物质结构与性质金属晶体

2019年12月22日星期日新课标人教版选修三《物质结构与性质》第三节金属晶体•19世纪中叶的一个冬天，驻守在彼得堡的俄军发棉衣时发现，成千上万套棉衣上的扣子都没有了。俄皇大发雷霆，要把负责监制军服的大臣问罪。但所有军服都是钉了扣子的，为什么都丢了呢？原来，这些扣子是用锡做成的，而锡一遇低温，就会变成粉末，这种现象叫“锡疫”。一般情况下，只要在13.2℃以下，锡就会变成粉末。当时是彼得堡的初冬，气温很低，锡当然都“化”了。•那么，锡为什么会发生“锡疫”？在发生“锡疫”前，锡原子之间是如何结合在一起的呢？Ti金属样品一、金属键金属阳离子和自由电子之间的强烈的相互作用金属阳离子和自由电子1.概念：2.成键粒子：金属原子脱落来的价电子形成遍布整个晶体的“电子气”,被所有原子所共用，从而把所有的原子维系在一起。4.金属键的本质--电子气理论:3.金属键的存在：存在于金属单质和合金中4.金属键的特征金属键没有饱和性和方向性5.影响金属键强弱的因素:阳离子所带电荷越多、半径越小,金属键越强自由电子可以在整块金属中自由移动二.金属晶体1.概念：金属原子之间通过金属键作用形成的晶体2.构成粒子：金属阳离子和自由电子4.物理性质:良好导电性、导热性良好的延展性金属光泽共性:特性:熔、沸点，硬度变化幅度很大Ti3.粒子间相互作用：金属键5.熔化时破坏的作用力：金属键一般来说,金属阳离子所带电荷越多、离子半径越小，金属键越强,熔、沸点就越高，硬度越大。资料金属之最熔点最低的金属是--------汞[-38.87℃]熔点最高的金属是--------钨[3410℃]密度最小的金属是--------锂[0.53g/cm3]密度最大的金属是--------锇[22.57g/cm3]硬度最小的金属是--------铯[0.2]硬度最大的金属是--------铬[9.0]最活泼的金属是----------铯最稳定的金属是----------金延性最好的金属是--------铂[铂丝直径：mm]展性最好的金属是--------金[金箔厚：mm]50001100001【思考1】已知碱金属元素的熔沸点随原子序数的增大而递减，试用金属键理论加以解释。【思考2】试判断钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度的大小。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强，故钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度的大小顺序是：钠＜镁＜铝。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。6、电子气理论对金属的物理性质的解释在金属晶体中，充满着带负电的“电子气”，这些电子气的运动是没有一定方向的。在外电场作用下电子气发生定向移动，形成电流，所以金属容易导电⑴金属导电性的解释晶体类型电解质金属晶体导电时的状态导电粒子导电时发生的变化导电能力随温度的变化水溶液或熔融状态下晶体状态自由移动的离子自由电子思考：电解质在熔化状态或溶于水能导电，这与金属导电的本质是否相同？化学变化物理变化增强减弱“电子气”（自由电子）在运动时经常与金属离子碰撞，引起两者能量的交换。当金属某部分受热时，那个区域里的“电子气”（自由电子）能量增加，运动速度加快，通过碰撞，把能量传给金属离子。电子气”中的自由电子,在热的作用下与金属阳离子频繁碰撞从而把能量从高温部分传递到低温部分，从而使整块金属达到相同的温度。⑵金属导热性的解释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，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，所以在各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使在外力作用下，发生形变金属键不易断裂。因此，金属都有良好的延展性。⑶金属延展性的解释自由电子+金属离子金属原子错位+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++(4).金属光泽和颜色的解释•由于自由电子可吸收所有频率的光，然后很快释放出各种频率的光，因此绝大多数金属具有银白色或钢灰色光泽。而某些金属（如铜、金、铯、铅等）由于较易吸收某些频率的光而呈现较为特殊的颜色。•当金属成粉末状时，金属晶体的晶面取向杂乱、晶格排列不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以成黑色。金属晶体的结构与性质的关系导电性导热性延展性金属离子和自由电子自由电子在外加电场的作用下发生定向移动自由电子与金属离子碰撞传递热量晶体中各原子层相对滑动仍保持相互作用知识回顾：三种晶体类型与性质的比较晶体类型原子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共价键范德华力和氢键金属键原子分子金属阳离子和自由电子很高很低差别较大很大很小差别较大无（硅为半导体）无导体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分子间以范德华力相结合而成的晶体通过金属键形成的晶体金刚石、二氧化硅、晶体硅、碳化硅Ar、S等Au、Fe、Cu、钢铁等1.金属晶体的形成是因为晶体中存在（）A.金属离子间的相互作用B．金属原子间的相互作用C.金属离子与自由电子间的相互作用D.金属原子与自由电子间的相互作用2.金属能导电的原因是（）A.金属晶体中金属阳离子与自由电子间的相互作用较弱B．金属晶体中的自由电子在外加电场作用下可发生定向移动C．金属晶体中的金属阳离子在外加电场作用下可发生定向移动D．金属晶体在外加电场作用下可失去电子练习CB3.下列叙述正确的是（）A.任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子B．原子晶体中只含有共价键C.离子晶体中只含有离子键，不含有共价键D．分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键4.为什么碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降低，而卤素单质的熔沸点从上到下却升高？B5.下列说法错误的是（）A、镁的硬度大于铝B、镁的熔沸点低于钙C、镁的硬度大于钾D、钙的熔沸点高于钾AB6.下列四中有关性质的描述，可能是金属晶体的是（）A、有分子间作用力结合而成，熔点很低B、固体或熔融态易导电，熔点较高C、由共价键结合成网状晶体，熔点很高D、固体不导电，熔融态也不导电，但溶于水后能导电B由于金属键没有饱和性和方向性，每个金属原子中的电子分布基本是球型对称的，所以把金属晶体可以看成是由直径相等的圆球的三维空间堆积而成的。理论基础：二、金属晶体的原子堆积模型紧密堆积：微粒之间的作用力，使微粒间尽可能的相互接近，使它们占有最小的空间。空间利用率：晶体空间被粒子占据的百分数。配位数：晶体中每个粒子周围距离最近且相等的粒子的数目。金属原子在一维（直线）方向上的排列方式等径圆球密置列金属原子在二维空间（平面）上有的排列方式等径圆球非密置层配位数=4配位数=6等径圆球密置层金属晶体可以看成金属原子等径圆球在三维空间中堆积而成.那么,非密置层在三维空间里有几种堆积方式？不同方式堆积时金属晶体的配位数、空间利用率、晶胞类型是什么？思考与交流非密置层之间采取非密置堆积1、简单立方堆积[Po]配位数：空间占有率：每个晶胞含原子数：6152%代表金属：金属原子半径r与正方体边长a的关系：aaaaa=2r非密置层之间采取密置堆积方式配位数：空间占有率：每个晶胞含原子数：868%22、体心立方堆积-----钾型代表金属：K、Na、Fe金属原子半径r与正方体边长a的关系：aaaa2ab=4rb=3aa=4r3b2aar43镁型铜型金属晶体的两种最密堆积方式思考：密置层的堆积方式有哪些？123456第二层可以将球对准1，3，5位，或对准2，4，6位。123456AB，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。第一种是将球对准第一层的球123456每两层形成一个周期ABAB堆积方式形成六方紧密堆积。配位数12。(同层6，上下层各3)，空间利用率为74%六方紧密堆积的前视图ABABA12345612003.六方最密堆积--镁型配位数：每个晶胞含原子数：空间利用率：代表金属：12（同层6，上、下层各3）2Mg、Zn、Ti74%金属原子的半径r与六棱柱的边长a、高h的关系：a=2rahh=a632第三层的另一种排列方式将球对准第一层的2，4，6位，不同于AB两层的位置，这是C层123456123456123456123456面心立方最密堆积的前视图ABCAABC第四层再排AABCABC三层一个周期面心立方最密堆积。4.面心立方最密堆积-铜型BCA123456BCA配位数：空间占有率：每个晶胞含原子数：BCA1274%4代表金属：Cu、Ag、Au边长为a面对角线边长为a＝4r2arra4242金属原子半径r与正方体边长a的关系：密堆积的八面体空隙和四面体空隙堆积方式晶胞类型空间利用率配位数实例面心立方最密堆积堆积方式及性质小结简单立方堆积体心立方密堆积六方最密堆积面心立方六方体心立方简单立方74%74%68%52％121286Cu、Ag、AuMg、Zn、TiNa、K、FePo三、空间利用率的计算空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比。球体积空间利用率==100%晶胞体积aaaaa=2r1、简单立方晶胞空间利用率=4πr3/3(2r)3=≈52%π6aaaa2ab=4rb=3aa=4r3b2a2、体心立方晶胞a=4r/3空间利用率=2×4πr3/3()3=≈68%π84r/33边长为:a面对角线边长为:b2a＝4r＝a2a＝4r/2空间利用率=4×4πr3/3()3=≈74%π64r/223、面心立方晶胞a=2rahh=a6324、六方密堆积平行四边形的面积：22360sinaaaS=×=oa=2rahh=a63233228236223raaaV==X=晶胞空间利用率=2×4πr3/38r3=≈74%π622石墨晶体结构模型石墨是层状结构的混合型晶体石墨晶体结构俯视图1．下列有关金属元素特征的叙述中正确的是A．金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性B．金属元素在化合物中一定显正价C．金属元素在不同化合物中的化合价均不同D．金属单质的熔点总是高于分子晶体能力训练2.下列生活中的问题，不能用金属键知识解释的是（）A.用铁制品做炊具B.用金属铝制成导线C.用铂金做首饰D.铁易生锈D3.下列物质中含有金属键的是()A、金属铝B、合金C、NaOHD、NH4ClAB4.金属键的强弱与金属价电子数的多少有关，价电子数越多金属键越强；与金属阳离子的半径大小也有关，金属阳离子的半径越大，金属键越弱。据此判断下列金属熔点逐渐升高的是（）A、LiNaKB、NaMgAlC、LiBeMgD、LiNaMgB5.下列有关金属晶体叙述正确的是（）A、常温下金属单质都以金属晶体形式存在B、金属离子与自由电子之间的强烈作用，在一定外力作用下，不因形变而消失C、钙的熔、沸点低于钾D、温度越高，金属的导电性越好B6.下列有关金属元素特征的叙述中正确的是A.金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性B.金属元素在化合物中一定显正价C.金属元素在不同化合物中的化合价均不同D.金属单质的熔点总是高于分子晶体√7.某些金属晶体(Cu、Ag、Au)的原子按面心立方的形式紧密堆积，即在晶体结构中可以划出一块正立方体的结构单元，金属原子处于正立方体的八个顶点和六个侧面上，试计算这类金属晶体中原子的空间利用率。8.已知金属铜为面心立方晶体，如图所示，铜的相对原子质量为63.54，密度为8.936g/cm3，试求：（1）图中正方形边长a，（2）铜的金属半径raarrorr提示：数出面心立方中的铜的个数：简单立方钾型（体心立方堆积）镁型（六方密堆积）镁型（六方密堆积）