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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
3.3.1金属晶体
年 级：高二 学 科：化学(人教版)
学习目标
课标要求：
1. 借助金属晶体等模型认识晶体的结构特点。
2. 知道金属键的特点与金属某些性质的关系。
3. 认识金属晶体的物理性质与晶体结构的关系。
素养要求：
1. 结合常见的离子化合物和金属单质的实例，认识这些物质的构成微粒、
微粒间相互作用与物质性质的关系，培养宏观辨识与微观探析的核心素养。
2. 知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的。
3. 借助离子晶体、金属晶体等模型认识晶体的结构特点，预测物质的性质， 形成证据推理与模型认知的核心素养。
金属原子 金属晶体 导电、导热、延展性等
思考2金属晶体中的原子是通过什么作用结合在一起的 金 属 键
金属晶体
国家体育场的钢架结构铝锂合金用于C919飞机的外壳 铜电缆
构成的微粒 → 微粒间相互作用 → 物质的聚集状态 → 物质的性质
思考1 金属有哪些共同的物理性质
【主干知识梳理】
一、金属键和金属晶体
1、金属键(1)概念：在金属单质晶体中原子之间以金属阳离子与自由电子之 间的强烈的相互作用叫做金属键(2)成键微粒：金属阳离子和自由电子(3)成 键条件：金属单质或合金(4)成键本质——电子气理论：金属原子对外围电子 的束缚力不强，从金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“ 电子气 ”,被所有原子所共用，从而把所有金属原子维系在一起，形成像共价晶体 一样的 “巨分子”
金属晶体的电子气理论示意图
金属键小结
金属键 决定 金属的物理性质
原子半径 价电子数
熔沸点
延展性
导电性
导热性
金属光泽
原子半径越大，价电子数越少，
金属键越弱，反之，金属键越强
金属键越强，金属的熔 沸点越高，硬度越大
(5)金属键的特征：金属键没有方向性和饱和性。晶体中的电子不专属于某 一个或几个特定的金属阳离子，而几乎是均匀地分布在整块晶体中，因此晶 体中存在所有金属阳离子与所有自由电子之间“弥漫”的电性作用，这就是 金属键，因此金属键没有方向性和饱和性
2、金属晶体(1)概念：通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的晶 体，叫做金属晶体(2)构成的微粒：金属阳离子和自由电子(3)微粒间的作
用力：金属键(4)气化或熔化时破坏的作用力：金属键(5)常见的金属晶体： 金属单质和合金
3、用电子气理论解释金属的物理性质(1)延展性：金属材料有良好的延展性， 由于金属键没有方向性，当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层发生相 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。当向金 属晶体中掺入不同的金属或非金属原子时，就像在滚珠之间掺入了细小而坚 硬的砂土或碎石一样，会使这种金属的延展性甚至硬度发生改变，这也是对 金属材料形成合金以后性能发生改变的一种解释(2)导热性：金属的导热性是 自由电子在运动时与金属离子碰撞而引起能量的交换，从而使能量从温度高 的部分传到温度低的部分，使整块金属达到相同的温度。
外 力
【微点拨】金属的热导率随温度升高而降低是由于在热的作用下，自由电 子与金属原子频繁碰撞，阻碍了自由电子对能量的传递(3)导电性：金 属 材料有良好的导电性是由于金属晶体中的自由电子可以在外加电场作用下 发生定向移动而形成电流，呈现良好的导电性【微点拨】金属导电的微粒 是自由电子，电解质溶液导电的微粒是自由移动的阳离子和阴离子；前 者 导电过程中不生成新物质，为物理变化，后者导电过程中有新物质生成， 为化学变化。因而，二者导电的本质不同
电子运动没有固定方向 电子定向移动
未通电
导电
通电
0
IA ⅢA IVA VA VIA VIA
Mg Al
熔点升高
半径依次减小，阳离子电荷数依次增多，金属键强度增强
半径依次增大，阳离子电荷数相同，金属键强度减弱
IA
Li
Na
K
Rb
Cs
为什么
s 区 nsl-2
熔点降低
4、金属晶体熔、沸点比较(1)金属的熔点高低与金属键的强弱直接相关。
金属键越强，金属的熔点(沸点)越高，硬度一般也越大(2)金属键的强弱
主要取决于金属元素原子的半径和价电子数。原子半径越 小 ，价电子数越 多 ，金属键越强①同周期金属单质，从左到右熔、沸点升高，如：Na、Mg、 Al的熔、沸点逐渐升高②同主族金属单质，从上到下熔、沸点降低，如：
碱金属从上到下熔、沸点逐渐降低(3)金属晶体熔点差别很大，如汞常温 为液体，熔点很低(-38.9 ℃), 而铁等金属熔点很高(1535 ℃)
(4)金属的熔点和硬度差别很大，和什么因素有关
一般存在以下规律：
①同周期金属单质，从左到右熔、沸点升高
②同主族金属单质，从上到下熔、沸点降低
③合金的熔、沸点比其各成分金属的熔、沸点低
金属单质
熔点/℃
Li
180.5
Na
97.81
K
63.65
Rb
38.89
Cs
28.40
离子半径越 小
一电荷越多
熔沸点越高 硬度越大
金属键
越强
金属键 的强弱
答题策略
看金属键的强弱，取决于金属原子的半径和价电子数
答题模板
金属原子价电子数相等，则看金属原子的半径：同主族金属元素同为 金属晶体，M原子半径小于N原子，故M晶体的金属键强，熔、沸点高
金属原子价电子数不相等，金属原子的半径也不相等：同周期金属元 素同为金属晶体，M原子半径小于N原子，M原子价电子数大于N原子价 电子数，故M晶体的金属键强，熔、沸点高
1 K的熔沸点小于Na,原因是：同为金属晶体，K原子的半径大于Na原子，故金 属键Na的强，熔、沸点也高 2 Mg的熔沸点小于Al,原因是：同为金属晶体，Mg原子的半径大于AI原子， Mg原子的价电子数小于AI原子的价电子数，故金属键AI的强，熔、沸点也高
5、金属晶体熔、沸点比较答题模板
【对点训练1】
思考与讨论
(1)含有阳离子的晶体中一定含有阴离子吗
提示：不一定。如金属晶体中含有金属阳离子和自由电子，但没有阴离子；但晶体 中有阴离子时，一定有阳离子。
(2)含金属阳离子的晶体一定是离子晶体吗 提示：不一定。也可能是金属晶体。
(3)离子晶体中一定含有金属元素吗 由金属元素和非金属元素组成的晶体一定 是离子晶体吗
提示：不一定。离子晶体中不一定含金属元素，如NH C1、NH NO 等铵盐。由金属 元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体，如A1Cl 晶体是分子晶体。
(4)纯铝硬度不大，形成硬铝合金后，硬度很大，金属形成合金后为什么有些物理 性质会发生很大的变化
提示：金属晶体中掺入不同的金属或非金属原子时，影响了金属的延展性和硬度。
晶体类型 电解质
金属晶体
导电时的状态 水溶液或熔融状态下
晶体状态
导电粒子 自由移动的离子
自由电子
导电时发生的变化 化学变化
物理变化
导电能力随温度升高 增强
减弱
思考与讨论
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
晶体类型 共价晶体 分子晶体
金属晶体
概念 相邻原子之间以共价键 相结合而成具有空间网 状结构的晶体 分子间以范德华力 相结合而成的晶体
通过金属键形 成的晶体
作用力 共价键 范德华力
金属键
构成微粒 原子 分子
金属阳离子和自由电子
物理性质 熔沸点 很高 很低
差别较大
硬度 很大 很小
差别较大
导电性 无(硅为半导体) 无
导体
实例 金刚石、二氧化硅、晶 体硅、碳化硅 Ar、S等
Au、Fe、Cu、钢铁等
三种晶体类型与性质的比较
金属晶体的认知模型
构成的微粒→微粒间相互作用→物质的聚集状态→物质的性质
金属阳离子7
金属键一→金属晶体一→导电、导热、延展性等
自由电子
自由电子
构成
粒子
金属离子
力
用
作
金 属 晶 体
课堂小结
物理通性
金属键
决定
二、金属晶体的堆积方式1、堆积原理：组成晶体的金属原子在
没有其他因素影响时，在空间的排列大多服从紧密堆积原理。
这是因为在金属晶体中，金属键没有方向性和饱和性，因 此 都 趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围，并以密堆 积方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定
非密置层
密置层
特点 每个圆球与其他四个球相切
每个圆球与其他六个球相切
二维平面堆积图 示
是否是最密堆积 不是
是
配位数 4
6
2、金属原子在二维平面中的堆积模型：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：二维空间里),可有两种方式——非密置层 和密置层
(1)配位数：在密堆积中，一个原子周围所邻接的原子的数目称为配位数。如 果把金属原子视为一个球体，则一个圆球周围靠的最近的圆球为配位数
3、金属晶体的原子在三维空间里的4种堆积模型(1)简单立方堆积：将非密置 层球心对球心地垂直向上排列，这样一层一层地在三维空间里堆积，就得到简 单立方堆积。这种堆积方式形成的晶胞是一个立方体，每个晶胞含一个原子， 这种堆积方式的空间利用率为52%, 配位数为6。这种堆积方式的空间利用率 太低，只有金属钋(Po)采取这种堆积方式
(2)体心立方堆积—一钾型：非密置层的另一种堆积方式是将上层金属原子 填入下层的金属原子形成的凹穴中，并使非密置层的原子稍稍分离，每层均 照此堆积。碱金属和铁原子都采取此类堆积方式，这种堆积方式又称钾型堆 积。这种堆积方式可以找出立方晶胞，空间利用率比简单立方堆积高得多， 达到68%, 每个球与上、下两层的各4个球相接触，故配位数为8
(3)六方最密堆积和面心立方最密堆积：密置层的原子按体心立方堆积的方 式堆积，会得到两种基本堆积方式——六方最密堆积和面心立方最密堆积。 这两种堆积方式都是金属晶体的最密堆积，配位数为12, 空间利用率均为 74%,但所得晶胞的形式不同
六方最密堆积
面心立方最密堆积
六方最密堆积重复周期为两层，按 ABABABAB……的方式堆积。由于在 这种排列方式中可划出密排六方晶 胞，故称此排列为六方最密堆积。 由此堆积可知，同一层上每个球与 同层中周围6个球相接触，同时又 与上下两层中各3个球相接触，故 每个球与周围12个球相接触，所以 其配位数是12。原子的空间利用率 最 大 。Mg、Zn、Ti都是采用这种堆 积方式
面心立方最密堆积按ABCABCABC……的方式 堆积。将第一密置层记作A,第二层记作B
,B层的球对准A层中的三角形空隙位置，
第三层记作C,C层的球对准B层的空隙，同 时应对准A层中的三角形空隙(即C层球不对 准A层球)。以后各层分别重复A、B、C层排 列，这种排列方式三层为一周期，记为
ABCABCABC……由于在这种排列中可以划出 面心立方晶胞，故称这种堆积方式为面心 立方最密堆积。Cu、Ag、Au等均采用此类 堆积方式
六方最密堆积 面心立方最密堆积
堆积模型 简单立方堆积 体心立方堆积(钾 型 ) 面心立方最密堆积( 铜型)
六方最密堆积(镁
型 )
晶胞
代表金属 n8.(πr3)× 00%=Na K Fe Cu Ag Au
Mg Zn Ti
配位数 6 8 12
12
每个晶胞所含原子数 1 2 4
6或2
原子半径(r)与立方 体边长为(a)的关系 a=2r √3 a=4r √2 a=4r
——
密度的表达式 --÷-
空间利用率表达式 ×--
4、金属晶体的四种堆积模型比较
【微点拨】六方最密堆积的晶胞是平行六面体但不是立方体，底
面中的角度不是90°,而是60°和120°,晶胞内的原子不是在 晶胞的中心
a、b不相等
a
o 二
六方最密堆积
b 在晶胞的一 半的中心
~120°
取1/3
60°
空间利用率
(1)简单立方堆积：如图所示，原子的半径为r, 立方体的棱
5、金属晶胞中原子空间利用率计算：空间利用率等于微粒总体积比晶胞总体积
长为2r, 则
空间利用率
V 晶胞=(2r) =8r ,
(2)体心立方堆积：如图所示，原子的半径为r, 体对角线c 为4r, 面对角线b
空间
(3)面心立方最密堆积：如图所示，原子的半径为r, 面对角线为4r, a=2 √2r,V 晶胞=a =(2√ 2r) =16 √2r ,1个晶胞中有4个原子，则：
空间利用率
(4)六方最密堆积：如图所示，原子的半径为r, 底面为菱形(棱长为2r, 其 中
一个角为60°),则底面面积S=2r× √3r=2 √3 r , √2r
则：空间利用率
3r
6、晶体密度的计算公式推导过程：若1个晶胞中含有x 个微粒，晶胞的棱长为a
则晶胞的物质的量为：
晶胞的质量为：
密度为：
【对点训练2】【课后作业】

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