2019高中化学 金属晶体 离子晶体(基础)知识讲解学案 新人教版选修3.doc
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1、1金属晶体金属晶体 离子晶体离子晶体【学习目标学习目标】1、知道金属键的涵义,能用金属键理论解释金属的一些物理性质;能列举金属晶体的基本规程模型 简单立方堆积、钾型、镁型和铜型;2、能说明离子键的形成,能根据离子化合物的结构特征解释其物理性质;了解离子晶体的特征;了解晶 格能的应用,知道晶格能的大小可以衡量离子晶体中离子键的强弱;3、知道离子晶体、金属晶体的结构粒子、粒子间作用力的区别;4、在晶体结构的基础让进一步知道物质是由粒子构成的,并了解研究晶体结构的基本方法;敢于质疑, 勤于思索,形成独立思考的能力;养成务实求真、勇于创新、积极实践的科学态度。【要点梳理要点梳理】 要点一、金属键【高清
2、课堂:高清课堂:金属晶体与离子晶体#金属键】 1、金属键与电子气理论:金属键:金属原子的电离能低,容易失去电子而形成阳离子和自由电 子,阳离子整体共同吸引自由电子而结合在一起。金属键可看成是由许多金 属离子共用许多电子的一种特殊形式的共价键,这种键既没有方向性也没有 饱和性,金属键的特征是成键电子可以在金属中自由流动,使得金属呈现出 特有的属性。在金属单质的晶体中,原子之间以金属键相互结合。金属键是 一种遍布整个晶体的离域化学键。电子气理论:描述金属键本质的最简单理论是“电子气理论” 。该理论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” ,
3、金属原子则“浸泡”在“电子 气”的“海洋”之中。金属原子脱落下来的自由电子形成遍布整块晶体的“电子气” ,被所有金属阳离子所共 用,从而把所有的金属原子维系在一起。由此可见,金属晶体跟原子晶体一样,是一种“巨分子” 。小结:要点诠释:要点诠释:金属晶体的一般性质及其结构根源由于金属晶体中存在大量的自由电子和金属离子(或原子)排列很紧密,使金属具有很多共同的性质。状态:通常情况下,除 Hg 外都是固体;有自由电子存在, 是良好的导体;自由电子与金属离子碰撞传递热量,具有良好的传热性能;自由电子能够吸收可见光并能随时放出, 使金属不透明, 且有光泽;等径圆球的堆积使原子间容易滑动, 所以金属具有良
4、好的延展性和可塑性;金属间能“互溶”, 易形成合金。金属除有共同的物理性质外,还具有各自的特性。不同的金属在某些性质方面,如密度、硬度、熔点等 又表现出很大差别。这与金属原子本身、晶体中原子的排列方式等因素有关。2、电子气理论对金属通性的解释:金属共同的物理性质:易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。金属导电性的解释:在金属晶体中,充满着带负电的“电子气” ,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2下电子气就会发生定向移动,因而形成电流,所以金属容易导电。金属导热性的解释:金属容易导热,是由于电子气中的自由电子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
5、分,从而使整块金属达到相同的温度。金属延展性的解释: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,弥漫在金属原子间的电子 气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。因此,金属都有良好的延展 性。说明:当向金属晶体中掺人不同的金属或非金属原子时,就像在滚珠之间掺人了细小而坚硬的砂土或碎 石一样,会使这种金属的延展性甚至硬度发生改变,这也是对金属材料形成合金以后性能发生改变 的一种比 较粗浅的解释。 要点诠释:要点诠释:金属晶体熔沸点的判断:金属晶体熔点变
6、化差别较大。如汞在常温下是液体,熔点很低(38.9) 。而铁等金属熔点很高 (1535) 。这是由于金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子与自由电子的静电作用力(金属键)不同而造成的 差别金属晶体的熔沸点高低和金属键的强弱有关。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,反之越低。例如:碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降低价电子相同,原子半径逐渐增大。卤素单质的熔沸点从上到下却逐渐升高相对分子质量逐渐增大,范德华力逐渐增大。要点二、金属晶体的原子堆积模型【高清课堂:高清课堂:金属晶体与离子晶体#金属晶体的密堆积结构】金属键没有方向性,因此趋向于使原子或分子
7、吸引尽可能多的其 他原子或分子分布于周围,并以密堆积的方式降低体系的能量,使晶 体变得比较稳定。 1、几个概念: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配位数:在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数空间利用率: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2、二维空间中的堆积方式金属晶体中的原子可看成直径相等的球体,象钢球一样堆积着。把它们放置在平面上(即二维空间里), 可有两种方式:说明:在一个平面上进行最紧密堆积排列只有一种,即只有当每个等径圆球与周围其他 6 个球相接触时, 才能做到最紧密堆积密置层。密置层的空间利用率比非密置层的空间利用率高。3
8、、三维空间中的堆积方式3金属晶体可看成金属原子在三维空间中堆积而成。简单立方体堆积:(非密置层与非密置层的简单叠加)这种堆积方式形成的晶胞是一个立方体,被称为简单立方堆积。这种堆积方式的空间利用率太低,只有 金属钋采取这种堆积方式。说明:每个晶胞含原子数:1;配位数:6钾型:(非密置层叠加、紧密堆积)如果是非密置层上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中,每层均照此堆积,如下图:这种堆积方式的空间利用率显然比简单立方堆积的高多了,许多金属是这种堆积方式,如碱金属,简称 为钾型。说明:每个晶胞含原子数:2;配位数:8镁型和铜型:(密置层叠加、最密堆积)密置层的原子按钾型堆积方式堆积,会得到两种
9、基本堆积方式,镁型和铜型。镁型如图左侧,按 ABABABAB的方式堆积;铜型如图右侧,按 ABCABCABC的方式堆积.这两种堆积方式都是金属晶体的最密 堆积,配位数均为 12(同层 6,上下层各 3) ,空间利用率均为 74,但所得的晶胞的形式不同。 说明:镁型,每个晶胞含原子数:2铜型,每个晶胞含原子数:4注意:左右两图的 1、2、3 小球的位置的区别。小结:金属晶体的四种堆积模型对比4要点三、混合晶体石墨不同于金刚石,其碳原子不像金刚石的碳原子那样呈 sp3杂化。而是呈 sp2杂化,形成平面六元环状 结构,因此石墨晶体是层状结构的,层内的碳原子的核间距为 142pm,层间距离为 335p
10、m,说明层间没有化学 键相连,是靠范德华力维系的;石墨的二维结构内,每一个碳原子的配位数为 3,有一个未参与杂化的 2p 电 子,它的原子轨道垂直于碳原子平面。石墨晶体中,既有共价键,又有金属键,还有范德华力,不能简单地 归属于其中任何一种晶体,是一种混合晶体。要点四、离子晶体【高清课堂:高清课堂:金属晶体与离子晶体#离子晶体】 1、离子晶体定义:由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。例:Na2O、NH4Cl、Na2SO4、NaCl、CsCl、CaF2等 都是离子晶体,其中 Na2O、NaCl、CsCl、CaF2晶体中只有离子键。注:离子键阴、阳离子间极强的静电作用。构成晶体的微粒:阴、阳
11、离子(在晶体中不能自由移动)微粒间的作用:离子键常见的离子晶体离子化合物:强碱、活泼金属氧化物、绝大多数盐等结构特点:理论上,结构粒子可向空间无限扩展离子晶体性质:熔沸点较高、硬度较大、难于压缩、熔融状态能够导电;溶解性差异较大,如 KNO3易 溶于水、CaCO3难溶于水。说明:在离子晶体中,离子间存在着较强的离子键,使离子晶体的硬度较大、难于压缩;而且,要使离子 晶体由固态变成液态或气态,需要较多的能量破坏这些较强的离子键。因此,离子晶体具有较高的熔点和沸 点,如 NaCl 的熔点为 801,沸点为 l 413;CsCl 的熔点为 645,沸点为 l290。:离子晶体在固态时不能导电是因为固
12、态时虽有阴阳离子,但不能自由移动。但在熔化状态下或水溶 液中离子键发生断裂,使阴阳离子在外加电场作用下产生定向移动,因此能够导电。 要点诠释:要点诠释:碳酸盐热分解的实质:碳酸盐在一定温度下会发生分解,如大家熟悉的碳酸钙煅烧得到石灰(CaO),这是由于碳酸钙受热,晶体 中的碳酸根离子会发生分解,放出二氧化碳。实验证明,碳酸盐的阳离子不同,热分解的温度不同。碳酸盐 MgCO3 CaCO3 SrCO3 BaCO3 5热分解温度 402 900 1172 1360 阳离子半径pm 66 99 112 135 组成碳酸盐的阳离子的金属性越弱、金属阳离子的半径越小,碳酸盐热稳定性越差;离子晶体中阳离子
13、的半径越小,结合碳酸根中的阳离子越容易。2、离子晶体中离子键的配位数(C.N.)(1)定义:是指一个离子周围最邻近的异电性离子的数目。如 NaCl 和 CsCl 晶体中阴、阳离子的配位数 离子晶体 阴离子的配位数 阳离子的配位数 NaCl 6 6 CsCl 8 8 说明:、氯化钠型晶胞:阴、阳离子的配位数是 6,即每个 Na+紧邻 6 个 Cl-,每个 Cl-紧邻 6 个 Na+钠离子、氯离子的位置关系:钠离子和氯离子位于立方体的顶角上,并交错排列。钠离子:体心和棱 中点;氯离子:面心和顶点,或反之;每个晶胞含钠离子、氯离子的个数:Cl- 81/8+61/2=4 Na+ 121/4+1=4;与
14、 Na+等距离且最近的 Na+ 有 12 个;Na+、Cl-比例为 11,化学式为 NaCl,属于 AB 型离子晶体。、氯化铯型晶胞:阴、阳离子的配位数是 8,即每个 Cs+紧邻 8 个 Cl-,每个 Cl-紧邻 8 个 Cs+6从图中可以很明显地看出:每个 Cs+周围最邻近的 Cl-有 8 个,每个 Cl-周围最邻近的 Cs+有 8 个,则 Cs+、Cl-的配位数都是 8。因此整个晶体中 ,Cs+、Cl-比例为 11,化学式为 CsCl,属于 AB 型离子晶体。同是 AB 型离子晶体, CsCl 与 NaCl 的晶体结构和配位数不一样。3、决定离子晶体结构的主要因素:几何因素:正、负离子的半
15、径比的大小;晶体的阴、阳离子所带的电荷数相同的 AB 型离子晶体的几何因素与配位数(阴、阳离子个数相同,配位 数也相同)的关系:r+/ r- 配位数 0.225-0.414 4 0.414-0.732 6 0.732-1.00 8 电荷因素:正、负离子所带电荷的多少;晶体中阴、阳离子的电荷数不相同,阴、阳离子个数不相同,各离子的配位数也不相同。例:图中晶胞结构计算:每个 Ca2+周围最邻近的 F-有 8 个,表明 Ca2+的配位数为 8。每个 F-周围最邻近的 Ca2+有 4 个,表明 F-的配位数是 4。由此可见,在 CaF2晶体 中,Ca2+和 F-个数比为 12,刚好与 Ca2+和 F-
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