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：Na97.81 ℃>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？