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第一节 金属键 金属晶体
第三章 微粒间作用力与物质性质
授课人：
学习目标
1．能描述金属晶体中金属键的成键特征，能用金属键理论解释金属的典型性质。
2．从微粒构成角度认识金属晶体的性质，体会“结构决定性质”，培养宏观辨识与微观探析核心素养。
3．能借助模型说明常见金属晶体中晶胞的构成，并能举例说明合金的优越性能。
金属的应用
一、金属键
除汞等少数金属外，大多数金属单质具有较高的熔点，说明金属晶体中存在着强烈的相互作用。
金属具有导电性，是因为金属晶体中存在着能够自由移动的电子。
一、金属键
金属晶体中的金属键示意图
金属原子失去部分或全部外围电子形成的金属离子与自由电子之间存在着强烈的相互作用，化学上把这种金属离子与自由电子之间强烈的相互作用称为金属键。
①成键微粒：金属阳离子、自由电子
②成键本质：金属阳离子与自由电子之间的强烈的静电作用
一、金属键
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,金属原子释放出的价电子不专门属于某个特定的金属离子,而为许多金属离子所共有,并在整个金属中自由运动,这些电子又称为自由电子。
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。
③特征：金属键无方向性和饱和性，成键电子可以在金属中自由流动
一、金属键
金属特性
导电性
1
金属导电性示意图
通常情况下，金属内部自由电子的运动不具有固定的方向性。但在外电场作用下，自由电子在金属内部会发生定向运动，从而形成电流，所以金属具有导电性。
一、金属键
思考：金属的导电性和电解质的导电性有何不同？
类型 电解质 金属
导电时的状态
导电粒子
导电时发生的变化
导电能力随温度的变化
水溶液或熔融状态下
晶体状态
自由移动的离子
自由电子
化学变化
物理变化
增强
减弱
一、金属键
当金属某一部分受热时，该区域里自由电子的能量增加，运动速率加快，自由电子与金属离子（或金属原子）的碰撞频率增加，自由电子把能量传给金属离子（或金属原子）。
导热性
2
金属的导热性就是通过自由电子的运动把能量从温度高的区域传到温度低的区域，从而使整块金属达到同样的温度。
金属特性
一、金属键
金属键没有方向性，当金属受到外力作用时，金属原子之间发生相对滑动，各层金属原子之间仍然保持金属键的作用。
延展性
3
因此，在一定强度的外力作用下，金属可以发生形变，表现出良好的延展性。
金属特性
一、金属键
思考：金属的光泽铁块、镁条、铜片具有我们常说的金属光泽，但铁粉、镁粉、铜粉没有金属光泽。这是为什么呢？
铁块
镁条
铜片
铁粉
镁粉
铜粉
一、金属键
金属粉末往往没有金属光泽，这是因为在粉末状时，金属的晶面分布在各个方向，非常杂乱，晶格排列也不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以失去光泽。
金属光泽
4
金属中的自由电子容易吸收可见光的能量跃迁到较高能级，在返回原能级时以光的形式放出能量。铁、镁能吸收各种波长的可见光，吸收后又把它们几乎全部反射出去，所以呈钢灰色或银白色光泽。金属对某种波长的光吸收程度较大，该金属就呈现与其对应的某种颜色。如金属铜容易吸收绿色光，即呈现出对应的紫红色。
金属特性
一、金属键
金属单质 熔点/℃
Li 180.5
Na 97.81
K 63.65
Rb 38.89
Cs 28.40
思考：金属的熔点和硬度差别很大，和什么因素有关？
金属的硬度和熔、沸点等物理性质与金属键的强弱有关。
一、金属键
部分金属的原子半径、原子化热和熔点
可用来衡量金属键的强弱。
金属的原子化热
指1 mol金属固体完全气化成相互远离的气态原子时吸收的能量。
一、金属键
金属键强弱的主要影响因素
金属元素的原子半径
单位体积内自由电子的数目
金属元素的原子半径越小，金属键越强。
单位体积内自由电子的数目越多，金属键越强。
或金属阳离子所带电荷或价电子数
或金属阳离子半径的大小
一、金属键
同主族元素，随着核电荷数的增大，金属原子的半径增大，金属键减弱；
同周期元素，随着核电荷数的增大，金属原子半径减小，金属键增强，熔、沸点升高。
金属键的强弱差别较大。
如钠、钾的熔、沸点低，存在的金属键较弱；铬的硬度大，熔、沸点高，存在的金属键较强。
金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。
一、金属键
同主族金属单质，从上至下，熔、沸点依次降低。
如碱金属Li、Na、K等；
思考：同周期、同主族的金属的熔、沸点有什么规律？
同周期金属单质，从左到右，熔、沸点依次升高。
如：Na、Mg、Al；
一般情况下，合金的熔、沸点比各成分金属都低。
典例解析
例1．关于金属键的叙述错误的是(　　)A．金属键没有方向性和饱和性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
B
二、金属晶体
晶体
一般是具有规则的几何外形的固体。
二、金属晶体
定义：金属原子之间通过金属键相互结合形成的晶体。
微粒间的作用力：金属键
铜的晶体结构模型
组成粒子：金属阳离子和自由电子。
二、金属晶体
注意：
②在金属晶体中，不存在单个分子或原子，金属单质或合金(晶体锗、灰锡除外)属于金属晶体。
①在金属晶体中有阳离子，但没有阴离子，所以，晶体中有阳离子不一定有阴离子，若有阴离子，则一定有阳离子。
③金属晶体在受外力作用下,各层之间发生相对滑动,但金属键并没有被破坏。
二、金属晶体
在金属晶体中，金属原子如同半径相等的小球一样，彼此相切、紧密堆积成晶体。金属晶体中金属原子的紧密堆积是有一定规律的。
铜的晶胞模型
金属晶体也是由能够反映晶体结构特征的基本重复单位——晶胞在空间连续重复延伸而形成的。
二、金属晶体
金属晶体常见堆积方式
如果金属原子在平面上（二维空间）紧密放置，可有两种排列方式
非密置层
密置层
二、金属晶体
金属晶体是金属原子在三维空间按一定的规律堆积而成的。将密置层和非密置层按一定的方式在三维空间中堆积，就得到了金属晶体的4种基本堆积方式：
简单立方、体心立方、
面心立方和六方。
二、金属晶体
处在立方体顶点的金属原子为8个晶胞共享,该原子的 属于该晶胞。
1
2
4
3
7
6
8
5
晶胞中粒子数的计算
二、金属晶体
晶胞中粒子数的计算
2
1
3
4
处于立方体棱上的金属原子为4个晶胞共享，该原子的 属于该晶胞。
二、金属晶体
晶胞中粒子数的计算
1
2
处于立方体面上的金属原子为2个晶胞共享，该原子的 属于该晶胞。
二、金属晶体
晶胞中粒子数的计算
1
处于立方体体心的金属原子完全属于该晶胞。
二、金属晶体
晶胞中粒子数的计算
1、简单立方堆积
只有金属钋（Po）采用这种堆积方式
该晶胞中含有8个位于顶点的金属原子，
晶胞中的金属原子数为
8× =1
简单立方晶胞切面示意图
二、金属晶体
晶胞中粒子数的计算
2、体心立方堆积
钠、钾、铬、钼、钨等
该晶胞中含有8个位于顶点和1个位于体心的金属原子，
晶胞中的金属原子数为：
8× +1=2
体心立方晶胞切面示意图
二、金属晶体
晶胞中粒子数的计算
3、面心立方堆积
金、银、铜、铅等
该晶胞中含有8个位于顶点和6个位于面心的金属原子，
晶胞中的金属原子数为：
8× +6× =4
面心立方晶胞切面示意图
二、金属晶体
晶胞中粒子数的计算
4、六方堆积
镁、锌、钛等
六方晶胞切面示意图
思考：立方晶胞中的金属原子数如何计算？
二、金属晶体
晶胞中粒子数的计算
六棱柱
体心（内部）
1
面心
棱边
水平 竖
顶点
二、金属晶体
晶胞中密度的计算
以M表示该晶体的摩尔质量，NA表示阿伏加德罗常数，N表示一个晶胞中所含的微粒数，a表示晶胞的棱长，ρ表示晶体的密度，计算如下：
该晶胞的质量用密度表示：m＝ρ·a3
二、金属晶体
晶胞空间利用率的计算
密堆积：微粒间尽可能地相互接近，使它们占有的空间最小。
金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。将等径圆球在平面上排列，有两种排列方式：
金属原子在平面上的堆积方式
二、金属晶体
晶胞空间利用率的计算
构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占据的体积百分比，用来表示密集堆积的程度。
二、金属晶体
晶胞中配位数的计算
配位数为6
配位数为4
配位数：在晶体中与每个微粒距离最近且相等的微粒个数。
每个圆球与其他4个球相切
每个圆球与其他6个球相切
二、金属晶体
二、金属晶体
典例解析
例2、　如图，铁有δ、γ、α三种同素异形体，三种晶体在不同温度下能发生转化。下列说法不正确的是(　　)
A．γ-Fe晶体晶胞中含有的铁原子个数为4
B．α-Fe晶体晶胞中含有的铁原子个数为1
C．将铁加热到1 500 ℃分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型相同
D．三种同素异形体的性质不相同
C
三、合金
一种金属与另一种或几种金属（或非金属）的融合体。
在科学技术日新月异的今天，各种功能合金更是层出不穷，如防腐性能优异的不锈钢、储氢材料LaNi5合金、形状记忆合金、高强度的锰钢、高磁性的硅钢、航空材料钛合金等。
三、合金
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细小而坚硬的沙土或碎石一样，会使金属的延展性和硬度发生改变。
思考：金属形成合金后为什么有些物理性质会发生很大的变化
一般情况下，合金的延展性和硬度比各成分金属都大。
三、合金
自然界中许多固态物质都是晶体，它们有规则的几何外形，如晶莹的雪花、玲珑剔透的石英、棱角分明的食盐固体和许多矿石。通常条件下，大多数金属单质也是晶体。
课堂小结
金属键
合金
不良反应
金属键定义
金属特性
金属键影响因素
合金优势
金属晶体
金属晶体
金属晶体常见堆积方式
晶体相关计算
随堂练习
1、用X射线研究某金属晶体，测得其立方晶胞的边长为360 pm，此时金属的密度为9.0 g·cm－3。
(1)此晶胞中含金属原子___个。
4
(2)每个晶胞的质量是_____________ g。
(3)此金属的相对原子质量为_______。
4.2×10－22
63.21
谢谢观看
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