金属键金属晶体.pptx
第一部分 金属键与金属特性第1页/共61页金属的分类金属的分类按密度分按密度分重金属：铜、铅、锌等重金属：铜、铅、锌等 轻金属：铝、镁等轻金属：铝、镁等 冶金工业冶金工业黑色金属：铁、铬、锰黑色金属：铁、铬、锰 有色金属：除铁、铬、锰以外的金属有色金属：除铁、铬、锰以外的金属 按储量分按储量分常见金属：铁、铝等常见金属：铁、铝等 稀有金属：稀有金属：锆、钒、钼锆、钒、钼4.5g/cm3第2页/共61页一、金属键与金属特性一、金属键与金属特性存存 在：在：金属单质或合金。金属单质或合金。成键微粒：成键微粒：微粒间作用力：微粒间作用力：金属键金属键金属阳离子和自由电子金属阳离子和自由电子成键特点：成键特点：无方向性和饱和性无方向性和饱和性金属键概念：金属阳离子与自由电子之间的强烈的金属阳离子与自由电子之间的强烈的 相互作用相互作用金属键金属键。金属键的本质：静电作用第3页/共61页根据金属的用途和日常生活经验，金属有哪些的物理性质?金属物理性质：金属物理性质：容易导电、导热，有延展性等。不同的金属有容易导电、导热，有延展性等。不同的金属有不同的熔沸点。硬度也不相同。不同的熔沸点。硬度也不相同。第4页/共61页通常情况下金属晶体内部电子的运动是自通常情况下金属晶体内部电子的运动是自由流动的，但在外加电场的作用下会定向由流动的，但在外加电场的作用下会定向移动形成电流移动形成电流,所以金属具有导电性。所以金属具有导电性。（1）导电性）导电性第5页/共61页（2）导热性）导热性由于金属晶体中自由电子运动时与金属离子碰撞由于金属晶体中自由电子运动时与金属离子碰撞并把能量从温度高的部分传导温度低的部分，从并把能量从温度高的部分传导温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度而使整块金属达到相同的温度第6页/共61页金属的延展性自由电子+金属离子金属原子错位+第7页/共61页4 4、金属晶体结构具有金属光泽和颜色、金属晶体结构具有金属光泽和颜色由于自由电子可由于自由电子可吸收所有频率的光吸收所有频率的光，然后很快释，然后很快释放出各种频率的光放出各种频率的光，因此绝大多数金属具有银白色或，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。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，吸收可见光后辐射不出去，所以成黑色。黑色。第8页/共61页 金属的特点金属的特点常温下，单质都是固体，汞常温下，单质都是固体，汞(Hg)除外；除外；大多数金属呈银白色，有金属光泽，但大多数金属呈银白色，有金属光泽，但金金(Au)色，铜色，铜(Cu)色，色，铋铋(Bi)色，铅色，铅(Pb)色。色。黄黄 红红 微红微红 蓝白蓝白第9页/共61页 金属键的强弱可用金属的原子化热来衡量。金属的原子化热是指：1mol金属固体完全气化成相互远离的气态原子时吸收的能量。单位：kJ/mol影响金属键的因素影响金属键的因素有的金属软如蜡有的金属软如蜡,有的金属硬如钢有的金属硬如钢;有的金属熔点低有的金属熔点低,有的金属熔点高有的金属熔点高,为什么为什么?第10页/共61页观察下表，思考金属的原子化热与什么因素有观察下表，思考金属的原子化热与什么因素有关，其可能会影响金属的什么性质？关，其可能会影响金属的什么性质？金属金属Na MgAlCr原子外围电子排布原子外围电子排布3s1 3s23s23p13d54s1原子半径原子半径/pm186160143.1124.9原子化热原子化热/kJmol-1108.4146.4326.4397.5熔点熔点/97.56506601900 金属的熔点、硬度与金属键的强弱有关，金属键金属的熔点、硬度与金属键的强弱有关，金属键的强弱又可以用的强弱又可以用原子化热原子化热来衡量。来衡量。第11页/共61页(2)影响金属键强弱的因素影响金属键强弱的因素金属元素的原子半径金属元素的原子半径单位体积内自由电子的数目单位体积内自由电子的数目一般而言：一般而言：金属元素的原子半径越小，单位体积内自由电子数目越金属元素的原子半径越小，单位体积内自由电子数目越大，金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。大，金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。第12页/共61页(3)金属键对物质性质影响金属键对物质性质影响金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。如：如：同一周期金属原子半径越来越小，单位体积内自由电子同一周期金属原子半径越来越小，单位体积内自由电子数增加，故熔点越来越高，硬度越来越大；数增加，故熔点越来越高，硬度越来越大；同一主族金属原子半径越来越大，单位体积内自由电子同一主族金属原子半径越来越大，单位体积内自由电子数减少，故熔点越来越低，硬度越来越小。数减少，故熔点越来越低，硬度越来越小。金属晶体熔点差别很大金属晶体熔点差别很大第13页/共61页1.下列有关金属键的叙述错误的是下列有关金属键的叙述错误的是 ()A.金属键没有方向性金属键没有方向性B.金属键是金属阳离子和自由电子之间存在金属键是金属阳离子和自由电子之间存在 的强烈的静电吸引作用的强烈的静电吸引作用C.金属键中的电子属于整块金属金属键中的电子属于整块金属D.金属的性质和金属固体的形成都与金属键金属的性质和金属固体的形成都与金属键 有关有关B练 习第14页/共61页第二部分 金属晶体与堆积方式具有规则几具有规则几何外形的固何外形的固体体第15页/共61页晶胞：从晶体中“截取”出来具有代表性的最小部分。是能够反映晶体结构特征的基本重复单元。晶胞与晶体砖块与 墙蜂室与蜂巢NaCl晶胞晶胞第16页/共61页密堆积的定义密堆积的定义:密堆积：密堆积：由无方向性的金属键、离子键和范德华力等结合由无方向性的金属键、离子键和范德华力等结合的晶体中，原子、离子或分子等微观粒子总是趋向于相的晶体中，原子、离子或分子等微观粒子总是趋向于相互配位数高，能充分利用空间的堆积密度最大的那些结互配位数高，能充分利用空间的堆积密度最大的那些结构。构。密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低，而结构稳定。低，而结构稳定。第17页/共61页 二维平面堆积方式二维平面堆积方式I I 型型II II 型型行列对齐四球一空行列对齐四球一空 非最紧非最紧密排列密排列行列相错三球一空最紧密行列相错三球一空最紧密排列排列密置层密置层非密置层非密置层等径圆球的密堆积等径圆球的密堆积等径圆球的密堆积等径圆球的密堆积第18页/共61页展示两种排列方式并理解每一种方式的配位数及空间利用率。配位数：一个原子紧密接触的原子数 非密置层 密置层2134213645第19页/共61页金属晶体金属原子自由电子等径圆球的密堆积等径圆球的密堆积等径圆球的密堆积等径圆球的密堆积第20页/共61页(2)三维空间堆积方式三维空间堆积方式.简单立方堆积简单立方堆积第21页/共61页形成简单形成简单立方晶胞立方晶胞，配位数为，配位数为6 6，为，为非密置非密置堆积，空间利用率较低，为堆积，空间利用率较低，为5252 ，金属钋（，金属钋（PoPo）采取这种堆积方式。）采取这种堆积方式。第22页/共61页形成简单形成简单立方晶胞立方晶胞，空间利用率较低，为，空间利用率较低，为5252 ，讨论：讨论：A A、金属原子半径、金属原子半径 r r 与正方体边长与正方体边长 a a 的关系：的关系：a aa aa aa aa=2 r教科书P36图3-10第23页/共61页NaNa、K K、CrCr、MoMo、W W等等.体心立方堆积体心立方堆积 非密置层的另一种堆积是将上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中第24页/共61页a aa aa aa aa=4 r3这是另一种这是另一种非密置非密置堆积方式，将上层金属填入下层金属原子形成的凹穴中堆积方式，将上层金属填入下层金属原子形成的凹穴中,得得到的是到的是体心立方堆积体心立方堆积。其配位数为。其配位数为8 8，空间利用率为，空间利用率为68.02%68.02%。2 23 34 45 57 78 8第25页/共61页体心立方堆积体心立方堆积 钾型钾型配位数：配位数：8空间占有率：空间占有率：68.02%第26页/共61页 密置层：密置层：3 3个小球形成一个三角形空隙，两种空隙。个小球形成一个三角形空隙，两种空隙。一种：一种：另一种：另一种：第27页/共61页第一层第一层 ：密置堆积第28页/共61页123456 第二层：对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准1，3，5 位。(或对准 2，4，6 位，其情形是一样的)123456AB，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。第29页/共61页 上图是此种六方堆积的前视图ABABA 第一种：第一种：将第三层球对准第一层的球将第三层球对准第一层的球123456 于是每两层形成一个周期，即于是每两层形成一个周期，即 AB AB 堆积方式，形成六方堆积堆积方式，形成六方堆积。III.六方堆积六方堆积镁、锌、钛等镁、锌、钛等第30页/共61页六方最密堆积分解图六方最密堆积分解图 配位数配位数 12 (同层同层 6，上下层各上下层各 3)第31页/共61页（1）ABAB堆积方式 （2）ABCABC堆积方式第32页/共61页第三层小球对准第一层小球空穴的第三层小球对准第一层小球空穴的2 2、4 4、6 6位位。第四层同第一层。第四层同第一层。每三层形成一个周期地每三层形成一个周期地紧密堆积紧密堆积。123456123456ABABCA123456前视图前视图CIV.ABCABC堆积方式第33页/共61页面心立方面心立方 （铜型铜型）金属晶体的原子空间堆积模型金属晶体的原子空间堆积模型4 4第34页/共61页此种立方紧密堆积的前视图此种立方紧密堆积的前视图 配位数配位数 12 12 (同层同层 6 6，上下层各上下层各 3 3 )面心立方堆积面心立方堆积金、银、铜、铅等A BA B C C第35页/共61页BCA ABC ABC ABC ABC 形式的堆积，为什么是面形式的堆积，为什么是面心立方堆积？心立方堆积？我们来加以说明。我们来加以说明。第36页/共61页红红、蓝蓝球是同种原子，球是同种原子，使用两种色球只是为使用两种色球只是为了看清两层的关系了看清两层的关系。密置双层第37页/共61页 A1型最密堆积:ABCABCA A1 1型第型第3 3层球堆在正八面层球堆在正八面体空隙上体空隙上第38页/共61页面心立方面心立方 BCA第39页/共61页面心立方最密堆积分解图面心立方最密堆积分解图第40页/共61页堆积模型堆积模型采纳这种堆积的典采纳这种堆积的典型代表型代表空间空间利用率利用率配位数配位数晶胞晶胞非密置非密置层层简单立简单立方堆积方堆积Po(钋钋)52%6体心立体心立方堆积方堆积Na、K、Cr、Mo、W68%82、金属晶体的堆积方式和对应的晶胞、金属晶体的堆积方式和对应的晶胞第41页/共61页堆积模型堆积模型采纳这种堆积的典型采纳这种堆积的典型代表代表空间空间利用率利用率配位数配位数晶胞晶胞密密置置层层六方最六方最密堆积密堆积Mg、Zn、Ti74%12面心立面心立方最密方最密堆积堆积Cu、Ag、AuPb74%12第42页/共61页2.晶胞中金属原子数目的计算(平均值)第43页/共61页顶点占顶点占1/8棱上占棱上占1/4面心占面心占1/2体心占体心占1第44页/共61页2.晶胞中微粒数的计算在六方体顶点的微粒为6个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有，在体内的微粒全属于该晶胞。微粒数为：121/6+21/2+3=6 在立方体顶点的微粒为8个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有。微粒数为：81/8+61/2=4 在立方体顶点的微粒为8个晶胞共享，处于体心的金属原子全部属于该晶胞。微粒数为：81/8+1=2长方体晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献：长方体晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献：顶点顶点-1/8 棱棱-1/4 面心面心-1/2 体心体心-1(1)(1)体心立方：体心立方：(2)(2)面心立方：面心立方：(3)(3)六方晶胞：六方晶胞：第45页/共61页【思考思考】钠的晶胞里，含多少原子？钠的晶胞里，含多少原子？2 2钠晶体的晶胞钠晶体的晶胞第46页/共61页4 4【思考思考】铜的晶胞里，含多少原子？铜的晶胞里，含多少原子？第47页/共61页如某晶体是右图六棱柱状晶胞，121/6+21/2+3=6顶端原子一般只计算顶端原子一般只计算 面上原子一般只计算面上原子一般只计算 内部原子一般计算成内部原子一般计算成 则此晶胞中含则此晶胞中含 原子。原子。六六方方晶晶胞胞 1/6 1/6 1/2 1/2 1 1 第48页/共61页体心体心立方立方简单简单立方立方面心面心立方立方四种堆积方式四种堆积方式,最常见的堆积为后三种最常见的堆积为后三种:六方堆积六方堆积第49页/共61页理解金属晶体中原理解金属晶体中原子的堆积方式子的堆积方式六方堆积六方堆积面心立方堆积面心立方堆积体心立方堆积体心立方堆积立方堆积立方堆积钾钾型型铜铜型型钋钋型型镁镁型型第50页/共61页金属晶体的空间利用率金属晶体的空间利用率 空间利用率空间利用率=晶胞中原子的体积晶胞中原子的体积晶胞的体积晶胞的体积第51页/共61页合金合金(1)定义：定义：把两种或两种以上的金属把两种或两种以上的金属(或金属与非金属或金属与非金属)熔合而成的具熔合而成的具有金属特性的物质叫做合金。有金属特性的物质叫做合金。例如，黄铜是铜和锌的合金（含铜67%、锌33%）；青铜是铜和锡的合金（含铜78%、锡22%）；钢和生铁是铁与非金属碳的合金。故合金可以认为是具有金属特性的多种元素的混合物。第52页/共61页(2)(2)合金的特性合金的特性 合金的熔点比其成分中金属合金的熔点比其成分中金属 (低，低，高，介于两种成分金属的熔点之间；高，介于两种成分金属的熔点之间；)具有比各成分金属更好的硬度、强度和机械加工性能。具有比各成分金属更好的硬度、强度和机械加工性能。低低第53页/共61页简单立方堆积配位数=6空间利用率=52.36%体心立方堆积 体心立方晶胞配位数=8空间利用率=68.02%六方堆积 六方晶胞配位数=12空间利用率=74.05%面心立方堆积面心立方晶胞配位数=12空间利用率=74.05%堆积方式及性质小结堆积方式及性质小结第54页/共61页AB第55页/共61页1 1、1183 K1183 K以下纯铁晶体的基本结构单元如图以下纯铁晶体的基本结构单元如图1 1所示，所示，1183 K1183 K以上转变为图以上转变为图2 2所示结构的基本结所示结构的基本结构单元，构单元，在两种晶体中最邻近的铁原子间距离在两种晶体中最邻近的铁原子间距离相同相同（1 1）在）在1183 K1183 K以下的纯铁晶体中，与铁原以下的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子数为子等距离且最近的铁原子数为_个；在个；在1183 K1183 K以上的纯铁晶体中，与铁原子等距离且以上的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子数为最近的铁原子数为_；812第56页/共61页A3.合金有许多特点合金有许多特点,如钠如钠-钾合金钾合金(含钾含钾50%80%)为液体，而钠钾的单质均为液体，而钠钾的单质均为固体，据此推测生铁、纯铁、碳三为固体，据此推测生铁、纯铁、碳三种物质中，熔点最低的是种物质中，熔点最低的是()A.生铁生铁 B.纯铁纯铁 C.碳碳 D.无法确定无法确定第57页/共61页汞（熔点汞（熔点-38.72 ）钨（钨（熔点熔点3380）熔点最低的金属是熔点最低的金属是-熔点最高的金属是熔点最高的金属是-密度最小的金属是密度最小的金属是-密度最大的金属是密度最大的金属是-硬度最小的金属是硬度最小的金属是-硬度最大的金属是硬度最大的金属是-延展性最好的金属是延展性最好的金属是-最活泼的金属是最活泼的金属是-最稳定的金属是最稳定的金属是-锂（锂（密度密度0.534克克/厘米厘米3）锇（锇（密度密度22.59克克/厘米厘米3）铯铯铬铬金金铯铯金金资料资料金金属属之之最最导电性最好的金属是导电性最好的金属是-银银第58页/共61页2.最最近近发发现现一一种种由由某某金金属属原原子子M和和非非金金属属原原子子N构构成成的的气气态态团团簇簇分分子子，如如图图所所示示顶顶角角和和面面心心的的原原子子是是M原原子子，棱棱的的中中心心和和体体心心的的原原子子是是N原原子子，它它的的化化学学式为式为()A BMNC D条件不够，无法写出化学式条件不够，无法写出化学式C第59页/共61页3.钛酸钡的热稳定性好,介电常数高,在小型变压器、话筒和扩音器中都有应用。其晶体的结构示意图如下图 所示。则它的化学式 为（）A.BaTi8O12 B.BaTi4O6 C.BaTi2O4 D.BaTiO3BaTiO第60页/共61页感谢您的观看。第61页/共61页
