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年 級(jí)
高三
學(xué) 科
化學(xué)
版 本
蘇教版
內(nèi)容標(biāo)題
金屬晶體
編稿老師
【本講教育信息】
一. 教學(xué)內(nèi)容：
金屬晶體
二、教學(xué)目標(biāo)
理解金屬鍵的概念和電子氣理論，學(xué)會(huì)用電子氣理論解釋金屬的物理性質(zhì)；
了解金屬晶體內(nèi)原子的幾種常見排列方式
三、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)
金屬鍵和電子氣理論；金屬晶體內(nèi)原子的空間排列方式
四、教學(xué)過程：
（一）金屬鍵及電子氣理論對(duì)金屬鍵的解釋：
金屬單質(zhì)都是由金屬原子以某種一定的排列形式緊密堆積而形成的晶體。金屬原子的價(jià)電子少、電離能低，容易失去電子而形成陽離子和自由電子，金屬原子釋放的自由電子并不專屬于某個(gè)特定的金屬離子，而為許多金屬離子所共有。這種金屬離子與自由電子之間的較強(qiáng)相互作用就叫做金屬鍵。金屬鍵可看成是由許多原子共用許多電子的一種特殊形式的化學(xué)鍵，這種鍵既沒有方向性也沒有飽和性，金屬鍵的特征是成鍵電子可以在金屬中自由流動(dòng)，使得金屬呈現(xiàn)出特有的屬性。在金屬單質(zhì)的晶體中，原子之間以金屬鍵相互結(jié)合。金屬鍵是一種遍布整個(gè)晶體的離域化學(xué)鍵。
經(jīng)典的金屬鍵理論叫做“電子氣理論”。它把金屬鍵形象地描繪成從金屬原子上“脫落”下來的大量自由電子形成可與氣體相比擬的帶負(fù)電的“電子氣”，金屬原子則“浸泡”在“電子氣”的“海洋”之中。
金屬具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延展性和金屬光澤等物理性質(zhì)。
說明：
1、金屬導(dǎo)電性的解釋：在金屬晶體中，充滿著帶負(fù)電的“電子氣”，這些電子氣的運(yùn)動(dòng)是沒有一定方向的，但在外加電場(chǎng)的條件下電子氣就會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)，因而形成電流，所以金屬容易導(dǎo)電。
2、金屬導(dǎo)熱性的解釋：金屬容易導(dǎo)熱，是由于電子氣中的自由電子在熱的作用下與金屬原子頻繁碰撞從而把能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分，從而使整塊金屬達(dá)到相同的溫度。
3、金屬延展性的解釋：當(dāng)金屬受到外力作用時(shí)，晶體中的各原子層就會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，但不會(huì)改變?cè)瓉淼呐帕蟹绞剑瑥浡诮饘僭娱g的電子氣可以起到類似軸承中滾珠之間潤(rùn)滑劑的作用，所以在各原子層之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)以后，仍可保持這種相互作用，因而即使在外力作用下，發(fā)生形變也不易斷裂。因此，金屬都有良好的延展性，但金屬的延展性也是有限度的。
4、金屬的物理性質(zhì)：由于金屬晶體中存在大量的自由電子和金屬離子（或原子）排列很緊密，使金屬具有很多共同的性質(zhì)。
（1）狀態(tài)：通常情況下，除Hg外都是固體。
（2）金屬光澤：多數(shù)金屬具有光澤。但除Mg、Al、 Cu、Au在粉末狀態(tài)有光澤外，其他金屬在塊狀時(shí)才表現(xiàn)出來。
（3）易導(dǎo)電、導(dǎo)熱：由于金屬晶體中自由電子的運(yùn)動(dòng)，使金屬易導(dǎo)電、導(dǎo)熱。
（4）延展性
（5）熔點(diǎn)及硬度：由金屬晶體中金屬離子跟自由電子間的作用強(qiáng)弱決定。
5、金屬除有共同的物理性質(zhì)外，還具有各自的特性。
①顏色：絕大多數(shù)金屬都是銀白色，有少數(shù)金屬具有顏色。如Au金黃色Cu紫紅色Cs銀白略帶金色。
②密度：與原子半徑、原子相對(duì)質(zhì)量、晶體質(zhì)點(diǎn)排列的緊密程度有關(guān)。最重的為鋨（Os）鉑（Pt）最輕的為鋰（Li）
③熔點(diǎn)：最高的為鎢（W），最低的為汞（Hg），銫（Cs），為28.4℃，鈣（Ca）為30℃
④硬度：最硬的金屬為鉻（Cr），最軟的金屬為鉀 （K），鈉（Na），銫（Cs）等，可用小刀切割。
⑤導(dǎo)電性：導(dǎo)電性能強(qiáng)的為銀（Ag），金（Au），銅 （Cu）等。導(dǎo)電性能差的為汞（Hg）
⑥延展性：延展性最好的為金（Au），鋁（Al）等
6、金屬鍵強(qiáng)弱的比較：
①金屬鍵的強(qiáng)弱可以用金屬的原子化熱（升華熱）來衡量，金屬的原子化熱是指1mol金屬晶體完全氣化時(shí)吸收的能量，金屬的原子化熱越大，金屬鍵越強(qiáng)。
②金屬鍵的強(qiáng)度主要決定于金屬元素的原子半徑和價(jià)電子數(shù)，原子半徑越大，價(jià)電子數(shù)越少，金屬鍵越弱，金屬晶體的熔沸點(diǎn)越低；原子半徑越小，價(jià)電子數(shù)越多，金屬鍵越強(qiáng)，金屬晶體的熔沸點(diǎn)越高。
7、合金：兩種和兩種以上的金屬（或金屬與非金屬）熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)，叫做合金，合金屬于混合物，對(duì)應(yīng)的固體為金屬晶體。合金的特點(diǎn)：
①仍保留金屬的化學(xué)性質(zhì)，但物理性質(zhì)改變很大；
②熔點(diǎn)比各成分金屬的熔點(diǎn)都低；
③強(qiáng)度、硬度比各成分金屬的大；
④部分合金有強(qiáng)的抗腐蝕能力；
⑤導(dǎo)電性比成分金屬差。
8、金屬晶體的導(dǎo)電是由于自由電子在外加電場(chǎng)作用下的定向移動(dòng)形成電流。而電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電，則是電離產(chǎn)生的陰、陽離子在外加電場(chǎng)的作用下的定向移動(dòng)，此時(shí)，溶液中的離子或電極材料在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成新的物質(zhì)，所以說電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電過程實(shí)質(zhì)上就是電解過程。
（二）金屬晶體：
金屬陽離子和自由電子間通過金屬鍵相互作用所形成的晶體稱為金屬晶體，構(gòu)成金屬晶體的微粒是金屬陽離子和自由電子，相互作用力是金屬鍵。
在金屬晶體中，金屬鍵使金屬原子有序排列。金屬晶體的原子堆積模型有兩種情況：二維空間模型和三維空間模型。金屬晶體的二維空間模型：
金屬晶體的三維空間模型：
（1）非密置層排列的金屬原子，在空間內(nèi)可能的排列。
①簡(jiǎn)單立方體堆積
這種堆積方式形成的晶胞是一個(gè)立方體，每個(gè)晶胞含1個(gè)原子，被稱為簡(jiǎn)單立方堆積。這種堆積方式的空間利用率太低，只有金屬釙采取這種堆積方式。
②鉀型
如果是非密置層，上層金屬原子填入下層的金屬原子形成的凹穴中，每層均照此堆積，如下圖：
這種堆積方式的空間利用率顯然比簡(jiǎn)單立方堆積的高多了，許多金屬都是這種堆積方式，如堿金屬，簡(jiǎn)稱為鉀型。
（2）密置層的原子按鉀型堆積方式堆積，會(huì)得到兩種基本堆積方式，鎂型和銅型。鎂型如下圖左側(cè)，按ABABABAB……的方式堆積;銅型如圖右側(cè),按ABCABCABC……的方式堆積.這兩種堆積方式都是金屬晶體的最密堆積,配位數(shù)均為12,空間利用率均為74℅,但所得的晶胞的形式不同。
說明：
1、在晶體中，有陽離子的物質(zhì)不一定有陰離子，如金屬晶體；但有陰離子的物質(zhì)中肯定有陽離子。
2、金屬晶體的三維空間排列是在二維空間排列的基礎(chǔ)上排列的。對(duì)于非密置型排列有兩種排列方式：簡(jiǎn)單立方和鉀型（晶胞為體心立方）；對(duì)于密置型排列也有兩種常見的排列方式：鎂型（AB型）（晶胞為六棱柱狀）和銅型（ABC型）（晶胞為面心立方）。
3、幾種常見晶體的結(jié)構(gòu)與堆積方式：
4、金屬晶體的空間利用率越高，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。
5、金屬晶體的熔沸點(diǎn)差異很大，主要與金屬鍵的相對(duì)強(qiáng)弱有關(guān)，一般情況下，金屬原子半徑越小，電荷越大，金屬鍵越強(qiáng)，金屬晶體的熔沸點(diǎn)越高，反之越低。
【典型例題】
例1. 關(guān)于晶體的下列說法正確的是　
A、在晶體中只要有陰離子就一定有陽離子
　　B、在晶體中只要有陽離子就一定有陰離子
　　C、原子晶體的熔點(diǎn)一定比金屬晶體的高
　　D、分子晶體的熔點(diǎn)一定比金屬晶體的低
解析：只有認(rèn)識(shí)四類晶體物理性質(zhì)差異的本質(zhì)原因才能對(duì)此題進(jìn)行正確判斷。在四類晶體中，金屬晶體的結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)最特殊，應(yīng)予以重視。金屬晶體中，構(gòu)成晶體的微粒既有金屬原子，又有金屬陽離子，且二者不斷轉(zhuǎn)換，晶體中自由電子與金屬離子間的電性作用形成了金屬鍵。因此晶體中有陽離子，不一定有陰離子，如金屬晶體。金屬鍵強(qiáng)弱相差很大（主要由陽離子半徑大小決定），因此金屬晶體的熔沸點(diǎn)、硬度等物理性質(zhì)相差極大，它與其他類晶體相比很特殊，有的晶體熔沸點(diǎn)很低，甚至小于分子晶體如金屬汞、堿金屬等；有的金屬熔沸點(diǎn)很高，甚至高于原子晶體如金屬鎢。
答案：A
例2. 物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論推出：金屬晶體中金屬離子與自由電子之間的強(qiáng)烈相互作用，叫金屬鍵。金屬鍵越強(qiáng)，其金屬的硬度越大，熔沸點(diǎn)越高，且據(jù)研究表明，一般說來金屬原子半徑越小，價(jià)電子數(shù)越多，則金屬鍵越強(qiáng)。由此判斷下列說法錯(cuò)誤的是　
A、鎂的硬度大于鋁 B、鎂的熔沸點(diǎn)低于鈣
C、鎂的硬度大于鉀 D、鈣的熔沸點(diǎn)高于鉀
解析：金屬晶體的熔沸點(diǎn)差異很大，主要與金屬鍵的相對(duì)強(qiáng)弱有關(guān)，一般情況下，金屬原子半徑越小，電荷越大，金屬鍵越強(qiáng)，金屬晶體的熔沸點(diǎn)越高，反之越低。價(jià)電子數(shù)Al＞Mg，原子半徑Al＜Mg，所以Al的金屬鍵更強(qiáng)，所以A的說法錯(cuò)誤。Mg和Ca的價(jià)電子數(shù)相同，而原子半徑Mg＜Ca，所以金屬鍵的強(qiáng)弱Mg＞Ca，所以B的說法也錯(cuò)誤。價(jià)電子數(shù)Mg＞K，原子半徑Mg＜K，所以C的說法正確。價(jià)電子數(shù)Ca＞K，原子半徑Ca＜K，所以D的說法也正確。
答案：AB
例3. 下列有關(guān)金屬元素特征的敘述正確的是　
A、金屬元素的原子只有還原性，離子只有氧化性
　　B、金屬元素在一般化合物中只顯正價(jià)
　　C、金屬元素在不同的化合物中的化合價(jià)均不同
　　D、金屬元素的單質(zhì)在常溫下均為金屬晶體
解析：A、對(duì)于變價(jià)金屬中，中間價(jià)態(tài)的金屬離子既有氧化性，又有還原性，如Fe2+。B、金屬元素的原子只具有還原性，故在化合物中只顯正價(jià)。C、金屬元素有的有變價(jià)，有的無變價(jià)，如Na+。D、金屬晶體的熔沸點(diǎn)差異較大，絕大多數(shù)金屬常溫下均為晶體，但金屬汞常溫下為液體。
答案：B
例4. 晶胞是晶體中最小的重復(fù)單元．已知鐵為面心立方晶體，其結(jié)構(gòu)如下圖甲所示，面心立方的結(jié)構(gòu)特征如下圖乙所示．若鐵原子的半徑為，試求鐵金屬晶體中的晶胞長(zhǎng)度，即下圖丙中AB的長(zhǎng)度為______________m．
解析：本題為信息題，面心立方晶體可通過觀察圖甲和圖乙得出其結(jié)構(gòu)特征是：在一個(gè)立方體的八個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子，且在六個(gè)面的面心上各有一個(gè)原子。圖丙是一個(gè)平面圖，則有：AB2＋BC2＝AC2，即2AB2＝（4×）2，則：AB＝。
答案：AB＝
【模擬試題】
1、金屬的下列性質(zhì)中，不能用金屬的電子氣理論加以解釋的是　
A、易導(dǎo)電 　　　　 B、易導(dǎo)熱
C、有延展性 　　　　 D、易銹蝕
2、下列晶體中由原子直接構(gòu)成的單質(zhì)有　
A、白磷 　　　　 B、氦
C、金剛石 　　　　　D、金屬鎂?
3、金屬具有延展性的原因是　
A、金屬原子半徑都較大，價(jià)電子較少
B、金屬受外力作用變形時(shí)，金屬陽離子與自由電子間仍保持較強(qiáng)烈作用
C、金屬中大量自由電子受外力作用時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度加快
D、自由電子受外力作用時(shí)能迅速傳遞能量
4、下列敘述正確的是　
A、原子晶體中可能存在離子鍵
B、分子晶體中不可能存在氫鍵
C、在晶體中可能只存在陽離子不存在陰離子
D、金屬晶體導(dǎo)電是金屬離子所致
5、下列敘述正確的是　
A、任何晶體中，若含有陽離子也一定含有陰離子
B、原子晶體中只含有共價(jià)鍵
C、離子晶體中只含有離子鍵，不含有共價(jià)鍵
D、分子晶體中只存在分子間作用力，不含有其他化學(xué)鍵
6、下列幾種金屬晶體中，不屬于最密堆積的是　　　　　　　　　
A、Li　　　　　B、Zn　　　　　　C、Ag　　　　　D、Ti
7、某固體僅由一種元素組成，其密度為5.0g/mL，用X射線研究該固體的結(jié)構(gòu)可知：在邊長(zhǎng)為10－7cm的正方體中含有20個(gè)原子，則此元素的相對(duì)原子質(zhì)量最接近下列數(shù)據(jù)中的：
A、32　　　　　B、120　　　　　 C、150　　　　　D、180
8、下列物質(zhì)的熔沸點(diǎn)依次升高的是
A、Na、Mg、Al　　　　　　　　B、Na、Rb、Cs
C、Mg、Na、K 　　　　　　　　D、鋁、硅鋁合金、單晶硅
9、金屬晶體的堆積密度大，原子配位數(shù)高，能充分利用空間的原因是：
A、金屬原子的價(jià)電子數(shù)少
B、金屬晶體中有自由電子
C、金屬原子的原子半徑大
D、金屬鍵沒有飽和性和方向性
10、在核電荷數(shù)1~18的元素中，其單質(zhì)屬于金屬晶體的有　 ，金屬中，密度最小的是　　　　　　，地殼中含量最多的是　　　　　　　　，熔點(diǎn)最低的是　　　　　，既能與鹽酸又能與堿反應(yīng)的是　　　　　　，單質(zhì)還原性最強(qiáng)的是　　　　　　　　。
11、某些金屬晶體（Cu、Ag、Au）的原子按面心立方的形式緊密堆積，即在晶體結(jié)構(gòu)中可以劃出一塊正立方體的結(jié)構(gòu)單元，金屬原子處于正立方體的八個(gè)頂點(diǎn)和六個(gè)側(cè)面上，試計(jì)算這類金屬晶體中原子的空間利用率。
【試題答案】
1、D 　　2、BC 　　3、B 　4、C 5、D
6、A 　　7、C 　　8、A 　9、D
10、鋰、鈹、鈉、鎂、鋁等；鋰；鋁；鈉；鋁；鈉。
11、依題意畫出側(cè)面圖，設(shè)正立方體邊長(zhǎng)為a，則體積為a3。
原子半徑，每個(gè)正立方體包括金屬原子
8×1／8+6×1/2＝4（個(gè)），球體體積共
4×
空間利用率為：

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