人教版高中化学选修三3.3 金属晶体 经典课件
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4
③体心立方晶胞平均占有的原子数目：
1 8
×8
+
1=
2
④体心立方晶胞空间利用率
r 3a 4
= 晶胞含有原子的体积 / 晶胞体积 100%
2 4 r3 2 4 ( 3 a)3
=
3 a3
34 a3
100% 68%
活动与探究3 三维空间里密置层金属原子的堆积方式
• 将密置层的小球在一个平面上黏合在 一起，再一层一层地堆积起来（至少 堆4层），使相邻层上的小球紧密接 触，有哪些堆积方式？
一般情况下，金属晶体熔点由金属键强弱 决定
【思考4】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。
【思考5】试判断钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度 的大小。
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。
❖
❖ 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。
四、金属晶体的原子堆积模型
1.理论基础：
由于金属键没有方向性，每个 金属原子中的电子分布基本是球 对称的，所以可以把金属晶体看 成是由直径相等的圆球的三维空 间堆积而成的。
金属晶体
几个重要概念：
1、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。
• 金属原子尽可能地互相接近，尽量 占据较小的空间。
——紧密堆积
几个重要概念：
2、空间利用率：指构成晶体的原子、离
子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百
分比。 空间利用率 =
原子体积 100%
晶胞体积
几个重要概念：
3、配位数：在密堆积中，一个原子 或离子周围距离最近且相等的原子或 离子的数目。
活动与探究1： 平面上金属原子紧密排列的方式
• 4组小球（3个排成一条直线的）
晶体类型
离子晶体
金属晶体
导电时的状态
水溶液或熔融状态下 晶体状态
导电粒子
自由移动的离子
自由电子
2、金属的导热性
金属为什么易
导热？
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。
3、金属的延展性--良好延展性
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。
二、金属共同的物理性质
有金属光泽，容易导电、导热、有延展性等
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
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
• 将小球放置在平面上，排成4排，使球面紧 密接触，有哪些排列方式？
金属原子在二维空间（平面）上紧密排列的两种方式
2
1
3
4
配位数为4
23
1
4
65
配位数为6
2.金属晶体哪的原种子排在列二方维平式面圆的球堆周积模型 围剩余空隙最小？
2
1
3
4
配位数为4 非密置层放置
23
1
4
65
配位数为6 密置层放置
活动与探究2 三维空间里非密置层金属原子的堆积方式
4πr3/3
空间利用率=
a3
≈52%
×100%
（2）体心立方堆积 （碱金属）
体心立方晶胞
• ①配位数：8 上下层各4
56 87 12 43
• ②金属原子半径 r 与正方体边长 a 的关系：
ba
a
a
a
2a
边长为a，面对角线边长为 2 a
体对角线边长为b ，b = 3 a b= 4 r
3a 4r r 3 a
a
a
a
a
a
r 2 a 4
2a 4r
r 2 a 4
•
a = 2.83 r
• 每个面心立方晶胞含原子数目：
8 1/8 + 6 ½ = 4
% = (4 4/3 r 3) / a 3
= (4 4/3 r 3) / (2.83 r ) 3 100% = 74%
• 先将两组小球以非密置层的排列方式排 列在一个平面上：
• 在其上方再堆积一层非密置层排列的小 球，使相邻层上的小球紧密接触，有哪 些堆积方式？
三维空间里非密置层的 金属原子的堆积方式
（1） 第二层小球的球心
正对着 第一层小球的球心
（2） 第二层小球的球心
正对着 第一层小球形成的空穴
3.金属晶体的原子在三维空间的堆积模型
【总结】金属晶体的结构与性质的关系
导电性
导热性
延展性
金属 自由电子在 自由电子 晶体中
离子和 外加电场的作 与金属离子 各原子层相
自由电 用下发生定向 碰撞传递热 对滑动仍保
子
移动.
量.
持相互作用.
5、影响金属键强弱的因素：
金属价电子越多（即金属离子所带电荷越多 越多）、金属离子半径越小，金属键越强；金 属键越强，熔点就相应越高，硬度也越大。
第三章 晶体结构与性质
第三节 金属晶体
2 13 64
5
2 13 64
5
金属样品 Ti
金属晶体
金属原子
自由电子
一、金属晶体的结构
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。
• 注意：堆积方式的周期性、稳定性
A
A
B
B
三维空间里密置层的 金属原子的堆积方式
（1） ABAB… 堆积方式
（2） ABCABC…
堆积方式
俯视图
2
1
3
6
4
5
2
1
3
6
4
5
AB
• 第二层小球的球心对准第一层的 1、3、5 位 （▽）或对准 2、4、6 位（△）。
• 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。
（铜） ——面心立方最密堆积
ABC
• ①配位数：12 同层 6，上下层各 3
2 13 64
5
71
2 8
6
93
5
4
12 10 11
• ②面心立方紧密堆积晶胞平均占有的 原子数目：
1 8
×8 +
1 2
×6 =
4
• 金属原子的半径r与正方体的边长a的关系：
边长为 a
面对角线边长为 2 a＝4r
2a 4r
B
13 A
64 5
C
B
A
• 俯视图： ABAB…堆积方式 ABCABC…堆积方式
（3）ABAB…堆积方式 （镁） —— 六方最密堆积
• ①配位数：12 同层 6，上下层各 3
2
1
3
6
4
5
71 82
6
9
3
5
4
10
11
12
• ②六方紧密堆积晶胞平均占有的原子数 目：
1 6
×12
+
1 2
×2
+
3
=6
A、碳化铝，黄色晶体，熔点2200℃，熔融态不导 电；__原_子__晶_体___
B、溴化铝，无色晶体，熔点98 ℃，熔融态不导 电；__分_子__晶_体____
C、五氟化钒，无色晶体，熔点19.5℃，易溶于乙 醇、氯仿、丙酮中；__分__子_晶__体___
D、物质A，无色晶体，熔融时或溶于水中都能导 电___离_子__晶_体______
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。
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。
晶体类型
原子晶体
分子晶体
概念
相邻原子间以共价键相结
分子间以分子间
合而形成空间网状结构
作用力结合
组成微粒 作用力 熔沸点 硬度 溶解性
原子 共价键
很高 很大 一般不溶于任何溶剂
分子 分子间作用力
较低 较小 部分溶于水
导电性 不导电，个别为半导体
固体和熔化状态都 不导电，部分溶于水、 水溶液导电
例题：分析下列物质的物理性质，判断其晶体类型：
（3）ABAB…堆积方式 • 第三层小球对准第一层的小球。
• 每两层形成一个周期地紧密堆积。
前视图
A
2
1
3
B
6
4
5
A
B
A
（4）ABCABC…堆积方式
• 第三层小球对准第一层小球空穴的2、4、6位。 • 第四层同第一层。
• 每三层形成一个周期地紧密堆积。前视图
A
2 13 64
5
2 13 64
5
C
2
（1）简单立方堆积 Po
简单立方晶胞
• ①配位数：6 同层4，上下层各1
2
1
3
4
6
2
1
3
4Fra Baidu bibliotek
5
• ②金属原子半径 r 与正方体边长 a 的关系：
a
a
a
a
a=2r
• ③简单立方晶胞平均占有的原子数 目：
1 8
×8
=1
④ 简单立方晶胞空间利用率
a
边长为a
a=2r V晶胞=a3
a
a
a
V球=4πr3/3
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] 延性最好的金属是-------- 铂[铂丝直径：50100 mm] 展性最好的金属是-------- 金[金箔厚： 1001m00m] 最活泼的金属是---------- 铯 最稳定的金属是---------- 金
同周期元素，从左到右，价电子数依次增大，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]
③体心立方晶胞平均占有的原子数目：
1 8
×8
+
1=
2
④体心立方晶胞空间利用率
r 3a 4
= 晶胞含有原子的体积 / 晶胞体积 100%
2 4 r3 2 4 ( 3 a)3
=
3 a3
34 a3
100% 68%
活动与探究3 三维空间里密置层金属原子的堆积方式
• 将密置层的小球在一个平面上黏合在 一起，再一层一层地堆积起来（至少 堆4层），使相邻层上的小球紧密接 触，有哪些堆积方式？
一般情况下，金属晶体熔点由金属键强弱 决定
【思考4】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。
【思考5】试判断钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度 的大小。
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。
❖
❖ 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。
四、金属晶体的原子堆积模型
1.理论基础：
由于金属键没有方向性，每个 金属原子中的电子分布基本是球 对称的，所以可以把金属晶体看 成是由直径相等的圆球的三维空 间堆积而成的。
金属晶体
几个重要概念：
1、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。
• 金属原子尽可能地互相接近，尽量 占据较小的空间。
——紧密堆积
几个重要概念：
2、空间利用率：指构成晶体的原子、离
子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百
分比。 空间利用率 =
原子体积 100%
晶胞体积
几个重要概念：
3、配位数：在密堆积中，一个原子 或离子周围距离最近且相等的原子或 离子的数目。
活动与探究1： 平面上金属原子紧密排列的方式
• 4组小球（3个排成一条直线的）
晶体类型
离子晶体
金属晶体
导电时的状态
水溶液或熔融状态下 晶体状态
导电粒子
自由移动的离子
自由电子
2、金属的导热性
金属为什么易
导热？
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。
3、金属的延展性--良好延展性
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。
二、金属共同的物理性质
有金属光泽，容易导电、导热、有延展性等
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
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
• 将小球放置在平面上，排成4排，使球面紧 密接触，有哪些排列方式？
金属原子在二维空间（平面）上紧密排列的两种方式
2
1
3
4
配位数为4
23
1
4
65
配位数为6
2.金属晶体哪的原种子排在列二方维平式面圆的球堆周积模型 围剩余空隙最小？
2
1
3
4
配位数为4 非密置层放置
23
1
4
65
配位数为6 密置层放置
活动与探究2 三维空间里非密置层金属原子的堆积方式
4πr3/3
空间利用率=
a3
≈52%
×100%
（2）体心立方堆积 （碱金属）
体心立方晶胞
• ①配位数：8 上下层各4
56 87 12 43
• ②金属原子半径 r 与正方体边长 a 的关系：
ba
a
a
a
2a
边长为a，面对角线边长为 2 a
体对角线边长为b ，b = 3 a b= 4 r
3a 4r r 3 a
a
a
a
a
a
r 2 a 4
2a 4r
r 2 a 4
•
a = 2.83 r
• 每个面心立方晶胞含原子数目：
8 1/8 + 6 ½ = 4
% = (4 4/3 r 3) / a 3
= (4 4/3 r 3) / (2.83 r ) 3 100% = 74%
• 先将两组小球以非密置层的排列方式排 列在一个平面上：
• 在其上方再堆积一层非密置层排列的小 球，使相邻层上的小球紧密接触，有哪 些堆积方式？
三维空间里非密置层的 金属原子的堆积方式
（1） 第二层小球的球心
正对着 第一层小球的球心
（2） 第二层小球的球心
正对着 第一层小球形成的空穴
3.金属晶体的原子在三维空间的堆积模型
【总结】金属晶体的结构与性质的关系
导电性
导热性
延展性
金属 自由电子在 自由电子 晶体中
离子和 外加电场的作 与金属离子 各原子层相
自由电 用下发生定向 碰撞传递热 对滑动仍保
子
移动.
量.
持相互作用.
5、影响金属键强弱的因素：
金属价电子越多（即金属离子所带电荷越多 越多）、金属离子半径越小，金属键越强；金 属键越强，熔点就相应越高，硬度也越大。
第三章 晶体结构与性质
第三节 金属晶体
2 13 64
5
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金属样品 Ti
金属晶体
金属原子
自由电子
一、金属晶体的结构
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。
• 注意：堆积方式的周期性、稳定性
A
A
B
B
三维空间里密置层的 金属原子的堆积方式
（1） ABAB… 堆积方式
（2） ABCABC…
堆积方式
俯视图
2
1
3
6
4
5
2
1
3
6
4
5
AB
• 第二层小球的球心对准第一层的 1、3、5 位 （▽）或对准 2、4、6 位（△）。
• 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。
（铜） ——面心立方最密堆积
ABC
• ①配位数：12 同层 6，上下层各 3
2 13 64
5
71
2 8
6
93
5
4
12 10 11
• ②面心立方紧密堆积晶胞平均占有的 原子数目：
1 8
×8 +
1 2
×6 =
4
• 金属原子的半径r与正方体的边长a的关系：
边长为 a
面对角线边长为 2 a＝4r
2a 4r
B
13 A
64 5
C
B
A
• 俯视图： ABAB…堆积方式 ABCABC…堆积方式
（3）ABAB…堆积方式 （镁） —— 六方最密堆积
• ①配位数：12 同层 6，上下层各 3
2
1
3
6
4
5
71 82
6
9
3
5
4
10
11
12
• ②六方紧密堆积晶胞平均占有的原子数 目：
1 6
×12
+
1 2
×2
+
3
=6
A、碳化铝，黄色晶体，熔点2200℃，熔融态不导 电；__原_子__晶_体___
B、溴化铝，无色晶体，熔点98 ℃，熔融态不导 电；__分_子__晶_体____
C、五氟化钒，无色晶体，熔点19.5℃，易溶于乙 醇、氯仿、丙酮中；__分__子_晶__体___
D、物质A，无色晶体，熔融时或溶于水中都能导 电___离_子__晶_体______
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。
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。
晶体类型
原子晶体
分子晶体
概念
相邻原子间以共价键相结
分子间以分子间
合而形成空间网状结构
作用力结合
组成微粒 作用力 熔沸点 硬度 溶解性
原子 共价键
很高 很大 一般不溶于任何溶剂
分子 分子间作用力
较低 较小 部分溶于水
导电性 不导电，个别为半导体
固体和熔化状态都 不导电，部分溶于水、 水溶液导电
例题：分析下列物质的物理性质，判断其晶体类型：
（3）ABAB…堆积方式 • 第三层小球对准第一层的小球。
• 每两层形成一个周期地紧密堆积。
前视图
A
2
1
3
B
6
4
5
A
B
A
（4）ABCABC…堆积方式
• 第三层小球对准第一层小球空穴的2、4、6位。 • 第四层同第一层。
• 每三层形成一个周期地紧密堆积。前视图
A
2 13 64
5
2 13 64
5
C
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（1）简单立方堆积 Po
简单立方晶胞
• ①配位数：6 同层4，上下层各1
2
1
3
4
6
2
1
3
4Fra Baidu bibliotek
5
• ②金属原子半径 r 与正方体边长 a 的关系：
a
a
a
a
a=2r
• ③简单立方晶胞平均占有的原子数 目：
1 8
×8
=1
④ 简单立方晶胞空间利用率
a
边长为a
a=2r V晶胞=a3
a
a
a
V球=4πr3/3
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] 延性最好的金属是-------- 铂[铂丝直径：50100 mm] 展性最好的金属是-------- 金[金箔厚： 1001m00m] 最活泼的金属是---------- 铯 最稳定的金属是---------- 金
同周期元素，从左到右，价电子数依次增大，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]