第一單元《金屬鍵 金屬晶體》(蘇教版選修3》

專題專題3 3 微粒間作用力與物質(zhì)性質(zhì)微粒間作用力與物質(zhì)性質(zhì)yyyy年年M月月d日星期日星期晶體的概念晶體的概念晶晶體：體：具有規(guī)則幾何外形的固體。具有規(guī)則幾何外形的固體。晶體為什么具有規(guī)則的幾何外形呢晶體為什么具有規(guī)則的幾何外形呢?構(gòu)成晶體的微粒有規(guī)則排列的結(jié)果構(gòu)成晶體的微粒有規(guī)則排列的結(jié)果.晶胞晶胞:反映晶體結(jié)構(gòu)特征的基本重復(fù)單位反映晶體結(jié)構(gòu)特征的基本重復(fù)單位.晶胞在空間連續(xù)重復(fù)延伸而形成晶體。晶胞在空間連續(xù)重復(fù)延伸而形成晶體。已學(xué)過的金屬知識已學(xué)過的金屬知識金屬的分類金屬的分類按密度分按密度分重金屬：銅、鉛、鋅等重金屬：銅、鉛、鋅等 輕金屬：鋁、鎂等輕金屬：鋁、鎂等 冶金工業(yè)冶金工業(yè)黑色金屬：鐵、鉻、錳黑色金屬：鐵、鉻、錳 有色金屬：除鐵、鉻、錳以外的金屬有色金屬：除鐵、鉻、錳以外的金屬 按儲量分按儲量分常見金屬：鐵、鋁等常見金屬：鐵、鋁等 稀有金屬：稀有金屬：鋯、釩、鉬鋯、釩、鉬4.5g/cm3 大家都知道晶體有固定的幾何外形、有大家都知道晶體有固定的幾何外形、有固定的熔點(diǎn)，水、干冰等都屬于分子晶體，固定的熔點(diǎn)，水、干冰等都屬于分子晶體，靠范德華力結(jié)合在一起，金剛石等都是原子靠范德華力結(jié)合在一起，金剛石等都是原子晶體，靠共價鍵相互結(jié)合，那么我們所熟悉晶體，靠共價鍵相互結(jié)合，那么我們所熟悉的鐵、鋁等金屬是不是晶體呢？它們又是靠的鐵、鋁等金屬是不是晶體呢？它們又是靠什么作用結(jié)合在一起的呢？什么作用結(jié)合在一起的呢？教科書教科書 P281.1.非金屬原子之間通過共價鍵結(jié)合成單質(zhì)非金屬原子之間通過共價鍵結(jié)合成單質(zhì)或化合物，活潑金屬與活潑非金屬通過或化合物，活潑金屬與活潑非金屬通過離子鍵結(jié)合形成了離子化合物。那么，離子鍵結(jié)合形成了離子化合物。那么，金屬單質(zhì)中金屬原子之間是采取怎樣的金屬單質(zhì)中金屬原子之間是采取怎樣的方式結(jié)合的呢？方式結(jié)合的呢？2.2.你能歸納出金屬的物理性質(zhì)嗎你能歸納出金屬的物理性質(zhì)嗎?你知道金你知道金屬為什么具有這些物理性質(zhì)嗎屬為什么具有這些物理性質(zhì)嗎?金屬鍵與金屬的特性金屬鍵與金屬的特性分析：分析：通常情況下，金屬原子的部分或全通常情況下，金屬原子的部分或全部外圍電子受原子核的束縛比較弱，在部外圍電子受原子核的束縛比較弱，在金屬晶體內(nèi)部，它們可以從金屬晶體內(nèi)部，它們可以從金屬原子上金屬原子上“脫落脫落”下來的價電子，形成自由流動下來的價電子，形成自由流動的電子。這些電子不是專屬于某幾個特的電子。這些電子不是專屬于某幾個特定的金屬離子，是均勻分布于整個晶體定的金屬離子，是均勻分布于整個晶體中。中。大多數(shù)金屬單質(zhì)都有較高的熔點(diǎn)，說明了什么？大多數(shù)金屬單質(zhì)都有較高的熔點(diǎn)，說明了什么？金屬能導(dǎo)電又說明了什么？金屬能導(dǎo)電又說明了什么？說明金屬晶體中存在著強(qiáng)烈的相互作用說明金屬晶體中存在著強(qiáng)烈的相互作用;金屬具有金屬具有導(dǎo)電性導(dǎo)電性,說明金屬晶體中存在著能夠自由流動的電說明金屬晶體中存在著能夠自由流動的電子。子。（1）定義：定義：金屬離子和自由電子之間的強(qiáng)烈的相互作用。金屬離子和自由電子之間的強(qiáng)烈的相互作用。（2）形成）形成成鍵微粒成鍵微粒:金屬陽離子和自由電子金屬陽離子和自由電子存存在在:金屬單質(zhì)和合金中金屬單質(zhì)和合金中（3）方向性）方向性:無方向性無方向性1.1.金屬鍵金屬鍵2.2.金屬的物理性質(zhì)金屬的物理性質(zhì) 具有金屬光澤具有金屬光澤,能導(dǎo)電能導(dǎo)電,導(dǎo)熱導(dǎo)熱,具有良好具有良好的延展性的延展性,金屬的這些共性是有金屬晶體中金屬的這些共性是有金屬晶體中的化學(xué)鍵和金屬原子的堆砌方式所導(dǎo)致的的化學(xué)鍵和金屬原子的堆砌方式所導(dǎo)致的（1）導(dǎo)電性）導(dǎo)電性（2）導(dǎo)熱性）導(dǎo)熱性（3）延展性延展性通常情況下金屬晶體內(nèi)部電子的運(yùn)動是自通常情況下金屬晶體內(nèi)部電子的運(yùn)動是自由流動的，但在外加電場的作用下會定向由流動的，但在外加電場的作用下會定向移動形成電流移動形成電流,所以金屬具有導(dǎo)電性。所以金屬具有導(dǎo)電性。（1）導(dǎo)電性）導(dǎo)電性（2）導(dǎo)熱性）導(dǎo)熱性 金屬容易導(dǎo)熱，是由于自由電子運(yùn)動時金屬容易導(dǎo)熱，是由于自由電子運(yùn)動時與金屬離子碰撞把能量從溫度高的部分傳到與金屬離子碰撞把能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分，從而使整塊金屬達(dá)到相同的溫度低的部分，從而使整塊金屬達(dá)到相同的溫度。溫度。（3）延展性延展性 金屬晶體中由于金屬離子與自由電子間的金屬晶體中由于金屬離子與自由電子間的相互作用沒有方向性相互作用沒有方向性，各原子層之間發(fā)生相，各原子層之間發(fā)生相對滑動以后，仍可保持這種相互作用，因而對滑動以后，仍可保持這種相互作用，因而即使在外力作用下，發(fā)生形變也不易斷裂即使在外力作用下，發(fā)生形變也不易斷裂,因此在一定強(qiáng)度的外力作用下因此在一定強(qiáng)度的外力作用下,金屬可以發(fā)金屬可以發(fā)生形變生形變,表現(xiàn)為良好的表現(xiàn)為良好的延展性延展性。金屬的延展性金屬的延展性自由電子自由電子+金屬離子金屬離子金屬原子金屬原子位錯位錯+小結(jié)：小結(jié)：共共 性性金屬晶體與性質(zhì)的關(guān)系金屬晶體與性質(zhì)的關(guān)系導(dǎo)電性導(dǎo)電性導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性延展性延展性在金屬晶體中，存在許多自由電子，自由電子在金屬晶體中，存在許多自由電子，自由電子在外加電場的作用下，自由電子定向運(yùn)動，因在外加電場的作用下，自由電子定向運(yùn)動，因而形成電流而形成電流由于金屬晶體中自由電子運(yùn)動時與金屬離子由于金屬晶體中自由電子運(yùn)動時與金屬離子碰撞并把能量從溫度高的部分傳導(dǎo)溫度低的碰撞并把能量從溫度高的部分傳導(dǎo)溫度低的部分，從而使整塊金屬達(dá)到相同的溫度部分，從而使整塊金屬達(dá)到相同的溫度由于金屬晶體中金屬鍵是沒有方向性的，各原由于金屬晶體中金屬鍵是沒有方向性的，各原子層之間發(fā)生相對滑動以后，仍保持金屬鍵的子層之間發(fā)生相對滑動以后，仍保持金屬鍵的作用，因而在一定外力作用下，只發(fā)生形變而作用，因而在一定外力作用下，只發(fā)生形變而不斷裂不斷裂根據(jù)下表的數(shù)據(jù)，請你總結(jié)影響金屬鍵的因素根據(jù)下表的數(shù)據(jù)，請你總結(jié)影響金屬鍵的因素金屬金屬NaMgAlCr原子外圍電子排布原子外圍電子排布3s13s23s23p13d54s1原子半徑原子半徑/pm186160143.1124.9原子化熱原子化熱/kJmol-1108.4146.4326.4397.5熔點(diǎn)熔點(diǎn)/97.56506601900部分金屬的原子半徑、原子化熱和熔點(diǎn)部分金屬的原子半徑、原子化熱和熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)、硬度與金屬鍵的強(qiáng)弱有關(guān)，金屬鍵的強(qiáng)弱又金屬的熔點(diǎn)、硬度與金屬鍵的強(qiáng)弱有關(guān)，金屬鍵的強(qiáng)弱又可以用原子化熱來衡量。原子化熱是指可以用原子化熱來衡量。原子化熱是指1mol金屬固體完全金屬固體完全氣化成相互遠(yuǎn)離的氣態(tài)原子時吸收的能量。氣化成相互遠(yuǎn)離的氣態(tài)原子時吸收的能量。有的金屬軟如蠟有的金屬軟如蠟,有的金屬軟如鋼有的金屬軟如鋼;有有的金屬熔點(diǎn)低的金屬熔點(diǎn)低,有的金屬熔點(diǎn)高有的金屬熔點(diǎn)高,為什為什么么?影響金屬鍵強(qiáng)弱的因素影響金屬鍵強(qiáng)弱的因素（1）金屬元素的原子半徑）金屬元素的原子半徑（2）單位體積內(nèi)自由電子的數(shù)目）單位體積內(nèi)自由電子的數(shù)目一般而言：一般而言：金屬元素的原子半徑越小，單位體積內(nèi)自由電金屬元素的原子半徑越小，單位體積內(nèi)自由電子數(shù)目越大，金屬鍵越強(qiáng)，金屬晶體的硬度越大，子數(shù)目越大，金屬鍵越強(qiáng)，金屬晶體的硬度越大，熔、沸點(diǎn)越高。熔、沸點(diǎn)越高。如：如：同一周期金屬原子半徑越來越小，單位體積同一周期金屬原子半徑越來越小，單位體積內(nèi)自由電子數(shù)增加，故熔點(diǎn)越來越高，硬度越來越內(nèi)自由電子數(shù)增加，故熔點(diǎn)越來越高，硬度越來越大；同一主族金屬原子半徑越來越大，單位體積內(nèi)大；同一主族金屬原子半徑越來越大，單位體積內(nèi)自由電子數(shù)減少，故熔點(diǎn)越來越低，硬度越來越小。自由電子數(shù)減少，故熔點(diǎn)越來越低，硬度越來越小。總總 結(jié)結(jié)金屬鍵的概念金屬鍵的概念運(yùn)用金屬鍵的知識解釋金屬的物理運(yùn)用金屬鍵的知識解釋金屬的物理性質(zhì)的共性和個性性質(zhì)的共性和個性影響金屬鍵強(qiáng)弱的因素影響金屬鍵強(qiáng)弱的因素1.下列有關(guān)金屬鍵的敘述錯誤的是下列有關(guān)金屬鍵的敘述錯誤的是()A.金屬鍵沒有方向性金屬鍵沒有方向性B.金屬鍵是金屬陽離子和自由電子之間存在金屬鍵是金屬陽離子和自由電子之間存在的強(qiáng)烈的靜電吸引作用的強(qiáng)烈的靜電吸引作用C.金屬鍵中的電子屬于整塊金屬金屬鍵中的電子屬于整塊金屬D.金屬的性質(zhì)和金屬固體的形成都與金屬鍵有關(guān)金屬的性質(zhì)和金屬固體的形成都與金屬鍵有關(guān)B練練 習(xí)習(xí)2.下列有關(guān)金屬元素特性的敘述正確的是下列有關(guān)金屬元素特性的敘述正確的是()A.金屬原子只有還原性金屬原子只有還原性,金屬離子只有氧化性金屬離子只有氧化性B.金屬元素在化合物中一定顯正化合價金屬元素在化合物中一定顯正化合價C.金屬元素在不同化合物中化合價均不相同金屬元素在不同化合物中化合價均不相同D.金屬元素的單質(zhì)在常溫下均為晶體金屬元素的單質(zhì)在常溫下均為晶體B3.金屬的下列性質(zhì)與金屬鍵無關(guān)的是金屬的下列性質(zhì)與金屬鍵無關(guān)的是()A.金屬不透明并具有金屬光澤金屬不透明并具有金屬光澤B.金屬易導(dǎo)電、傳熱金屬易導(dǎo)電、傳熱C.金屬具有較強(qiáng)的還原性金屬具有較強(qiáng)的還原性D.金屬具有延展性金屬具有延展性C4.能正確描述金屬通性的是能正確描述金屬通性的是()A.易導(dǎo)電、導(dǎo)熱易導(dǎo)電、導(dǎo)熱B.具有高的熔點(diǎn)具有高的熔點(diǎn)C.有延展性有延展性D.具有強(qiáng)還原性具有強(qiáng)還原性AC5.下列生活中的問題，不能用金屬鍵知識解釋的是下列生活中的問題，不能用金屬鍵知識解釋的是（）A.用鐵制品做炊具用鐵制品做炊具B.B.用金屬鋁制成導(dǎo)線用金屬鋁制成導(dǎo)線 C C.用鉑金做首飾用鉑金做首飾 D.D.鐵易生銹鐵易生銹D6.金屬鍵的強(qiáng)弱與金屬金屬鍵的強(qiáng)弱與金屬價電子數(shù)價電子數(shù)的多少有關(guān)，價電子的多少有關(guān)，價電子數(shù)越多金屬鍵越強(qiáng)；與金屬陽離子的數(shù)越多金屬鍵越強(qiáng)；與金屬陽離子的半徑大小半徑大小也有關(guān)，也有關(guān)，金屬陽離子的半徑越大，金屬鍵越弱。據(jù)此判斷下列金屬陽離子的半徑越大，金屬鍵越弱。據(jù)此判斷下列金屬熔點(diǎn)逐漸升高的是金屬熔點(diǎn)逐漸升高的是()A.LiNaKB.NaMgAlC.LiBeMgD.LiNaMgB黃鐵礦黃鐵礦螢螢 石石水晶水晶綠色魚眼石綠色魚眼石1.晶體晶體(1)(1)定義定義:通過結(jié)晶過程形成的具有規(guī)則幾何通過結(jié)晶過程形成的具有規(guī)則幾何外形的固體叫晶體。外形的固體叫晶體。通常情況下，大多數(shù)金屬單質(zhì)及其通常情況下，大多數(shù)金屬單質(zhì)及其合金也是晶體。合金也是晶體。閱讀教科書閱讀教科書P30的化學(xué)史話的化學(xué)史話 人類對晶體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識人類對晶體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識金屬金屬晶體晶體2.2.晶胞晶胞什么是晶胞？什么是晶胞？晶體中能夠反映晶體結(jié)構(gòu)特征的基本重復(fù)單晶體中能夠反映晶體結(jié)構(gòu)特征的基本重復(fù)單位位說明：說明：晶體的結(jié)構(gòu)是晶胞在空間連續(xù)重復(fù)延伸而形晶體的結(jié)構(gòu)是晶胞在空間連續(xù)重復(fù)延伸而形成的。成的。晶胞與晶體的關(guān)系如同磚塊與墻的關(guān)系。晶胞與晶體的關(guān)系如同磚塊與墻的關(guān)系。在金屬晶體中，金屬原子如同半徑相等的小球一在金屬晶體中，金屬原子如同半徑相等的小球一樣，彼此相切、緊密堆積成晶體。金屬晶體中金樣，彼此相切、緊密堆積成晶體。金屬晶體中金屬原子的緊密堆積是有一定規(guī)律的屬原子的緊密堆積是有一定規(guī)律的。金屬晶體金屬晶體1.金屬晶體的堆積方式和對應(yīng)的晶胞金屬晶體的堆積方式和對應(yīng)的晶胞教科書教科書 P31P31 二維平面堆積方式二維平面堆積方式I I 型型II II 型型行列對齊四球一空行列對齊四球一空 非最緊密排列非最緊密排列行列相錯三球一空行列相錯三球一空最緊密排列最緊密排列密置層密置層非密置層非密置層 三維空間堆積方式三維空間堆積方式.簡單立方堆積簡單立方堆積形成簡單形成簡單立方晶胞立方晶胞，空間利用率較低，空間利用率較低5252 ，金，金屬釙（屬釙（PoPo）采取這種堆積方式。采取這種堆積方式。這是非密置層另一種堆積方式，將上層金屬填入下層金屬這是非密置層另一種堆積方式，將上層金屬填入下層金屬原子形成的凹穴中原子形成的凹穴中,得到的是得到的是體心立方堆積體心立方堆積。NaNa、K K、CrCr、MoMo、W W等等屬于體屬于體心立方堆積心立方堆積。.體心立方堆積體心立方堆積第一層第一層 ：123456第二層第二層：對第一層來講最緊密的堆積方式是將對第一層來講最緊密的堆積方式是將球?qū)?zhǔn)球?qū)?zhǔn)1，3，5位。位。(或?qū)?zhǔn)或?qū)?zhǔn)2，4，6位，其情形是一位，其情形是一樣的樣的)123456AB，關(guān)鍵是第三層，對第一、二層來說，第三層可以有兩種關(guān)鍵是第三層，對第一、二層來說，第三層可以有兩種最緊密的堆積方式。最緊密的堆積方式。上圖是此種六方上圖是此種六方堆積的前視圖堆積的前視圖ABABA第一種：第一種：將第三層球?qū)?zhǔn)第一層的球?qū)⒌谌龑忧驅(qū)?zhǔn)第一層的球123456于是每兩層形成一個周于是每兩層形成一個周期，即期，即ABAB堆積方式，堆積方式，形成六方堆積形成六方堆積。配位數(shù)配位數(shù)12(同層同層6，上下層各上下層各3).六方堆積六方堆積鎂、鋅、鈦等屬于六方堆積鎂、鋅、鈦等屬于六方堆積 六方最密堆積分解圖六方最密堆積分解圖第三層的第三層的另一種另一種排列排列方式，方式，是將球?qū)?zhǔn)第一層是將球?qū)?zhǔn)第一層的的 2 2，4 4，6 6 位位，不同不同于于 AB AB 兩層的位置兩層的位置，這是這是 C C 層。層。123456123456123456123456此種立方緊密堆積的前視圖此種立方緊密堆積的前視圖ABCAABC第四層再排第四層再排A，于是形成于是形成ABCABC三層一個周期。三層一個周期。這種堆積方式可劃分出面心這種堆積方式可劃分出面心立方晶胞。立方晶胞。配位數(shù)配位數(shù) 12 12 (同層同層 6 6，上下層各上下層各 3 3 ).面心立方堆積面心立方堆積金、銀、銅、鋁等屬于面心立方堆積金、銀、銅、鋁等屬于面心立方堆積 簡單立方堆積簡單立方堆積配位數(shù)配位數(shù)=6空間利用率空間利用率=52.36%體心立方堆積體心立方堆積 體心立方晶胞體心立方晶胞配位數(shù)配位數(shù)=8空間利用率空間利用率=68.02%六方堆積六方堆積 六方晶胞六方晶胞配位數(shù)配位數(shù)=12空間利用率空間利用率=74.05%面心立方堆積面心立方堆積面心立方晶胞面心立方晶胞配位數(shù)配位數(shù)=12空間利用率空間利用率=74.05%堆積方式及性質(zhì)小結(jié)堆積方式及性質(zhì)小結(jié)2.晶胞中金屬原子數(shù)目的計算晶胞中金屬原子數(shù)目的計算(平均值平均值)頂點(diǎn)占頂點(diǎn)占1/8棱上占棱上占1/4面心占面心占1/2體心占體心占12.晶胞中微粒數(shù)的計算晶胞中微粒數(shù)的計算在六方體頂點(diǎn)的微粒為在六方體頂點(diǎn)的微粒為6個晶胞共有，在面心的個晶胞共有，在面心的為為2個晶胞共有，在體內(nèi)的微粒全屬于該晶胞。個晶胞共有，在體內(nèi)的微粒全屬于該晶胞。微粒數(shù)為：微粒數(shù)為：121/6+21/2+3=6在立方體頂點(diǎn)的微粒為在立方體頂點(diǎn)的微粒為8個晶胞共有，在面心的個晶胞共有，在面心的為為2個晶胞共有。個晶胞共有。微粒數(shù)為：微粒數(shù)為：81/8+61/2=4 在立方體頂點(diǎn)的微粒為在立方體頂點(diǎn)的微粒為8個晶胞共享，處于體個晶胞共享，處于體心的金屬原子全部屬于該晶胞。心的金屬原子全部屬于該晶胞。微粒數(shù)為：微粒數(shù)為：81/8+1=2長方體晶胞中不同位置的粒子對晶胞的貢獻(xiàn)：長方體晶胞中不同位置的粒子對晶胞的貢獻(xiàn)：頂點(diǎn)頂點(diǎn)-1/8棱棱-1/4面心面心-1/2體心體心-1(1)(1)體心立方：體心立方：(2)(2)面心立方：面心立方：(3)(3)六方晶胞：六方晶胞：合金合金(1)定義：定義：把兩種或兩種以上的金屬把兩種或兩種以上的金屬(或金或金屬與非金屬屬與非金屬)熔合而成的具有金屬特性的物熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)叫做合金。質(zhì)叫做合金。例如，黃銅是銅和鋅的合金（含銅例如，黃銅是銅和鋅的合金（含銅67%、鋅、鋅33%）；青銅是銅和錫的合金（含銅）；青銅是銅和錫的合金（含銅78%、錫、錫22%）；鋼和生鐵是鐵與非金屬碳的合金。故）；鋼和生鐵是鐵與非金屬碳的合金。故合金可以認(rèn)為是具有金屬特性的多種元素的混合金可以認(rèn)為是具有金屬特性的多種元素的混合物。合物。(2)(2)合金的特性合金的特性合金的熔點(diǎn)比其成分中金屬合金的熔點(diǎn)比其成分中金屬(低，低，高，介于兩種成分金屬的熔點(diǎn)之間；高，介于兩種成分金屬的熔點(diǎn)之間；)具有比各成分金屬更好的硬度、強(qiáng)度和具有比各成分金屬更好的硬度、強(qiáng)度和機(jī)械加工性能。機(jī)械加工性能。低低1.右圖是鈉晶體的晶胞結(jié)構(gòu)，右圖是鈉晶體的晶胞結(jié)構(gòu)，則晶胞中的原子數(shù)是則晶胞中的原子數(shù)是.如某晶體是右圖六棱柱狀晶胞，如某晶體是右圖六棱柱狀晶胞，則則晶胞中的原子數(shù)是晶胞中的原子數(shù)是.鈉晶體的晶胞鈉晶體的晶胞練練 習(xí)習(xí)81/8+1=2121/6+21/2+3=62.最最近近發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)一一種種由由某某金金屬屬原原子子M和和非非金金屬屬原原子子N構(gòu)構(gòu)成成的的氣氣態(tài)態(tài)團(tuán)團(tuán)簇簇分分子子，如如圖圖所所示示頂頂角角和和面面心心的的原原子子是是M原原子子，棱棱的的中中心心和和體體心心的的原原子子是是N原原子子，它它的的化化學(xué)學(xué)式為式為()ABMNCD條件不夠，無法寫出化學(xué)式條件不夠，無法寫出化學(xué)式C練 習(xí)練 習(xí)A3.合金有許多特點(diǎn)合金有許多特點(diǎn),如鈉如鈉-鉀合金鉀合金(含含鉀鉀50%80%)為液體，而鈉鉀的單質(zhì)為液體，而鈉鉀的單質(zhì)均為固體，據(jù)此推測生鐵、純鐵、碳均為固體，據(jù)此推測生鐵、純鐵、碳三種物質(zhì)中，熔點(diǎn)最低的是三種物質(zhì)中，熔點(diǎn)最低的是()A.生鐵生鐵B.純鐵純鐵C.碳碳D.無法確定無法確定