3.3.2金属键和金属晶体 课件 2023-2024学年高二下学期化学人教版（2019）选择性必修2

金属键与金属晶体 第1课时 第三节　金属晶体 情 景 引 入 2 那么，金属晶体中的原子是通过什么作用结合在一起的？ 观察金属置换反应中金属的生长过程，可知：金属具有较为规则的几何外形，是一种晶体，我们称其为金属晶体。 课前引入 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 一、金属键 1. 定义：金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用 金属铜 2. 本质： “电子气理论”示意图 价电子容易脱落 形成遍布整块晶体的“电子气” 价电子被所有原子共用 把所有的金属原子维系在一起 “巨分子” 金属晶体 金属阳离子 自由电子 一、金属键 1. 定义：金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用 金属铜 2. 本质： “电子气理论”示意图 价电子容易脱落 形成遍布整块晶体的“电子气” 价电子被所有原子共用 把所有的金属原子维系在一起 “巨分子” 交流讨论 3. 金属键是否具有方向性和饱和性？ 哪些物质中含有金属键？ 无方向性和饱和性 金属和合金 二、金属晶体 思考： 含有阳离子的晶体中一定含有阴离子吗? 如果有阴离子，一定有阳离子吗？ 3. 构成微粒及微粒间作用力 金属阳离子和自由电子 金属键 金属晶体 构成粒子 粒子间的作用力 (静电作用) 2. 在常温下，金属(除汞外)都是晶体，其中除锗、灰锡外都是金属晶体。 1. 定义：金属原子之间通过金属键相互结合形成的晶体。 知识精讲 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 7 金属的熔点、硬度差异很大。 例如，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，铯是硬度最小的金属。 这是什么缘故呢？ 这是由于形成的金属键强弱不同的缘故，不同金属中金属键的强度差别很大。 金属键的强度与哪些因素有关呢？ 高达3 000 ℃以上 Hg(汞)低至－38.87 ℃ ； 知识精讲 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 8 根据数据，你能总结出什么规律，并解释原因。 晶体 离子半径/pm 电荷数 熔点/℃ 沸点/℃ Li 76 1 180 1340 Na 102 1 97.72 883 Mg 72 2 651 1107 Al 53.5 3 660 2324 K 138 1 63.65 759 规律：同主族金属晶体的熔、沸点随原子序数增大而递减 原因：同主族元素，电荷数相同，从上到下金属阳离子半径依次增大，金属键依次减弱。 思考讨论 二、金属晶体 根据数据，你能总结出什么规律，并解释原因。 晶体 离子半径/pm 电荷数 熔点/℃ 沸点/℃ Li 76 1 180 1340 Na 102 1 97.72 883 Mg 72 2 651 1107 Al 53.5 3 660 2324 K 138 1 63.65 759 规律：同周期金属晶体的熔、沸点随原子序数增大而增大 原因：同周期从左到右，离子半径依次减小，阳离子所带电荷数依次增多，金属键增强。 思考讨论 二、金属晶体 b.判断方法：金属阳离子半径越小，所带电荷数越多，金属键越强，熔沸点就相应越高，硬度也越大。 4. 金属晶体的物理性质 (1)熔、沸点及硬度相差较大 (2)具有延展性、导电性、导热性、金属光泽等物理通性 如何解释金属晶体的物理通性？ 二、金属晶体 a. 金属晶体的熔点不一定都比原子晶体的低，不一定比分子晶体高。 知识精讲 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 11 “电子气理论”解释金属的物理通性 a. 金属键无方向，原子间易滑动，所以金属有良好的延展性。 b. 金属键未被破坏。 外力 二、金属晶体 ①延展性：在金属晶体中，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。 知识精讲 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 12 “电子气理论”解释金属的物理通性 ②导电性：在金属晶体中，存在许多自由电子，这些电子移动是没有方向的. a.在外加电场的作用下，自由电子就会发生定向移动，形成电流，使金属表现出导电性。 二、金属晶体 b. 加热时，金属离子振动加强阻碍“自由电子”的移动，因而金属的电阻随温度升高而增大。 通电 知识精讲 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 13 “电子气理论”解释金属的物理通性 ③导热性： 二、金属晶体 自由电子受热后，加快了运动速度，自由电子通过与金属阳离子发生碰撞，传递了能量，使得金属具有导热性。 知识精讲 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 14 “电子气理论”解释金属的物理通性 ④金属光泽： 二、金属晶体 a. 自由电子可吸收所有频率的光，然后很快释放出各种频率的光，因此绝大多数金属具有银白色光泽。 b. 某些金属(如铜、金、铯等)由于较易吸收某些频率的光而呈现较为特殊的颜色。 c. 当金属在粉末状时，金属晶体的晶面取向杂乱、晶格排列不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以呈黑色。 知识精讲 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 15 【思考与讨论】：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? 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。 二、金属晶体 一般来说，合金的熔点比各组分的熔点低、硬度大。 例如：纯铁（软） 钢铁（硬） 5. 合金 知识精讲 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 16 1、正误判断 (1)金属在常温下都是晶体( ) (2)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( ) (3)金属晶体在外力作用下，各层之间发生相对滑动，金属键被破坏( ) (4)共价晶体的熔点一定比金属晶体的高，分子晶体的熔点一定比金属晶体的低( ) (5)金属晶体除了纯金属，还有大量的合金( ) (6)金属的电导率随温度的升高而降低( ) × × × × √ √ 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 资料 金属之最 熔点最低的金属是-------- 汞 [-38.87℃] 熔点最高的金属是-------- 钨 [3410℃] 密度最小的金属是-------- 锂 [0.53g/cm3] 密度最大的金属是-------- 锇 [22.57g/cm3] 硬度最小的金属是-------- 铯 [0.2] 硬度最大的金属是-------- 铬 [9.0] 最活泼的金属是---------- 铯 最稳定的金属是---------- 金 延性最好的金属是-------- 铂[铂丝直径： mm] 展性最好的金属是-------- 金[金箔厚： mm] 【归纳对比】 晶体 分子晶体 离子晶体 共价晶体 金属晶体 构成微粒 微粒间 作用力 性质 熔、沸点 硬度 溶解性 导电性 教材P 金属导电和溶液导电有何区别？ 知识精讲 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 19 【归纳对比】 晶体 分子晶体 离子晶体 共价晶体 金属晶体 构成微粒 分子 阴、阳离子 原子 金属离子、自由电子 微粒间 作用力 范德华力 (少数有氢键) 离子键 共价键 金属键 性质 熔、沸点 较低 较高 很高 差别较大 硬度 较小 较大 很大 差别较大 溶解性 相似相溶 多数溶于水 不溶 不溶，有些与水反应 导电性 固态、液态均不导电，部分溶于水时导电 固态时不导电，熔融时导电，能溶于水的溶于水时导电 多数在固态、熔融时都不导电，少数为半导体 固态、熔融态时导电 教材P 金属导电和溶液导电有何区别？ 知识精讲 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 20 混合型晶体 熔点均较高，金刚石硬度很高、不导电，石墨质软、能导电。 同是碳单质的晶体，金刚石和石墨的性质存在哪些异同？ 你认为是什么造成了这种差异？ 思考交流 金刚石部分物理性质 熔点 莫氏硬度 电导率/（s·m-1) 3550℃ 10 2.11*10-13 石墨部分物理性质 熔点 莫氏硬度 电导率/（s·m-1) 3850℃ 1 2.5*103 结构决定性质。 共价晶体特征 金属晶体特征 随堂演练 21 石墨结构中未参与杂化的p轨道 1.石墨结构特征——层状结构 （1） 1个C以______杂化方式形成____个C-C键，以_______相结合形成_______平面网状结构。所有C原子剩余的p轨道相互平行且相互重叠，p轨道的电子可在整个C原子平面中运动。 （2）层与层之间以_______相结合。 2.晶体类型： ________、_________和_____ 分子晶体特征 范德华力 共价晶体特征 金属晶体特征 混合型晶体 sp2 共价键 正六边形 共价晶体 金属晶体 分子晶体 3 sp2杂化 （1）石墨为什么具有导电性、导热性？ 石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，容易滑动，所以石墨很软。 石墨各层均为平面网状结构，碳原子之间存在很强的共价键，且共价键键长（ 142 pm ）< 金刚石共价键键长154 pm ，故熔沸点更高。 3.物理性质： 石墨晶体中形成大π键的电子可在整个碳原子平面上远东，比较自由，相当于金属中的自由电子，类似金属键性质，因此石墨能导电、导热，且沿层的平行方向导电性强。 （3）石墨的熔沸点为什么很高，且高于金刚石？ （2）石墨为什么很软，具有润滑性？ 思考与讨论：石墨结构特征——层状结构 1个C形成____个C-C键，晶体中C原子个数：C-C键个数=________; __个C形成六元环，1个C被__个六元环共用，平均每个六元环实际占有____个C； 1 mol C可形成_____个正六边形。 3 2 : 3 6 3 2 1/2 NA 二、金属晶体的原子堆积模型 紧密堆积：微粒之间的作用力使微粒间尽可能的相互接近，使它们占有最小的空间。 配位数：在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数 2. 金属晶体的原子在二维平面堆积模型 （a）非密置层     （b）密置层 配位数：4 配位数：6 1.几个概念 空间利用率 = 3. 金属晶体的原子在三维空间堆积模型 (1)非密置层在三维空间堆积 ①简单立方堆积：相邻非密置层原子的原子核在 ____ 的堆积，只有金属 采用这种堆积方式。 同一直线上 Po 为清晰起见，我们使金属原子不相接触，以便更好地考察这种堆积的晶胞。 26 a. 简单立方堆积的金属：Po b. 配位数： c. 晶胞平均占有的原子数目： d. 金属原子半径 r 与正方体边长 a 的关系： （晶胞中棱边上的球切）即______ e. 空间利用率： 低=52% ①简单立方堆积： 8 1 ×8 = 1 6 a = 2r (1)非密置层在三维空间堆积 ②体心立方堆积： 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。 a. 简单立方堆积的金属： b. 配位数： c. 晶胞平均占有的原子数目： d. 金属原子半径 r 与正方体边长 a 的关系： e. 空间利用率： ②体心立方堆积： 68% a b a a. 体心立方堆积的金属： b. 配位数： c. 晶胞平均占有的原子数目： d. 金属原子半径 r 与正方体边长 a 的关系： （晶胞中体对角线上的球相切）即_____________ e. 空间利用率： 8 1 ×8 = 2 + 1 钠、钾、铁（碱金属） 8 a = 4 r 3 (2)密置层在三维空间堆积 ③六方最密堆积：按 __________ 的方式堆积。 ④面心立方最密堆积：按 _________ 的方式堆积。 ABABABAB ABCABCABC 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 A B ， 关键是第三层，第三层可以有两种堆积方式。 密置层的两种堆积方式(六方最密堆积和面心立方最密堆积)对第一层来讲是相同的，均是将球对准1，3，5位或对准2，4，6位。 每两层形成一个周期(即ABAB堆积) 配位数 。 ( 同层 ，上下层各 ) 12 6 3 俯视图 A B A B A 正视图 (2)密置层在三维空间堆积 ③六方最密堆积： ③六方最密堆积： 1200 平行六面体 1200 a. 六方最密堆积的金属： b. 配位数： c. 晶胞平均占有的原子数目： d. 金属原子半径 r 与正方体边长 a 的关系： （晶胞上下两个面分别形成两个三角形，正三角形上的球相切）即_____________ e. 空间利用率： 8 1 ×8 = 2 + 1 12 a = 2 r Zn、Ti、Mg、Be、Ca、Sr、Co、Ni、Cd 74% ③六方最密堆积： 1200 讨论：空间利用率怎样计算呢？ = h/2r h= r 底面积S = 2r×h = 2 r2 晶胞内的原子与面上的3个原子形成正四面体 ④面心立方最密堆积： 每三层形成一个周期(即ABCABC堆积) 配位数 。 ( 同层 ，上下层各 ) 12 6 3 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 A B A B C A 1 2 3 4 5 6 前视图 C 第三层“心对空” ④面心立方最密堆积： B C A ④面心立方最密堆积： B C A 空间利用率：74% a3 4×4πr3/3 = 4r = a a. 面心立方堆积的金属： b. 配位数： c. 晶胞平均占有的原子数目： d. 金属原子半径 r 与正方体边长 a 的关系： （晶胞中面对角线上的球相切 ）即_____________ e. 空间利用率： Cu、Ag、Au、Sr、Ca、Al、Pb、Ni 12 a a a a a 4 金属晶体的4种堆积方式比较 堆积 类型 代表 物质 层类型 晶胞 相切 原子 配位数 空间 利用率 简单 立方 体心 立方 六方 最密 面心 最密 Po(钋) 非密置层 棱上2球 6 K Na Fe 非密置层 体对角线3球 8 Mg Zn Ti 密置层 面上2球 12 Cu Ag Au 密置层 面对角线3球 12 52% 68% 74% 74% 【小试牛刀】金属原子在二维空间里的放置有如图所示的两种方 式，下列说法中正确的是（ ） A．图a为非密置层，配位数为6 B．图b为密置层，配位数为4 C．图a在三堆空间里堆积可得六方最密堆积和面心立方最密堆积 D．图b在三维空间里堆积仅得简单立方堆积 C ③晶胞密度 已知，金属原子的半径为r，摩尔质量为M，求简单立方晶胞的密度？ 8 1 ×8 = 1 a. 晶胞中含有的原子数= 晶胞的质量（原子的质量）m= b. 一个原子的质量= c. 晶胞边长（晶胞参数）a= d. 晶胞体积V= a3=8r3 2r 晶胞密度ρ= 探究2.在离子晶体中，阴阳离子具有或接近具有球对称的电子云，它们可以被看成是不等径的钢性圆球，并彼此相切(如下图中)。离子键的键长是相邻阴、阳离子的半径之和(如下图右)。已知Na+半径为m pm，Cl-的半径为n pm，NaCl的理论密度是r g•cm﹣3，求NaCl的摩尔质量。（只列算式，不必计算出数值，阿伏加德罗常数为NA） ρ＝m/V＝ [练习3]. 已知 NaCl 的摩尔质量为 M g·mol-1，食盐晶体的密度为ρg·cm-3，若下图中Na+与最邻近的Cl- 的核间距离为 a cm，那么阿伏加德罗常数的值可表示为 A. 2Ma3ρ    B. M/a3ρ    C. 2M/a3ρ    D.M/2a3ρ D 探究3：已知金刚石晶胞边长为a cm，求晶胞密度 r z x y 1 2 3 4 5 7 6 8 1（0，0，0） 2（1，0，0） 3（1/2，1/2，1） 4（0，1/2，1/2） 5（1/4，1/4，1/4） 6（ 3/4，3/4，1/4 ） 7（ 3/4，1/4，3/4 ） 8（ 1/4，3/4，3/4 ） FormatFactory : www.pcfreetime.com Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.53 $$