高2019届高2016级步步高高中化学选修3物质结构与性质学案第三章 第三节

第三节金属晶体

[目标定位] 1.知道金属键的含义和金属晶体的结构特点。2.能用电子气理论解释金属的一些物理性质,熟知金属晶体的原子堆积模型的分类及结构特点。

一、金属键和金属晶体

1．钠原子、氯原子能够形成三种不同类别的物质：

(1)化合物是NaCl,其化学键类型是离子键。

(2)非金属单质是Cl2,其化学键类型是非极性共价键。

(3)金属单质是Na,根据金属单质能够导电,推测金属单质钠中存在的结构微粒是Na＋和自由电子。

2．由以上分析,引伸并讨论金属键的有关概念：

(1)金属键的概念

①金属键：金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用。

②成键微粒：金属阳离子和自由电子。

③成键条件：金属单质或合金。

(2)金属键的本质

描述金属键本质的最简单理论是“电子气理论”。它把金属键形象地描绘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”,被所有原子所共用,从而把所有的金属原子维系在一起,形成一种“巨分子”。

(3)金属键的特征

金属键无方向性和饱和性。晶体里的电子不专属于某几个特定的金属离子,而是几乎均匀地分布在整个晶体里,把所有金属原子维系在一起,所以金属键没有方向性和饱和性。

(4)金属晶体

通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的晶体,叫做金属晶体。

3．金属晶体物理特性分析

(1)金属键没有方向性,当金属受到外力作用时,晶体中的各原子层发生相对滑动而不会破坏金属键,金属发生形变但不会断裂,故金属晶体具有良好的延展性。

(2)金属材料有良好的导电性是由于金属晶体中的自由电子可以在外加电场作用下发生定向移动。

(3)金属的导热性是自由电子在运动时与金属离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。

4．金属晶体的熔点比较

(1)金属的熔点高低与金属键的强弱直接相关。金属键越强,金属的熔点(沸点)越高,硬度一般也越大。

(2)金属键的强弱主要取决于金属阳离子的半径和离子所带的电荷数。金属阳离子半径越小,金属键越强；离子所带电荷数越多,金属键越强。

(3)同周期金属单质,从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点升高。同主族金属单质,从上到下(如碱金属)熔、沸点降低。

(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．下列关于金属键的叙述中,正确的是()

A．金属键具有方向性和饱和性

B．金属键是金属阳离子与自由电子间的相互作用

C．金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子

D．金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光

答案 B

解析金属键无方向性和饱和性,A错误；金属晶体由金属阳离子和自由电子构成,在外加电场作用下自由电子定向移动即导电,C错误；金属具有金属光泽是因为自由电子对可见光的选择性吸收和反射,使得金属晶体具有金属光泽和一定颜色,D错误。

2．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

答案 A

解析此题考查的是金属键对晶体性质的影响,如硬度和熔、沸点的比较,比较依据是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。综合分析得镁的硬度小于铝；镁的熔、沸点高于钙；镁的硬度大于钾；钙的熔、沸点高于钾。

二、金属晶体的堆积方式

1．金属原子在二维平面中放置的两种方式

金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。把它们放置在平面上(即二维空间里),可有两种方式——非密置层和密置层(如下图所示)。

(1)晶体中一个原子周围距离相等且最近的原子的数目叫配位数。分析上图非密置层的配位数是4,密置层的配位数是6。

(2)密置层放置,平面的利用率比非密置层的要高。

2．金属晶体的原子在三维空间里的4种堆积模型

(1)简单立方堆积

将非密置层球心对球心地垂直向上排列,这样一层一层地在三维空间里堆积,就得到简单立方堆积(如下图所示)。

金属晶体的堆积方式——简单立方堆积

这种堆积方式形成的晶胞是一个立方体,每个晶胞含一个原子,这种堆积方式的空间利用率为52%,配位数为6,这种堆积方式的空间利用率太低,只有金属钋(Po)采取这种堆积方式。

(2)体心立方堆积

非密置层的另一种堆积方式是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,每层均照此堆积,如下图所示。碱金属和铁原子都采取此类堆积方式,这种堆积方式又称钾型堆积。

金属晶体的堆积方式——体心立方堆积

这种堆积方式可以找出立方晶胞,空间利用率比简单立方堆积高得多,达到68%,每个球与上、下两层的各4个球相接触,故配位数为8。

(3)六方最密堆积和面心立方最密堆积

密置层的原子按体心立方堆积的方式堆积,会得到两种基本堆积方式——六方最密堆积和面心立方最密堆积。这两种堆积方式都是金属晶体的最密堆积,配位数为12,空间利用率均为74%,但所得晶胞的形式不同(如下图所示)。

六方最密堆积面心立方最密堆积

金属晶体的两种最密堆积方式——六方最密堆积

和面心立方最密堆积

六方最密堆积如下图所示,重复周期为两层,按ABABABAB……的方式堆积。由于在这种排列方式中可划出密排六方晶胞,故称此排列为六方最密堆积。由此堆积可知,同一层上每个球与同层中周围6个球相接触,同时又与上下两层中各3个球相接触,故每个球与周围12个球相接触,所以其配位数是12。原子的空间利用率最大。Mg、Zn、Ti都是采用这种堆积方式。

面心立方最密堆积如上图所示,按ABCABCABC……的方式堆积。将第一密置层记作A,第二层记作B,B层的球对准A层中的三角形空隙位置,第三层记作C,C层的球对准B层的空隙,同时应对准A层中的三角形空隙(即C层球不对准A层球)。以后各层分别重复A、B、C层排列,这种排列方式三层为一周期,记为ABCABCABC……由于在这种排列中可以划出面心立方