高中化学人教版（2019）选择性必修2 3.3.1 金属晶体（共48张ppt)

(共48张PPT)
第三节 金属晶体与离子晶体
第一课时
问题导学
思考1、金属有哪些共同的物理性质呢
容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等
思考2、金属为什么具有这些共同性质呢
结构决定性质
(金属晶体中化学键(金属键)和金属原子堆砌方式)
描述金属键的最简单的理论: “电子气”理论
1、“电子气”理论：
该理论把金属键描述为金属原子脱落下来的价电子(自由电子)形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有的金属原子维系在一起。
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一、金属键
1、“电子气”理论：
2、金属键: (电子气理论)
金属离子和自由电子之间的强烈的相互作用
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，这种键既没有方向性，也没有饱和性，
一、金属键
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。
组成粒子：
金属阳离子和自由电子
通过金属键结合形成的单质晶体。
微粒间作用力：
金属键
一、金属键
3、金属晶体：
金属单质和合金都属于金属晶体
4、电子气理论对金属的物理性质的解释
由于金属中存在“自由电子”，在外加电场作用下，自由电子定向移动形成电流，故有导电性。(金属在固态或液体都有导电性)
(1)金属导电性的解释
一、金属键
加热时，金属离子振动加强阻碍“自由电子”的移动，因而金属的电阻随温度升高而增大。
类型 电解质 金属晶体
导电时的状态
导电粒子
导电时发生的变化
导电本质
导电能力随温度的升高
水溶液/熔融状态
固体或液体
自由移动的离子
自由电子
思考3、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
化学变化
物理变化
增强
减弱
一、金属键
电解过程
电子定向移动
类型 电解质 金属晶体
导电时的状态
导电粒子
导电能力随温度的升高
水溶液/熔融状态
固体或液体
自由移动的离子
自由电子
增强
减弱
一、金属键
温度升高使溶液的黏度降低，离子运动速度加快，其导电能力增强
温度升高，金属阳离子的振动加剧，阻碍自由电子的移动，其导电能力减弱
4、电子气理论对金属的物理性质的解释
一、金属键
(2)金属导热性的解释
当金属某部分受热时，通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞，传递能量。所以金属是热的良导体。
4、电子气理论对金属的物理性质的解释
一、金属键
(3)金属延展性的解释
当金属晶体受外力发生变形时，金属紧密堆积结构保证了原子层滑动而金属键不被破坏，故金属有很好的延展性。
小结：金属晶体的结构与性质的关系
导电性 导热性 延展性
金属离子和自由电子
一、金属键
自由电子在外加电场作用下发生定向移动
自由电子与金属离子碰撞传递热量
晶体中各原子层相对滑动仍保持相互作用
4、电子气理论对金属的物理性质的解释
一、金属键
拓展：(4)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，所以呈黑色
一、金属键
部分金属的熔点
问题1：为什么金属晶体熔点差距如此巨大？
金属熔点高低与金属键的强弱有关
金属 Na Mg Al Cr
熔点/℃ 97.5 650 660 1900
问题2：影响金属键的强弱的因素是什么呢？
金属键强弱可用金属原子化热来衡量，金属原子化热是指1mol金属变成气态原子所需要吸收的能量
一、金属键
问题2：影响金属键的强弱的因素是什么呢？
金属 Na Mg Al Cr
价电子排布 3s1 3s2 3s23p1 3d54s1
原子半径/pm 186 160 143.1 124.9
原子化热/kJ/mol 108.4 146.4 326.4 397.5
熔点/℃ 97.5 650 660 1900
根据下表的数据，总结影响金属键的因素
与自由电子的多少、离子半径、电子层结构等
复杂的因素有关。
4、电子气理论对金属的物理性质的解释
一、金属键
(5)金属的熔沸点和硬度
一般来说，金属阳离子所带电荷越多、离子半径越小，金属键越强；晶体的熔沸点、硬度就越高，反之越低。
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，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。
一、金属键
同周期元素，从左到右价电子数依次增大，离子半径依次减小，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。
思考5、判断钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度的大小
一、金属键
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]
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]
最活泼的金属是---铯
最稳定的金属是---金
延性最好的金属是---铂[铂丝直径: 1/5000mm]
展性最好的金属是---金[金箔厚: 1/10000mm]
资料 —— 金属之最
练1、金属能导电的原因是( )
A.金属晶体中金属阳离子与自由电子间的相互作用较弱
B.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
C.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
D.金属晶体在外加电场作用下可失去电子
B
当堂检测
练2、下列叙述正确的是( )
A.任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子
B.原子晶体中只含有共价键
C.离子晶体中只含有离子键，不含有共价键
D.分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键
B
第三节 金属晶体与离子晶体
第二课时
二、金属晶体的原子堆积模型
在金属中，金属原子容易失去外层电子变成金属离子。金属原子释出电子后形成的金属离子按一定规律堆积，释出的电子在整个晶体里自由运动，称为自由电子。金属离子与自由电子之间存在着较强的相互作用，使许许多多金属离子结合在一起形成金属晶体。这节课我们来学习金属原子的堆积模型。
二、金属晶体的原子堆积模型
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，可以把金属晶体看成是由直径相等的圆球在三维空间所堆积而成的。
堆积原理：
组成晶体的金属原子在没有其他因素影响的时候，在空间的排列大都是遵循紧密堆积原理。这是因为金属键是没有方向性的，因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布在周围，并以紧密的堆积方式降低了体系的能量，使晶体变得比较的稳定。
1、几个概念
在晶体中与每个微粒紧密相邻且距离相等的微粒个数
晶体的空间被微粒占满的体积百分数用来表示紧密堆积程度
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
二、金属晶体的原子堆积模型
(1)配位数：
(2)紧密堆积：
(3)空间利用率：
空间利用率=
球体积
晶胞体积
×100%
二、金属晶体的原子堆积模型
活动1：平面上金属原子紧密排列的方式
从盒子中取出：4组乒乓球(4个排成一条直线)
将乒乓球放置在平面上，排成4排，使球面紧密接触
2、金属晶体的原子在二维空间堆积模型
等径圆球的二维模型
(a)非密置层放置
(b)密置层放置
配位数：
配位数：
1
2
3
4
4
1
2
3
4
5
6
6
二、金属晶体的原子堆积模型
等径圆球的二维模型(非密置层堆积)
二、金属晶体的原子堆积模型
密置层中小球围成一种空穴( )
一个晶胞中： 球 : 空穴 ═ 1 : 1
等径圆球的二维模型(密置层堆积)
密置层中小球围成两种空穴( 和 )
二、金属晶体的原子堆积模型
一个晶胞中： 球 : 空穴 : 空穴 ═ 1 : 1 : 1
二、金属晶体的原子堆积模型
活动2: 三维空间里非密置层金属原子的堆积方式
3、金属晶体的原子在三维空间堆积模型
先将三组以非密置层排列的小球置于一个平面上
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。
第二层小球的球心对着第一层小球的球心
第二层小球的球心对着第一层小球形成的空穴
等径圆球的三维模型 (非密置层堆积)
简单立方堆积(scp)
晶胞
Po (钋)
二、金属晶体的原子堆积模型
例1、scp原子的配位数_____、空间利用率_______。
二、金属晶体的原子堆积模型
6
1
2
3
4
5
6
例1、scp原子的配位数_____、空间利用率_______。
二、金属晶体的原子堆积模型
6
晶胞边长为 a = 2r
α =
1×4/3 πr3
a3
1×4/3 πr3
(2r)3
=
×100%
= 52%
52%
等径圆球的三维模型(非密置层堆积)
体心立方堆积(bcp)
晶胞
K、Na、Fe
二、金属晶体的原子堆积模型
8
二、金属晶体的原子堆积模型
例2、bcp原子的配位数_____、空间利用率_______。
a
√2a
√3a
√3a
4r =
α =
2×4/3 πr3
a3
= 68%
=
×100%
a3
√3a
4
( )3
2×4/3 π
68%
二、金属晶体的原子堆积模型
活动3: 三维空间里密置层金属原子的堆积方式
3、金属晶体的原子在三维空间堆积模型
A层密置层中小球围
成两种空穴 ( 和 )
B层密置层只能盖住其
中一种空穴 ( 和 )
A层密置层中小球围
成两种空穴 ( 和 )
B层密置层只能盖住其
中一种空穴 ( 和 )
B层盖住 空穴(露出 空穴)
B层盖住 空穴 (露出 空穴)
二、金属晶体的原子堆积模型
二、金属晶体的原子堆积模型
选择B层盖住 空穴(露出 空穴)的AB层继续讨论
第三层与A层对齐，
仍露出 空穴。
得到…ABA…堆积
第三层盖住A层的
露出 空穴。
得到…ABC…堆积
二、金属晶体的原子堆积模型
对于…ABA…堆积来说，第四层起若继续…BABA...重复，则此种堆积方式的重复周期为…ABA…
对于…ABC…堆积来说，第四层起若与A层相同，得到…ABCA…，从第五层其开始重复B，则此种堆积方式的重复周期为…ABCA…
A
B
A
C
B
A
配位数：
12
二、金属晶体的原子堆积模型
A
B
A
二、金属晶体的原子堆积模型
六方最密堆积(hcp)
二、金属晶体的原子堆积模型
Mg、Zn、Ti
六方最密堆积(hcp)
二、金属晶体的原子堆积模型
晶胞
C
B
A
C
B
A
C
C
A
B
B
B
B
A
A
A
A
A
C
B
二、金属晶体的原子堆积模型
C
B
A
C
A
B
B
B
B
A
A
A
A
A
C
B
C
C
A
B
面心立方最密堆积(ccp或fcc)
二、金属晶体的原子堆积模型
Cu、Ag、Au
二、金属晶体的原子堆积模型
面心立方最密堆积(ccp或fcc)
C
C
A
B
例3、hcp和ccp原子的配位数___、空间利用率____(相同)
二、金属晶体的原子堆积模型
12
α =
4×4/3 πr3
a3
= 74%
( 4r )2= a2 + a2
a = 2√ r
2
=
×100%
4×4/3 πr3
(2√ r)3
2
74%
金属晶体中四种原子堆积模型对比
堆积模型
代表物
配位数
空间利用率
模型稳定性
面心立方最密堆积
简单立方堆积
体心立方堆积
六方最密堆积
Cu、Ag、Au
Mg、Zn、Ti
Na、K、Fe
Po
6 8 12 12
52％
68％
74％
74％
低→ → → → →高
当堂检测
练1、有下列金属晶体：Na、Po、K、Fe、Cu、Mg、Zn、Au 其堆积方式为：
①简单立方堆积的是______________；
②体心立方堆积的是______________；
③六方最密堆积的是______________；
④面心立方最密堆积的是_____________。
Po
Na、K、Fe
Mg、Zn
Cu、Au
当堂检测
练2、如图所示为二维平面晶体示意图，所表示的化学式为AX3的是______。
②
②
①