第三章第三節(jié)金屬晶體

1、第三節(jié)金屬晶體第三節(jié)金屬晶體教學(xué)目標(biāo) 知識(shí)與能力 1、了解金屬的性質(zhì)和形成原因 2、掌握金屬鍵的本質(zhì)“電子氣理論” 3、能用電子氣理論和金屬晶體的有關(guān)知識(shí)解釋金屬的性質(zhì) 4、掌握金屬晶體的四種原子堆積模型教學(xué)重點(diǎn)：金屬具有共同物理性質(zhì)的解釋。金屬晶體內(nèi)原子的空間排列方式。金屬晶體內(nèi)原子的空間排列方式。教學(xué)難點(diǎn)：金屬鍵和電子氣理論。金屬晶體內(nèi)原子的空間排列方式金屬樣品金屬樣品1 1、金屬鍵的定義：金屬離子和自由電子、金屬鍵的定義：金屬離子和自由電子之間的強(qiáng)烈的相互作用，叫金屬鍵。之間的強(qiáng)烈的相互作用，叫金屬鍵。一、金屬的結(jié)構(gòu)一、金屬的結(jié)構(gòu)本質(zhì)：本質(zhì)：電子氣理論電子氣理論 金屬原子的價(jià)電子發(fā)生脫落

2、，金屬原子的價(jià)電子發(fā)生脫落，形成金屬陽(yáng)離子和自由電子形成金屬陽(yáng)離子和自由電子 自由電子被所有原子所共用自由電子被所有原子所共用從而把所有的金屬原子維系在一起從而把所有的金屬原子維系在一起 （1 1）金屬鍵的成鍵微粒是金屬陽(yáng)離子和自由電子。）金屬鍵的成鍵微粒是金屬陽(yáng)離子和自由電子。（2 2）金屬鍵存在于金屬單質(zhì)和合金中。）金屬鍵存在于金屬單質(zhì)和合金中。（3 3）金屬鍵沒(méi)有方向性也沒(méi)有飽和性。）金屬鍵沒(méi)有方向性也沒(méi)有飽和性。2 2、金屬晶體的定義：通過(guò)金屬、金屬晶體的定義：通過(guò)金屬離子與離子與自由電子之間自由電子之間的較強(qiáng)的相互作用形成的的較強(qiáng)的相互作用形成的晶體。晶體。 （1 1）在晶體中，不存

3、在單個(gè)分子）在晶體中，不存在單個(gè)分子（2 2）金屬陽(yáng)離子被自由電子所包圍。）金屬陽(yáng)離子被自由電子所包圍。 金屬晶體金屬晶體金屬原子金屬原子自由電子自由電子3 3、電子氣理論：經(jīng)典的金屬鍵理論叫做、電子氣理論：經(jīng)典的金屬鍵理論叫做“電子氣理論電子氣理論”。它把金屬鍵形象地描繪。它把金屬鍵形象地描繪成從金屬原子上成從金屬原子上“脫落脫落”下來(lái)的大量自由下來(lái)的大量自由電子形成可與氣體相比擬的帶負(fù)電的電子形成可與氣體相比擬的帶負(fù)電的“電電子氣子氣”，金屬原子則，金屬原子則“浸泡浸泡”在在“電子氣電子氣”的的“海洋海洋”之中。之中。二、二、金屬共同的物理性質(zhì)金屬共同的物理性質(zhì)容易導(dǎo)電、導(dǎo)熱、有延展性、有

4、金屬光澤容易導(dǎo)電、導(dǎo)熱、有延展性、有金屬光澤等。等?！居懻撚懻? 1】 金屬為什么易導(dǎo)電？金屬為什么易導(dǎo)電？ 在金屬晶體中，存在著許多自由電子，這些自由在金屬晶體中，存在著許多自由電子，這些自由電子的運(yùn)動(dòng)是沒(méi)有一定方向的，但在外加電場(chǎng)的條件電子的運(yùn)動(dòng)是沒(méi)有一定方向的，但在外加電場(chǎng)的條件下下自由電子自由電子就會(huì)就會(huì)發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，因而形成電流，所以，因而形成電流，所以金屬容易導(dǎo)電。金屬容易導(dǎo)電。晶體類型晶體類型離子晶體離子晶體金屬晶體金屬晶體 導(dǎo)電時(shí)的狀態(tài)導(dǎo)電時(shí)的狀態(tài)導(dǎo)電粒子導(dǎo)電粒子水溶液或熔融水溶液或熔融狀態(tài)下狀態(tài)下晶體狀態(tài)晶體狀態(tài)自由移動(dòng)的離子自由移動(dòng)的離子自由電子自由電子比較離子

5、晶體、金屬晶體導(dǎo)電的區(qū)別：比較離子晶體、金屬晶體導(dǎo)電的區(qū)別：三、金屬晶體的結(jié)構(gòu)與金屬性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系三、金屬晶體的結(jié)構(gòu)與金屬性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系1、金屬晶體結(jié)構(gòu)與金屬導(dǎo)電性的關(guān)系、金屬晶體結(jié)構(gòu)與金屬導(dǎo)電性的關(guān)系【討論討論2 2】金屬為什么易導(dǎo)熱？金屬為什么易導(dǎo)熱？ 自由電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)經(jīng)常與金屬離子碰撞，自由電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)經(jīng)常與金屬離子碰撞，引起兩者能量的交換。當(dāng)金屬某部分受熱時(shí)，引起兩者能量的交換。當(dāng)金屬某部分受熱時(shí)，那個(gè)區(qū)域里的自由電子能量增加，運(yùn)動(dòng)速度加那個(gè)區(qū)域里的自由電子能量增加，運(yùn)動(dòng)速度加快，通過(guò)碰撞，把能量傳給金屬離子。快，通過(guò)碰撞，把能量傳給金屬離子。 金屬容易導(dǎo)熱，是由于金屬容易導(dǎo)熱，是由于

6、自由電子運(yùn)動(dòng)時(shí)與自由電子運(yùn)動(dòng)時(shí)與金屬離子碰撞把能量從溫度高的部分傳到溫度金屬離子碰撞把能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分低的部分，從而使整塊金屬達(dá)到相同的溫度。，從而使整塊金屬達(dá)到相同的溫度。2、金屬晶體結(jié)構(gòu)與金屬導(dǎo)熱性的關(guān)系、金屬晶體結(jié)構(gòu)與金屬導(dǎo)熱性的關(guān)系【討論討論3 3】金屬為什么具有較好的延展性？金屬為什么具有較好的延展性？ 原子晶體受外力作用時(shí)，原子間的位移必原子晶體受外力作用時(shí)，原子間的位移必然導(dǎo)致共價(jià)鍵的斷裂，因而難以鍛壓成型，然導(dǎo)致共價(jià)鍵的斷裂，因而難以鍛壓成型，無(wú)延展性。而金屬晶體中由于金屬離子與自無(wú)延展性。而金屬晶體中由于金屬離子與自由電子間的相互作用沒(méi)有方向性，各原子層由電

7、子間的相互作用沒(méi)有方向性，各原子層之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)以后，仍可保持這種相互之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)以后，仍可保持這種相互作用，因而即使在外力作用下，發(fā)生形變也作用，因而即使在外力作用下，發(fā)生形變也不易斷裂。不易斷裂。3、金屬晶體結(jié)構(gòu)與金屬延展性的關(guān)系、金屬晶體結(jié)構(gòu)與金屬延展性的關(guān)系4、金屬晶體結(jié)構(gòu)具有金屬光澤和顏色 由于自由電子可由于自由電子可吸收所有頻率的光吸收所有頻率的光，然后很快釋，然后很快釋放出各種頻率的光放出各種頻率的光，因此絕大多數(shù)金屬具有銀白，因此絕大多數(shù)金屬具有銀白色或鋼灰色光澤。而某些金屬（如銅、金、銫、色或鋼灰色光澤。而某些金屬（如銅、金、銫、鉛等）由于鉛等）由于較易吸收某些頻率的光

8、而呈現(xiàn)較為特較易吸收某些頻率的光而呈現(xiàn)較為特殊的顏色殊的顏色。 當(dāng)金屬成粉末狀時(shí)，金屬晶體的當(dāng)金屬成粉末狀時(shí)，金屬晶體的晶面取向雜亂、晶面取向雜亂、晶格排列不規(guī)則晶格排列不規(guī)則，吸收可見光后輻射不出去，所，吸收可見光后輻射不出去，所以成黑色以成黑色?！究偨Y(jié)總結(jié)】金屬晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系金屬晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系導(dǎo)電性導(dǎo)電性導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性延展性延展性金屬離金屬離子和自子和自由電子由電子自由電子在外自由電子在外加電場(chǎng)的作用加電場(chǎng)的作用下發(fā)生定向移下發(fā)生定向移動(dòng)動(dòng)自由電子與自由電子與金屬離子碰金屬離子碰撞傳遞熱量撞傳遞熱量晶體中各原晶體中各原子層相對(duì)滑子層相對(duì)滑動(dòng)仍保持相動(dòng)仍保持相互作用互作用5 5

9、、影響金屬鍵強(qiáng)弱的因素：、影響金屬鍵強(qiáng)弱的因素： 金屬陽(yáng)離子所帶電荷越多、金屬陽(yáng)離子所帶電荷越多、 離子半徑越小，金屬鍵越強(qiáng)。離子半徑越小，金屬鍵越強(qiáng)。一般情況下，金屬晶體熔點(diǎn)由金屬鍵強(qiáng)弱一般情況下，金屬晶體熔點(diǎn)由金屬鍵強(qiáng)弱決定決定金屬陽(yáng)離子半徑越小，所帶電荷越多，金屬陽(yáng)離子半徑越小，所帶電荷越多，自由電子越多，自由電子越多， 金屬鍵越強(qiáng)，熔點(diǎn)就相應(yīng)越高，金屬鍵越強(qiáng)，熔點(diǎn)就相應(yīng)越高，硬度也越大硬度也越大【思考思考4】已知堿金屬元素的熔沸點(diǎn)隨原子序數(shù)的增已知堿金屬元素的熔沸點(diǎn)隨原子序數(shù)的增大大 而遞減，試用金屬鍵理論加以解釋。而遞減，試用金屬鍵理論加以解釋。同主族元素價(jià)電子數(shù)相同（陽(yáng)離子所帶電荷

10、數(shù)同主族元素價(jià)電子數(shù)相同（陽(yáng)離子所帶電荷數(shù)相同），從上到下，原子（離子）半徑依次增相同），從上到下，原子（離子）半徑依次增大，則單質(zhì)中所形成金屬鍵依次減弱，故堿金大，則單質(zhì)中所形成金屬鍵依次減弱，故堿金屬元素的熔沸點(diǎn)隨原子序數(shù)的增大而遞減屬元素的熔沸點(diǎn)隨原子序數(shù)的增大而遞減?！舅伎妓伎?】試判斷鈉、鎂、鋁三種金屬熔沸點(diǎn)和硬度試判斷鈉、鎂、鋁三種金屬熔沸點(diǎn)和硬度的的 大小。大小。同周期元素，從左到右，價(jià)電子數(shù)依次增大，同周期元素，從左到右，價(jià)電子數(shù)依次增大，原子（離子）半徑依次減弱，則單質(zhì)中所形成原子（離子）半徑依次減弱，則單質(zhì)中所形成金屬鍵依次增強(qiáng)，故鈉、鎂、鋁三種金屬熔沸金屬鍵依次增強(qiáng)，故鈉

11、、鎂、鋁三種金屬熔沸點(diǎn)和硬度的大小順序是：鈉鎂鋁點(diǎn)和硬度的大小順序是：鈉鎂鋁。 資料資料金屬之最金屬之最熔點(diǎn)最低的金屬是熔點(diǎn)最低的金屬是- 汞汞 -38.87熔點(diǎn)最高的金屬是熔點(diǎn)最高的金屬是- 鎢鎢 3410密度最小的金屬是密度最小的金屬是- 鋰鋰 0.53g/cm3密度最大的金屬是密度最大的金屬是- 鋨鋨 22.57g/cm3硬度最小的金屬是硬度最小的金屬是- 銫銫 0.2硬度最大的金屬是硬度最大的金屬是- 鉻鉻 9.0最活潑的金屬是最活潑的金屬是-銫銫最穩(wěn)定的金屬是最穩(wěn)定的金屬是-金金延性最好的金屬是延性最好的金屬是-鉑鉑 鉑絲直徑：鉑絲直徑： mm展性最好的金屬是展性最好的金屬是- 金金

12、 金箔厚：金箔厚： mm50001100001 金屬晶體的形成是因?yàn)榫w中存在（金屬晶體的形成是因?yàn)榫w中存在（ ）A.A.金屬離子間的相互作用金屬離子間的相互作用B B金屬原子間的相互作用金屬原子間的相互作用 C.C.金屬離子與自由電子間的相互作用金屬離子與自由電子間的相互作用 D.D.金屬原子與自由電子間的相互作用金屬原子與自由電子間的相互作用 金屬能導(dǎo)電的原因是（金屬能導(dǎo)電的原因是（ ）A.A.金屬晶體中金屬陽(yáng)離子與自由電子間的金屬晶體中金屬陽(yáng)離子與自由電子間的 相互作相互作用較弱用較弱 B B金屬晶體中的自由電子在外加電場(chǎng)作用下可發(fā)生金屬晶體中的自由電子在外加電場(chǎng)作用下可發(fā)生定向移動(dòng)定

13、向移動(dòng) C C金屬晶體中的金屬陽(yáng)離子在外加電場(chǎng)作用下可發(fā)金屬晶體中的金屬陽(yáng)離子在外加電場(chǎng)作用下可發(fā)生定向移動(dòng)生定向移動(dòng) D D金屬晶體在外加電場(chǎng)作用下可失去電子金屬晶體在外加電場(chǎng)作用下可失去電子 練習(xí)CB 下列敘述正確的是（下列敘述正確的是（ ）A.A.任何晶體中，若含有陽(yáng)離子也一定含有任何晶體中，若含有陽(yáng)離子也一定含有陰離子陰離子B B原子晶體中只含有共價(jià)鍵原子晶體中只含有共價(jià)鍵 C.C.離子晶體中只含有離子鍵，不含有共價(jià)離子晶體中只含有離子鍵，不含有共價(jià)鍵鍵 D D分子晶體中只存在分子間作用力，不含分子晶體中只存在分子間作用力，不含有其他化學(xué)鍵有其他化學(xué)鍵 為什么堿金屬單質(zhì)的熔沸點(diǎn)從上到下

14、逐漸為什么堿金屬單質(zhì)的熔沸點(diǎn)從上到下逐漸降低，而鹵素單質(zhì)的熔沸點(diǎn)從上到下卻升降低，而鹵素單質(zhì)的熔沸點(diǎn)從上到下卻升高？高？B練習(xí)練習(xí)知識(shí)回顧：知識(shí)回顧：三種晶體類型與性質(zhì)的比較三種晶體類型與性質(zhì)的比較晶體類型原子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構(gòu)成微粒物理性質(zhì)熔沸點(diǎn)硬度導(dǎo)電性實(shí)例金剛石、二氧化硅、晶體硅、碳化硅Ar、S等Au、Fe、Cu、鋼鐵等共價(jià)鍵共價(jià)鍵范德華力范德華力金屬鍵金屬鍵原子原子分子分子金屬陽(yáng)離子金屬陽(yáng)離子和自由電子和自由電子很高很高很低很低差別較大差別較大很大很大很小很小差別較大差

15、別較大無(wú)（硅為半導(dǎo)體）無(wú)（硅為半導(dǎo)體）無(wú)無(wú)導(dǎo)體導(dǎo)體金屬原子在二維空間（平面）上有二種排列方式金屬原子在二維空間（平面）上有二種排列方式二、金屬晶體的原子堆積模型二、金屬晶體的原子堆積模型 （a a）非密置層）非密置層 （b b）密置層）密置層 金屬晶體可以看成金屬原子在三維金屬晶體可以看成金屬原子在三維空間中堆積而成空間中堆積而成.那么那么,非密置層在三維空間里堆積有非密置層在三維空間里堆積有幾種方式？請(qǐng)比較不同方式堆積時(shí)金屬晶體的配位幾種方式？請(qǐng)比較不同方式堆積時(shí)金屬晶體的配位數(shù)、原子的空間利用率、晶胞的區(qū)別。數(shù)、原子的空間利用率、晶胞的區(qū)別。配位數(shù)配位數(shù)=4 4配位數(shù)配位數(shù)=6 6思考與交

16、流思考與交流1 1、簡(jiǎn)單立方堆積、簡(jiǎn)單立方堆積 Po 配位數(shù)：配位數(shù)：空間占有率：空間占有率：每個(gè)晶胞含原子數(shù)：每個(gè)晶胞含原子數(shù)：6 61 152%52%2、體心立方堆積體心立方堆積-鉀型鉀型金屬晶體的堆積方式金屬晶體的堆積方式體心立方堆積體心立方堆積 非密置層的另一種堆積是將上層金屬非密置層的另一種堆積是將上層金屬原子填入下層的金屬原子形成的凹穴中原子填入下層的金屬原子形成的凹穴中（ IA，VB，VIB）配位數(shù)：配位數(shù)：空間占有率：空間占有率：每個(gè)晶胞含原子數(shù)：每個(gè)晶胞含原子數(shù)：868%2空間利用率計(jì)算例1：計(jì)算體心立方晶胞中金屬原子的空間利用率。解：體心立方晶胞：中心有1個(gè)原子， 8個(gè)頂點(diǎn)

17、各1個(gè)原子，每個(gè)原子被8個(gè) 晶胞共享。每個(gè)晶胞含有幾個(gè)原子:1 + 8 1/8 = 2空間利用率計(jì)算設(shè)原子半徑為r 、晶胞邊長(zhǎng)為a ，根據(jù)勾股定理，得：2a 2 + a 2 = (4r) 2a43rr16a322空間利用率 = 晶胞含有原子的體積 / 晶胞體積 100% =%68%100a)a43(342ar3423333123456第二層對(duì)第一層來(lái)講最緊密的堆積方式是將球?qū)?zhǔn)第二層對(duì)第一層來(lái)講最緊密的堆積方式是將球?qū)?zhǔn) 1 1，3 3，5 5 位。位。 ( ( 或?qū)?zhǔn)或?qū)?zhǔn) 2 2，4 4，6 6 位，其情形是一樣的位，其情形是一樣的 ) )123456AB， 關(guān)鍵是第三層。對(duì)第一、二層來(lái)說(shuō)

18、，第三層可以有兩種最緊關(guān)鍵是第三層。對(duì)第一、二層來(lái)說(shuō)，第三層可以有兩種最緊密的堆積方式。密的堆積方式。下圖是此種六方下圖是此種六方緊密堆積的前視圖緊密堆積的前視圖ABABA第一種是將第三層的球?qū)?zhǔn)第一第一種是將第三層的球?qū)?zhǔn)第一層的球。層的球。123456于是每?jī)蓪有纬梢粋€(gè)周期，于是每?jī)蓪有纬梢粋€(gè)周期，即即ABAB堆積方式，形成六堆積方式，形成六方緊密堆積。方緊密堆積。 配位數(shù)配位數(shù) 。 ( ( 同層同層 ，上下層各，上下層各 。 ) )1212 6 63 3第二種是將第三層的第二種是將第三層的球?qū)?zhǔn)第一層的球?qū)?zhǔn)第一層的 2 2，4 4，6 6 位，不同于位，不同于 AB AB 兩層兩層的位

19、置，這是的位置，這是 C C 層。層。123456123456123456123456此種立方緊密堆積的前視圖此種立方緊密堆積的前視圖ABCAABC第四層再排第四層再排A，于是形，于是形成成ABCABC三層一個(gè)周三層一個(gè)周期。期。得到面心立方堆積。得到面心立方堆積。 配位數(shù)配位數(shù) 。( ( 同層同層 ， 上下層各上下層各 ) ) 12126 6 3 3鎂型六方密堆積六方密堆積3、配位數(shù)：配位數(shù)：空間占有率：空間占有率：每個(gè)晶胞含原子數(shù)：每個(gè)晶胞含原子數(shù)：121274%74%2 2鎂型鎂型六方密堆積六方密堆積（Be Mg B B B Be Mg B B B ）4 4、銅型、銅型 面心立方面心立方 面心立方面心立方 BCA配位數(shù)：配位數(shù)：空間占有率：空間占有率：每個(gè)晶胞含原子數(shù)：每個(gè)晶胞含原子數(shù)：銅型銅型 面心立方面心立方 BCA121274%74%4 4（B Pb