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金屬晶體 【本講教育信息】 一. 教學內容： 金屬晶體 二、教學目標 理解金屬鍵的概念和電子氣理論，學會用電子氣理論解釋金屬的物理性質； 了解金屬晶體內原子的幾種常見排列方式 三、教學重點、難點 金屬鍵和電子氣理論；金屬晶體內原子的空間排列方式 四、教學過程： （一）金屬鍵及電子氣理論對金屬鍵的解釋： 金屬單質都是由金屬原子以某種一定的排列形式緊密堆積而形成的晶體。金屬原子的價電子少、電離能低，容易失去電子而形成陽離子和自由電子，金屬原子釋放的自由電子并不專屬于某個特定的金屬離子，而為許多金屬離子所共有。這種金屬離子與自由電子之間的較強相互作用就叫做金屬鍵。金屬鍵可看成是由許多原子共用許多電子的一種特殊形式的化學鍵，這種鍵既沒有方向性也沒有飽和性，金屬鍵的特征是成鍵電子可以在金屬中自由流動，使得金屬呈現出特有的屬性。在金屬單質的晶體中，原子之間以金屬鍵相互結合。金屬鍵是一種遍布整個晶體的離域化學鍵。 經典的金屬鍵理論叫做“電子氣理論”。它把金屬鍵形象地描繪成從金屬原子上“脫落”下來的大量自由電子形成可與氣體相比擬的帶負電的“電子氣”，金屬原子則“浸泡”在“電子氣”的“海洋”之中。 金屬具有導電、導熱、延展性和金屬光澤等物理性質。 說明： 1、金屬導電性的解釋：在金屬晶體中，充滿著帶負電的“電子氣”，這些電子氣的運動是沒有一定方向的，但在外加電場的條件下電子氣就會發(fā)生定向移動，因而形成電流，所以金屬容易導電。 2、金屬導熱性的解釋：金屬容易導熱，是由于電子氣中的自由電子在熱的作用下與金屬原子頻繁碰撞從而把能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分，從而使整塊金屬達到相同的溫度。 3、金屬延展性的解釋：當金屬受到外力作用時，晶體中的各原子層就會發(fā)生相對滑動，但不會改變原來的排列方式，彌漫在金屬原子間的電子氣可以起到類似軸承中滾珠之間潤滑劑的作用，所以在各原子層之間發(fā)生相對滑動以后，仍可保持這種相互作用，因而即使在外力作用下，發(fā)生形變也不易斷裂。因此，金屬都有良好的延展性，但金屬的延展性也是有限度的。 4、金屬的物理性質：由于金屬晶體中存在大量的自由電子和金屬離子（或原子）排列很緊密，使金屬具有很多共同的性質。 （1）狀態(tài)：通常情況下，除Hg外都是固體。 （2）金屬光澤：多數金屬具有光澤。但除Mg、Al、 Cu、Au在粉末狀態(tài)有光澤外，其他金屬在塊狀時才表現出來。 （3）易導電、導熱：由于金屬晶體中自由電子的運動，使金屬易導電、導熱。 （4）延展性 （5）熔點及硬度：由金屬晶體中金屬離子跟自由電子間的作用強弱決定。 5、金屬除有共同的物理性質外，還具有各自的特性。 ①顏色：絕大多數金屬都是銀白色，有少數金屬具有顏色。如Au金黃色Cu紫紅色Cs銀白略帶金色。 ②密度：與原子半徑、原子相對質量、晶體質點排列的緊密程度有關。最重的為鋨（Os）鉑（Pt）最輕的為鋰（Li） ③熔點：最高的為鎢（W），最低的為汞（Hg），銫（Cs），為28.4℃，鈣（Ca）為30℃ ④硬度：最硬的金屬為鉻（Cr），最軟的金屬為鉀 （K），鈉（Na），銫（Cs）等，可用小刀切割。 ⑤導電性：導電性能強的為銀（Ag），金（Au），銅 （Cu）等。導電性能差的為汞（Hg） ⑥延展性：延展性最好的為金（Au），鋁（Al）等 6、金屬鍵強弱的比較： ①金屬鍵的強弱可以用金屬的原子化熱（升華熱）來衡量，金屬的原子化熱是指1mol金屬晶體完全氣化時吸收的能量，金屬的原子化熱越大，金屬鍵越強。 ②金屬鍵的強度主要決定于金屬元素的原子半徑和價電子數，原子半徑越大，價電子數越少，金屬鍵越弱，金屬晶體的熔沸點越低；原子半徑越小，價電子數越多，金屬鍵越強，金屬晶體的熔沸點越高。 7、合金：兩種和兩種以上的金屬（或金屬與非金屬）熔合而成的具有金屬特性的物質，叫做合金，合金屬于混合物，對應的固體為金屬晶體。合金的特點： ①仍保留金屬的化學性質，但物理性質改變很大； ②熔點比各成分金屬的熔點都低； ③強度、硬度比各成分金屬的大； ④部分合金有強的抗腐蝕能力； ⑤導電性比成分金屬差。 8、金屬晶體的導電是由于自由電子在外加電場作用下的定向移動形成電流。而電解質溶液的導電，則是電離產生的陰、陽離子在外加電場的作用下的定向移動，此時，溶液中的離子或電極材料在電極上發(fā)生氧化還原反應生成新的物質，所以說電解質溶液的導電過程實質上就是電解過程。 （二）金屬晶體： 金屬陽離子和自由電子間通過金屬鍵相互作用所形成的晶體稱為金屬晶體，構成金屬晶體的微粒是金屬陽離子和自由電子，相互作用力是金屬鍵。 在金屬晶體中，金屬鍵使金屬原子有序排列。金屬晶體的原子堆積模型有兩種情況：二維空間模型和三維空間模型。金屬晶體的二維空間模型： 金屬晶體的三維空間模型： （1）非密置層排列的金屬原子，在空間內可能的排列。 ①簡單立方體堆積 這種堆積方式形成的晶胞是一個立方體，每個晶胞含1個原子，被稱為簡單立方堆積。這種堆積方式的空間利用率太低，只有金屬釙采取這種堆積方式。 ②鉀型 如果是非密置層，上層金屬原子填入下層的金屬原子形成的凹穴中，每層均照此堆積，如下圖： 這種堆積方式的空間利用率顯然比簡單立方堆積的高多了，許多金屬都是這種堆積方式，如堿金屬，簡稱為鉀型。 （2）密置層的原子按鉀型堆積方式堆積，會得到兩種基本堆積方式，鎂型和銅型。鎂型如下圖左側，按ABABABAB……的方式堆積;銅型如圖右側,按ABCABCABC……的方式堆積.這兩種堆積方式都是金屬晶體的最密堆積,配位數均為12,空間利用率均為74℅,但所得的晶胞的形式不同。 說明： 1、在晶體中，有陽離子的物質不一定有陰離子，如金屬晶體；但有陰離子的物質中肯定有陽離子。 2、金屬晶體的三維空間排列是在二維空間排列的基礎上排列的。對于非密置型排列有兩種排列方式：簡單立方和鉀型（晶胞為體心立方）；對于密置型排列也有兩種常見的排列方式：鎂型（AB型）（晶胞為六棱柱狀）和銅型（ABC型）（晶胞為面心立方）。 3、幾種常見晶體的結構與堆積方式： 4、金屬晶體的空間利用率越高，結構越穩(wěn)定。 5、金屬晶體的熔沸點差異很大，主要與金屬鍵的相對強弱有關，一般情況下，金屬原子半徑越小，電荷越大，金屬鍵越強，金屬晶體的熔沸點越高，反之越低。 【典型例題】 例1. 關于晶體的下列說法正確的是　 A、在晶體中只要有陰離子就一定有陽離子 　　B、在晶體中只要有陽離子就一定有陰離子 　　C、原子晶體的熔點一定比金屬晶體的高 　　D、分子晶體的熔點一定比金屬晶體的低 解析：只有認識四類晶體物理性質差異的本質原因才能對此題進行正確判斷。在四類晶體中，金屬晶體的結構及物理性質最特殊，應予以重視。金屬晶體中，構成晶體的微粒既有金屬原子，又有金屬陽離子，且二者不斷轉換，晶體中自由電子與金屬離子間的電性作用形成了金屬鍵。因此晶體中有陽離子，不一定有陰離子，如金屬晶體。金屬鍵強弱相差很大（主要由陽離子半徑大小決定），因此金屬晶體的熔沸點、硬度等物理性質相差極大，它與其他類晶體相比很特殊，有的晶體熔沸點很低，甚至小于分子晶體如金屬汞、堿金屬等；有的金屬熔沸點很高，甚至高于原子晶體如金屬鎢。 答案：A 例2. 物質結構理論推出：金屬晶體中金屬離子與自由電子之間的強烈相互作用，叫金屬鍵。金屬鍵越強，其金屬的硬度越大，熔沸點越高，且據研究表明，一般說來金屬原子半徑越小，價電子數越多，則金屬鍵越強。由此判斷下列說法錯誤的是　 A、鎂的硬度大于鋁 B、鎂的熔沸點低于鈣 C、鎂的硬度大于鉀 D、鈣的熔沸點高于鉀 解析：金屬晶體的熔沸點差異很大，主要與金屬鍵的相對強弱有關，一般情況下，金屬原子半徑越小，電荷越大，金屬鍵越強，金屬晶體的熔沸點越高，反之越低。價電子數Al＞Mg，原子半徑Al＜Mg，所以Al的金屬鍵更強，所以A的說法錯誤。Mg和Ca的價電子數相同，而原子半徑Mg＜Ca，所以金屬鍵的強弱Mg＞Ca，所以B的說法也錯誤。價電子數Mg＞K，原子半徑Mg＜K，所以C的說法正確。價電子數Ca＞K，原子半徑Ca＜K，所以D的說法也正確。 答案：AB 例3. 下列有關金屬元素特征的敘述正確的是　 A、金屬元素的原子只有還原性，離子只有氧化性 　　B、金屬元素在一般化合物中只顯正價 　　C、金屬元素在不同的化合物中的化合價均不同 　　D、金屬元素的單質在常溫下均為金屬晶體 解析：A、對于變價金屬中，中間價態(tài)的金屬離子既有氧化性，又有還原性，如Fe2+。B、金屬元素的原子只具有還原性，故在化合物中只顯正價。C、金屬元素有的有變價，有的無變價，如Na+。D、金屬晶體的熔沸點差異較大，絕大多數金屬常溫下均為晶體，但金屬汞常溫下為液體。 答案：B 例4. 晶胞是晶體中最小的重復單元．已知鐵為面心立方晶體，其結構如下圖甲所示，面心立方的結構特征如下圖乙所示．若鐵原子的半徑為，試求鐵金屬晶體中的晶胞長度，即下圖丙中AB的長度為______________m． 解析：本題為信息題，面心立方晶體可通過觀察圖甲和圖乙得出其結構特征是：在一個立方體的八個頂點各有一個原子，且在六個面的面心上各有一個原子。圖丙是一個平面圖，則有：AB2＋BC2＝AC2，即2AB2＝（4）2，則：AB＝。 答案：AB＝