高中化学选修三.3.3第三节 金属晶体

1、1三三3.33.3第三节第三节 金属晶体金属晶体 学习目标学习目标 学习目标：学习目标： 1、知道金属键的涵义，能用电子气理论解释金属的一些物理性质；2、能列举金属晶体的4种基本堆积模型；3、了解金属晶体性质的一般特点；4、知道金属晶体与其它晶体的结构微粒、微粒间作用力的区别。学习重点：学习重点： 1、金属键的涵义；用“电子气理论”解释金属的一些物理性质；2、金属晶体的4种基本堆积模型。学习难点：学习难点： 金属晶体的4种基本堆积模型 知识要点知识要点 一、金属键：（金属晶体中，金属阳离子和自由电子之间的较强的相互作用）一、金属键：（金属晶体中，金属阳离子和自由电子之间的较强的相互作用）1 1、金属键与电子气理论：、金属键与电子气理论：金属键：金属原子的电离能低，容易失去电子而形成阳离子和自由电子，阳离子整体共同吸引自由电子而结合在一起。金属键可看成是由许多金属离子共用许多电子的一种特殊形式的共价键，这种键既没有方向性也没有饱和性，金属键的特征是成键电子可以在金属中自由流动，使得金属呈现出特有的属性。在金属单质的晶体中，原子之间以金属键相互结合。金属键是一种遍布整个晶体的离域化学键。电

2、子气理论：描述金属键本质的最简单理论是“电子气理论” 。该理论把金属键形象地描绘成从金属原子上“脱落”下来的大量自由电子形成可与气体相比拟的带负电的“电子气” ，金属原子则“浸泡”在“电子气”的“海洋”之中。金属原子脱落下来的自由电子形成遍布整块晶体的“电子气” ，被所有金属阳离子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起。由此可见，金属晶体跟原子晶体一样，是一种“巨分子” 。小结：2 2、电子气理论对金属通性的解释：、电子气理论对金属通性的解释： 金属共同的物理性质：易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。金属导电性的解释：2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，但在外加电场的条件下电子气就会发生定向移动，因而形成电流，所以金属容易导电。金属导热性的解释：金属容易导热，是由于电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。金属延展性的解释：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

3、，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，发生形变也不易断裂。因此，金属都有良好的延展性。说明：当向金属晶体中掺人不同的金属或非金属原子时，就像在滚珠之间掺人了细小而坚硬的砂土或碎石一样，会使这种金属的延展性甚至硬度发生改变，这也是对金属材料形成合金以后性能发生改变 的一种比较粗浅的解释。二、金属晶体的原子堆积模型：（金属晶体内原子的空间排列方式）二、金属晶体的原子堆积模型：（金属晶体内原子的空间排列方式）金属键没有方向性，因此趋向于使原子或分子吸引尽可能多的其他原子或分子分布于周围，并以密堆积的方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。 1 1、几个概念：、几个概念： 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配位数：在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数空间利用率：晶体的空间被微粒占满的体积百分数，用它来表示紧密堆积的程度2 2、二维空间中的堆积方式、二维空间中的堆积方式金属晶体中的原子可看成直径相等的球体，象钢球一样堆积着。把它们放置在平面上(即二维空间里)，可有两种方式：说明：在一个平面上进行最紧密堆积排列只有一

4、种，即只有当每个等径圆球与周围其他6个球相接触时，才能做到最紧密堆积密置层。密置层的空间利用率比非密置层的空间利用率高。33 3、三维空间中的堆积方式、三维空间中的堆积方式金属晶体可看成金属原子在三维空间中堆积而成。简单立方体堆积：（非密置层与非密置层的简单叠加）这种堆积方式形成的晶胞是一个立方体，被称为简单立方堆积。这种堆积方式的空间利用率太低，只有金属钋采取这种堆积方式。说明：每个晶胞含原子数：1；配位数：6钾型：（非密置层叠加、紧密堆积）如果是非密置层上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中，每层均照此堆积，如下图：这种堆积方式的空间利用率显然比简单立方堆积的高多了，许多金属是这种堆积方式，如碱金属，简称为钾型。说明：每个晶胞含原子数：2；配位数：8镁型和铜型：（密置层叠加、最密堆积）密置层的原子按钾型堆积方式堆积，会得到两种基本堆积方式，镁型和铜型。镁型如图左侧，按ABABABAB的方式堆积;铜型如图右侧,按 ABCABCABC的方式堆积.这两种堆积方式都是金属晶体的最密堆积，配位数均为12（同层6，上下层各3） ，空间利用率均为74，但所得的晶胞的形式不同。 说明：镁型，每

5、个晶胞含原子数：24铜型，每个晶胞含原子数：4注意：左右两图的1、2、3小球的位置的区别。小结：金属晶体的四种堆积模型对比三、混合晶体三、混合晶体石墨不同于金刚石，其碳原子不像金刚石的碳原子那样呈 sp3杂化。而是呈 sp2杂化，形成平面六元环状结构，因此石墨晶体是层状结构的，层内的碳原子的核间距为142pm，层间距离为335pm，说明层间没有化学键相连，是靠范德华力维系的；石墨的二维结构内，每一个碳原子的配位数为3，有一个末参与杂化的2p 电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面。石墨晶体中，既有共价键，又有金属键，还有范德华力，不能简单地归属于其中任何一种晶体，是一种混合晶体。 方法指导方法指导 一、金属晶体的一般性质及其结构根源一、金属晶体的一般性质及其结构根源由于金属晶体中存在大量的自由电子和金属离子(或原子)排列很紧密，使金属具有很多共同的性质。状态：通常情况下，除 Hg 外都是固体；有自由电子存在, 是良好的导体；自由电子与金属离子碰撞传递热量，具有良好的传热性能；自由电子能够吸收可见光并能随时放出, 使金属不透明, 且有光泽；等径圆球的堆积使原子间容易滑动, 所以金属具有良好的

6、延展性和可塑性；金属间能“互溶”, 易形成合金。金属除有共同的物理性质外，还具有各自的特性。不同的金属在某些性质方面，如密度、硬度、熔点等又表现出很大差别。这与金属原子本身、晶体中原子的排列方式等因素有关。二、配位数：在晶体中与离子直接相连的离子数二、配位数：在晶体中与离子直接相连的离子数5三、金属晶体熔沸点的判断：三、金属晶体熔沸点的判断： 金属晶体熔点变化差别较大。如汞在常温下是液体，熔点很低（38.9） 。而铁等金属熔点很高（1535） 。这是由于金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子与自由电子的静电作用力（金属键）不同而造成的差别金属晶体的熔沸点高低和金属键的强弱有关。金属原子价电子越多，原子半径越小，金属离子与自由电子的作用力就越强，晶体的熔沸点就越高，反之越低。例如：碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降低价电子相同，原子半径逐渐增大。卤素单质的熔沸点从上到下却逐渐升高相对分子质量逐渐增大，范德华力逐渐增大。四、金属导电与电解质溶液导电的区别：四、金属导电与电解质溶液导电的区别： 金属导电：在金属晶体中，存在着许多自由电子，这些自由电子的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件下自由电

7、子就会发生定向运动，因而形成电流，所以金属容易导电。属于物理变化。电解质溶液导电：电解质在熔融状态下导电、电解质溶液的导电，实质是在外加电场作用下，阴阳离子发生定向移动。电解质溶液导电的过程就是电解质溶液被电解的过程，属于化学变化。 经典例题经典例题 例题1、金属的下列性质中和金属晶体无关的是（ ）A、良好的导电性 B、反应中易失电子C、良好的延展性 D、良好的导热性思路点拨思路点拨: :本题考查金属晶体结构与性质的关系，金属晶体结构主要和物理性质有关。解析：解析：B 项应该与元素原子有关，金属元素最外层电子数较少，在化学反应中容易失电子。【答案】B总结升华：总结升华：金属晶体中，微粒之间以金属键结合，根据电子气理论，金属原子脱落下来的自由电子形成遍布整块晶体的“电子气” ，被所有金属阳离子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起。金属晶体独特的结构，决定了其具有与其他晶体不同的性质。举一反三：举一反三：【变式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6【答案】C例题2、

8、物质结构理论指出：金属晶体中金属阳离子与自由电子之间的强烈相互作用，称为金属键金属键越强，其金属的硬度越大，熔沸点越高，且据研究表明，一般说来金属原子半径越小，价电子数越多，则金属键越强。由此判断下列说法错误的是( )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、钙的熔沸点高于钾思路点拨思路点拨: :本题考查金属晶体熔沸点、硬度的比较，理解题目所给信息是本题的关键。解析：解析：价电子数 AlMg，原子半径 AlMg，所以 Al 的金属键更强，A 的说法错误。Mg 和 Ca 的价电子数相同，而原子半径 MgCa，所以金属键的强弱 MgCa，B 的说法错误。价电子数 MgK，原子半径MgCaK，C 的说法正确。价电子数 CaK，原子半径 CaK，D 的说法也正确。【答案】AB总结升华：总结升华：金属晶体的熔沸点差别很大，如汞在常温下是液体，熔点很低（38.9） 。而铁等金属熔点很高（1535） 。这主要和金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子与自由电子的静电作用力（金属键）的强弱有关。此题所给信息：一般说来金属原子半径越小，价电子数越多，则金属键越强。可以作为金属晶体熔沸点高低

9、的判断依据。举一反三：举一反三：【变式2】关于 IA 族和A 族元素的下列说法中正确的是A、同一周期中，A 族单质的熔点比A 族的高B、浓度都是0.01 mol/L 时，氢氧化钾溶液的 pH 比氢氧化钡的小C、氧化钠的熔点比氧化镁的高D、加热时碳酸钠比碳酸镁易分解【答案】B例题3、1987年2月，朱经武教授等发现钇钡铜氧化合物在温度90 K 下即具有超导性，若该化合物的基本结构单元如图所示，则该化合物的化学式可能是（ ）A、YBa2CuO7-x B、YBa2Cu2O7-xC、YBa2Cu3O7-x D、YBa2Cu4O7-x思路点拨思路点拨: :考查有关晶胞的知识，可用分摊法计算。解析：解析：由钇钡铜氧化合物的结构单元可以看出该结构单元中含有完全的 Y 原子1个，Ba 原子2个，Cu原子1/88+1/48=3个，O 原子若干。故化学式为 YBa2Cu3O7-x。【答案】C 总结升华：总结升华：在晶胞中的原子或离子，是被晶胞“占有”而非“独占” 。 在一个晶胞结构中出现的多个原子，这些原子并不是只为这个晶胞所独立占有，而是为多个晶胞所共有，举一反三：举一反三：【变式3】由钾和氧组成的某种离子晶体中，阳离子与阴离子质量之比为138，其中阴离子只有过氧7离子（O22-）和超氧离子（O2-）两种，在此晶体中，过氧离子与超氧离子的物质的量之比为A、11 B、13C、21 D、12解析：解析：由阳离子（K+）与阴离子（O22-、O2-）质量比为138，可得其物质的量之比n（K+）n（O22-、O2-）=43。由电荷守恒原则，若 O22-的物质的量为x、O2-的物质的量为y，则有 得x=1 mol，y=2 mol。D 选项符合题意。【答案】D【课后练习课后练习】1、构成金属晶体的微粒是（ ）A、金属原子 B、金属阳离子和自由电子C、金属原子和电子 D、阳离子和阴离子2、在金属中，自由移动的电子所属的微粒（ ）

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