(dǎo)電時(shí)發(fā)生的變化 化學(xué)變化
物理變化
導(dǎo)電能力隨溫度升高 增強(qiáng)
減弱
思考與討論
電解質(zhì)在熔化狀態(tài)或溶于水能導(dǎo)電，這與金屬導(dǎo)電的本質(zhì)是否相同
晶體類(lèi)型 共價(jià)晶體 分子晶體
金屬晶體
概念 相鄰原子之間以共價(jià)鍵 相結(jié)合而成具有空間網(wǎng) 狀結(jié)構(gòu)的晶體 分子間以范德華力 相結(jié)合而成的晶體
通過(guò)金屬鍵形 成的晶體
作用力 共價(jià)鍵 范德華力
金屬鍵
構(gòu)成微粒 原子 分子
金屬陽(yáng)離子和自由電子
物理性質(zhì) 熔沸點(diǎn) 很高 很低
差別較大
硬度 很大 很小
差別較大
導(dǎo)電性 無(wú)(硅為半導(dǎo)體) 無(wú)
導(dǎo)體
實(shí)例 金剛石、二氧化硅、晶 體硅、碳化硅 Ar、S等
Au、Fe、Cu、鋼鐵等
三種晶體類(lèi)型與性質(zhì)的比較
金屬晶體的認(rèn)知模型
構(gòu)成的微粒→微粒間相互作用→物質(zhì)的聚集狀態(tài)→物質(zhì)的性質(zhì)
金屬陽(yáng)離子7
金屬鍵一→金屬晶體一→導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延展性等
自由電子
自由電子
構(gòu)成
粒子
金屬離子
力
用
作
金 屬 晶 體
課堂小結(jié)
物理通性
金屬鍵
決定
二、金屬晶體的堆積方式1、堆積原理：組成晶體的金屬原子在
沒(méi)有其他因素影響時(shí)，在空間的排列大多服從緊密堆積原理。
這是因?yàn)樵诮饘倬w中，金屬鍵沒(méi)有方向性和飽和性，因 此 都 趨向于使金屬原子吸引更多的其他原子分布于周?chē)⒁悦芏? 積方式降低體系的能量，使晶體變得比較穩(wěn)定
非密置層
密置層
特點(diǎn) 每個(gè)圓球與其他四個(gè)球相切
每個(gè)圓球與其他六個(gè)球相切
二維平面堆積圖 示
是否是最密堆積 不是
是
配位數(shù) 4
6
2、金屬原子在二維平面中的堆積模型：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：二維空間里),可有兩種方式——非密置層 和密置層
(1)配位數(shù)：在密堆積中，一個(gè)原子周?chē)徑拥脑拥臄?shù)目稱為配位數(shù)。如 果把金屬原子視為一個(gè)球體，則一個(gè)圓球周?chē)康淖罱膱A球?yàn)榕湮粩?shù)
3、金屬晶體的原子在三維空間里的4種堆積模型(1)簡(jiǎn)單立方堆積：將非密置 層球心對(duì)球心地垂直向上排列，這樣一層一層地在三維空間里堆積，就得到簡(jiǎn) 單立方堆積。這種堆積方式形成的晶胞是一個(gè)立方體，每個(gè)晶胞含一個(gè)原子， 這種堆積方式的空間利用率為52%, 配位數(shù)為6。這種堆積方式的空間利用率 太低，只有金屬釙(Po)采取這種堆積方式
(2)體心立方堆積—一鉀型：非密置層的另一種堆積方式是將上層金屬原子 填入下層的金屬原子形成的凹穴中，并使非密置層的原子稍稍分離，每層均 照此堆積。堿金屬和鐵原子都采取此類(lèi)堆積方式，這種堆積方式又稱鉀型堆 積。這種堆積方式可以找出立方晶胞，空間利用率比簡(jiǎn)單立方堆積高得多， 達(dá)到68%, 每個(gè)球與上、下兩層的各4個(gè)球相接觸，故配位數(shù)為8
(3)六方最密堆積和面心立方最密堆積：密置層的原子按體心立方堆積的方 式堆積，會(huì)得到兩種基本堆積方式——六方最密堆積和面心立方最密堆積。 這兩種堆積方式都是金屬晶體的最密堆積，配位數(shù)為12, 空間利用率均為 74%,但所得晶胞的形式不同
六方最密堆積
面心立方最密堆積
六方最密堆積重復(fù)周期為兩層，按 ABABABAB……的方式堆積。由于在 這種排列方式中可劃出密排六方晶 胞，故稱此排列為六方最密堆積。 由此堆積可知，同一層上每個(gè)球與 同層中周?chē)?個(gè)球相接觸，同時(shí)又 與上下兩層中各3個(gè)球相接觸，故 每個(gè)球與周?chē)?2個(gè)球相接觸，所以 其配位數(shù)是12。原子的空間利用率 最 大 。Mg、Zn、Ti都是采用這種堆 積方式
面心立方最密堆積按ABCABCABC……的方式 堆積。將第一密置層記作A,第二層記作B
,B層的球?qū)?zhǔn)A層中的三角形空隙位置，
第三層記作C,C層的球?qū)?zhǔn)B層的空隙，同 時(shí)應(yīng)對(duì)準(zhǔn)A層中的三角形空隙(即C層球不對(duì) 準(zhǔn)A層球)。以后各層分別重復(fù)A、B、C層排 列，這種排列方式三層為一周期，記為
ABCABCABC……由于在這種排列中可以劃出 面心立方晶胞，故稱這種堆積方式為面心 立方最密堆積。Cu、Ag、Au等均采用此類(lèi) 堆積方式
六方最密堆積 面心立方最密堆積
堆積模型 簡(jiǎn)單立方堆積 體心立方堆積(鉀 型 ) 面心立方最密堆積( 銅型)
六方最密堆積(鎂
型 )
晶胞
代表金屬 n8.(πr3)× 00%=Na K Fe Cu Ag Au
Mg Zn Ti
配位數(shù) 6 8 12
12
每個(gè)晶胞所含原子數(shù) 1 2 4
6或2
原子半徑(r)與立方 體邊長(zhǎng)為(a)的關(guān)系 a=2r √3 a=4r √2 a=4r
——
密度的表達(dá)式 --÷-
空間利用率表達(dá)式 ×--
4、金屬晶體的四種堆積模型比較
【微點(diǎn)撥】六方最密堆積的晶胞是平行六面體但不是立方體，底
面中的角度不是90°,而是60°和120°,晶胞內(nèi)的原子不是在 晶胞的中心
a、b不相等
a
o 二
六方最密堆積
b 在晶胞的一 半的中心
~120°
取1/3
60°
空間利用率
(1)簡(jiǎn)單立方堆積：如圖所示，原子的半徑為r, 立方體的棱
5、金屬晶胞中原子空間利用率計(jì)算：空間利用率等于微粒總體積比晶胞總體積
長(zhǎng)為2r, 則
空間利用率
V 晶胞=(2r) =8r ,
(2)體心立方堆積：如圖所示，原子的半徑為r, 體對(duì)角線c 為4r, 面對(duì)角線b
空間
(3)面心立方最密堆積：如圖所示，原子的半徑為r, 面對(duì)角線為4r, a=2 √2r,V 晶胞=a =(2√ 2r) =16 √2r ,1個(gè)晶胞中有4個(gè)原子，則：
空間利用率
(4)六方最密堆積：如圖所示，原子的半徑為r, 底面為菱形(棱長(zhǎng)為2r, 其 中
一個(gè)角為60°),則底面面積S=2r× √3r=2 √3 r , √2r
則：空間利用率
3r
6、晶體密度的計(jì)算公式推導(dǎo)過(guò)程：若1個(gè)晶胞中含有x 個(gè)微粒，晶胞的棱長(zhǎng)為a
則晶胞的物質(zhì)的量為：
晶胞的質(zhì)量為：
密度為：
【對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練2】【課后作業(yè)】

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