《3-3 金属晶体》 课件2.ppt

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1、第二课时第二课时学习目标：学习目标：掌握金属晶体的四种原子堆积模型掌握金属晶体的四种原子堆积模型第三节金属晶体第三节金属晶体金属样品金属样品思考思考1 1:从上述金属的应用来看，金属有哪些从上述金属的应用来看，金属有哪些共同的物理性质呢？共同的物理性质呢？一、金属共同的物理性质一、金属共同的物理性质 容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等思考思考2:2:金属为什么具有这些共同性质呢？金属为什么具有这些共同性质呢？二、金属的结构二、金属的结构1 1、电子气理论电子气理论：由于金属原子的最外层电子数：由于金属原子的最外层电子数较少，容易失去电子成为金属离子，金

2、属原子较少，容易失去电子成为金属离子，金属原子释放出的价电子不专门属于某个特定的金属离释放出的价电子不专门属于某个特定的金属离子，而为许多金属离子所共有，并在整个金属子，而为许多金属离子所共有，并在整个金属中自由运动，这些电子又称为自由电子。中自由运动，这些电子又称为自由电子。金属金属脱落下来的价电子几乎均匀分布在整个晶体中，脱落下来的价电子几乎均匀分布在整个晶体中，像遍布整块金属的像遍布整块金属的“电子气电子气”，从而把所有金，从而把所有金属原子维系在一起属原子维系在一起。组成粒子：组成粒子：金属阳离子和自由电子金属阳离子和自由电子2 2、金属键：、金属键：金属离子和自由电子之间的强烈的相金

3、属离子和自由电子之间的强烈的相互作用叫做金属键互作用叫做金属键(电子气理论电子气理论)3 3、金属晶体：、金属晶体：通过金属键结合形成的单质晶体。通过金属键结合形成的单质晶体。金属单质和合金都属于金属晶体金属单质和合金都属于金属晶体微粒间作用力：微粒间作用力：金属键金属键特征：金属键可看成是由许多原子共用许多电子的特征：金属键可看成是由许多原子共用许多电子的一种特殊形式的键，这种键既一种特殊形式的键，这种键既没有方向性，也没有没有方向性，也没有饱和性，饱和性，金属键的特征是金属键的特征是成键电子可以在金属中自成键电子可以在金属中自由流动由流动，使得金属呈现出特有的属性。，使得金属呈现出特有的属

4、性。4 4、电子气理论对金属的物理性质的解释、电子气理论对金属的物理性质的解释在金属晶体中，充满着带负电的在金属晶体中，充满着带负电的“电子气电子气”(自自由电子由电子)，这些电子气的运动是没有一定方向的，这些电子气的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件下，自由电子定向运动形成电但在外加电场的条件下，自由电子定向运动形成电流，所以金属容易导电。不同的金属导电能力不同，流，所以金属容易导电。不同的金属导电能力不同，导电性最强的三中金属是：导电性最强的三中金属是：Ag、Cu、Al金属导电性的解释金属导电性的解释晶体类型晶体类型电解质电解质金属晶体金属晶体 导电时的状态导电时的状态导电粒子导电粒

5、子导电时发生的变化导电时发生的变化导电能力随温度的导电能力随温度的变化变化水溶液或水溶液或熔融状态下熔融状态下晶体状态晶体状态自由移动的离子自由移动的离子自由电子自由电子思考：思考：电解质在熔化状态或溶于水能导电，这与金电解质在熔化状态或溶于水能导电，这与金属导电的本质是否相同？属导电的本质是否相同？化学变化化学变化物理变化物理变化增强增强减弱减弱 “电子气电子气”(自由电子自由电子)在运动时经常与金属离在运动时经常与金属离子碰撞，引起两者能量的交换。当金属某部分受热子碰撞，引起两者能量的交换。当金属某部分受热时，那个区域里的时，那个区域里的“电子气电子气”(自由电子自由电子)能量增加，能量增

6、加，运动速度加快，通过碰撞，把能量传给金属离子。运动速度加快，通过碰撞，把能量传给金属离子。“电子气电子气”(自由电子自由电子)在热的作用下与金属原子频在热的作用下与金属原子频繁碰撞从而把能量从温度高的部分传到温度低的部繁碰撞从而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。分，从而使整块金属达到相同的温度。金属导热性的解释金属导热性的解释 当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，弥会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠漫在金属原子间的电子气

7、可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用，所以在各原子层之间发生相对之间润滑剂的作用，所以在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，发生形变金属键不易断裂。因此，金属力作用下，发生形变金属键不易断裂。因此，金属都有良好的延展性。都有良好的延展性。金属延展性的解释金属延展性的解释自由电子自由电子+金属离子金属离子金属原子金属原子错位错位+(4)金属光泽和颜色金属光泽和颜色由于自由电子可吸收所有频率的光，然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，因此绝大后很快释放出各种频率的光，因此绝大多数金属具有银白

8、色或钢灰色光泽。而多数金属具有银白色或钢灰色光泽。而某些金属某些金属(如铜、金、铯、铅等如铜、金、铯、铅等)由于较由于较易吸收某些频率的光而呈现较为特殊的易吸收某些频率的光而呈现较为特殊的颜色。颜色。当金属成粉末状时，金属晶体的晶面取当金属成粉末状时，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。后辐射不出去，所以成黑色。影响金属键强弱的因素：影响金属键强弱的因素：金属阳离子所带电荷越多、离子半径越小，金属阳离子所带电荷越多、离子半径越小，金属键越强。金属键越强。一般情况下，金属晶体熔点由金属键强弱决一般情况下，金属晶体熔点由金属

9、键强弱决定。定。金属键越强，熔点就相应越高，硬度也金属键越强，熔点就相应越高，硬度也越大。越大。金属原子价电子越多，原子半径越小，金属离子与金属原子价电子越多，原子半径越小，金属离子与自由电子的作用力就越强，晶体的熔沸点就越高，自由电子的作用力就越强，晶体的熔沸点就越高，反之越低。反之越低。5 5、熔点和沸点、熔点和沸点【思考思考4 4】已知碱金属元素的熔沸点随原子序数的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。增大而递减，试用金属键理论加以解释。【思考思考5 5】试判断钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬试判断钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度的大小。度的大小。同周期元素，从

10、左到右，价电子数依次增大，原子同周期元素，从左到右，价电子数依次增大，原子(离子离子)半径依次减弱，则单质中所形成金属键依次半径依次减弱，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。顺序是：钠镁铝。同主族元素价电子数相同同主族元素价电子数相同(阳离子所带电荷数相同阳离子所带电荷数相同)，从上到下，原子，从上到下，原子(离子离子)半径依次增大，则单质中半径依次增大，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原子序数的增大而递减。【总结总结】

11、金属晶体的金属晶体的结结构与性构与性质质的关系的关系导电性导电性导热性导热性延展性延展性金属离金属离子和自子和自由电子由电子自由电子在自由电子在外加电场的外加电场的作用下发生作用下发生定向移动定向移动自由电子自由电子与金属离与金属离子碰撞传子碰撞传递热量递热量晶体中各晶体中各原子层相原子层相对滑动仍对滑动仍保持相互保持相互作用作用资料资料金属之最金属之最熔点最低的金属是熔点最低的金属是-汞汞 -38.87熔点最高的金属是熔点最高的金属是-钨钨 3410密度最小的金属是密度最小的金属是-锂锂 0.53g/cm3密度最大的金属是密度最大的金属是-锇锇 22.57g/cm3硬度最小的金属是硬度最小的

12、金属是-铯铯 0.2硬度最大的金属是硬度最大的金属是-铬铬 9.0最活泼的金属是最活泼的金属是-铯铯最稳定的金属是最稳定的金属是-金金延性最好的金属是延性最好的金属是-铂铂 铂丝直径：铂丝直径：mm展性最好的金属是展性最好的金属是-金金 金箔厚：金箔厚：mm1.1.金属晶体的形成是因为晶体中存在金属晶体的形成是因为晶体中存在()A.A.金属离子间的相互作用金属离子间的相互作用B B金属原子间的相互作用金属原子间的相互作用 C.C.金属离子与自由电子间的相互作用金属离子与自由电子间的相互作用 D.D.金属原子与自由电子间的相互作用金属原子与自由电子间的相互作用2.2.金属能导电的原因是金属能导电

13、的原因是()A.A.金属晶体中金属阳离子与自由电子间的金属晶体中金属阳离子与自由电子间的 相互作用较弱相互作用较弱 B B金属晶体中的自由电子在外加电场作用下可金属晶体中的自由电子在外加电场作用下可发生定向移动发生定向移动 C C金属晶体中的金属阳离子在外加电场作用下金属晶体中的金属阳离子在外加电场作用下可发生定向移动可发生定向移动 D D金属晶体在外加电场作用下可失去电子金属晶体在外加电场作用下可失去电子 练习练习CB3.3.下列叙述正确的是下列叙述正确的是()A.A.任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子B B原子晶体中只含有共价键原子晶体中只含有

14、共价键 C.C.离子晶体中只含有离子键，不含有共价键离子晶体中只含有离子键，不含有共价键 D D分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键他化学键4.4.为什么碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降低，为什么碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降低，而卤素单质的熔沸点从上到下却升高？而卤素单质的熔沸点从上到下却升高？B知识回顾：三种晶体类型与性质的比较知识回顾：三种晶体类型与性质的比较晶体晶体类类型型原子晶体原子晶体分子晶体分子晶体金属晶体金属晶体概念概念作用力作用力构成微粒构成微粒物物理理性性质质熔沸点熔沸点硬度硬度导电导电性性实实例例共价键共价键范德华力范德华

15、力金属键金属键原子原子分子分子金属阳离子金属阳离子和自由电子和自由电子很高很高很低很低差别较大差别较大很大很大很小很小差别较大差别较大无无(硅为半导体硅为半导体)无无导体导体相相邻邻原子之原子之间间以共价以共价键键相相结结合而成具有空合而成具有空间间网状网状结结构的晶体构的晶体分子分子间间以范德以范德华华力相力相结结合而合而成的晶体成的晶体通通过过金属金属键键形成的晶体形成的晶体金金刚刚石、二氧化硅、晶体石、二氧化硅、晶体硅、碳化硅硅、碳化硅Ar、S等等Au、Fe、Cu、钢铁钢铁等等三、金属晶体的原子堆积模型三、金属晶体的原子堆积模型1 1、几个概念、几个概念 紧密堆积紧密堆积：微粒之间的作用

16、力使微粒间尽可：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能的相互接近，使它们占有最小的空间配位数配位数：在晶体中与每个微粒紧密相邻的微：在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数粒个数空间利用率空间利用率：晶体的空间被微粒占满的体积：晶体的空间被微粒占满的体积百分数，用它来表示紧密堆积的程度百分数，用它来表示紧密堆积的程度2、金属晶体的原子在二维平面堆积模型、金属晶体的原子在二维平面堆积模型 金属晶体中的原子可看成直径相等的金属晶体中的原子可看成直径相等的小球。将等径圆球在一平面上排列，有小球。将等径圆球在一平面上排列，有两种排布方式，按两种排布方式，按(b)(b)图方式排列，

17、圆球图方式排列，圆球周围剩余空隙最小，称为密置层；按周围剩余空隙最小，称为密置层；按(a)(a)图方式排列，剩余的空隙较大，称为非图方式排列，剩余的空隙较大，称为非密置层。密置层。(a)(a)非密置层非密置层(b)(b)密置层密置层a:配位数配位数4b:配位数配位数63、金属晶体的原子在三维空间堆积模型、金属晶体的原子在三维空间堆积模型简单立方堆积简单立方堆积(Po)(Po)简单立方堆积简单立方堆积体心立方堆积体心立方堆积钾型钾型(碱金属碱金属)体体心心立立方方堆堆积积配位数：配位数：8镁型镁型铜型铜型3 、六方最密堆积六方最密堆积123456 第二层第二层 对第一层来讲最紧密的堆积方对第一层

18、来讲最紧密的堆积方式是将球对准式是将球对准1 1，3 3，5 5 位。位。(或对准或对准 2 2，4 4，6 6 位，其情形是一样的位，其情形是一样的 )123456AB，关键是第三层，对第一、二层来说，第三关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧密的堆积方式。层可以有两种最紧密的堆积方式。下图是此种六方下图是此种六方紧密堆积的前视图紧密堆积的前视图ABABA 第一种是将球对准第一层的第一种是将球对准第一层的球。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，形成六方紧堆积方式，形成六方紧密堆积密堆积。配位数配位数 12。(同层同层 6

19、，上下层各上下层各 3)，空间利用率为，空间利用率为74%(3)(3)、镁型、镁型 第三层的第三层的另一种另一种排列排列方式，方式，是将球对准第一层是将球对准第一层的的 2，4，6 位位，不同于不同于 AB 两层的位置两层的位置，这是这是 C 层。层。123456123456123456123456此种立方紧密堆积的前视图此种立方紧密堆积的前视图ABCAABC 第四层再排第四层再排 A，于是形于是形成成 ABC ABC 三层一个周三层一个周期。期。得到面心立方堆积得到面心立方堆积。配位数配位数 12。(同层同层 6，上下层各上下层各 3)面心立方面心立方:铜型铜型 BCA镁型镁型铜型铜型金属晶

20、体的两种最密堆积方式金属晶体的两种最密堆积方式空间利用率计算例例1：计算体心立方晶胞中金属原子的空间利用率。：计算体心立方晶胞中金属原子的空间利用率。解：体心立方晶胞：中心有1个原子，8个顶点各1个原子，每个原子被8个 晶胞共享。每个晶胞含有几个原子:1+8 1/8=2 空间利用率计算空间利用率计算设原子半径为r、晶胞边长为a，根据勾股定理，得：2a 2 +a 2 =(4r)2空间利用率 =晶胞含有原子的体积/晶胞体积 100%=例例2 2：求面心立方晶胞的空间利用率：求面心立方晶胞的空间利用率.解：晶胞边长为a，原子半径为r.由勾股定理：a 2+a 2 =(4r)2 a=2.83 r每个面心立方晶胞含原子数目：8 1/8+6 =4=(4 4/3 r 3)/a 3 =(4 4/3 r 3)/(2.83 r)3 100%=74%堆积模型采纳这种堆积的典型代表空间利用率配位数晶胞简单立方52%6钾型(bcp)K、Na、Fe68%8镁型(hcp)Mg、Zn、Ti74%12铜型(ccp)Cu，Ag，Au74%12Po(钋)