(共28张PPT)
§3.3 金 属 晶 体
教学目标
1、了解金属的性质和形成原因
2、掌握金属键的本质——“电子气理论”
3、能用电子气理论和金属晶体的有关知识解释金属的性质
4、掌握金属晶体的四种原子堆积模型
Ti
金属样品
1、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。
金属为什么具有这些共同性质呢
2、金属的结构
问题：构成金属晶体的粒子有哪些？
一、金属键
组成粒子：
金属阳离子和自由电子
3、“电子气理论”(自由电子理论)
金属原子脱落来的价电子形成遍布整个晶体的“电子气”,被所有原子所共用，从而把所有的原子维系在一起。
4、金属键: 这种金属原子间由于电子气产生的作用(在金属晶体中，金属阳离子和自由电子之间的较强的相互作用)，是化学键的一种。
金属键强弱判断:金属阳离子所带电荷多、半径小－金属键强，熔沸点高。
5、金属晶体：通过金属键作用形成的单质晶体
【讨论1】 金属为什么易导电 ？
在金属晶体中，存在着许多自由电子，这些自由电子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就会发生定向运动，因而形成电流，所以金属容易导电。
6、金属晶体的结构与金属性质的内在联系
【讨论2】金属为什么易导热？
金属容易导热，是由于自由电子运动时与金属离子碰撞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。
【讨论3】金属为什么具有较好的延展性？
金属晶体中由于金属离子与自由电子间的相互作用没有方向性，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。
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。
金属的延展性
自由电子
+
金属离子
金属原子
位错
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
资料
金属之最
熔点最低的金属是--------
汞
熔点最高的金属是--------
钨
密度最小的金属是--------
锂
密度最大的金属是--------
锇
硬度最小的金属是--------
铯
硬度最大的金属是--------
铬
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
展性最好的金属是--------
金
1、金属晶体的形成是因为晶体中存在 （ ）
A.金属离子间的相互作用
B．金属原子间的相互作用
C.金属离子与自由电子间的相互作用
D.金属原子与自由电子间的相互作用
C
练习
2．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
3、下列叙述是否正确？
(1).任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子
(2)原子晶体中只含有共价键
(3)分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键
4、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？
5、为什么钠、镁、铝单质熔点逐渐升高？
二、金属晶体的原子堆积模型
非密置层 密置层
配位数(直接相切)
二维空间
4 6
三维空间
1、简单立方堆积(Po)
2、钾型(碱金属)
每个晶胞中只有一个原子
配位数为6
非密置层型的两种立体堆积方式
第二层堆积在第一层的凹穴中
配位数为8，利用率比上一种增大
三维空间
密置层型的两种立体堆积方式
配位数为12，空间利用率进一步增大，为最紧密堆积
1
2
3
4
5
6
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 )
1
2
3
4
5
6
A
B
，
三维空间
密置层型的两种立体堆积方式
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。
下图是此种六方
紧密堆积的前视图
A
B
A
B
A
第三层的堆积方式－1
1
2
3
4
5
6
于是每两层形成一个周期，即 AB AB 堆积方式，形成六方紧密堆积。
配位数 12 ( 同层 6，上下层各 3 )
将球对准第一层的 2，4，6 位，不同于 AB 两层的位置，这是 C 层。
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
第三层的堆积方式－2
1
2
3
4
5
6
此种立方紧密堆积的前视图
A
B
C
A
A
B
C
第四层再排 A，于是形成 ABC ABC 三层一个周期
配位数 12 。
( 同层 6， 上下层各 3 )
A
B
C
A
A
B
C
A
B
A
B
A
Mg型
Cu型
配位数均为12
A2型 钾型 体心立方 bcp
A3型 镁型 六方晶胞 hcp
A1型 铜型 面心立方 ccp
简单立方 钋型
三、金属晶体的四种堆积模型对比
堆积模型 典型代表 空间利
用率 配位数 晶胞
简单立方
钾型( bcp )
镁型(hcp)
铜型(ccp)
阅读课文Ｐ79《资料卡片》，并填写下表
金属晶体的四中堆积模型对比(共25张PPT)
晶胞
定义：
晶体结构的基本单元
一般，晶胞都是平行六面体
晶体看作数量巨大的晶胞“无隙并置”而成
无隙并置：
相邻晶体间无间隙
NaCl晶体结构示意图
Na+
Cl-
CsCl晶胞结构解析图
Cs+
Cl-
CsCl晶体结构示意图
三种典型立方晶胞结构
简单立方
体心立方
面心立方
氯化钠的晶体结构如图，如何根据其结构分析出化学式
Ｎa+
Cl-
想一想
顶点：
棱边：
面心：
体心：
小结：
立方体晶体中各位置上原子总数的计算方法分别是：
顶角上的原子总数
=1/8×顶角原子数
棱上的原子总数
棱上的原子总数
=1/4×棱上原子数
=1/2×面心原子数
体心上的原子总数
=1×体心原子数
晶胞中金属原子数目的计算方法(平均值)
顶点算1/8
棱算1/4
面心算1/2
体心算1
分析
如图直线交点处的圆圈为NaCl晶体中Na+或Cl-所处位置，晶体中，每个Na+周围有 个Cl-,每个Cl-周围有 个Na+,每个Na+周围与它最接近的且距离相等的Na+个数为：____
12
6
6
A
B
练习1：根据离子晶体的晶胞结构，判断下列离子晶体的化学式：（A表示阳离子）
化学式：
AB
练习2：根据离子晶体的晶胞结构，判断下列离子晶体的化学式：（A表示阳离子）
A
B
化学式：
A2B
A
B
化学式：
练习3：根据离子晶体的晶胞结构，判断下列离子晶体的化学式：（A表示阳离子）
AB
B
化学式：
A
练习4：根据离子晶体的晶胞结构，判断下列离子晶体的化学式：（A表示阳离子）
C
ABC3
练习：下图为高温超导领域的一种化合物——钙钛矿晶体结构，该结构是具有代表性的最小重复单元。
1）在该物质的晶体中，每个钛离子周围与它最接近且距离相等的钛离子共有 个
2）该晶体结构单元中，氧、钛、钙离子的个数比是 。
6
3∶1∶1
Ti
O
Ca
O：12×1/4＝3
Ti: 8 ×1/8＝1
Ca：1
共价键
范德华力
O
C
干冰的晶体结构图
进一步研究
回分子晶体
二氧化碳分子
干冰晶体结构示意
由此可见，每个二氧化碳分子周围有12个二氧化碳分子。(共23张PPT)
复习：
1、晶体与非晶体有什么不同？
2、什么叫晶胞？如何计算立方晶胞是微粒的数目？
3、氯化钠晶胞如图所示
一个晶胞中有几个Na+,
几个Cl-？
4、碘晶胞结构如图所示，问一个碘晶中有几个碘分子？
5、2001年报道硼和镁形成的化合物刷新了金属化合物超导温度的最高记录。图示的是该化合物的晶体结构单元：镁原子间形成正六棱柱，且棱柱的上下底面各有一个镁原子；六个硼原子位于棱柱内。则该化合物的化学式可表示为 （ ）
A、MgB B、MgB2
C、Mg2B D、Mg3B2
6、如图：石墨晶体结构示意图，每一层都是由碳原子构成的正六边形平面网状结构，分析每一个正六边形占有多少个碳原子？
7、晶体硼的基本结构单元都是由硼原子组成的正二十面体，其中含有20个等边三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角各有一个硼原子。如图所示，回答：
（1）键角____；
（2）晶体硼基本结构单元中的硼原子数____个；B—B键____条。
见教材第36页
60°
12
30
8、C60分子是形如椭球状的多面体，该结构的建立基于以下考虑：
（1）C60分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键；
（2）C60分子中只含有五边形和六边形；
（3）多面体的顶点数、面数和棱边数的关系遵循欧拉定理：
顶点数+面数-棱边数=2。
根据以上所述确定：
（1）C60分子中所含的单键数和双键数；
（2）C60分子中的五边形和六边形各有多少？
3.2 分子晶体和原子晶体
一．分子晶体
１、定义
分子晶体中存在的微粒：
分子间以分子间作用力（范德华力,氢键）相结合的晶体叫分子晶体。
分子
粒子间的相互作用是分子间作用力
2.常见的分子晶体
(1)所有非金属氢化物：
(2)几乎所有的酸：
(3)部分非金属单质:
(4)部分非金属氧化物:
(5)绝大多数有机物的晶体：
H2O、H2S、NH3、CH4、HX
H2SO4、HNO3、H3PO4（碱和盐则是离子晶体）
X2、O2、H2、 S8、P4、C60 、稀有气体
CO2、SO2、NO2、 P4O6、 P4O10
乙醇、冰醋酸、蔗糖、 苯、萘、蒽、苯甲酸等
分子的密堆积
（与每个分子距离最近的相同分子共有12个 ）
（１）只有范德华力，无分子间氢键（每个分子周围有12个紧邻的分子，如：C60、干冰 、I2、O2） －－分子密堆积
3.分子晶体结构特征
干冰的晶体结构图
分子的密堆积
（与CO2分子距离最近的CO2分子共有12个 ）
（２）有分子间氢键（如：HF 、冰、NH3 ）
－－不具有分子密堆积特征
分子非密堆积
分子密堆积
A3: He, H2
A1: Ne, Ar, Kr, Xe, HCl, H2S, CO2
冰中１个水分子周围有４个水分子
冰的结构
氢键具有方向性
分子的非密堆积
当冰刚刚融化为液态水时，热运动使冰的结构部分解体，水分子间的空隙减小，密度反而增大，超过4 ℃时，才由于热运动加剧，分子间距离加大，密度渐渐减小。 ( m=ρv )
分子晶体溶于水时，水溶液有的能导电，如HCl溶于水，有的不导电，如C2H5OH溶于水。
思考：
1、分子晶体是否导电？什么条件下可以导电？
由于构成分子晶体的粒子是分子，不管是晶体或晶体熔化成的液体，都没有带电荷的离子存在，因此，分子晶体以及它熔化成的液体都不导电。
2、怎样判断分子晶体的溶解性？
组成分子晶体的分子不同，分子晶体的性质也不同，如在溶解性上，不同的晶体存在着较大差异。通过对实验的观察和研究，人们得出了一个经验性的“相似相溶”结论：非极性溶质一般能溶于非极性溶剂；极性溶质一般溶于极性溶剂。
当某些分子晶体溶于水时，若能与水分子之间形成氢键，则溶质的溶解度会显著增大。如NH3极易溶于水，甲醇、乙醇、甘油、乙酸等能与混溶，就是它们与水形成了分子间氢键的缘故。
3、分子晶体有哪些物理特性,为什么？
由于分子间作用力很弱
4.分子晶体的物理特性
分子晶体一般具有：
①较低的熔点和沸点
(有的有升华的特性：
如硫、碘、干冰、萘、蒽、苯甲酸等）
②较小的硬度。
③一般都是绝缘体，熔融状态也不导电。
组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，分子间作用力越大，其熔点越高。分子间存在氢键的分子晶体，比组成和结构相似的其他分子晶体熔点要高。
④溶解性:相似相溶
5、典型的分子晶体：
干冰与冰的区别
冰：水分子间主要以氢键结合，同时存在范德华力。晶体中每个水分子与紧邻的四个水分子形成氢键。由水结成冰，分子间距增大，密度减小。
干冰：
CO2的晶体
外观和硬度相似
熔点低得多，常压下易升华
分子中只存在范德华力不存在氢键，一个分子周围有12个紧邻分子
密度比冰的高
干冰及其晶胞
笼状化合物
阅读科学视野 天然气水合物 — 一种潜在的能源
练习
1、下列说法正确的是 （ ）
A、离子化合物中可能含有共价键
B、分子晶体中的分子内不含有共价键
C、分子晶体中一定有非极性共价键
D、分子晶体中分子一定紧密堆积
2、一个干冰晶胞含有CO2分子 个，干冰晶体中CO2分子之间只存在分子间力不存在氢键，因此干冰中CO2分子紧密堆积，每个CO2分子周围，最近且等距离的CO2分子数目有 个。(共31张PPT)
(1)离子键的形成
Na (3s1)- e－ Na+ (2s22p6)
NaCl
Cl(3s23p5) +e－ Cl- (3s23p6)
离子键与离子型化合物。
正负离子由静电作用形成的化学键
（2）影响离子键强度的因素
1°离子电荷数的影响：
离子所带电荷多，离子键强 。
2°离子半径的影响：
离子半径大，离子间距大，作用力小；相反，半径小，作用力大。
（3）常见的离子化合物
a. 活泼的金属与活泼的非金属形成的化合物
b. 大多数金属氧化物
c. 含氧酸盐（包括铵盐）
d.大多数碱
各种离子晶体
一、离子晶体
1、定义：阳离子和阴离子通过离子键结合成的晶体
2、构成微粒：阴阳离子
3、微粒间作用：离子键
4、离子晶体的物理性质 （1）硬度较大 （2）熔、沸点较高 （3）固态时不导电，熔化状态才导电。
思考：氯化钠晶体中钠离子和氯离子分别处于晶胞的什么位置？
顶点和面心是钠离子
棱上和体心是氯离子
晶体的微观结构
NaCl
氯化钠晶体的堆积方式
Na+
Cl-
3
1
5
6
2
4
1
5
4
2
3
6
每个Cl- 周围与之最接近且距离相等的Na+共有 个。
6
这几个Na+在空间构成的几何构型为 。
正八面体
NaCl晶体中离子的配位数
CsCl晶体的结构
铯离子
氯离子
氯化铯晶体中氯离子和铯离子分别处于晶胞的什么位置？
铯离子位于顶点，氯离子位于体心。
氯化铯晶体
CsCl晶体中离子的配位数
（1）每个晶胞含铯离子、氯离子的个数？
（2）在氯化铯晶体中，每个Cs+周围与之最接近且距离相等的Cl-共有 ；这几个Cl-在空间构成的几何构型为 。
（3）在每个Cl-周围距离相等且最近的Cs+共有 ；这几个Cs＋ 在空间构成的几何构型 。
NaCl，CsCl晶体中的配位数
离子晶体 阴离子
配位数 阳离子
配位数
NaCl
CsCl
6
6
8
8
影响离子配位数的因素
1.几何因素
2.电荷因素
3.键性因素
1、几何因素
配位数与 r +/ r－ 之比相关：
0.225 —— 0.414 4 配位
0.414 —— 0.732 6 配位
0.732 —— 1.000 8 配位
NaCl:95/181=0.525 CsCl:169/181=0.933
2、电荷因素
CaF2的晶胞
例：CaF2的晶体中，Ca2＋和F－的个数之比____，电荷数之比_____，Ca2＋配位数是_____，F－的配位数是_______。
由正负离子的电荷比影响
离子晶体的配位数的因素，
称为电荷因素。
1:2
2:1
8
4
Ca
F
Ca2＋配位数是_____，F－的配位数是_______。
8
4
图示为CaF2晶胞的1/8,观察点为上左前方
晶胞上面心
活动：归纳四类晶体的结构和性质
晶体类型 原子晶体 分子晶体 金属晶体 离子晶体
构成粒子 原子 分子 金属阳离子和自由电子 阳离子和阴离子
相互作用 共价键 范德华力 金属键 离子键
熔、沸点 高 低 一般较高、部分较低 熔点较高、沸点高
硬度 高硬度 硬度较小 一般较高，部分较低 硬而脆
延展性 不良 不良 良好 不良
导电性 差 差 良好 固态不导电．熔化状态和溶液导电
典型实例 金刚石、SiO2 冰、干冰、碘等 Nａ、Fｅ等 NaOH、NaCl
二.晶格能
气态离子形成1摩尔离子晶体释放的能量，通常取正值。
离子半径越小，离子所带的电荷数越多，晶格能越大，晶体越稳定，离子晶体的熔沸点越高，硬度越大
科学视野
★复杂离子晶体——碳酸盐的热分解温度高低规律
以碱土金属碳酸盐为例（碱金属碳酸盐分解温度甚高，在此不予讨论）
热分解机理——
实验数据——
分析实验数据、结合分解机理可知——
★阳离子半径越大，碱土金属碳酸盐的分解温度越高
★岩浆晶出规则与晶格能的关系
★晶格能高的晶体熔点较高，更容易在岩浆冷却过程中冷却下来，从而先结晶
练习
1、下表列出了有关晶体的知识，其中错误的是（ ）
2、下列物质的晶体，按其熔点由低到高的排列顺序正确的是（ ）
A．NａCｌ、SｉO2、CO2 B．NａCｌ、CO2、SｉO2
C．NａCｌ、MｇO、SｉO2 D．NａCｌ、SｉO2、MｇO
3、用离子的电荷和半径解释下列离子晶体熔点高低的顺序。
（1）MｇO＞KCｌ （2）MｇO＞SｒS
（3）NａF＞NａCｌ＞NａBｒ
A B C D
晶体 硫化钾 干冰 金刚石 碘
组成晶体的微粒 阴阳离子 分子 原子 分子
晶体微粒间存在的作用力 离子键 共价键 共价键 范德华力
B
C
4.下列物质中，化学式能准确表示该物质分子组成的是
A.NH4Cl B.SiO2 C.P4 D.Na2SO4
问题反思——化学式能否表示分子，关键能判断该物质是否分子晶体
5.下列有关晶体的叙述中不正确的是 ( )
A. 金刚石的网状结构中,由共价键形成的碳原子环中,最小的环上有6个碳原子
B. 氯化钠晶体中,每个Na+周围距离相等的Na+离子共有6个
C. 氯化铯晶体中,每个铯原子周围紧邻8个氯原子
D. 干冰晶体中,每个二氧化碳分子周围紧邻10个二氧化碳分子
6. 关于晶体的下列说法正确的是
A.在离子晶体中只要有阴离子就一定有阳离子
B.在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子
C.原子晶体的熔沸点一定比金属晶体的高
D.分子晶体的熔点一定比金属晶体的低
