2021年化学人教版选修3课件:3-3 金属晶体

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第三章
晶体结构与性质
第三节 金属晶体
[学习目标] 1.知道金属键的含义,能用金属键理论即“电 子气”理论解释金属的物理性质,提高知识的运用能力。
2.通过模型理解金属晶体的基本堆积模型。 3.了解金属晶体性质的一般特点,在此基础上进一步体会 金属晶体类型与性质的关系。
01课前自主学习 03随堂基础巩固
【点拨】 有阳离子,不一定有阴离子。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。
2.具有金属光泽且能导电的晶体一定是金属晶体吗?
【点拨】 不一定。如硅、石墨有金属光泽,也能导电, 但前者是原子晶体,后者是混合型晶体。
【例 1】 物质结构理论指出:金属晶体中金属离子与自由 电子之间的强烈相互作用,叫金属键。金属键越强,其金属的 硬度越大,熔、沸点越高。根据研究表明,一般来说,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 )
a、ρ 表示)。
【提示】 在晶体中,若 A 原子周围最近距离的 B 原子数 为 m,B 原子周围最近距离的 A 原子数为 n,则其化学式可表示 为 AnBm(有时需要简化),如:在 SiO2 晶体中,每个硅原子周围 最近距离的氧原子为 4 个,每个氧原子周围最近距离的硅原子为 2 个,即 Si2O4,其化学式可表示为 SiO2。
①该晶胞“实际”拥有的铜原子是____4____个。
②该晶胞称为_____C___(填序号)。
A.立方晶胞
B.体心立方晶胞
C.面心立方晶胞 D.简单立方晶胞
③此晶胞立方体的边长为 a cm, Cu 的相对原子质量为 64, 金属铜的密度为 ρ g·cm-3,则阿伏加德罗常数为___ρ2_·5a_63__m_o_l_-_1(用
(2)以体心立方晶胞为例,求晶胞中原子的空间利用率
设金属原子的半径为 R,则晶胞的体对角线为 4R,假设晶 胞的边长为 a,则 4R= 3a,得 a= 43R;该晶胞中实际含有的 原子数为 2,则空间利用率为2×a43π3R3×100%=2×44Rπ33R3×100%
3 =68%。
运用同样的方法可分别计算出简单立方晶胞的空间利用率 为 52%。六方晶胞的空间利用率与面心立方晶胞的空间利用率 相同,均是 74%,这两种的空间利用率较高,称为最密堆积。
2.金属晶体 (1)概念:金属原子通过金属键形成的晶体。 (2)构成微粒:__金__属__阳__离__子__、自由电子。 (3)金属阳离子:由于金属原子的价电子较少,容易失去电 子而成为金属阳离子。 (4)自由电子:从金属原子上脱落下来的价电子在整个金属 晶体中_自__由__运__动_____,所以称为自由电子。
3.金属熔沸点高低的比较 (1)同周期金属单质,从左到右(如 Na、Mg、Al)熔沸点升高。 (2)同主族金属单质,从上到下(如碱金属)熔沸点降低。 (3)合金的熔沸点比其各成分金属的熔沸点低。 (4)金属晶体熔点差别很大,如汞常温为液体,熔点很低(- 38.9 ℃),而铁等金属熔点很高(1 535 ℃)。
非密置层的原子稍稍分离。这种堆积方式所得的晶胞是一个含 有两个原子的立方体,一个原子在立方体的_____顶__角_____,另 一个原子在立方体的_____中__心_____,其空间的利用率比简单立 方堆积____高________,碱金属属于这种堆积方式。
②密置层在三维空间堆积 a.六方最密堆积——镁型 如图所示,按_A_B__A_B_A__B_A__B_……的方式堆积。
1金属晶体在受外力作用下,各层之间发生相对滑动,但 金属键并没有被破坏。
2金属晶体中只有金属阳离子,无阴离子。 3原子晶体的熔点不一定都比金属晶体的高,如金属钨的 熔点就高于一般的原子晶体。 4分子晶体的熔点不一定都比金属晶体的低,如汞常温下 是液体,熔点很低。
1.晶体中有阳离子,一定有阴离子吗?反之, 晶体中有阴离子,一定有阳离子吗?
一般说来,金属原子半径越小,价电子数越多,则金属键 越强。例如,对 Na、Mg、Al 而言,由于价电子数:Al>Mg>Na, 原 子 半 径 : Na>Mg>Al , 故 相 互 作 用 由 强 到 弱 的 顺 序 是 Al>Mg>Na,故熔点:Na<Mg<Al(97.81 ℃<645 ℃<660.4 ℃), 硬度:Na<Mg<Al。又如第ⅠA 族中,Li、Na、K、Rb、Cs 的 价电子数均为 1,但原子半径由 Li 至 Cs 依次递增,故熔点依次 递减(180.5 ℃>97.81 ℃>63.65 ℃>38.89 ℃>28.40 ℃)。
知识点二
金属晶体的结构
1.金属晶体的原子堆积模型
2.晶胞中原子的空间利用率的计算方法 (1)以面心立方晶胞为例,求晶胞中原子的空间利用率
图乙是面心立方晶胞的结构剖面图,晶胞的面对角线为金 属原子半径的 4 倍。设金属原子的半径为 R,则晶胞的面对角线 为 4R,晶胞立方体的体积为(2 2R)3。每个面心立方晶胞中实际 含有 4 个金属原子,4 个金属原子的体积为 4×43πR3,因此晶胞 中原子的空间利用率为42×432πRR33×100%=74%。
(2)导热性——自由电子与金属原子发生碰撞后的能量变换 自由电子在运动时与金属原子碰撞而引起能量的交换,从 而使能量从温度高的部分传到温度低的部分,使整块金属达到 相同的温度。 (3)延展性——离子层位置改变而与电子气的作用保持 大多数金属具有较好的延展性,与金属离子和自由电子之 间的较强作用有关。当金属受到外力时,晶体中的各离子层就 会发生相对滑动,由于金属离子与自由电子之间的相互作用没 有方向性,受到外力后,相互作用没有被破坏,金属虽然发生 了形变但不会导致断裂。
(4)颜色/光泽——自由电子吸收所有频率光释放一定频率光 由于金属原子以最紧密堆积状态排列,内部存在自由电子, 所以当光辐射到它的表面上时,自由电子可以吸收所有频率的 光,然后很快释放出各种频率的光,这就使得绝大多数金属呈 现银灰色以至银白色光泽,金属能反射照射到其表面的光而具 有光泽。而金属在粉末状态时,金属的晶面取向杂乱,晶格排 列不规则,吸收可见光后辐射不出去,所以金属粉末常呈暗灰 色或黑色。
2.金属晶体的性质 (1)导电性——自由电子定向移动形成电流 金属晶体中存在许多自由电子,这些自由电子的运动是没 有方向性的,但在外加电场的作用下,自由电子就会发生定向 移动形成电流,所以金属容易导电。 注意:金属导电的微粒是电子,离子晶体熔融状态下或溶 于水后导电的微粒是阳离子和阴离子;金属导电过程不生成新 物质,属物理变化,而电解质导电的同时要在阴、阳两极生成 新物质,属于化学变化,故两者导电的本质是不同的。
平行且相互重叠,p 电子可在整个平面中运动。 (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______ 和 ___范__德__华__力___,属于混合晶体。
知识点一
金属键和金属晶体的性质
金属晶体采用密堆积的原因是什么?
【点拨】 由于金属键没有饱和性和方向性,金属原子能 从各个方向互相靠近,从而导致金属晶体最常见的结构形式是 堆积密度大,原子配位数高,能充分利用空间。
【例 2】 (1)如图所示为二维平面晶体示意图,所表示的化 学式为 AX3 的是____②____。
(2)如图是一个金属铜的晶胞,请完成以下各题。
(5)微粒间的相互作用:____金__属__键____。 (6)物理性质上的共性: ①常温下绝大多数是_____固__体_____。 ② 具 有 良 好 的 _____导__热_____ 性 、 ____导__电______ 性 、 _____延__展_____性。 ③硬度差别比较大。 ④熔、沸点差别比较大。有些熔点较低,如汞常温时是液 态;有些熔点很高,如钨的熔点可达三千多度。 ⑤金属间能“互溶”,易形成合金。
A.镁的硬度大于铝 B.镁的熔、沸点高于钙 C.镁的硬度大于钾 D.钙的熔、沸点高于钾
【提示】 解答本题时要注意以下两点: (1)金属晶体熔、沸点高低决定于金属键的强弱。 (2)金属阳离子所带电荷越多,半径越小,金属键越强。 【解析】 此题考查的是金属晶体的性质,如硬度和熔、沸 点的比较。比较依据:看价电子数和原子半径。价电子数:Mg<Al, Mg=Ca,Mg>K,K<Ca;原子半径:Mg>Al,Mg<Ca,Mg<K, K>Ca,综合分析,镁的硬度小于铝;镁的熔、沸点高于钙;镁 的硬度大于钾;钙的熔、沸点高于钾。故 A 错误。
b.面心立方最密堆积——铜型 如图所示,按A__B_C_A__B_C__A_B_C_……的方式堆积。
二、石墨——混合晶体
1.结构特点——层状结构 (1)同层内,碳原子采用______sp_2_____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
下列对各组物质性质的比较中,正确的是( B ) A.熔点:Li<Na<K B.导电性:Ag>Cu>Al>Fe C.密度:Na>Mg>Al D.空间利用率:体心立方堆积<六方最密堆积<面心立方最 密堆积
解析:同主族的金属单质,原子序数越大,熔点越低,这是 因为它们的价电子数相同,随着原子半径的增大,金属键逐渐减 弱,所以 A 项不对;Na、Mg、Al 是同周期的金属单质,密度逐 渐增大,故 C 项错误;不同堆积方式的金属晶体空间利用率分别 是:简单立方堆积 52%,体心立方堆积 68%,六方最密堆积和 面心立方最密堆积均为 74%,因此 D 项错误;常用的金属导体 中,导电性最好的是银,其次是铜,再次是铝,最后是铁,所以 B 项正确。故选 B。
02课堂互动探究 课时作业
一、金属键与金属晶体
1.金属键
(1)概念: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。
(2)成键微粒是__金__属__阳__离__子__和___自_由__电__子____。
1.金属键 (1)金属键的定义:金属阳离子与自由电子之间的强烈的相 互作用叫金属键。
(2)金属键的本质——电子气理论:金属原子对外围电子的 束缚力不强,从金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体 的“电子气”。正是由于“自由电子”在整个金属固体中不停 地运动,被所有的金属原子所共用,从而把所有金属原子维系 在一起,使得体系的能量大大降低。
3.金属晶体的基本堆积模型 (1)几个概念 ①紧密堆积:微粒之间的作用力,使微粒间尽可能地相互 接近,使它们占有最小的空间。 ②空间利用率:空间被晶格质点占据的百分数。用来表示 紧密堆积的程度。 ③配位数:在晶体中,一个原子或离子周围最邻近的原子 或离子的数目。 (2)二维空间模型 ①非密置层:配位数为______4______,如图(左)所示:
②密置层:配位数为____6________,如图(右)所示:
(3)三维空间模型 ①非密置层在三维空间堆积 a.简单立方堆积 相邻非密置层原子的原子核在__同__一__直__线__上__的堆积,空间 利用率太低,只有金属______P_o_____采用这种堆积方式。
b.体心立方堆积——钾型 将上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中,并使
(3)金属键的特征:没有方向性和饱和性。 (4)金属键对物质性质的影响 ①金属键越强,晶体熔、沸点越高,晶体硬度越大。 ②金属键的强弱不仅影响金属的物理性质,也可以影响金 属的化学性质。
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(5)金属键强弱的比较方法 晶体的熔、沸点高低主要是由组成晶体的粒子间的相互作 用大小决定的,包括化学键和分子间作用力。而影响金属晶体 熔、沸点的是金属离子和自由电子之间的作用力,金属键的大 小要从离子半径和离子所带的电荷两个方面结合起来分析。 金属原子半径越小,单位体积内自由移动的电子数目越大, 金属键越强。金属单质熔、沸点的高低,硬度的大小与金属键 的强弱有关。金属键越强,金属晶体的熔、沸点越高,硬度越 大。
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