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第三章 晶体结构与性质
第三节 金属晶体与离子晶体
课时一 金属晶体 离子晶体
学习目标
01.知道金属晶体的结构特点，能借助金属晶体模型说明金属晶体中粒子及粒子间的相互作用
02.能从金属原子结构的视角认识金属键的本质
03.能从“电子气理论”解析金属具有导电性、导热性和延展性的原因
04.知道离子晶体中微粒及其离子间的相互作用
05.了解离子晶体的结构特点，并能根据晶体的一般物理性质做出判断
金属晶体
01
金属晶体
01
金属晶体
复习回顾
通过前面对于分子晶体与离子晶体的学习，我们可以总结研究晶体的一般思路为
根据这个思路，你能预测金属晶体的构成微粒和相互作用吗？
构成的微粒
微粒间相互作用
晶体类型
物质的性质
01
金属晶体
01
金属晶体
通过视频我们不难发现：
金属晶体是由金属原子构成的，它们的结构就好像很多硬球一层一层很紧密地堆积，每一个金属原子的周围有较多相同的原子围绕着。
那么金属原子又是如何“粘结”在一起的呢？
01
金属晶体
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，金属脱落下来的价电子几乎均匀分布在整个晶体中，像遍布整块金属的“电子气”，从而把所有金属原子维系在一起。这些电子又称为自由电子。
金属晶体的电子气理论示意图
01
金属晶体
金属键
金属
阳离子
自由
电子
金属键
(在金属晶体中，原子之间以金属键相互结合)
金属键的本质
金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用
01
金属晶体
不同的金属其构成原子不同，原子间所形成的金属键强弱不同，故物质的物理性质差别很大。
如何解释呢？
01
金属晶体
金属晶体中，自由电子在外加电场作用下，发生定向移动，形成电流，使金属具有良好的导电性，金属晶体中除自由电子外的金属阳离子在其位置附近振动，加热时，金属阳离子的振动加强，阻碍自由电子的运动，因而金属的电阻随温度升高而增大。
通性一：金属的导电性以及金属的电阻随温度升高而增大
“电子气理论”解释金属的通性
01
金属晶体
+
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金属晶体中，自由电子在运动中不断地与金属阳离子碰撞，从而发生能量交换，当金属晶体的一端受热，加强了该端的金属阳离子的振动，自由电子将热能迅速地传递到另一端，使金属整体的温度很快的升高，所以金属有很好的导热性。
通性二：金属的导热性
“电子气理论”解释金属的通性
01
金属晶体
金属晶体中，由于自由电子的“胶合”作用，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，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，所以金属有良好的延展性。
通性三：金属的延展性
“电子气理论”解释金属的通性
01
金属晶体
形成的金属键强弱不同
金属单质 熔点/℃
Li 180.5
Na 97.81
K 63.65
Rb 38.89
Cs 28.40
请同学们运用“电子气理论”解释金属的熔点和硬度差大的原因以及与什么因素有关？
01
金属晶体
金属晶体中，除了纯金属，还有大量的合金。合金的组成和结构非常复杂多样。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。
Fe
C
钢
Au
Cu
K金
01
金属晶体
“电子气理论”把金属键描述为金属原子脱落下来的 形成遍布整块晶体的“_______”，被所有原子所共用，从而把所有的_________维系在一起
归纳总结：金属键
价电子
电子气
金属原子
金属阳离子
自由电子
①金属键的强弱主要决定于金属元素的原子半径和价电子数。原子半径越大、价电子数越少，金属键越弱；反之，金属键越强。
②金属键越强，金属的熔、沸点越高，硬度越大。如：熔点最高的金属是 ，硬度最大的金属是 。
③金属键没有方向性和饱和性。
钨
铬
概念
和
成键粒子
金属键的强弱和对金属性质的影响
01
金属晶体
试用金属键解释Na、Mg、Al的熔点逐渐升高的原因。
原子半径逐渐减小，价电子数逐渐增多，金属键逐渐增强，熔点逐渐升高。
Na 钠的熔点：97.8 ℃
Mg 镁的熔点：650 ℃
Al 铝的熔点：660.4 ℃
01
金属晶体
金属晶体的性质：
在金属晶体中，原子间以 相结合。
金属键
归纳总结：金属晶体
铁锅
导热性
铜丝
导电性
金箔玫瑰花
延展性
01
金属晶体
思考讨论
如何用“电子气理论”解释金属的通性？
延展性
当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就会发生回相对滑动，但排列方式不变，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，所以金属有良好的延展性。
01
金属晶体
如何用“电子气理论”解释金属的通性？
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，导电性最强的三中金属是：Ag、Cu、Al。
导电性
思考讨论
01
金属晶体
如何用“电子气理论”解释金属的通性？
当金属晶体的某一端在受热时，其附近内部的自由电子做剧烈的无序运动，从而与金属阳离子发生碰撞。在碰撞过程中，引起两者能量交换，能量高的自由电子将自己的能量传递给金属阳离子。
导热性
01
金属晶体
金属晶体内部存在自由电子，当光线投射到金属表面时，自由电子吸收可见光，然后又把各种波长的光大部分再反射出来,这就使绝大多数金属呈现银灰色或银白色光泽。（某些金属因易吸收某些频率光而呈特殊颜色）
如何用“电子气理论”解释金属的通性？
金属光泽
金属在粉末状态时，金属原子的取向杂乱，排列不规则，吸收可见光后不能再反射出来，所以金属粉末常呈暗灰色或黑色
01
金属晶体
知识延伸
金属晶体的堆积方式
金属原子在二维空间（平面）上有二种排列方式
球对球、四球一空、非密置层
球对缝、三球一空、密置层
01
金属晶体
在三维空间也可以 球对球，球对缝
01
金属晶体
1、简单立方堆积
原子位置：
配位数：
含有原子数：
相切球：
边长与半径关系：
空间利用率：
顶点
6
1
边长上的两个原子
52%
01
金属晶体
2、体心立方堆积
原子位置：
配位数：
含有原子数：
相切球：
边长与半径关系：
空间利用率：
顶点、体心
8
2
体对角线上的三个原子
68%
01
金属晶体
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
A
B
，
第二层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；1、3位置太近只能填一个空隙）
关键是第三层，对第一二层来说，第三层可有两种最紧密堆积方式
若金属原子均采用密堆积
01
金属晶体
1
2
3
4
5
6
A
B
，
第二层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；1、3位置太近只能填一个空隙）
1、将第三层的球对准第一层的球
2、第三层的球对准第一层的2、4、6位置
A
B
，
1
2
3
4
5
6
两层形成一个周期， AB AB 方式，形成六方紧密堆积
三层形成一个周期， ABC ABC 方式，面心立方最密堆积
01
金属晶体
3、六方最密立方堆积
原子位置：
配位数：
含有原子数：
相切球：
高与边长关系：
空间利用率：
顶点、体内
12
4
四面体的四个顶点
74%
01
金属晶体
4、面心立方最密堆积
原子位置：
配位数：
含有原子数：
相切球：
边长与半径关系：
空间利用率：
顶点、面心
12
4
面对角线上的三个原子
74%
离子晶体
02
离子晶体
02
离子晶体
通过视频发现从溶液中析出的盐自发的呈多面体形状，说明盐也是晶体。
请你分析出构成盐的微粒是什么，微粒间的作用力又是什么？属于什么晶体类型
02
离子晶体
静电作用力
离子晶体
钠离子、氯离子
成键本质
晶体类型
成键微粒
NaCl晶胞
02
离子晶体
观察氯化钠的晶胞模型，并思考：晶胞中各离子的位置分布？
探究一
面心： _____个氯离子
体心：_____个钠离子
棱上： _____个钠离子
顶点： _____个氯离子
1
12
8
6
02
离子晶体
每个Na+同时吸引着6个Cl-，分别在前后左右上下的位置
钠离子所处的环境
观察氯化钠的晶胞模型，并思考：晶胞中各离子的位置分布？
探究一
02
离子晶体
每个Cl-同时吸引着6个Na+，分别在前后左右上下的位置
观察氯化钠的晶胞模型，并思考：晶胞中各离子的位置分布？
探究一
氯离子所处的环境
02
离子晶体
钠离子所
处的环境
氯离子所
处的环境
为什么会出现这种情况呢？
阴阳离子间的静电作用没有方向性，每个粒子周围会尽可能多的吸引带相反电荷的离子，以达到降低体系能量的目的，故离子键没有方向性和饱和性。所以离子在晶体中常常也趋向于采用尽可能紧密地堆积形式，可以视为圆球的密堆积，只不过阴离子、阳离子的半径是不同的，是不等径圆球的密堆积
02
离子晶体
Na＋位于_______和_______
Cl－位于_______和_______
棱上位置：12× ＝3
4
1
棱上
体心
晶胞内位置：1×1＝1
顶点
面心
顶点位置：8× ＝1
8
1
面心位置：6× ＝3
2
1
观察氯化钠的晶胞模型，并解释：NaCl表示什么含义
探究二
02
离子晶体
观察氯化钠的晶胞模型，并解释：NaCl表示什么含义
探究二
一个晶胞中的氯离子和钠离子均为四个，二者的比值是1 : 1。故并不存在单独的氯化钠分子，只是在整个晶体中，氯离子与钠离子的个数比为1 : 1。因此，氯化钠的化学式表示的只是表示氯化钠的组成。
02
离子晶体
观察氯化钠的晶胞模型，并解释：NaCl的熔点较高、硬度较大的原因
探究二
在NaCl中，离子间存在着较强的离子键，使离子晶体的硬度较大，难于压缩；而且，要使它们由固态变成液态或气态，需要较多的能量破坏这些较强的离子键，因此，NaCl具有较高的熔点和沸点。
02
离子晶体
分析：晶胞中各离子的位置分布情况
问题1
CsCl的晶胞中，1个铯离子处于立方体的中心，8个氯离子是位于顶点
铯离子所处的环境：每个Cs+同时吸引着8个Cl
氯离子所处的环境：每个Cl 同时吸引着8个Cs+
结合所学内容并根据氯化铯的结构分析和性质来回答问题：
CsCl的晶胞
Cl-
Cs+
02
离子晶体
分析：晶体中是否存在氯化铯分子 CsCl表示什么含义
问题2
1
8 ＝1
8
1
Cs+位于_______
Cl－位于_______
体心
顶点
一个晶胞中氯离子和铯离子都是一个，两者的比例为1 : 1。即没有单独存在的氯化铯分子，氯化铯这个化学式表示的就是氯化铯的组成
结合所学内容并根据氯化铯的结构分析和性质来回答问题：
CsCl的晶胞
Cl-
Cs+
02
离子晶体
CsCl的熔点较高(645 ℃)的原因是什么？
问题3
在CsCl中，离子间存在着较强的离子键，使离子晶体的硬度较大，难于压缩；而且，要使它们由固态变成液态或气态，需要较多的能量破坏这些较强的离子键，因此，CsCl具有较高的熔点和沸点。
结合所学内容并根据氯化铯的结构分析和性质来回答问题：
CsCl的晶胞
Cl-
Cs+
02
离子晶体
Na＋、Cs＋所带电荷一样，但Na＋的半径小于Cs＋的半径，NaCl中离子键强于CsCl中离子键，所以NaCl的熔点高于CsCl的熔点。
NaCl的熔点为801 ℃，CsCl的熔点为645 ℃，试解释其原因。
02
离子晶体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
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-
与电源正极相连的电极
与电源负极相连的电极
金属晶体的导电性与金属晶体中自由电子有关，在外加电场条件下，自由电子定向运动而形成电流。
离子晶体的性质探究
NaCl等离子晶体在熔融状态下导电、水溶液导电与金属导电有什么不同
探究四
02
离子晶体
离子晶体固态时不能导电，因为阴阳离子不能自由移动，在熔融或水溶液状态下发生电离，产生自由移动的阴阳离子，离子晶体才能够导电。
NaCl溶液能够导电
熔融的NaCl能够导电
NaCl等离子晶体在熔融状态下导电、水溶液导电与金属导电有什么不同
探究四
02
离子晶体
离子晶体较脆，延展性较差
施加外力
发生滑动
同种电荷相互排斥，使晶面裂开
离子晶体是否具有较好的延展性
探究五
02
离子晶体
化合物 熔点/℃ 化合物 熔点/℃
CaO 2 613 Na2SO4 884
CuCl2 1 326 Ca2SiO4 2 130
NH4NO3 169.6 Na3PO4 340
BaSO4 1 580 CH3COOCs 194
LiPF6 200 (分解温度) NaNO2 270
①从表中数据可知，离子晶体的熔点差异也较大
离子晶体的熔点是否都较高？分析下表中的数据，能得出什么结论？
探究六
②从表中还发现，大量离子晶体的阴离子或阳离子不是单原子，离子组成差异较大，有些晶体中还存在共价键，然而贯穿整个晶体的主要作用力仍是阴阳离子之间的作用力。
02
离子晶体
归纳总结：离子键及其影响因素
离子键没有方向性和饱和性
概念
离子所带电荷数 ，离子半径 ，离子键越强。
影响因素
阴、阳离子之间通过 形成的化学键。
静电作用
越多
越小
归纳总结：离子晶体及其物理性质
概念
由 和 相互作用而形成的晶体。
①熔、沸点较 ，硬度较 。
②离子晶体不导电，但 或 后能导电。
③大多数离子晶体能溶于水，难溶于有机溶剂。
阳离子
阴离子
离子晶体的性质
高
大
熔化
溶于水
02
离子晶体
柔性离子晶体管：为未来生物电子器件奠定基础！
哥伦比亚大学神经电子转化实验室开发出了第一个具有生物相容性的离子驱动的晶体管。这项技术在在体电生理信号采集和神经刺激方面具有重要的意义。
有机柔性放大器领域中的重要工作，可能对未来的可植入设备、脑机界面等设备的形式产生深远的影响。可能的设备形式比如完全柔性可长期植入的神经电极、深部脑刺激器、植入性的高分辨率心电监护设备等等。柔性电子在将来甚至可以作为承载深度学习的计算单元而直接植入体内 。
课堂总结
03
课堂总结
金属键与金属晶体
离子晶体
电子气理论
概念
成键粒子
金属键的强弱和对金属性质的影响
概念
影响因素
离子晶体的性质
金属晶体与离子晶体
课堂练习
04
课堂练习
1．下列变化需克服共价键的是
A．金刚石熔化
B．汞变成汞蒸气
C．碘升华
D．食盐溶于水
【答案】A
【详解】A．金刚石为共价晶体，只存在共价键，熔化时克服共价键，故A选；
B．汞受热变成汞蒸气，克服金属键，故B不选；
C．碘单质为分子晶体，碘升华不破坏化学键，克服分子间作用力，故C不选；
D．食盐为离子晶体，溶于水发生电离，克服离子键，故D不选；
故选：A。
04
课堂练习
2．三氯化铁的熔点为282℃、沸点为315℃，易溶于水，也易溶于乙醚等有机溶剂。在400℃时，它的蒸气中有双聚分子Fe2Cl6存在。则三氯化铁的晶体类型为
A．分子晶体 B．共价晶体
C．金属晶体 D．离子晶体
【答案】A
【详解】通常晶体熔点高低顺序是：共价晶体＞离子晶体＞分子晶体；三氯化铁的熔沸点较低，且蒸气中有双聚分子Fe2Cl6存在，则符合分子晶体特点，故选A。
04
课堂练习
3．下列叙述不正确的是
A．离子晶体中一定含有阴、阳离子
B．离子晶体都是化合物
C．固态不导电、溶于水能导电，这一性质能说明某晶体一定是离子晶体
D．离子晶体一般具有较高的熔点
04
课堂练习
【答案】C
【详解】A．离子晶体是通过离子键形成的，故离子晶体中一定含有阴、阳离子，A正确；
B．由阴阳离子构成的化合物为离子晶体，B正确；
C．固体不导电、溶于水能导电的不一定是离子晶体，如AlCl3，C错误；
D．离子晶体是通过离子键形成的，键能较大，故离子晶体一般具有较高的熔点，D正确；
故选C。
04
课堂练习
4．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
【答案】B
【详解】金属晶体内部是由金属阳离子和自由移动的电子构成的，在外加电场作用下自由电子定向移动，产生电流，这就是金属导电的原因。
04
课堂练习
5．X、Y、Z、W 是原子序数依次增大的四种短周期元素。基态X、Z原子的电子均填充了3个能级，且均有2个未成对电子，W的核外电子数是X原子最外层电子数的3倍。下列说法正确的是
A．与Y同周期且第一电离能比Y小的元素有四种
B．元素X的氢化物的沸点一定比元素Y的氢化物低
C．Z与W形成WZ，属于离子晶体可作耐高温材料
D．简单离子半径：r(W)>r(Z)>r(Y)
04
课堂练习
【答案】C
【分析】X、Y、Z、W 是原子序数依次增大的四种短周期元素。基态X、Z原子的电子均填充了3个能级，且均有2个未成对电子，则X为C、Z为O，那么Y为N；W的核外电子数是X原子最外层电子数的3倍，W为12号元素Mg；据此分析解答。
【详解】A．同一周期随着原子序数变大，第一电离能变大，N的2p轨道为半充满稳定状态，第一电离能大于同周期相邻元素，则与Y同周期且第一电离能比Y小的元素有Li、Be、B、C、O共五种，A错误；
B．碳可以形成相对分子质量很大的烃，其沸点可能很高，故元素X的氢化物的沸点不一定比元素Y的氢化物低，B错误；
C．Z与W组成的化合物氧化镁熔点为2800℃，可作耐高温材，C正确；
D．电子层数越多半径越大，电子层数相同时，核电荷数越大，半径越小；简单离子半径：r(Y)＞r(Z)＞r(W)，D错误；
故选C。
04
课堂练习
6.下列关于金属及金属键的说法正确的是(　　)
A.金属键具有方向性和饱和性
B.金属键是金属阳离子与自由电子之间的相互作用
C.金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子
D.金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光
B
04
课堂练习
7．下列有关金属键的叙述中，错误的是(　　)
A．金属键没有饱和性和方向性
B．金属键是金属阳离子和自由电子之间存在的强烈的静电吸引作用
C．金属键中的电子属于整块金属
D．金属的性质和金属固体的形成都与金属键有关
A
04
课堂练习
8.金属晶体的下列性质中,不能用金属晶体结构加以解释的是(　　)
A.易导电 B.易导热
C.有延展性 D.易锈蚀
D
04
课堂练习
9.MgO、Cs2O、CaO、BaO四种离子晶体熔点的高低顺序是(　 　)
A.MgO>Cs2O>BaO>CaO B.MgO>CaO>BaO>Cs2O
C.CaO>BaO>MgO>Cs2O D.CaO>BaO>Cs2O>MgO
B
04
课堂练习
10.为了确定SbCl3、SbCl5、SnCl4是否为离子化合物,进行下列实验。其中合理、可靠的是(　　)
A.观察常温下的状态,SbCl5是苍黄色液体,SnCl4为无色液体。结论:SbCl5和SnCl4都是离子化合物
B.测定SbCl3、SbCl5、SnCl4的熔点依次为73.5 ℃、2.8 ℃、-33 ℃。结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4都不是离子化合物
C.将SbCl3、SbCl5、SnCl4溶解于水中,滴入HNO3酸化的AgNO3溶液,产生白色沉淀。结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4都是离子化合物
D.测定SbCl3、SbCl5、SnCl4水溶液的导电性,发现它们都可以导电。结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4都是离子化合物
B
04
课堂练习
11.钠的卤化物（NaX）和硅的卤化物（SiX4）的熔点如图所示
①判断晶体的类型。
②解释熔点变化的原因。
NaF
NaCl
NaBr
NaI
SiF4
SiCl4
SiBr4
SiI4
离子晶体
X-半径增大，离子键减弱
分子晶体
相对分子质量增大，
分子间作用力增加
感谢观看
THANK YOU

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