人教版高中化学选修3学案设计-金属晶体

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。

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。

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。

(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。

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Po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ABABABAB……的方式堆积。

b．面心立方最密堆积——铜型如图所示，按ABCABCABC……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。

(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。

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 ℃)。

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。

(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。

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 ℃)。

(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？【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．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。

【答案】 A下列对各组物质性质的比较中，正确的是(B)A．熔点：Li<Na<KB．导电性：Ag>Cu>Al>FeC．密度：Na>Mg>AlD．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。

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(22R )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4×43πR 3，因此晶胞中原子的空间利用率为4×43πR 3(22R )3×100%＝74%。

(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2×4πR33a3×100%＝2×4πR33⎝⎛⎭⎪⎫4R33×100%＝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。

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)如图是一个金属铜的晶胞，请完成以下各题。

①该晶胞“实际”拥有的铜原子是________个。

②该晶胞称为________(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________(用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A n B m(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。