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第一節 金屬鍵 金屬晶體
第三章 微粒間作用力與物質性質
授課人：
學習目標
1．能描述金屬晶體中金屬鍵的成鍵特征，能用金屬鍵理論解釋金屬的典型性質。
2．從微粒構成角度認識金屬晶體的性質，體會“結構決定性質”，培養宏觀辨識與微觀探析核心素養。
3．能借助模型說明常見金屬晶體中晶胞的構成，并能舉例說明合金的優越性能。
金屬的應用
一、金屬鍵
除汞等少數金屬外，大多數金屬單質具有較高的熔點，說明金屬晶體中存在著強烈的相互作用。
金屬具有導電性，是因為金屬晶體中存在著能夠自由移動的電子。
一、金屬鍵
金屬晶體中的金屬鍵示意圖
金屬原子失去部分或全部外圍電子形成的金屬離子與自由電子之間存在著強烈的相互作用，化學上把這種金屬離子與自由電子之間強烈的相互作用稱為金屬鍵。
①成鍵微粒：金屬陽離子、自由電子
②成鍵本質：金屬陽離子與自由電子之間的強烈的靜電作用
一、金屬鍵
電子氣理論
由于金屬原子的最外層電子數較少,容易失去電子成為金屬離子,金屬原子釋放出的價電子不專門屬于某個特定的金屬離子,而為許多金屬離子所共有,并在整個金屬中自由運動,這些電子又稱為自由電子。
金屬脫落下來的價電子幾乎均勻分布在整個晶體中，像遍布整塊金屬的“電子氣”，從而把所有金屬原子維系在一起。
③特征：金屬鍵無方向性和飽和性，成鍵電子可以在金屬中自由流動
一、金屬鍵
金屬特性
導電性
1
金屬導電性示意圖
通常情況下，金屬內部自由電子的運動不具有固定的方向性。但在外電場作用下，自由電子在金屬內部會發生定向運動，從而形成電流，所以金屬具有導電性。
一、金屬鍵
思考：金屬的導電性和電解質的導電性有何不同？
類型 電解質 金屬
導電時的狀態
導電粒子
導電時發生的變化
導電能力隨溫度的變化
水溶液或熔融狀態下
晶體狀態
自由移動的離子
自由電子
化學變化
物理變化
增強
減弱
一、金屬鍵
當金屬某一部分受熱時，該區域里自由電子的能量增加，運動速率加快，自由電子與金屬離子（或金屬原子）的碰撞頻率增加，自由電子把能量傳給金屬離子（或金屬原子）。
導熱性
2
金屬的導熱性就是通過自由電子的運動把能量從溫度高的區域傳到溫度低的區域，從而使整塊金屬達到同樣的溫度。
金屬特性
一、金屬鍵
金屬鍵沒有方向性，當金屬受到外力作用時，金屬原子之間發生相對滑動，各層金屬原子之間仍然保持金屬鍵的作用。
延展性
3
因此，在一定強度的外力作用下，金屬可以發生形變，表現出良好的延展性。
金屬特性
一、金屬鍵
思考：金屬的光澤鐵塊、鎂條、銅片具有我們常說的金屬光澤，但鐵粉、鎂粉、銅粉沒有金屬光澤。這是為什么呢？
鐵塊
鎂條
銅片
鐵粉
鎂粉
銅粉
一、金屬鍵
金屬粉末往往沒有金屬光澤，這是因為在粉末狀時，金屬的晶面分布在各個方向，非常雜亂，晶格排列也不規則，吸收可見光后輻射不出去，所以失去光澤。
金屬光澤
4
金屬中的自由電子容易吸收可見光的能量躍遷到較高能級，在返回原能級時以光的形式放出能量。鐵、鎂能吸收各種波長的可見光，吸收后又把它們幾乎全部反射出去，所以呈鋼灰色或銀白色光澤。金屬對某種波長的光吸收程度較大，該金屬就呈現與其對應的某種顏色。如金屬銅容易吸收綠色光，即呈現出對應的紫紅色。
金屬特性
一、金屬鍵
金屬單質 熔點/℃
Li 180.5
Na 97.81
K 63.65
Rb 38.89
Cs 28.40
思考：金屬的熔點和硬度差別很大，和什么因素有關？
金屬的硬度和熔、沸點等物理性質與金屬鍵的強弱有關。
一、金屬鍵
部分金屬的原子半徑、原子化熱和熔點
可用來衡量金屬鍵的強弱。
金屬的原子化熱
指1 mol金屬固體完全氣化成相互遠離的氣態原子時吸收的能量。
一、金屬鍵
金屬鍵強弱的主要影響因素
金屬元素的原子半徑
單位體積內自由電子的數目
金屬元素的原子半徑越小，金屬鍵越強。
單位體積內自由電子的數目越多，金屬鍵越強。
或金屬陽離子所帶電荷或價電子數
或金屬陽離子半徑的大小
一、金屬鍵
同主族元素，隨著核電荷數的增大，金屬原子的半徑增大，金屬鍵減弱；
同周期元素，隨著核電荷數的增大，金屬原子半徑減小，金屬鍵增強，熔、沸點升高。
金屬鍵的強弱差別較大。
如鈉、鉀的熔、沸點低，存在的金屬鍵較弱；鉻的硬度大，熔、沸點高，存在的金屬鍵較強。
金屬鍵越強，金屬晶體的硬度越大，熔、沸點越高。
一、金屬鍵
同主族金屬單質，從上至下，熔、沸點依次降低。
如堿金屬Li、Na、K等；
思考：同周期、同主族的金屬的熔、沸點有什么規律？
同周期金屬單質，從左到右，熔、沸點依次升高。
如：Na、Mg、Al；
一般情況下，合金的熔、沸點比各成分金屬都低。
典例解析
例1．關于金屬鍵的敘述錯誤的是(　　)A．金屬鍵沒有方向性和飽和性B．金屬鍵是金屬陽離子和自由電子之間存在的強烈的靜電吸引作用C．金屬鍵中的電子屬于整塊金屬D．金屬的性質和金屬固體的形成都與金屬鍵有關
B
二、金屬晶體
晶體
一般是具有規則的幾何外形的固體。
二、金屬晶體
定義：金屬原子之間通過金屬鍵相互結合形成的晶體。
微粒間的作用力：金屬鍵
銅的晶體結構模型
組成粒子：金屬陽離子和自由電子。
二、金屬晶體
注意：
②在金屬晶體中，不存在單個分子或原子，金屬單質或合金(晶體鍺、灰錫除外)屬于金屬晶體。
①在金屬晶體中有陽離子，但沒有陰離子，所以，晶體中有陽離子不一定有陰離子，若有陰離子，則一定有陽離子。
③金屬晶體在受外力作用下,各層之間發生相對滑動,但金屬鍵并沒有被破壞。
二、金屬晶體
在金屬晶體中，金屬原子如同半徑相等的小球一樣，彼此相切、緊密堆積成晶體。金屬晶體中金屬原子的緊密堆積是有一定規律的。
銅的晶胞模型
金屬晶體也是由能夠反映晶體結構特征的基本重復單位——晶胞在空間連續重復延伸而形成的。
二、金屬晶體
金屬晶體常見堆積方式
如果金屬原子在平面上（二維空間）緊密放置，可有兩種排列方式
非密置層
密置層
二、金屬晶體
金屬晶體是金屬原子在三維空間按一定的規律堆積而成的。將密置層和非密置層按一定的方式在三維空間中堆積，就得到了金屬晶體的4種基本堆積方式：
簡單立方、體心立方、
面心立方和六方。
二、金屬晶體
處在立方體頂點的金屬原子為8個晶胞共享,該原子的 屬于該晶胞。
1
2
4
3
7
6
8
5
晶胞中粒子數的計算
二、金屬晶體
晶胞中粒子數的計算
2
1
3
4
處于立方體棱上的金屬原子為4個晶胞共享，該原子的 屬于該晶胞。
二、金屬晶體
晶胞中粒子數的計算
1
2
處于立方體面上的金屬原子為2個晶胞共享，該原子的 屬于該晶胞。
二、金屬晶體
晶胞中粒子數的計算
1
處于立方體體心的金屬原子完全屬于該晶胞。
二、金屬晶體
晶胞中粒子數的計算
1、簡單立方堆積
只有金屬釙（Po）采用這種堆積方式
該晶胞中含有8個位于頂點的金屬原子，
晶胞中的金屬原子數為
8× =1
簡單立方晶胞切面示意圖
二、金屬晶體
晶胞中粒子數的計算
2、體心立方堆積
鈉、鉀、鉻、鉬、鎢等
該晶胞中含有8個位于頂點和1個位于體心的金屬原子，
晶胞中的金屬原子數為：
8× +1=2
體心立方晶胞切面示意圖
二、金屬晶體
晶胞中粒子數的計算
3、面心立方堆積
金、銀、銅、鉛等
該晶胞中含有8個位于頂點和6個位于面心的金屬原子，
晶胞中的金屬原子數為：
8× +6× =4
面心立方晶胞切面示意圖
二、金屬晶體
晶胞中粒子數的計算
4、六方堆積
鎂、鋅、鈦等
六方晶胞切面示意圖
思考：立方晶胞中的金屬原子數如何計算？
二、金屬晶體
晶胞中粒子數的計算
六棱柱
體心（內部）
1
面心
棱邊
水平 豎
頂點
二、金屬晶體
晶胞中密度的計算
以M表示該晶體的摩爾質量，NA表示阿伏加德羅常數，N表示一個晶胞中所含的微粒數，a表示晶胞的棱長，ρ表示晶體的密度，計算如下：
該晶胞的質量用密度表示：m＝ρ·a3
二、金屬晶體
晶胞空間利用率的計算
密堆積：微粒間盡可能地相互接近，使它們占有的空間最小。
金屬晶體中的原子可看成直徑相等的球體。將等徑圓球在平面上排列，有兩種排列方式：
金屬原子在平面上的堆積方式
二、金屬晶體
晶胞空間利用率的計算
構成晶體的原子、離子或分子在整個晶體空間中所占據的體積百分比，用來表示密集堆積的程度。
二、金屬晶體
晶胞中配位數的計算
配位數為6
配位數為4
配位數：在晶體中與每個微粒距離最近且相等的微粒個數。
每個圓球與其他4個球相切
每個圓球與其他6個球相切
二、金屬晶體
二、金屬晶體
典例解析
例2、　如圖，鐵有δ、γ、α三種同素異形體，三種晶體在不同溫度下能發生轉化。下列說法不正確的是(　　)
A．γ-Fe晶體晶胞中含有的鐵原子個數為4
B．α-Fe晶體晶胞中含有的鐵原子個數為1
C．將鐵加熱到1 500 ℃分別急速冷卻和緩慢冷卻，得到的晶體類型相同
D．三種同素異形體的性質不相同
C
三、合金
一種金屬與另一種或幾種金屬（或非金屬）的融合體。
在科學技術日新月異的今天，各種功能合金更是層出不窮，如防腐性能優異的不銹鋼、儲氫材料LaNi5合金、形狀記憶合金、高強度的錳鋼、高磁性的硅鋼、航空材料鈦合金等。
三、合金
金屬晶體中摻入不同的金屬或非金屬原子時,就像在滾珠之間摻入細小而堅硬的沙土或碎石一樣，會使金屬的延展性和硬度發生改變。
思考：金屬形成合金后為什么有些物理性質會發生很大的變化
一般情況下，合金的延展性和硬度比各成分金屬都大。
三、合金
自然界中許多固態物質都是晶體，它們有規則的幾何外形，如晶瑩的雪花、玲瓏剔透的石英、棱角分明的食鹽固體和許多礦石。通常條件下，大多數金屬單質也是晶體。
課堂小結
金屬鍵
合金
不良反應
金屬鍵定義
金屬特性
金屬鍵影響因素
合金優勢
金屬晶體
金屬晶體
金屬晶體常見堆積方式
晶體相關計算
隨堂練習
1、用X射線研究某金屬晶體，測得其立方晶胞的邊長為360 pm，此時金屬的密度為9.0 g·cm－3。
(1)此晶胞中含金屬原子___個。
4
(2)每個晶胞的質量是_____________ g。
(3)此金屬的相對原子質量為_______。
4.2×10－22
63.21
謝謝觀看
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