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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1 金属晶体 离子晶体
课堂导入
通过观察下图中金属置换反应中金属的生长过程，我们能够发现金属具有较为规则的几何外形，也是一种晶体，一般称其为金属晶体。那么金属晶体是怎么样形成的，金属原子又是通过什么作用力结合在一起的？
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金属键与金属晶体
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。
金属键：金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用。金属晶体中原子以金属键相结合。
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金属键与金属晶体
共价键是具有饱和性与方向性的，那金属键具有这些特征吗？
电子气被所有的金属原子共用，金属键没有方向性及饱和性。
所有金属的金属键强弱相同吗，金属键会怎么影响物质性质？
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金属键与金属晶体
根据所学知识分析钠、镁、铝的金属键强弱，思考三种金属的熔点差异与金属键强度间的联系。
金属键对物质性质的影响：
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钨，硬度最大的金属是铬。
钠、镁、铝原子半径逐渐减小，价电子数逐渐增多，金属键逐渐增强，熔点逐渐升高。
学习了金属键之后，你能总结什么是金属晶体吗？
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金属键与金属晶体
金属晶体：金属(除汞外)在常温下都是晶体，称其为金属晶体。
结构特点：金属晶体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。
成键方式：在金属晶体中，金属原子之间以金属键相互结合。
注意事项：
合金也属于金属晶体；
在金属晶体中存在阳离子，但不存在阴离子；
晶体中存在阳离子时不一定存在阴离子；
晶体中存在阴离子时一定存在阳离子。
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金属键与金属晶体
金属晶体熔点差别较大，一般熔、沸点较高，但有部分熔点较低，如Cs、Hg等。汞在常温下是液体，熔点很低(-38.9℃)，而钨的熔点高达3000℃以上。这是由于金属晶体紧密堆积方式、金属离子与自由电子的作用力强度不同。
金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。把它们放置在平面上(即二维空间)有两种排列方式，分别为非密置层和密置层。
金属晶体的原子在三维空间里有3种常见的堆积方式(图中不同颜色的小球都代表同一种金属原子)，分别是简单立方堆积、体心立方堆积、面心立方堆积。
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金属键与金属晶体
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。
虽然金属晶体的熔沸点和硬度差异相对较大，但一般都具有良好的导电、导热和延展性能，你知道为什么吗？
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。
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金属键与金属晶体
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。
金属内部原子以最紧密堆积状态排列，且存在自由电子，当光线照射到金属表面时，自由电子可以吸收所有频率的光并很快放出，使金属不透明且具有金属光泽。而金属在粉末状态时，晶格排列不规则，吸收可见光后反射不出去，所以金属粉末常呈暗灰色或黑色。
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离子晶体
食盐(NaCl)也具有较高的熔沸点和较大的硬度，其也是金属晶体吗？
离子晶体：由阴离子和阳离子相互作用而形成的晶体。
常见的离子晶体：强碱、活泼金属的氧化物和过氧化物、大多数盐。
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离子晶体
离子晶体：由阴离子和阳离子相互作用而形成的晶体。
离子键：阴阳离子间通过静电作用所形成的强烈的相互作用，包括了静电引力和静电斥力。
注意事项：
离子键不具有饱和性和方向性；
离子晶体中不一定只含有离子键，还可能存在着共价键甚至氢键；
离子晶体中除了阴阳离子外还可能存在着电中性分子，如水合物。
性质：阴阳离子的电荷数与半径会影响离子键的强度，离子键越强，晶体硬度越大，熔沸点越高；离子晶体的固体不导电，但在熔融状态或水溶液中能导电。
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离子晶体
观察氯化钠的晶胞结构，在离子分布、阴阳离子配位数上有什么不同？
氯化钠晶胞中，体心1个Na+，棱上12个Na+，顶点8个Cl-，面心6个Cl-，晶胞中Na+和Cl-数目均为4，符合化学式中阴阳离子的比例。
每个Na+同时吸引着6个Cl-，分别在前后左右上下的位置，每个Cl-同时吸引着6个Na+，分别在前后左右上下的位置，均构成正八面体结构，因此阴阳离子的配位数均为6。
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离子晶体
观察氯化铯的晶胞结构，在离子分布、阴阳离子配位数上有什么不同？
氯化铯晶胞中，体心1个Cs+，顶点8个Cl-，晶胞中Cs+和Cl-数目均为4，也符合化学式中阴阳离子的比例。
每个Cs+同时吸引着8个Cl-，分别在晶胞的八个顶点的位置，每个Cl-同时吸引着8个Na+，分别在所占据八个晶胞的体心位置，均构成正六面体的结构，因此阴阳离子的配位数均为8。
课堂学习
离子晶体
以氯化钠为例，如何解释离子晶体熔沸点高、硬度大以及熔融态和水溶液中能导电等物理性质？
从结构上来看，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。
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。
Na+、Cs+所带电荷一样，但半径Na+小于Cs+，故离子键NaCl强于CsCl，所以NaCl的熔点高于CsCl的熔点。
课堂学习
离子晶体
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。
离子晶体在固态时不能导电，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。
若对离子晶体施加外力，离子产生相对滑动，同种电荷之间产生斥力，使晶面裂开，因此离子晶体延展性差。
课堂学习
离子晶体
化合物 熔点/℃ 化合物 熔点/℃
CaO 2613 Na2SO4 884
CuCl2 1326 Ca2SiO4 2130
NH4NO3 169.6 Na3PO4 340
BaSO4 1580 CH3COOCs 194
LiPF6 200 (分解温度) NaNO2 270
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？
①从表中数据可知，离子晶体的熔点差异也较大。
②从表中还可以发现，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。
课堂巩固
正误判断
1. 不存在只有阳离子，没有阴离子的物质。
4. 离子晶体的熔、沸点一定会低于共价晶体和金属晶体。
2. 金属晶体的熔点一定低于共价晶体，高于分子晶体。
3. 离子晶体中一定含有离子键，一定属于离子化合物。
×
×
√
×
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)
课堂巩固
C
课堂小结
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THANKS

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