化学人教版（2019）选择性必修2 3.3.1金属键与金属晶体（共46张ppt）

(共46张PPT)
第三节　金属晶体与离子晶体
　金属键与金属晶体
第三章　晶体结构与性质
学习任务
学习目标 1min
自学指导 6min
阅读课本第86-87页，完成大本自学指导
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√
√
自学检测 3min
汞为液体
金属阳离子和自由电子
教师点拨 25min
一
生活中的金属
金属的物理通性：
具有金属光泽、导电性、导热性、延展性等。
金 Au
铝 Al
铜 Cu
钨 W
金属晶体的形成
铜的晶体结构模型
铜的晶胞模型
X射线衍射
铜晶体
铜晶胞
铜的晶体模型
层状紧密堆积
每个晶胞含有的铜原子个数= 8×1/8+6×1/2= 4个
思考：金属晶体中的原子是通过什么作用结合在一起的？
一、金属键与金属晶体
（一）金属键
1.成键本质：金属原子半径大，价电子少，这些价电子容易从金属原子上“脱落”下来，形成遍布整个晶体的“电子气”，被所有原子所共用，成为把所有金属原子维系在一起的作用力，这种作用力称为“金属键”，这种描述
金属键本质的简单理论称为“电子气理论”。
2.定义：在金属晶体中金属阳离子(由金属原子脱落价电子后形成)与电子气之间强烈的相互作用。
既包括金属阳离子与自由电子之间的静电吸引作用，
也包括金属阳离子之间及自由电子之间的静电排斥作用。
3.特征：
①电子气不是专属于某个特定的金属阳离子，而是在整块固态金属中自由移动。
②金属键既没有方向性，也没有饱和性。
③金属键的成键粒子是金属阳离子和自由电子。
4.存在：存在于金属单质和合金中。
金属键
金属的物理性质
金属阳离子半径
价电子数
金属阳离子半径越大，价电子数越少，
金属键越弱，反之则金属键越强
延展性
导电性
导热性
金属光泽
......
金属键越强，金属的熔沸点越高，硬度越大
熔沸点
5.金属键的影响因素：
如何根据“电子气理论”解析金属的通性？
①良好的延展性
外力
当金属晶体受到外力作用时，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，而且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， 电子气没有被破坏，使得弥散在整个晶体的电子气能把所有金属原子维系在一起，所以金属能“拉伸”但不易断裂，具有良好的延展性。所以金属由良好的延展性。
错位
2．“电子气理论”解释金属的特性
合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，相当于填补了金属阳离子之间的空隙，一般情况下合金的延展性比纯金属弱，硬度比纯金属大。
在现实生活中，很多金属制品利用了金属的延展性。
金属有延性，是指金属可以抽成细丝。例如：金属钨制成钨丝利用了金属的延性；最细的白金丝直径不过2×10-7m。
金属又有展性，是指可以压成薄片，例如：金属铝制成铝箔利用了金属的展性。
延展性最好的金属是金，一两黄金，压成金箔可覆盖两个篮球场。
钨丝
铝箔
金箔
②良好的导热性
电子气在金属晶体中无序运动时，与金属原子、金属阳离子相互碰撞，在碰撞过程中会发生能量交换。当金属的某一部分受热时，从区域获得能量通过这种相互碰撞，将能量从温度高的区域传递到温度低的区域，最后使整块金属的温度趋于一致。
外加电场
金属中的电子气在电场中定向移动， 从而形成了电流。
③良好的导电性
金属的电导率随温度升高而降低的原因：粒子的热运动由于温度升高而加剧，导电性是由于电子的定向移动造成，温度升高使其运动杂乱无章，导电性降低。
温度升高电解液导电能力增强
【注意】
①金属晶体具有导电性，但能导电的物质不一定是金属。
如石墨具有导电性，属于非金属。还有一大类能导电的有机高分子化合物（如聚乙炔），也不属于金属。
②金属导电的粒子是自由电子，导电过程是物理变化。而电解质溶液导电的粒子是自由移动的阴阳离子，导电过程是化学变化。
导电性最强的三种金属是：Ag、Cu、Al。
金属一般具有银白色光泽：与金属键密切相关。由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光辐射到它的表面上时，自由电子可以吸收所有频率的光，跃迁到高的能级，高能级不稳定，然后很快释放出各种频率的光，也可以说反射出光，这就使得绝大多数金属呈现银灰色以至银白色光泽。少数金属能吸收某些频率的光而显其他颜色，如Au金黄色，Cu红色，Cs略带金色等。
大多数金属块状时为银白色，粉末状时为黑色：铁块表面比较光滑，光线被反射，所以是铁块是银白色的。大部分金属块都是银白色的。粉末状固体的颗粒度很小，没有规则晶面，光线不能反射，大部分被吸收和散射，所以铁粉是黑色的。大部分的金属粉末都是黑色的。
石墨，硅，碘等也具有金属光泽。
（二）金属晶体
1.定义：
金属原子之间通过金属键相互结合形成的晶体，叫做金属晶体。
2.金属晶体中的粒子及粒子间的相互作用：
构成微粒
金属晶体
微粒间的作用力
金属阳离子和自由电子
金属键
(也就是价电子)
点拨：
①在金属晶体中有阳离子，但没有阴离子，所以，晶体中有阳离子不一定有阴离子，若有阴离子，则一定有阳离子。
②在金属晶体中，不存在单个分子或原子，金属单质或合金(晶体锗、灰锡除外)属于金属晶体。
③金属晶体与共价晶体一样是一种“巨分子”。
金属晶体中，除了纯金属，还有大量的合金。
大多数合金以一种金属为主要组成，如以铁为主要成分的碳钢、锰钢、不锈钢等，以铜为主要成分的黄铜、青铜、白铜等。
金属（除汞外）在常温下都是晶体，称其为金属晶体。
钠的熔点较低(97.81 ℃)，硬度较小
钨是熔点最高的金属(3410 ℃)
铬是硬度最大的金属
形成的金属键强弱不同！
汞是熔点最低的金属(-38.9 ℃ )
2．金属晶体熔点的变化规律
(1)金属晶体熔点的变化规律
不同金属晶体，其熔点差别较大。有的熔点很低，如Hg(汞)低至－38.87 ℃ ；也有的熔点很高，如W(钨)高达3 000 ℃以上。因此，金属晶体的熔点跨度非常大。
(2)金属键的强弱对金属单质物理性质的影响
金属硬度的大小，熔、沸点的高低与金属键的强弱有关。金属键越强，金属晶体的熔、沸点越高，硬度越大。
(3)一般合金的熔点比各组分的熔点低。
[思考]根据表格信息，请归纳碱金属熔沸点递变规律，结合原子结构特点，分析递变原因。
元素 3Li(锂) 11Na(钠) 19K(钾) 37Rb(铷) 55Cs(铯)
熔点/℃ 180.5 97.72 63.65 38.89 28.84
沸点/℃ 1347 883 774 688 678.4
碱金属价电子数相同，随着原子序数递增，金属阳离子半径增大，金属键作用减弱，则熔沸点降低。
小结：一般价电子数越多，金属阳离子半径越小，金属键越强。熔沸点和硬度越大。
思考：Na、Mg、Al的熔沸点及硬度如何递变？
同周期从左到右，金属阳离子半径减小，价电子数增多，金属键增强，熔沸点和硬度升高。
卤素单质按照同主族从上到下的顺序，熔点逐渐升高，为什么碱金属单质按照同主族从上到下的顺序，熔点逐渐降低？
卤素单质均为分子晶体，同主族从上到下，相对分子质量逐渐增大，范德华力逐渐增大，单质的熔、沸点逐渐升高；
而碱金属均为金属晶体，同主族从上到下，原子价电子数相同，金属阳离子半径逐渐增大，金属键逐渐减弱，单质的熔、沸点逐渐降低。
密置列
非密置层
密置层
正方形空隙面积 > 三角形空隙面积
(1)金属晶体堆积模型——二维空间
①简单立方非密堆积
非密置层的球心相互对准
(2)金属晶体堆积模型——三维空间
抽取1个晶胞
晶胞原子数：
空间利用率：
配位数：
52%
6
1
只有金属(Po)采取这种堆积方式
①简单立方非密堆积
简单立方堆积：如钋(Po)等。
=
atoms
3
4
3
p
r
V
a =2 r
8
)
(
3
3
3
=
=
=
cell
r
a
V
2
r
%
33
.
52
=
=
=
cell
atoms
o
V
V
P
8
3
r
3
4
3
p
r
②体心立方密堆积
密置层堆积，碱金属、Fe等采取这种堆积方式。
晶胞原子数：
空间利用率：
配位数：
68%
8
2
体心立方堆积：如钠、钾、铬、钨等。
配位数均为12
密置层的堆积方式：
面心立方堆积 六方最密堆积
③面心立方最密堆积
1
2
3
4
5
6
B
C
A
Cu、Ag、Ca等采取这种堆积方式。
晶胞原子数：
空间利用率：
配位数：
74%
12
4
面心立方堆积：如金、银、铜、铝等。
配位数 12
空间利用率
74％
④六方最密堆积
六方堆积：如镁、锌、钛等。
金属晶体的4种堆积方式比较
堆积 类型 代表 物质 层类型 晶胞 每个晶胞所含原子数 配位数 空间
利用率
简单 立方
体心 立方
六方 最密
面心 最密
Po(钋)
非密置层
1
6
K Na Fe
非密置层
2
8
Mg Zn Ti
密置层
2
12
Cu Ag Au
密置层
4
12
52%
68%
74%
74%
金刚石堆积空间利用率的计算
三种晶体模型比较
晶体类型 金属晶体 分子晶体 共价晶体
构成微粒
物质类别
物理性质
决定熔沸点高低的因素
导电性
金属阳离子、自由电子
分子
原子
金属单质、合金
非金属氢化物、部分非金属单质、部分非金属氧化物、酸、大多数有机物
某些单质如硅、锗等，某些非金属化合物如二氧化硅、碳化硅等
硬度和密度较大，熔沸点较高
硬度和密度较小，熔沸点较低
硬度和密度大，熔沸点高
金属键强弱
范德华力(或氢键)的强弱
共价键的强弱
固态、熔融均可导电
某些溶于水能导电
不导电
(硅、锗是半导体)
D
被所有原子共用
既包括金属阳离子与自由电子之间的静电吸引作用，
也包括金属阳离子之间及自由电子之间的静电排斥作用。
D
汞在常温下是液体，Au金黄色，Cu红色，Cs略带金色等
金属键对金属物理性质的影响
一些常见的记忆金属制品
当温度达到某一数值时，材料内部的晶体结构会发生变化，从而导致了外形的变化。
合金就是由两种或两种以上的金属或者金属与非金属组成的具有金属特性的物质。
合金中含有金属阳离子和自由电子，所以，含有金属键。
具有。因为记忆合金中也存在金属键，也存在金属阳离子和自由电子，所以二者相互碰撞可以传递热量。
镍钛合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等(合理即可)。
A
C
B
分子晶体
共价晶体
温度升高，金属阳离子的振动频率和自由电子的无序运动增强，金属的电导性减弱
随堂评估自测
D
B
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发生定向移动形成电流而导电。
C、H2等可作还原剂
与金属原子结构有关
C
自由电子
与金属阳离子碰撞
一般情况下合金的延展性比纯金属弱，硬度比纯金属大。
C
金属原子的价电子数：
Al＞Mg＝Ca＝Ba＞Li＝Na，
金属阳离子的半径：
r(Ba2＋)＞r(Ca2＋)＞r(Mg2＋)
r(Na＋)＞r(Li＋)
r(Na＋)＞r(Mg2＋)＞r(Al3＋)
Mg＞Ca＞Ba
Li＞Na
Al＞Mg＞Na
B
A
用铜合金撞击彗星主要是因为铜稳定性好，合金密度适中、硬度较大，且对观测的干扰小，不留残余物。