2017_2018学年高中化学第3章物质的聚集状态与物质性质第2节金属晶体与离子晶体素材鲁科版选修

- 1 -第二节金属晶体与离子晶体简略地讲了金属键的自由电子理论和金属晶体的圆球密堆积结构。在本节中将介绍这两种理论的有关史实，并对理论本身进一步加以阐述。一切金属元素的单质，或多或少具有下述通性：有金属光泽、不透明，有良好的导热性与导电性、有延性和展性，熔点较高（除汞外在常温下都是晶体） ，等等。这些性质是金属晶体内部结构的外在表现。金属元素一般比较容易失去其价电子变为正离子，在金属单质中不可能有一部分原子变成负离子而形成离子键。由于射线衍射法测定金属晶体结构的结果可知，其中每个金属原子与周围到个同等（或接近同等）距离的其它金属原子相紧邻，只有少数价电子的金属原子不可能形成到个共价键。金属晶体中的化学键应该属于别的键型。年 ，荷兰理论物理学家洛伦兹（Lorentz,H.A.1853-1928）提出金属“自由电子理论” ，可定性地阐明金属的一些特征性质。这个理论认为，在 金属晶体中金属原子失去其价电子成为正离子，正离子如刚性球体排列在晶体中，电离下来的电子可在整个晶体范围内在正离子堆积的空隙中“自由”地运行，称为自由电子。正离子之间固然相互排斥，但可在晶体中自由运行的电子能吸引晶体中所有的正离子，把它们紧紧地“结合”在一起。这就是金属键的自由电子理论模型。根据上述模型可以看出金属键没有方向性和饱和性。这个模型可定性地解释金属的机械性能和其它通性。金属键是在一块晶体的整个范围内起作用的，因此要断开金属比较困难。但由于金属键没有方向性，原子排列方式简单，重复周期短（这是由于正离子堆积得很紧密），因此在两层正离子之间比较容易产生滑动，在滑动过程 中自由电子的流动性能帮助克服势能障碍。滑动过程中，各层之间始终保持着金属键的作用，金属虽然发生了形变，但不至断裂。因此，金属一般有较好的延性、展性和可塑性。 由于自由电子几乎可以吸收所有波长的可见光，随即又发射出来，因而使金属具有通常所说的金属光泽。自由电子的这种吸光性能，使光线无法穿透金属。因此，金属一般是不透明的，除非是经特殊加工制成的极薄的箔片。关于金属的良好导电和导热性能，高中化学课本中已用自由电子模型作了解释。上面介绍的是最早提出的经典自由电子理论。年前后，由于将量子力学方法应用于研究金属的结构，这一理论已获得了广泛的发展。在金属的物理性质中有 一种最有趣的性质是，包括碱金属在内的许多金属呈现出小量的顺磁性，这种顺磁性的大小近似地与温- 2 -度无关。泡利曾在年对这一现象进行探讨，正是这一 探讨开辟了现代金属电子理论的发展。它的基本概念是：在金属中存在着一组连续或部分连续的“自由”电子能级。在绝对零度时，电子（其数目为个）通常成对 地占据个最稳定的能级。按照泡利不相容原理的要求，每一对电子的自旋方向是相反的；这样，在外加磁场中，这些电子的自旋磁矩就不能有效地取向。当温度比较高时，其中有一些配对的电子对被破坏了，电子对中的一个电子被提升到比较高的能级。未配对的电子的自旋磁矩能有效地取向，所以使金属具有顺磁 性。 （前一节中介绍价键理论的局限性时已指出，顺磁性物质一般是具有自旋未配对电子的物质。 ）未配对电子的数目随着温度的升高而增多；然而，每个未配对电 子的自旋对顺磁磁化率的贡献是随着温度的升高而减小的。对这二种相反的效应进行定量讨论，解释了所观察到的顺磁性近似地与温度无关。索末菲与其他许多研究工作者，从年到年代广泛地发展了金属的量子力学理论，建立起现代金属键和固体理论能带理论，可以应用分子轨道理论去加以理解。（可参看大学结构化学教材有关部分）金属为什么有颜色和光泽当白光照射到不透明的物体表面时，一部分波长的光被物体吸收，一部分波长的光被反射出来。不同波长的光有不同的颜色，被反射的光波是什么颜色的，物体就是什么颜色。如三氧化二铬反射绿光，它就是绿色的，硫磺反射黄光，看上去就是黄色的。若物体将全部波长的光都吸收，它就是黑色的，若全部都反射，则为白色。当光照射到透明的物体上时，若全部波长的光线都能透过，则物体五色；若一部分吸收一部分透过，则物体显示吸收光波长对应的颜色。金属都是以金属键结合而成的金属晶体，金属原子以最紧密堆积状态排列，金属内部有自由电子，它的运动范围是整块金属，当白光照到金属表面时，自由电子能吸收所有波长的光，随即又反射出来，因此绝大多数金属(除金呈黄色、铜呈赤红、铯呈浅黄、铋为淡红、铅为淡蓝以外)都呈现银白色光泽。应该注意的是，金届的光泽只在整块时才能表现出来，粉末状时，除个别金属(例如镁铝)外，大部分金属都呈灰色或黑色。美开发出可重复使用的催化剂美国布鲁克海艾国立实验室的化学家开发出一种新型钨基催化剂，这种催化剂可使化学反应中的几种反应物完全反应，全部转化为所需产物，且这种催化剂很容易回收并可重复- 3 -使用，不产生任何废弃物。该成果的取得是向绿色化学迈出的一大步。据悉:"该催化剂在合成诸如药物及杀虫剂等多种有机化合物时，不需要采用溶剂。"它可将所有反应物质完全转换成产物，而不需进行另外的分离、提纯等方法去掉残余金属催化剂，这对制药工业具有特别重大的意义。"避免采用溶剂是防止化学制造过程中产生废物的重要方法。而这种催化剂用两种方式达到上述目标:首先，它溶解在反应物中;其次，该催化剂在反应结束时，以固体形式沉淀出。这样，就不需要用溶剂或采用另外步骤将催化剂同产品分离开来。你仅仅需要将产物倒在另一个容器中，而剩下的固体催化剂可再一次使用。