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1、第三节 金属晶体,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,思考:金属为什么具有这些共同性质呢?,1、电子气理论：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,金属原子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,并在整个金属中自由运动,这些电子又称为自由电子.自由电子几乎均匀分布在整个晶体中，像遍布于整块金属的“电子气”，从而把所有金属原子维系在一起。,二、金属的结构,2、金属键：金属离子和自由电子之间的强烈的 相互作用叫做金属键（电子气理论）,(1)特征： 既没有方向性，也没有饱和性； 成键电子可以在金属中自由流动。,理解：金属键可看
2、成是由许多原子共用许多 电子的一种特殊形式的共价键,(2)影响其强弱的因素：,金属阳离子所带电荷越多、半径越小， 金属键越强。,三.金属晶体：,2.组成粒子：,金属阳离子和自由电子,3.微粒间作用力：,金属键,1.概念：通过金属键结合形成的单质晶体,4.金属晶体熔化破坏的作用力:,金属键,5、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“电子气”（自由电子），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， 导电性最强的三种金属是：Ag、Cu、Al,金属导电性的解释,水溶液或熔融状态下,晶体状态,自
3、由移动的离子,自由电子,思考: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,“电子气”(自由电子)在运动时经常与金属离子碰撞，引起两者能量的交换。 当金属某部分受热时，那个区域里的 “电子气”(自由电子)能量增加，运动速度加快，通过碰撞，把能量传给金属离子。 “电子气”(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分，从而使整块金属达到相同的温度。,(2)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
4、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。,(3)金属延展性的解释,小结：金属晶体的结构与性质的关系,(4)金属晶体结构具有金属光泽和颜色,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 有银白色或钢灰色光泽。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，所以成黑色。,例:试判断钠、镁、铝三种金属熔沸点和硬度的大小 同周期元素，从左到右，价电子数依
5、次增大，原子（离子）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顺序是：钠镁铝,(5)熔点和沸点 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。,思考：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逐渐升高？,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，原子（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。,资料,金属之最,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
6、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： mm,展性最好的金属是-,金金箔厚： mm,练习1：金属的下列性质中，不能用金属的 电子气理论加以解释的是（ ） A.易导电 B.易导热 C.有延展性 D.易锈蚀 练习2：金属晶体的形成是因为（ ） 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.自由电子间的相互作用,D,C,练习3：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
7、的 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下可失去电子,B,练习4：关于晶体的下列说法中正确的是 A.在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,A,练习5:下列性质适用于某种金属晶体的是 A.熔点1070，易溶于水， 其水溶液能导电 B.熔点10.31，液态不导电， 其水溶液能导电 C.能溶于CS2，熔点112.8， 沸点444.6 D.熔点97.81，质软，导电， 密度小于
8、水,D,知识回顾：三种晶体类型与性质的比较,共价键,范德华力,金属键,原子,分子,金属阳离子和自由电子,很高,很低,差别较大,很大,很小,差别较大,无（硅为半导体）,无,导体,四、金属晶体的原子堆积模型,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有的体积百分数， 用它来表示紧密堆积的程度,金属键无方向性，自由电子的胶合作用使球形的金属原子作紧密堆积，提高原子配位数及空间利用率，形成能量最低的稳定体系。,取6个等径圆球，每3个球排成一排作为一组， 将2组球平放在桌面上，
9、使球与球之间尽可能 多地紧密接触，有多少种排列方式？,非密置层放置,密置层放置,在二维平面内有且仅有两种排列方式：,仔细观察下图所示非密置层，回答： (1). 个球之间形成一个空隙； (2).每个球周围距离最近的球有 个； (3).球数与空隙数之比 = .,4,4,1 1,仔细观察下图所示密置层，回答： (1). 个球形成一个空隙，空隙分 类； (2).每个球周围距离最近的球有 个； (3).球数与空隙数之比 = .,3,2,6,12,1,1,2,2,3,3,4,4,5,6,在二维平面 内有且仅有两种排列方式：,非密置放置 配位数：4,密置放置 配位数：6,2、金属晶体的原子在二维平面堆积模型
10、,思考：先将三组球以非密置层放置于桌面，再在其上方放置另两或三组同样以非密置层排列的球，有几种放法？,方式 第二层小球的球心 正对着 第一层小球的球心 “心对心”,方式 第二层小球的球心 正对着 第一层小球的空隙 “心对空”,3、金属晶体的原子在三维空间堆积模型,(1)简单立方堆积(scp),Po,“心对心”,例1.求简单立方堆积原子的配位数及原子 半径与晶胞棱长的关系？空间占有率？,2,1,3,4,5,6,棱长 = 球半径2,每个晶胞含原子数：,6,1,52%,(2)体心立方堆积(bcp) (碱金属),Na,“心对空”,1,2,3,4,5,6,7,8,例2.在体心立方堆积中，求： (1).中
11、心原子的配位数； (2).晶胞棱长与原子半径(r)的关系,棱长a =,2r,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,例3:计算体心立方晶胞中金属原子的空间利用率,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% =,配位数：,空间占有率：,每个晶胞含原子数：,8,68%,2,思考:将密置层的小球在一个平面上黏合在一起，再 一层一层地堆积起来(至少堆4层)使相邻层上的小球紧密接触，有哪些堆积方式？,第二
12、层 “心对空”,A,B,A,B,A,三维密置层ABAB堆积方式,第三层“心对心” 每两层为周期,配位数 (同层 ,上下层各 ),12,6,3,Mg,(3)六方最密堆积（bcp）,配位数：,空间占有率：,每个晶胞含原子数：,12,74%,2,镁型（六方密堆积）,A,B,A,B,C,A,C,三维密置层ABCABC堆积方式,第三层“心对空” 每三层为周期,(4)面心立方最密堆积(ccp)铜型,Cu,面心立方最密堆积的要点： 将上层密置层金属原子填入下层的密置 层金属原子所形成的凹穴中， 按ABCABC的方式堆积 （C与A交错 填入B的凹穴中） 面心立方最密堆积的晶胞是八个原子 占据立方体的八个顶点，
13、 另6个原子分别占据其6个面心 每个原子与12个原子紧密接触， 即配位数为12 典型代表：Cu Ag Au,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,例4.在面心立方最密堆积中，求： (1).配位数； (2).晶胞实际占有的原子数 (3)面心立方晶胞的空间利用率,12,4,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 %,空间占有率：,74%,Po
14、(钋),五、金属晶体的结构特征： 在金属晶体里，金属阳离子有规则地紧密堆积，自由电子几乎均匀分布在整个晶体中，不专属哪几个特定的金属离子，而是被许多金属离子共有。 六、金属晶体的熔点变化规律： （1）金属晶体熔点变化差别较大。 如汞在常温下是液体，熔点很低 ( - 38.9） 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不同而造成的差别。 （2）一般情况下（同类型的金属晶体），金属晶体的熔点由金属阳离子半径、所带的电荷数、自由电子的多少而定。阳离子半径越小，所带的电荷越多， 自由电子越多，相互作用就越大， 熔点就会越高.,练习1.六方紧密堆积的晶
15、胞中,金属原子的半径r与六棱柱的边长a、高h有什么关系？晶胞中原子所占的体积与晶胞体积的百分比称为空间利用率,计算该晶胞的空间利用率,练习2.面心立方紧密堆积的晶胞中，金属原子的半径r与正方体的边长a有什么关系？ 求该晶胞的空间利用率？,3、某些金属晶体(Cu、Ag、Au)的原子按面心立方的形式紧密堆积，即在晶体结构中可以划出一块正立方体的结构单元，金属原子处于正立方体的八个顶点和六个侧面上，试计算这类金属晶体中原子的空间利用率。,4、已知金属铜为面心立方晶体，如图所示， 铜的相对原子质量为63.54，密度为8.936g/cm3，试求 （1）图中正方形边长 a， （2）铜的金属半径 r,a,a
16、,r,r,o,r,r,提示： 数出面心立方中的铜的个数：,七：石墨,石墨的结构特征： 每个碳原子都采取SP2杂化与同一平面内相邻的3个碳原子以共价键结合成平面六元并环结构，层状结构内碳原子的核间距为142pm。每一个最小的碳环完全拥有碳原子数为2，每个C完全拥有CC数为3/2。 每个碳原子的一个未参与杂化的2p电子，其原子轨道均垂直于层状结构的平面且互相平行重叠，形成一个属于整个晶体中所有碳原子的大键，其电子可在整个碳原子平面中运动； 层间距离较远（335pm），靠范德华力维系 石墨晶体中既有共价键，又有金属键，还有范德华力。,思考与交流,1、石墨为什么很软？ 2、石墨的熔沸点为什么很高（高于
17、金刚石）？,3、石墨属于哪类晶体？为什么？,石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，容易滑动，所以石墨很软。,石墨各层均为平面网状结构，碳原子之间既有C-C键又有大键，故熔沸点很高。 由于金刚石内只有C-C键没有大键，所以石墨的熔点高于金刚石。,石墨为混合晶体（或过渡型晶体）,练习：晶体具有规则的几何外形，晶体中最基本的重复单位称为是晶胞。已知FexO晶体晶胞结构为NaCl型，由于晶体缺陷，x值小于1，测知FexO晶体密度为5.71g/cm3，晶胞边长为4.2810-10m 。 (1) FexO中x值（精确到0.01）为 (2)晶体中的Fen+分别为Fe2+ 、Fe3+ ，在Fe2+和Fe3+总数中， Fe2+所占分数为 (3)此晶体的化学式为 (4)与某个Fe2+（或Fe3+）距离最近且等距离的O2-围成的空间几何形状是 (5)在晶体中铁元素的离子间的最短距离为 m,