第三节金属晶体

一般情况下，金属晶体熔点由金属键强弱 决定 金属阳离子半径越小，所带电荷越多， 自由电子越多，金属键越强，熔点就相应 越高，硬度也越大.如:
熔点:Al>Mg>Na
【思考】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。 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。
1
3 5 4 6 5 4
2
3
6
A
，
1
2
B
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。
第一种是将第三层的球对 下图是此种六方 准第一层的球。 紧密堆积的前视图
A
1 6 5 4
2
3
B A B
于是每两层形成一个周 期，即 AB AB 堆积方 式，形成六方紧密堆积。
A
配位数12
。 ( 同层 6
金属键
较硬 差别较大 良好
较小 低
溶于水或熔融 态下均导电 熔融态不导电
不导电
典型实 例
金刚石、SiC、 Na、Al NaOH、NaCl、 HCl、Cl2、CO2、 SiO2、Si等 Fe、Cu Na2O等 He、P4、S等
二、金属晶体的原子堆积模型
金属原子在平面上有二种排列方式
配位数=4 （a）Fra Baidu bibliotek密置层
▲
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。
4、金属晶体结构具有金属光泽和颜色 • 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。
Cu、Ag、 Au
74%
12
四、石墨——混合晶体 1．结构特点——层状结构 (1)同层内，碳原子采用 sp2 杂化， 以共价键 相结合形成 正六边形 平面网 状结构。所有碳原子的2p轨道相互平行且 相互重叠，使p电子可在整个碳原子平面中 运动。 (2)层与层之间以 范德华力 相结合。
2．晶体类型 石墨晶体中，既有共价键 ，又 有金属键，还有 范德华力 ，属 混合晶体 于 。
三、金属晶体的结构与金属性质的内在 联系
1、金属晶体结构与金属导电性的关系 【讨论1】 金属为什么易导电？
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子就会发生 定向运动，因而形成电流，所以金属容易 导电。
比较离子晶体、金属晶体导电的区别：
3、金属晶体结构与金属延展性的关系 【讨论3】金属为什么具有较好的延展性？ 原子晶体受外力作用时，原子间的位移 必然导致共价键的断裂，因而难以锻压成 型，无延展性。而金属晶体中由于金属离 子与自由电子间的相互作用没有方向性， 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。
金属晶体
金属原子
自由电子
金属晶体中不存在中性原子和阴离
3、电子气理论：经典的金属键理论叫做 “电子气理论”。它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。 二、金属共同的物理性质 容易导电、导热、有延展性、有金属光泽 等。 思考1:金属为什么有这些共同的性质呢？
1 6
5 4 2
A
C B
A
3
C
配位数 12 。 ( 同层 6 ， 上下层各 3
B A
)
前视图
按密置层的堆积方式的第二种：面心立方 堆积 4、铜型 [面心立方]
这两种堆积方式都是金属晶体的最密堆积，
配位数均为12，空间利用率均为74%，只 是所得晶胞的形式不同。
金属晶体的四种堆积模型对比
堆积模型 简单 立方 堆积
解：体心立方晶胞：中心有1个原子， 8个 顶点各1个原子，每个原子被8个晶胞共享。 每个晶胞含有几个原子:1 + 8 × 1/8 = 2
空间利用率计算
设原子半径为r 、晶胞边长为a ，根据勾股 定理， b2=2a2 得： 2a 2 + a 2 = (4r) 2
3a 16 r
2
2
3 r a 4
金属样品
Ti
一、金属的结构
1、金属键的定义：金属离子和自由电子 之间的强烈的相互作用，叫金属键。 （1）金属键的成键微粒是金属阳离子和 自由电子。 （2）金属键存在于金属 单质和合金中。 （3）金属键没有方向性 也没有饱和性。
2、金属晶体的定义：通过金属离子与 自由电子之间的较强的相互作用形成的 晶体。 （1）在晶体中，不存在 单个分子 （2）金属阳离子被自由 电子所包围。
石墨是层状结构的混合型晶体
1.结合金属晶体的结构和性质，回答以 下问题： (1)已知下列金属晶体：Na、Po、K、 Fe、Cu、Mg、Zn、Au，其堆积方式为： ①简单立方堆积的是____； Po ②体心立方堆积的是_____________； Na、K、Fe ③六方最密堆积的是_______； Mg、Zn
空间利用率
= 晶胞含有原子的体积 / 晶胞体积
100% 4 3 4 3 3 2 r 2 ( a) 3 3 4 100 % 68% = 3 3 a a
= 0 % 68%
思考：密置层的堆积方式有哪些？
第二层对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对 准1，3，5 位。(或对准 2，4，6 位，其情形是 一样的 )
④面心立方最密堆积的是________。 Cu、Au (2)根据下列叙述，判断一定为金属晶体 的是________。 C A．由分子间作用力形成，熔点很低 B．由共价键结合形成网状晶体，熔点 很高 C．固体有良好的导电性、传热性和延 展性
3.下列叙述正确的是（ B） 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 含有其他作用力 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？
知识回顾：三种晶体类型与性质的比较
，上下层各3
。 )
3、镁型 [六方密堆积]
配位数：12 74% 空间占有率： 每个晶胞含原子数： 2
第二种是将第三 层的球对准第一层的 2，4，6位，不同于 AB 两层的位置，这 是C层。
1 6 5 4
1
6 5
2 3
4
2
3 6
1
2 3
5
4
第四层再排 A，于 是形成 ABC ABC 三 层一个周期。 得到面 心立方堆积。
晶体类型 原子晶体 分子晶体 金属晶体 通过金属键形 成的晶体
概念 作用力
构成微粒 物 熔沸点 理 硬度 性 质 导电性
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
共价键 原子 很高 很大
无（硅为半 导体）
范德华力 金属键 金属阳离子 分子 和自由电子 很低 差别较大 很小 差别较大 无 导体
晶体类型
导电时的状态
离子晶体
水溶液或 熔融状态下
金属晶体
晶体状态
导电粒子
自由移动的离子 自由电子
2、金属晶体结构与金属导热性的关系 【讨论2】金属为什么易导热？ 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。金 属容易导热，是由于自由电子运动时与金属 离子碰撞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。
基础知识梳理 一、金属键 1．描述金属键本质的最简单理论是电 子气理论。 2．电子气理论把金属键描述为金属原 子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“ 电子气”，被所有原子共用，从而把所 有 金属原子 维系在一起。 3．成键微粒是金属阳离子 和自由电子 。
二、金属晶体 1．在金属晶体中，原子间以金属键 相 结合。 2．金属晶体的性质：优良的 导电性、 导热性 和 延展性。 3．用电子气理论解释金属的性质 (1)延展性 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 ，但排列方式不变， 金属键 金属离子与自由电子形成的 没有破 坏，所以金属有良好的延展性。
Au、Fe、Cu、 钢铁等
实例
金刚石、二氧化硅、 Ar、S等 晶体硅、碳化硅
【小结】晶体的类型和性质 填课本83页表格
晶体类型 离子晶体 分子晶体 分子
范德华力
原子晶体 金属晶体 原子 共价键 很大 很高
金属离子 自由电子
构成的 阴、阳离子 粒子 作用力 离子键 硬度 熔沸点 导电性
略硬而脆 较高
(2)导电性 在外加电场的作用下，金属晶体中 的自由电子 定向移动 而形成电流，呈 作 现良好的导电性。 (3)导热性 电子气中的自由电子在运动时经常与金 属原子发生碰撞，形成能量传递，呈现出 良好的导热性。
(1)金属晶体中的自由电子是否 思考 专属于某个金属离子？ (2)晶体中有阳离子，就一定有阴离子吗？ 有阴离子，就一定有阳离子吗？ (1)自由电子几乎均匀地分布在整个晶 体中，被许多金属离子共有。 (2)不一定，如金属晶体，只有阳离子， 无阴离子。但有阴离子则一定有阳离子。
【思考】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 次增多，原子（离子）半径依次减小，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。
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] 1 延性最好的金属是-----铂[铂丝直径：5000 mm] 1 展性最好的金属是-----金[金箔厚：10000 mm] 最活泼的金属是-------铯
配位数=6 （b）密置层
思考与交流
金属晶体可以看成金属原子在三维空 间中堆积而成.那么,非密置层在三维空间 里堆积有几种方式？请比较不同方式堆积 时金属晶体的配位数、原子的空间利用率、 晶胞的区别。
晶胞的形状是什么？ 含几个原子？
相邻非密置层原 子的原子核在同 一直线上的堆积
即:
1、简单立方堆积 [ Po ]
配位数：6 空间占有率： 52% 每个晶胞含原子数： 1
2、体心立方堆积-----钾型
（ IA，VB，VIB）
非密置层的另一种堆积是将上层金属 原子填入下层的金属原子形成的凹穴中
金属晶体的堆积方式
配位数：8
每个晶胞含原子数： 2
空间占有率：68%
空间利用率计算
例1：计算体心立方晶胞中金属原子的空 间利用率。
• 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。
【小结】金属晶体的结构与性质的关系
性质
粒子
导电性
导热性
自由电子 与金属离 子碰撞传 递热量
延展性 晶体中各 原子层相 对滑动仍 保持相互 作用
自由电子 金属阳离 在外加电 子和自由 场的作用 电子 下发生定 向移动
采纳这 种堆积 的典型 代表 Po(钋) 空间利 用率 配位 数
晶胞
52%
6
非密 体心 置层 立方 Na、K、 Fe 堆积 (bcp)
68%
8
金属晶体的四种堆积模型对比
堆积模型
六方最 密堆积 (hcp)
采纳这种 堆积的典 型代表
空间 利用 率 74%
配 位 数 12
晶胞
Mg、Zn、Ti
密 置 层
面心立 方最密 堆积 (ccp或 fcc)
金属晶体的熔点变化的规律
（1）金属晶体熔点变化差别较大。 （这是因为金属晶体紧密堆积方式不同。） （2）影响熔点因素－金属键强弱 阳离子半径、 离子所带电荷数。 阳离子所带电荷多、半径小 －金属键强，熔沸点高。 如： Li ﹥ ﹥k﹥Rb ﹥ Na Cs
Na ＜ Mg ＜ Al
影响金属键强弱的因素：
最稳定的金属是-------金
练习
1.金属晶体的形成是因为晶体中存在 （C） 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（ B ） 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