3.3金属晶体与离子晶体 课件 2024-2025学年高二下学期化学人教版选择性必修2

第三章 晶体结构与性质 第三节 金属晶体与离子晶体 人教版 化学 选择性必修2 不同类型的晶体 CO2 分子晶体 金刚石 共价晶体 Cu 金属晶体 NaCl 离子晶体 4种晶体的名字分别对应4种微观层面的作用力 分子间作用力 （范德华力、氢键） 共价键 金属键 离子键 一、金属键与金属晶体 1.金属晶体： 金属（除汞外）在常温下都是晶体，称其为金属晶体 在金属晶体中，金属原子之间以金属键相互结合。 金属键的本质是什么？ “电子气理论”、“能带理论” 金属、合金 2.常见金属晶体： 3.电子气理论 金属晶体中，所有金属原子的价电子会脱落。金属原子失去价电子后，形成金属阳离子。 脱落下来的价电子不离开金属晶体，也不只属于某个金属原子，而是形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有金属原子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起。 产生静电作用 “电子气”为什么能将所有的金属原子维系在一起？ 金属晶体跟共价晶体一样，是一种“巨分子”。 一种化学键 一、金属键与金属晶体 3.电子气理论 金属晶体中，所有金属原子的价电子会脱落。金属原子失去价电子后，形成金属阳离子。 脱落下来的价电子不离开金属晶体，也不只属于某个金属原子，而是形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有金属原子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起。 产生静电作用 4.物理性质 （1）熔点、硬度： 在金属晶体中，金属原子之间以金属键相互结合。 金属键越强，熔点越高，硬度越大 金属键的强度差别很大。例如，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。 如何判断金属键的强弱？ 两带电粒子 的电荷量 带电粒子间距离 常数 静电力 金属的价电子越多，电荷量越___，金属键越___ 大 强 金属离子半径越大，带电粒子距离越大，金属键越___ 弱 一、金属键与金属晶体 4.物理性质 （1）熔点、硬度： 金属键越强，熔点越高，硬度越大 金属键的强度差别很大。例如，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。 如何判断金属键的强弱？ 两带电粒子 的电荷量 带电粒子间距离 常数 静电力 金属的价电子越多，电荷量越___，金属键越___ 大 强 金属离子半径越大，带电粒子距离越大，金属键越___ 弱 Li、Na、K、Rb、Cs的熔点由高到低的顺序为？如何解释？ Li、Na、K、Rb、Cs均为第ⅠA族元素，价电子数均为1，从Li到Cs原子/离子半径依次增大，金属键逐渐变弱，熔点逐渐降低。 Li>Na>K>Rb>Cs Na、Mg、Al的熔点由高到低的顺序为？如何解释？ Al>Mg>Na 从Na到Al原子/离子半径依次减小、价电子数依次增大，金属键逐渐增强，熔点逐渐升高。 一、金属键与金属晶体 4.物理性质 （1）熔点、硬度： 金属键越强，熔点越高，硬度越大 金属的价电子越多，电荷量越大，金属键越强；金属离子半径越大，带电粒子距离越大，金属键越强。 钨是熔点最高的金属，铬是硬度最大的金属。 （2）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（如图3-29），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比较粗浅的解释。 《选必2》教材P86 图3-29 电子气理论对金属良好延展性的解释 一、金属键与金属晶体 4.物理性质 （1）熔点、硬度： （2）延展性 金属键越强，熔点越高，硬度越大 （3）导热性 当金属一端受热时，热端的自由电子获得能量，运动速度加快，这些高速运动的自由电子会与金属阳离子以及其他电子发生碰撞，将热量传递给它们。在这个过程中，自由电子不断地在金属晶体中穿梭，像 “能量搬运工” 一样，把热量从热端快速传递到冷端。 （4）导电性 有自由移动的电子，电场作用下可定向移动 电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞，故金属的电导率随温度升高而降低。 低温下导电 高温下导电 能导电的固体物质不一定是金属。 例如：石墨、导电的有机高分子化合物。 二、离子晶体 1.定义： 由阳离子和阴离子相互作用而形成的晶体 2.常见的离子晶体 （1）几乎所有的盐 NaCl、CsCl、CaCO3、K2SO4、(NH4)2SO4、CuSO4·5H2O、Cu(NH3)4SO4·H2O （AlCl3除外） （2）几乎所有的金属氧化物 Na2O、MgO（α-Al2O3除外） 总结：除特例外，包含金属元素或NH4+的化合物。 3.粒子间作用力： 离子键 离子晶体中还存在共价键、氢键等。（注：晶体中也存在范德华力，只是当能量份额很低时不提及。）然而，贯穿整个晶体的主要作用力仍是阴、阳离子之间的离子键。 离子晶体中可以有电中性分子 二、离子晶体 1.定义： 由阳离子和阴离子相互作用而形成的晶体 2.常见的离子晶体 3.粒子间作用力： 离子键 4.物理性质 （1）熔融状态下能导电 离子液体：熔点不高的仅由离子组成的液体物质（可理解为常温下的熔融态），大多数离子液体含有体积很大的阴、阳离子。有导电性、难挥发，常用做溶剂、原电池的电解质、有机合成的溶剂和催化剂。 《选必2》教材P88 图3-31 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐 （2）熔点、硬度： 离子键越强，熔点越高，硬度越大 离子晶体熔点一般比分子晶体高，但不同离子晶体熔点差异较大 二、离子晶体 4.物理性质 （2）熔点、硬度： 离子键越强，熔点越高，硬度越大 离子晶体熔点一般比分子晶体高，但不同离子晶体熔点差异较大 如何判断离子键的强弱？ 离子键的本质是阴阳离子间的静电作用 两带电粒子 的电荷量 带电粒子间距离 常数 静电力 离子所带电荷量越多，离子键越___ 强 离子半径越大，带电粒子距离越大，离子键越___ 弱 NaCl、KCl、MgO的熔点由高到低的顺序为？如何解释？ MgO>NaCl>KCl NaCl与KCl阴离子相同，但钠离子半径<钾离子半径,故Na+与Cl-间离子键强于K+与Cl-间离子键，熔点：NaCl>KCl NaCl与MgO相比，钠离子半径>镁离子半径，氯离子半径>氧离子半径，且钠离子和氯离子均为1个电荷，镁离子与氧离子均为2个电荷，故Mg2+与O2-间离子键强于Na+与Cl-间离子键，熔点：MgO>NaCl 如图所示为NaCl的晶胞； ①该晶胞中有____个Cl-，有____个Na+。 若晶胞中有不同的原子（离子、分子），则配位数为该原子周围最邻近且不是他的粒子的数目 4 4 ②NaCl晶胞中Cl-的配位数为____，Na+的配位数为____。 6 6 ③设晶胞参数为 a nm，NA为阿伏伽德罗常数的值，则NaCl晶胞的密度是多少？（Na—23、Cl—35.5） 二、离子晶体 5.晶体结构 （1）NaCl 如图所示为CsCl的晶胞； ①该晶胞中有____个Cl-，有____个Cs+。 若晶胞中有不同的原子（离子、分子），则配位数为该原子周围最邻近且不是他的粒子的数目 1 1 ②CsCl晶胞中Cl-的配位数为____，Cs+的配位数为____。 8 8 ③设晶胞参数为 a nm，NA为阿伏伽德罗常数的值，则CsCl晶胞的密度是多少？（Cs—133、Cl—35.5） 二、离子晶体 5.晶体结构 （1）CsCl 不同类型的晶体 CO2 分子晶体 金刚石 共价晶体 Cu 金属晶体 NaCl 离子晶体 分子间作用力 （范德华力、氢键） 共价键 金属键 离子键 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。 4种晶体的名字分别对应4种微观层面的作用力 三、过渡晶体与混合型晶体 《选必2》教材P89 表3-4 几种氧化物的化学键中离子键成分的百分数 教材选必2 P25 图1-23 电负性的周期性变化 max min 离子键的百分数是依据电负性的差值计算出来的，差值越大，离子键的百分数越大。 “4种晶体的名字分别对应4种微观层面的作用力” 上述4种氧化物是否可以认为是纯粹的共价晶体或纯粹的离子晶体？ 该如何分析上述4种氧化物的晶体结构及性质？ 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。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。 1.过渡晶体 三、过渡晶体与混合型晶体 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。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。 贯穿整个晶体的离子键占比逐渐减小 贯穿整个晶体的共价键占比逐渐增大 P2O5 SO3 Cl2O7 贯穿整个晶体的离子键以及共价键占比逐渐减小 不贯穿整个晶体的共价键占比逐渐增大 离子晶体向共价晶体过渡 共价晶体向分子晶体过渡 四类晶体都有过渡型 1.过渡晶体 三、过渡晶体与混合型晶体 2.混合型晶体 石墨（C） 教材选必2 P90 图3-32 石墨的结构模型 石墨的碳原子均采取sp2杂化成3条σ键，形成平面六元并环在平面内无限延伸（如图3-32左），还有一个未参与杂化的2p电子，其哑铃型的轨道垂直于碳原子平面。（如图3-32右） 石墨晶体是层状结构，层内的碳原子的核间距为142pm，层间距离为335pm，说明层间没有化学键相连，靠范德华力维系（如图3-32中）。 像共价晶体 像分子晶体 每层石墨中未参与杂化的2p电子在整个平面内“肩并肩”，形成巨大的“大π键”。参与形成大π键的2p电子可以在整个平面内自由移动，但不能跃层。 像金属晶体 依据晶体结构，石墨有哪些物理性质？ （1）石墨的结构 三、过渡晶体与混合型晶体 2.混合型晶体 教材选必2 P90 图3-32 石墨的结构模型 依据晶体结构，石墨有哪些物理性质？ （2）石墨的物理性质 ①熔点高 ③沿平面方向能导电 ②有滑腻感 加热熔化要克服范德华力和共价键 层与层之间是范德华力，易被破坏产生滑动，可起润滑作用 生活中常用石墨碎屑润滑钥匙孔，以便钥匙顺利插入 参与形成大π键的2p电子可以在整个平面内自由移动，但不能跃层 三、过渡晶体与混合型晶体 过渡晶体和混合型晶体的例子说明，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、金属晶体和离子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。 教材选必2 P91 图3-33 硅酸盐晶体中的阴离子举例 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-、Si2O76-、(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Al取代则得到 铝硅酸盐。 三、过渡晶体与混合型晶体 纳米晶体是晶体颗粒尺寸在纳米（10-9m）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。 由此可见，晶体颗粒小于200nm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200nm（或者250nm）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。 教材选必2 P92 图3-34 金属铅的晶粒大小与熔点的关系 教材选必2 P91 表3-5 金属铅的晶粒大小与熔点 Lavf60.16.100 $$