3.3.1 金属键与金属晶体 教学设计-2024-2025学年高二下学期化学人教版（2019）选择性必修2

优秀教案系列 第三节　金属晶体与离子晶体 第1课时　金属键与金属晶体 教学分析 · 教学目标 课标要求 素养要求 1.通过教材,初步理解金属键的概念和“电子气理论”。 2.初步学会用“电子气理论”解释金属的物理性质,知道金属键与金属某些物理性质的关系。 3.了解金属晶体内原子的几种常见排列方式,借助金属晶体等模型认识晶体的结构特点。 1.知道金属晶体的结构特点,能借助金属晶体模型说明金属晶体中的粒子及粒子间的相互作用,能从微观的视角来解释金属晶体的导电性、导热性、延展性等宏观性质。 2.通过对金属晶体结构的学习与研究,培养学生的观察能力、空间想象能力等;通过制作模型训练学生的动手能力和空间想象能力。 3.以小组讨论交流、实践活动制作模型的方式培养学生的合作意识和严谨的科学态度。 · 评价目标 理解金属键的概念和“电子气理论”,会用该理论解释延展性、熔点、硬度、导电性、导热性,能比较常见金属的熔、沸点高低,理解不同金属熔点相差大的原因,会分析常见金属晶体的晶胞。 · 教学重难点 重点:金属晶体的结构特点与性质之间的关系,运用“电子气理论”解释金属性质。 难点:金属晶体的结构特点和性质。 · 教学方法 1.科学探究:质疑——实验——分析——解决——归纳——比较。 2.多媒体课件与自制教具相结合的互动探究式课堂教学模式。 3.师生探究模式:教师主动参与到学习小组的探究活动中,适时调控学生的探究进展和探究方向,在交流展示时恰当评价,调动学生的积极性,并形成集体性正确的观点和解题思路。 4.生生探究模式:课堂上教师将学生分成多个学习小组,对某个问题或者多个问题进行探究,通过小组成员的合作,发挥集体的智慧,把自己的疑问探究透彻,并在交流互动中让所有人共享探究过程和探究结论。 · 课时安排 1课时。 · 教学准备 学案,制作多媒体课件。 教学设计 主题 教师活动 学生活动 设计意图 评价维度 　　【展示】常见的金属。 【提问】日常生活中我们一定见过很多金属制品,那么金属是晶体吗? 【提问】金属有哪些通性? 【提问】为什么金属的物理性质与分子晶体、共价晶体的性质有非常明显的区别? 　　观看幻灯片。 【学生回答】金属(除汞外)在常温下都是晶体。 师生一起总结金属的共同性质:有金属光泽、延展性、导电性、导热性等。 思考。 　　创设问题情境,体现化学知识的应用性,从生活实际问题出发,引出本节教学内容,激发学生的学习兴趣。 明确本节教学内容在本章教学内容中的地位和作用。 　　 积极思考。 　　【讲述】金属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。 【讲述】金属的结构决定金属的性质,要理解金属的结构得从“电子气理论”讲起了。 【讲述】经典的金属键理论叫做“电子气理论”。它把金属键形象地描述成从金属原子上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,从而把所有的金属原子维系在一起。 【板书】一、“电子气理论” 二、金属键 1.定义:金属阳离子与自由电子之间的较强的相互作用。 2.成键粒子:金属阳离子和自由电子。 【讲述】金属原子的最外层电子数较少,受原子核的引力较弱,容易失去价电子而形成阳离子和自由电子,所有阳离子共用所有自由电子从而把所有金属原子维系在一起。这种金属离子与自由电子之间的较强作用就叫做金属键。 【板书】3.本质:金属阳离子和自由电子之间的静电作用。 【板书】4.特征:没有饱和性和方向性。 【提问】金属熔化时克服的是什么作用力?为什么不同金属的熔点差距这么大?受哪些因素的影响? 【板书】三、金属晶体 1.定义:通过金属阳离子与自由电子之间的较强的相互作用形成的晶体。 2.粒子间的作用力:金属键。 【讲述】在这里特别要注意的是,含金属阳离子的晶体中不一定含阴离子,含阳离子的晶体不一定含有离子键。 【板书】3.金属单质和合金都是金属晶体。 【过渡】在金属晶体中,由于存在特殊的作用力——金属键,所以金属有着许多有别于其他物质的性质,下面我们看看如何用“电子气理论”来解释金属的各种属性。 倾听、思考。 观看投影: 【交流理解】在金属晶体中,自由电子不专属于某几个特定的金属离子,它们几乎均匀地分布在整个晶体中,被许多金属离子所共有。金属离子的运动状态是在一定范围内振动,而不是自由移动。 【理解】金属键可看成是由许多原子共用许多电子的一种特殊形式的键,这种键既没有方向性也没有饱和性,金属键的特征是成键电子可以在金属中自由移动,使得金属呈现出特有的属性。 【思考交流并回答】 金属键。 金属键的强弱差别很大。 影响因素:金属元素原子半径的大小和单位体积内自由电子的数目及所带电荷的多少。 　例如,钠、钾的熔点低,存在的金属键较弱,铬的硬度较大,沸点高,存在的金属键较强。同主族元素,随着核电荷数的增大,金属原子半径逐渐增大,金属键逐渐减弱,键能逐渐减小;同周期元素,随着核电荷数的增大,金属原子半径逐渐减小,金属键逐渐增强,键能逐渐增大,物质的熔、沸点升高。 【投影】金属共同的物理性质:容易导电、导热,有延展性,有金属光泽等。 学会关注生活中不被注意的现象,分析总结其中的规律。 促进学生理解和思考金属键与“电子气理论”的联系。 通过理解该知识让学生对金属晶体的认识再上一个台阶。 学生已经学过共价晶体,共价键的特点是有方向性和饱和性。运用类比和对比的思维,学习金属键的特点。 培养学生的逻辑思维能力。 鼓励学生大胆猜想,积极发表意见,在总结讨论的基础上,归纳金属键的本质。 通过理解金属键的影响因素,学会比较金属晶体的熔、沸点。 理解金属晶体的特殊性质与金属键的关系。 理解概念。 倾听学习。 讨论思考。 续　表 主题 教师活动 学生活动 设计意图 评价维度 　　【提问】自学教材P86内容,如何解释金属的延展性? 【投影】“电子气理论”对金属材料良好的延展性的解释: 【板书】四、金属的物理通性(用“电子气理论”解释) 1.延展性 【讲述】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比较粗浅的解释。 【讲述】纯金属内,所有原子的大小和形状都是相同的,原子的排列十分规整。而合金中加入了其他元素或大或小的原子,改变了金属原子有规则的层状排列,使原子层之间的相对滑动变得困难。因此合金比纯金属的延展性要差。 【质疑】为什么共价晶体没有延展性呢? 【展示】PPT展示共价晶体(金刚石)。 【提问】如何用“电子气理论”解释金属的导电性? 　　【阅读思考】 大多数金属具有较好的延展性,这与金属阳离子和自由电子之间的较强作用有关。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,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,所以在各原子层之间发生相对滑动以后,仍可保持这种相互作用,因而即使在外力作用下,发生形变也不易断裂。因此,金属有良好的延展性。 【学生思考,回答】 共价晶体中原子间的作用力是共价键,具有饱和性和方向性,受外力作用时,原子间的位移必然导致共价键的断裂,无延展性。 电子气中的自由电子在外加电场的作用下会定向移动形成电流,所以金属具有导电性。 　　学会用类比分析、归纳总结的方法透过现象追寻本质。 学会读书,从书中获取有用信息。培养学生共同研究问题的能力。 理解金属延展性与“电子气理论”的关系,学会分析金属晶体熔、沸点问题的思维模板。 对比分析为什么共价晶体没有延展性,体会和理解“结构决定性质”的化学思想,深化“宏观辨识与微观探析”的化学核心素养。 培养学生用变化的眼光分析问题,自由电子在外加电场的作用下会定向移动形成电流,从而理解金属导电的本质。 　　归纳总结。 学习能力。 理解普遍性和特殊性的关系。 全面思考。 对比学习。 续　表 主题 教师活动 学生活动 设计意图 评价维度 　　【板书】2.导电性 【思考】金属晶体有导电性,但能导电的物质不一定是金属,大家能举个例子吗? 【板书】3.导热性 【讲述】金属容易导热,是由于电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞,从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分,从而使整块金属达到相同的温度。 【板书】4.颜色 【讲】由于金属原子以最紧密堆积状态排列,内部存在自由电子,所以当光线投射到它的表面上时,自由电子可以吸收所有频率的光,然后很快放出各种频率的光,这就使大多数金属呈现银白色。而金属在粉末状态时,金属的取向杂乱,晶格排列不规则,吸收可见光后辐射不出去,所以金属粉末常呈暗灰色或黑色。而某些金属(如铜、金、铯、铅等)由于较易吸收某些频率的光而呈现较为特殊的颜色。 石墨。 【倾听、理解、整理】 【倾听】 理解为什么金属固体有金属光泽,而金属粉末无金属光泽,辨析结构与性质、微观与宏观的关系。 　　初步认识和了解石墨,为下一节学习过渡晶体和混合型晶体打下基础。 导热性的理解对学生来说相对困难,原因有二:电子能自由移动,金属阳离子不能自由移动;能量在碰撞的过程中传导。 本部分内容课本没有详细介绍,但是不难理解,学生可适当补充使知识更加完整和通透。提升学生“微观结构决定宏观性质”的化学思想。 倾听理解。 　　1.下列关于金属键和金属晶体的说法正确的是(　　) A.金属晶体在外力作用下,压成薄片时,金属键被破坏 B.金属晶体的熔点一定比分子晶体高 C.合金也属于金属晶体 D.有机化合物一定不能导电 答案:C 解析:金属晶体中的化学键是金属键,金属键是金属阳离子与自由电子之间强烈的相互作用,各层在滑动时,金属键仍然存在,所以金属有良好的延展性,A项不正确;分子晶体的熔点不一定比金属晶体的低,金属晶体的熔点跨度很大,有的很高,有的很低,B项不正确;聚乙炔能导电,D项不正确。 2.(双选)下列叙述不正确的是(　　) A.任何晶体中,若含有阳离子,就一定含有阴离子 B.金属晶体的形成是因为晶体中存在金属阳离子和自由电子的相互作用 C.金属在常温下绝大多数都是晶体 D.价电子数越多,金属元素的金属性越强 答案:AD 解析:金属晶体中虽然存在阳离子,但没有阴离子,A项错误;金属晶体的形成是因为晶体中存 知识运用。 续　表 主题 教师活动 学生活动 设计意图 评价维度 在金属阳离子与自由电子之间的相互作用,B项正确;金属在常温下绝大多数都是晶体,只有极个别为液体,比如金属汞,C项正确;价电子数多的金属元素的金属性不一定强,如Fe的价电子数比Na多,但Fe的金属性却没有Na的强,D项错误。 3.金属钨晶体中晶胞的结构模型如图所示。它是一种体心立方结构。实际测得金属钨的密度为ρ,钨的摩尔质量为M,阿伏加德罗常数的值为NA,假定钨原子为等直径的刚性球,请回答下列问题: (1)每一个晶胞分摊到　　　　　个钨原子。  (2)晶胞的边长a为　　　　　。  (3)钨的原子半径r为　　　　　(只有体对角线上的各个球才是彼此接触的)。 答案:(1)2 (2) (3) 解析:(1)晶胞中每个顶角的钨原子为8个晶胞所共用,体心的钨原子完全为该晶胞所有,故每一个晶胞分摊到2个钨原子。(2)每个晶胞中含有2个钨原子,则每个晶胞的质量m=,又因每个晶胞的体积V=a3,所以晶胞密度ρ=,a=。(3)钨晶胞的体对角线上堆积着3个钨原子,则体对角线的长度为钨原子半径的4倍,即4r=a,r=。 　概括归纳。 　知识升华。 　　对比金属晶体、共价晶体、分子晶体,掌握金属晶体、分子晶体、共价晶体的差异。 金属键与金属晶体 1.金属键 (1)定义:金属阳离子与自由电子之间的较强的相互作用。 (2)成键粒子:金属阳离子和自由电子。 (3)存在:金属单质或合金。 2.金属晶体 (1)定义:由金属阳离子和自由电子通过金属键形成的具有一定几何外形的晶体,在金属晶体里,自由电子不专属于某几个特定的金属离子而是几乎均匀地分布在整个晶体里,把所有原子维系在一起,所以金属键没有饱和性和方向性。 (2)构成粒子:金属阳离子和自由电子。 (3)粒子间的作用力:金属键。 (4)金属的物理通性(用“电子气理论”解释): “电子气理论”: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,从而把所有的金属原子维系在一起。 ①导电性:在外加电场作用下,电子气在电场中定向移动形成电流,所以能导电。 比较电解质溶液、金属晶体导电的区别 类别 电解质溶液 金属晶体 导电粒子 阴、阳离子 自由电子 过程 伴随着化学变化 物理变化 温度影响 强电解质:温度升高,导电能力无变化 弱电解质:温度升高,导电能力增强 温度升高,导电能力减弱 ②导热性:金属容易导热,是由于电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞,从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分。 ③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,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。所以在各原子层之间发生相对滑动以后,仍可保持这种相互作用而不易断裂,因此,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减弱,硬度变大。 ④硬度和熔、沸点:与金属键的强弱有关。 一般规律:原子半径越小,金属键就越强;价电子数(即阳离子的电荷数)越多,金属键就越强。金属键的强弱影响金属晶体的物理性质,金属键越强,硬度就越大,熔、沸点就越高。 教学反思 1.本节课从学生的认知水平出发设计教学过程,学生参与度高,在轻松愉快的气氛中,构建以学生自主学习、合作探究的发展性教学模式,遵循了新课程的基本理念,学生在教师的精心指导下,自主地去获取知识和探究知识,充分地发挥学生的主体作用。 2.从学生身边的实物入手,充分利用直观教学手段,抓住学生的注意力,激发学生学习的热情。尊重学生的主体地位,创建民主、平等、教学相长的合作型学习氛围。 3.善于设疑。在不同的阶段设置不同的疑问,从而引导学生一步步地进行科学探究。尊重科学探究的过程,让学生像“小科学家”一样去发现问题、解决问题,并在探究的过程中获取知识、发展技能、培养创造能力,同时受到科学方法、价值观的教育,发展自己的个性。 布置作业巩固练习教学反思 1.完成学案中的【核心素养专练】。 2.会用本节课分析问题的方式处理生活中的常见问题。 板书设计 第三节　金属晶体与离子晶体 第1课时　金属键与金属晶体 一、“电子气理论” 二、金属键 1.定义:金属阳离子与自由电子之间的较强的相互作用。 2.成键粒子:金属阳离子和自由电子。 3.本质:金属阳离子和自由电子之间的静电作用。 4.特征:没有饱和性和方向性。 三、金属晶体 1.定义:通过金属阳离子与自由电子之间的较强的相互作用形成的晶体。 2.粒子间的作用力:金属键。 3.金属单质和合金都是金属晶体。 四、金属的物理通性(用“电子气理论”解释) 1.延展性 2.导电性 3.导热性 4.颜色 备课资源 金属能带理论 金属键的另一种理论是能带理论。能带理论是分子轨道理论的扩展,要点有: 1.原子单独存在时的能级(1s、2s、2p……)在n个原子构成的一块金属中形成相应的能带,一个能带就是一组能量十分接近的分子轨道,其总数等于构成能带的相应原子轨道的总和。例如,金属钠的3s能带是由n个钠原子的n个3s轨道构成的n个分子轨道。通常n是一个很大的数值,而能带宽度一般不大于2eV,将能带宽度除以n,就得出能带中分子轨道的能量差,这当然是个很小的数值,因此可认为能带中的分子轨道在能量上是连续的。 2.按能带填充电子的情况不同,可把能带分为满带(又叫价带)、空带和导带三类——满带中的所有分子轨道全部充满电子;空带中的分子轨道全都没有电子;导带中的分子轨道部分充满电子。例如,金属钠中的1s、2s、2p能带是满带,3s能带是导带,3p能带是空带。换言之,金属键在本质上是一种离域键,形成金属键的电子遍布整个金属,但其能量不是任意的,因而它们并非完全自由,而是处在具有一定能量宽度的能带中。 3.能带与能带之间存在能量的间隙,简称带隙,又叫“禁带宽度”。有3类不同的带隙:带隙很大、带隙不大、没有带隙(即相邻两能带在能量上是重叠的)。 4.能带理论对金属导电的解释如下。第一种情况:金属具有部分充满电子的能带,即导带,在外电场作用下,导带中的电子受激,能量升高,进入同一能带的空轨道,沿电场的正极方向移动。同时,导带中原先充满电子的原子轨道因失去电子形成带正电的空穴,沿电场的负极方向移动,引起导电。如金属钠导电便属于此情况,因为它的3s能带是半充满的导带。第二种情况:金属的满带与空带或者满带与导带之间没有带隙,是重叠的,电子受激可以从满带进入重叠着的空带或者导带,引起导电。如金属镁,它的最高能量的满带是3s能带,最低能量的空带是3p能带,它们是重叠的,没有间隔,3s能带(满带)的电子受激,可以进入3p能带(空带),向正极方向移动,同时满带因失去电子形成带正电的空穴,向负极方向移动,引起导电。 5.能带理论是一种既能解释导体,又能解释半导体和绝缘体性质的理论,还可定量地计算引入杂质引起的固体能带结构的变化而导致固体性质的变化。简单地说,按照能带理论,绝缘体满带与空带之间有很大带隙,电子不可逾越,因而不能导电,典型的半导体的满带与空带之间的带隙较小,受激电子可以跃过,当电子跃过满带与空带之间的带隙进入空带后,空带的电子向正极移动,同时,满带因失去电子形成带正电的空穴向负极移动,引起导电。 第 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $$