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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
第三章 晶体结构与性质
第三节 金属晶体与离子晶体
1.认识金属晶体、离子晶体结构特点。
2.认识金属晶体、离子晶体的物理性质与晶体结构的关系。
3.知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普通存在的。
学习目标：
素养目标：
通过金属晶体、离子晶体探究学习，发展“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”的学科核心素养。
观察与思考
金首饰
铜导线
铝锅
钢材
为什么金属都有金属光泽，都有较好的延展性，导电导热性？
在金属晶体中，金属原子就像很多硬球一层一层很紧密堆积，每一个金属原子的周围有较多的原子围绕着，所以金属晶体中不存在单个分子或原子，金属晶体是一个“巨分子”。
一、金属键与金属晶体
学习任务1：金属晶体
金属原子间通过金属键相互结合形成的晶体
(1)什么是金属晶体
(2)金属晶体由什么粒子构成
金属阳离子和自由电子
(3)金属晶体依靠什么作用力形成的
金属键
(4)那些物质的晶体属于金属晶体
(5)金属晶体中原子堆积方式是怎样的
金属单质或合金(晶体锗、灰锡、汞除外)
常见金属 Ca、Al、Cu、Ag、Au、Pd、Pt Li、Na、K、Ba、W、Fe Mg、Zn、Ti
结构示意图
原子堆积类型
晶胞原子数
面心立方晶胞
体心立方晶胞
六方晶胞
请结合下表中辅助线的提示，描述其晶胞的结构特点，并计算晶胞中含有的原子数。
交流·研讨
表3－2－1 常见金属晶体的结构
60°
120°
8×1/8 + 6×1/2 = 4
8×1/8 + 1 = 2
4×1/6 +4×1/12+1
=2
学习任务2：金属键的本质
(1)什么是金属键
(2)金属键的成键粒子是什么
(3)金属键成键的条件是什么
(4)什么是金属键的电子气理论模型
(5)金属键有什么特征
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强烈的相互作用。
金属阳离子和自由电子。
金属单质或合金。
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”。
金属键无方向性和饱和性。金属键的差异很大。如，金属钠的熔点较低、硬度较小，而钨是熔点最高的金属，铬是硬度最大的金属，这是由于金属鍵的强弱不同。
(1)为什么金属有延展性
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滚珠之间的润滑剂作用，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矿石一样，会使这种金属的延展性甚至硬度发生改变。
学习任务3：用金属键理论模型解释金属的通性
(2)为什么金属有导电性
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
另一种描述金属键的理论是能带理论。
(3)为什么金属有导热性
自由电子移运动时与金属离子相互碰撞，在碰撞过程中发生能量交换。
当金属的某一部分受热时，从区域获得能量的电子会向别处运动并发生碰撞，将能量从温度高的区域传递到温度低的区域，最后使整块金属的温度趋于一致。金属的导热性可以解释生活中常见的一些现象。
在冬天我们感觉金属制品比木制品更凉，原因是当人接触到金属时，金属很快将人体的热量传递出去，因为木制品不易导热所以当人接触到木制品时，身体的热量不易散失。
(4)为什么金属不透明有光泽
因为固态金属中有“自由电子”，所以当可见光照射到金属表面上时，“自由电子”能够吸收所有频率的光并且很快放出，使得金属不透明并具有金属光泽。
二、离子晶体
学习任务1：离子晶体
(1)什么是离子晶体
(2)离子晶体由什么粒子构成
(3)离子晶体依靠什么作用力形成的
(4)那些物质的晶体属于金属晶体
是由阳离子和阴离子相互作用(离子键)形成的晶体。
是由阳离子和阴离子构成，有的还存在电中性的分子(如H2O、NH3等)。阳离子或阴离子不仅指单原子离子，还包括复杂离子，如NH4+、SO42-。
离子晶体依靠离子键形成的(有的还存在共价键、氢键)。离子键没有方向性和饱和性。因此，以离子键结合的离子晶体倾向于形成紧密堆积，使每个离子周围尽可能多地排列异性电荷的离子，从而达到稳定的目的。
强碱、活泼金属氧化物和过氧化物、大部分盐。
(1)NaCl晶胞是怎样的
学习任务2：离子晶体例析
NaCl晶胞
NaCl晶胞可视化
Na+数：
NaCl晶胞中：
12× +1=4
1
4
Cl-数：
8× +6× =4
1
8
1
2
1个晶胞中含4个NaCl
CsCl晶胞
(2) CsCl晶胞是怎样的
CsCl晶胞可视化
Cs+数：
CsCl晶胞中：
1
Cl-数：
1个晶胞中含1个CsCl
8× =1
1
8
(2)离子晶体由较高的熔、沸点
(1)离子晶体硬度较大，难于压缩
学习任务3：离子晶体的物理性质
因为离子晶体中离子间存在较强的离子键
因为离子晶体由固态变成液态或气态时破坏较强的离子键需要较多的能量。
观察与思考
观察下列物质的熔、沸点，离子晶体可能具有什么物理性质？
物质 NaCl CsCl CaO
熔点/℃ 801 645 2613
沸点/℃ 1413 1290 2850
我们知道，金属的熔点差异很大，如钨的熔点3410℃，而常温下，汞却是液体。离子晶体的差异是不是也很大呢？请从理化手册或互联网查找下列离子化合物的熔点，并得出结论与同学交流。
思考与讨论
物质 熔点/℃ 物质 熔点/℃
CaO 2613 Na2SO 4 884
KCl 1326 Ca2SiO4 2130
NH4NO3 169.6 Na3PO4 340
BaSO4 1580 CH3COOCs 194
LiPF6 200(分解) NaNO2 270
结论：
离子晶体的熔、沸点差异也比较大。一般说来，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，离子键越强，离子晶体的熔、沸点越高。
离子液体
离子晶体的熔点，有的很高，如CaO的熔点为2613℃，有的较低，如NH4NO3 、 Ca (H2PO4)2的熔点分别为170℃、109℃。早在1914年就有人发现，引入有机基团可降低离子化合物的熔点，如 C 2H5NH3NO3 的熔点只有12℃，比 NH4NO3低了158℃！到20世纪90年代，随着室温或稍高于室温时呈液态的离子化合物的优异性质不断被开发利用，人们オ意识到它们的巨大价值，并将它们定义为离子液体。
大多数离子液体含有体积很大的阴、阳离子（如图3-31)。常见的阴离子如四氯铝酸根（ AlCl4-)、六氟磷酸根（ PF6- 。)、四氟硼酸根（ BF4- ）等，常见的阳离子如季铵离子( R4N+ ，即 NH4+的 H 被烃基 R 取代）、带烃基侧链的咪唑、嘧啶等有环状含氮结构的有机胺正离子等。
科学 技术 社会
图3-31 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐
N+－CH3
N
P
F
F
F
F
F
F
[ ]-
传统的有机溶剂大多易挥发，它们的蒸气大多有毒，而离子液体却有难挥发的优点，这是由于离子液体的粒子全都是带电荷的离子。
离子液体可用作溶剂。例如，有一种叫天丝的织物纤维，是将树木的纤维素分子溶于一种离子液体，滤去不溶的木质素后，加水析出纤维素分子组装成的再生植物纤维。离子液体有良好的导电性，用作电化学研究的电解质，并被开发为原电池的电解质。许多离子液体被用作有机合成的溶剂和催化剂，如合成药物。离子液体在生物化学等科研领域也有广泛应用。
2014年，曾报道了两种蚂蚁打架，一种喷射碱性有机胺毒液，另一种喷射甲酸，两种物质相遇反应，得到含有机胺正离子和甲酸根负离子的黏稠液体，是首例发现于自然界的离子液体。
离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
存在微粒 阴阳离子 原子 分子 金属离子、
自由电子
微粒间作用 离子键 共价键 范德华力 金属键
主要性质 硬而脆，熔、沸点高，易溶于极性溶剂，熔化时能够导电。 硬而脆，熔、沸点很高，不溶于大多数溶剂，导电性差 硬度小，溶、沸点低，水溶液能够导电 金属光泽，是电和热的良导体，熔、沸点高或低
实例 NaCl、CsCl晶体 金刚石 干冰 铜
各种晶体类型的比较
小结1：
三、过渡晶体与混合晶体
我们已经讨论了分子晶体、共价晶体、金属晶体和离于晶体等四类典型晶体。事实上，纯粹的典型晶体是不多的，如第三周期前几种元素的氧化物中，化学键中的离子键成分如表3-4。观察下表，你得出什么结论？
观察与思考
氧化物 Na2O MgO Al2O3 SiO2
离子键百分数 62 50 41 33
电负性差 2.6 2.3 2.0 1.7
表中四种晶体中的化学键既不是纯粹的离子键也是不纯粹的共价键；电负性相差越大，离子键百分数越大。
学习任务1：过渡晶体
(2)怎么界定一种晶体的类型
(1)什么是过渡晶体
处在典型晶体之间的晶体称为过渡晶体。事实上，纯粹的典型晶体是不多的，大多数晶体是它们之间的过渡晶体。四类晶体都有过渡晶体。
偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体接近，因而通常当作离子晶体来处理，如 Na2O等。同样，偏向共价晶体的过渡晶体则当作共价晶体来处理，如Al2O3、 SiO2等。
(3)第三周期后几种元素的氧化物的晶体类型又是怎样变化的
P2O5、 SO3 、Cl2O7 (电负性的差分别是1.4、1.0、0.5)都是分子晶体，表明离子键成分的百分数更小了，而且共价键不再贯穿整个晶体，而是局限于晶体微观空间的一个个分子中了。
石墨的层状结构
学习任务2：混合晶体
(1)石墨与金刚石都是碳单质，石墨是不是也与金刚石一样属于共价晶体
石墨不同于金刚石，它的碳原子不像金刚石的碳原子那样呈 sp3 杂化，而是呈 sp 2杂化，形成平面六元并环结构。因此，石墨晶体是层状结构的，层内的碳原子的核间距为142 pm ,层间距离为335 pm ，说明层间没有化学键相连，是靠范德华力维系的。石墨的二维结构内，每个碳原子的配位数为3，有一个未参与杂化的2p电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面。
石墨结构中的未参与杂化的P轨道
石墨晶体中的二维平面结构
晶体内部含两种以上键型的晶体。石墨是典型的混合晶体。
(2)什么是混合晶体
共价键
范德华力
(3)为什么石墨能导电
石墨结构中，由于所有的 p轨道相互平行而且相互重叠，使 p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动。因此，石墨有类似金属晶体的导电性，而且，由于相邻碳原子平面之间相隔较远，电子不能从一个平面跳跃到另一个平面，所以石墨的导电性只能沿石墨平面的方向。
(4)过渡晶体和混合晶体说明了什么
对事物的简单归类尽管条理鲜明，却可能只是概括了最典型的事实。在考察大量的晶体后，人们发现，许多晶体不能被归为分子晶体、共价晶体、金属晶体和离于晶体四类晶体的某一类。但是，四类晶体仍然是考察晶体化学结构的基础。。
硅 酸 盐
硅酸盐是地壳岩石的主要成分。硅酸盐的阴离子结构丰富多样，既有有限数目的硅氧四面体构建的简单阴离子，如 SiO44- 、Si2076-、( SiO3 )612- (六元环)等，也有以硅氧四面体为结构单元构成一维、二维、三维无限伸展的共价键骨架。金属离子则以离子键与阴离子或阴离子骨架结合。部分Si被A1取代则得到铝硅酸盐。
资料卡片
图3-33 硅酸盐晶体中的阴离子举例
单链
六元环
双链
纳米晶体
纳米晶体是晶体颗粒尺寸在纳米（10-9 m )量级的晶体。纳米晶体相对于通常的晶体，在声、光、电、磁、热等性能上常会呈现新的特性，有广阔的应用前景。仅以熔点为例，当晶体颗粒小至纳米量级，熔点会下降。例如，金属铅的晶粒大小与熔点的关系如表3-5和图3-34。 表3-5 金属铅的晶粒大小与熔点
由此可见，晶体颗粒小于200 nm 时，晶粒越小，金
属铅的熔点越低。因此，我们通常说纯物质有固定的熔
点，但当纯物质晶体的颗粒小于200 nm （或者250 nm ）
时，其熔点会发生变化。纳米晶体为什么会有不同于大
块晶体的特性呢？主要原因是晶体的表面积增大。
科学 技术 社会
r/nm 5 10 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
T/K 34.7 144 294 420 473 502 520 533 542 549 554 559
小结2：
晶体
固体
非晶体
如玻璃、炭黑
分子晶体
共价晶体
金属晶体
离子晶体
过渡晶体
混合晶体
分子通过范德华力或氢键形成
如冰、干冰
如金刚石、低温SiO2晶体
如铜晶体
如NaCl、CsCl晶体
如MgO晶体
如石墨晶体
原子通过共价键形成
金属原子间通过金属键形成
离子间通过离子键形成
处在典型晶体之间的晶体
晶体含两种以上键型的晶体
分类
性质：
固定熔点、自范性、各向异性
描述：
晶胞
均摊法、配位数
学习评价：
1.参照下表中物质的熔点，回答有关问题：
物质 NaF NaCl NaBr NaI NaCl KCl RbCl CsCl
熔点℃ 995 801 755 651 801 776 715 646
物质 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 SiCl4 GeCl4 SnCl4 PbCl4
熔点℃ －90.2 －70.4 5.2 12.05 －70.4 －49.5 －36.2 －15.0
① 钠的卤化物及碱金属的氯化物的熔点高低取决于其______，在这种情况下，_____越大，_______越弱，故熔点依次降低。
② 硅的卤化物及硅、锗、锡、铅的氯化物的熔点高低取决于其 ，
___________越大， 越大，故熔点依次升高。
③ 钠的卤化物的熔点比相应硅的卤化物的熔点高得多，这是由____________________________________________。
半径
半径
离子键
相对分子质量
相对分子质量
分子间作用力
钠的卤化物为离子晶体，硅的卤化物为分子晶体
2. 如图所示是某些晶体的结构，它们分别是NaCl、CsCl、干冰、金刚石、石墨结构中的某一部分。
⑴ 其中代表金刚石的是（填编号字母，下同）_____，其中每个碳原子与____个碳原子最接近且距离相等。金刚石属于______晶体。
⑵ 其中代表石墨的是_____，其中每个正六边形占有的碳原子数平均为______个。
⑶ 其中代表NaCl的是______，Na+配位数是_____。
⑷ 代表CsCl的是___，它属于______晶体，每个Cs+与_____个Cl—紧邻。
⑸ 代表干冰的是_____，它属于________晶体，每个CO2分子与______个CO2分子紧邻。
⑹ 上述A、B、C、D四种物质熔点由高到低的顺序______________________________。
D
4
共价
E
2
A
6
C
离子
8
B
分子
12
金刚石>NaCl>CsCl>干冰
金属晶体堆积方式
在日常生活中，我们常常能发现密堆积的例子，图
3-2-1就是一些近似圆球的水果的密堆积。把这种宏观
的现象迁移到对微观物质结构的认识中，把金属晶体看
成由其构成微粒堆积而成的，是一种有效的思维模型。
由于金属键没有方向性，所以金属晶体可以看成由
直径相等的圆球在三维空间堆积而成。等径圆球在平面
上的堆积方式很多。图3-2-2给出了球堆积层的两种模式，
其中最紧密堆积排列只有一种，称为密置层；层与层之间再相互叠放在一起，便形成了晶体的堆积模型，图3-2-3给出了两种通过密置层叠放而得到的堆积方式。
课后拓展视野
感谢聆听！

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