《金属键金属晶体》参考教案

专题3微粒间作用力与物理性质

第一单元金属键金属晶体

[教学目标]

1．了解金属晶体模型和金属键的本质

2．认识金属键与金属物理性质的辨证关系

3．能正确分析金属键的强弱

4．结合问题讨论并深化金属的物理性质的共性

5．认识合金及其广泛应用

[课时安排] 3课时

第一课时

[学习内容]

金属键的概念及金属的物理性质

【引入】同学们我们的世界是五彩缤纷的，是什么组成了我们的世界呢？

学生回答：物质

讲述：对！我们的自然世界是有物质组成的，翻开我们的化学课本的最后一页我们可以看到一张化学元素周期表，不论冬天美丽的雪花，公路上漂亮的汽车。包括你自己的身体都是有这些元素的一种或几种构成的。那么我们现在就来认识一下占周期表中大多数的金属。

【板书】§3-1-1 金属键与金属特性

大家都知道晶体有固定的几何外形、有确定的熔点，水、干冰等都属于分子晶体，靠范德华力结合在一起，金刚石、金刚砂等都是原子晶体，靠共价键相互结合，那么我们所熟悉的铁、铝等金属是不是晶体呢？它们又是靠什么作用结合在一起的呢？

【展示】几种金属的应用的图片，有金属导线(铜或铝)、铁丝、镀铜金属片等，并将铁丝随意弯曲，引导观察铜的金属光泽。叙述应用部分包括电工架设金属高压电线，家用铁锅炒菜，锻压机把钢锭压成钢板等。

【讨论】请一位同学归纳，其他同学补充。

1、金属有哪些物理共性？

2、金属原子的外层电子结构、原子半径和电离能？金属单质中金属原子之间怎

样结合的？

【板书】一、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。

二、金属键

【动画演示并讲解】金属原子的电离能低，容易失去电子而形成阳离子和自由电子，阳离子整体共同整体吸引自由电子而结合在一起。这种金属离子与自由电子之间的较强作用就叫做金属键。金属晶体的组成粒子：金属阳离子和自由电子。金属离子通过吸引自由电子联系在一起, 形成金属晶体.经典的金属键理论把金属键形象地描绘成从金属原子上“脱落”下来的大量自由电子，金属原子则“浸泡”在“自由电子”的“海洋”之中。金属键的形象说法: “失去电子的金属离子浸在自由电子的海洋中”.

金属键的特征是成键电子可以在金属中自由流动，使得金属呈现出特有的属性在金属单质的晶体中，原子之间以金属键相互结合。金属键是一种遍布整个晶体的离域化学键。这种键既没有方向性也没有饱和性，

【板书】1．构成微粒：金属阳离子和自由电子

2．金属键：金属阳离子和自由电子之间的较强的相互作用

3、成键特征：自由电子被许多金属离子所共有；无方向性、饱和性【板书】三、金属键对金属通性的解释

【学生分组讨论】如何应用金属键理论来解释金属的特性？请一位同学归纳，其他同学补充。

【板书】1．金属导电性的解释

在金属晶体中，充满着自由电子，而自由电子的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件下自由电子就会发生定向移动，因而形成电流，所以金属容易导电。

【强调】：金属受热后，金属晶体中离子的振动加剧，阻碍着自由电子的运动。所以温度升高导电性下降。

2. 金属导热性的解释

金属容易导热，是由于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。

3．金属延展性的解释

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，金属都有良好的延展性。

4、金属晶体结构具有金属光泽和颜色

由于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或钢灰色光泽。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。当金属成粉末状时，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，所以成黑色。【问题解决】

1．金属晶体的形成是因为晶体中存在

A.金属离子间的相互作用B．金属原子间的相互作用

C.金属离子与自由电子间的相互作用

D.金属原子与自由电子间的相互作用2．金属能导电的原因是

A.金属晶体中金属阳离子与自由电子间的相互作用较弱

B．金属晶体中的自由电子在外加电场作用下可发生定向移动

C．金属晶体中的金属阳离子在外加电场作用下可发生定向移动

D．金属晶体在外加电场作用下可失去电子

3、下列叙述正确的是（）

A.任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子

B．原子晶体中只含有共价键

C.离子晶体中只含有离子键，不含有共价键

D．分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键

【设问】我们知道，不同的金属在某些性质方面，如密度、硬度、熔点等又表现出很大差别。有的金属软如蜡，有的硬如钢；有的金属熔点低，有的熔点高，金属的这些性质与金属键有没有关系？

【投影】课本P29表3-1

【学生分组讨论】根据表中的数据，总结影响金属键的因素。

【板书】四。金属的熔、沸点、硬度与金属键的关系

1．原子化热：1mol金属固体完全气化成相互远离的气态原子时吸收的能量。

【讲解】金属键无方向性, 无固定的键能, 金属键的强弱和自由电子的多少有关, 也和离子半径、电子层结构等其它许多因素有关, 很复杂. 金属键的强弱可以用金属原子化热等来衡量. 金属原子化热是指1mol 金属变成气态原子所需要的热量. 金属原子化热数值小时, 其熔点低, 质地软; 反之, 则熔点高, 硬度大. 【板书】2、影响金属键强弱的因素：原子半径、单位体积的自由电子的数目等一般：金属元素的原子半径越小、单位体积内自由电子的数目越多，金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔沸点越高。

【说明】：不同的金属在某些性质方面，如密度、硬度、熔点等又表现出很大差别。这与金属原子本身、晶体中原子的排列方式等因素有关。

【问题解决】3、试比较下列金属熔点的高低和硬度大小。

（1）Na Mg Al （2）Li Na K Rb Cs （3）K Ca

4、为什么碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降低？

【课堂小结】结构性质

金属键

金属内部的特殊结构金属的物理共性

金属阳离子自由电子原子化热导电性导热性延展性

金属阳离子半径、自由电子数熔沸点高低、硬度大小

【课后阅读材料】

1．超导体——一类急待开发的材料

一般说来，金属是电的良好导体(汞的很差)。1911年荷兰物理学家H·昂内斯在研究低温条件下汞的导电性能时，发现当温度降到约4 K(即—269、)时汞的电阻“奇异”般地降为零，表现出超导电性。后又发现还有几种金属也有这种性质，人们将具有超导性的物质叫做超导体。

2．金属的物理性质由于金属晶体中存在大量的自由电子和金属离子(或原子)排列很紧密，使金属具有很多共同的性质。

(1)状态：通常情况下，除Hg外都是固体。

(2)金属光泽：多数金属具有光泽。但除Mg、Al、Cu、Au在粉末状态有光泽外，其他金属在块状时才表现出来。

(3)易导电、导热：由于金属晶体中自由电子的运动，使金属易导电、导热。

(4)延展性

(5)熔点及硬度：由金属晶体中金属离子跟自由电子间的作用强弱决定。金属除有共同的物理性质外，还具有各自的特性。

①颜色：绝大多数金属都是银白色，有少数金属具有颜色。如Au金黄色Cu紫红色Cs银白略带金色。

②密度：与原子半径、原子相对质量、晶体质点排列的紧密程度有关。最重的为锇(Os)铂(Pt)最轻的为锂(Li)

③熔点：最高的为钨(W)，最低的为汞(Hg)，Cs，为28．4℃Ca为30℃

④硬度：最硬的金属为铬(Cr)，最软的金属为钾(K)，钠(Na)，铯(Cs)等，可用小刀切割。

⑤导电性：导电性能强的为银(Ag)，金(Au)，铜(Cu)等。导电性能差的为汞(Hg)

⑥延展性：延展性最好的为金(Au)，Al

【课后练习】

1.下列叙述中，可以肯定是一种主族金属元素的是

A．原子最外层有3个电子的一种金属B．熔点低于100℃的一种金属C．次外电子层上有8个电子的一种金属

D．除最外层，原子的其他电子层电子数目均达饱和的一种金属

2.金属晶体的形成是因为晶体中主要存在

A．金属离子之间的相互作用B．金属原子之间的作用

C．金属离子与自由电子间的相互作用D．金属原子与自由电子间的相互作用3. 金属的下列性质中与金属晶体结构无关的是

A．导电性B．化学反应中易失去电子C．延展性D．硬度

4.在金属晶体中，自由电子与金属离子的碰撞中有能量传递，可以用此来解释的金属的物理性质是

A．延展性B．导电性C．导热性D．硬度

5.金属的下列性质中，不能用金属晶体结构加以解释的是

A．易导电B．易导热C．有延展性D．易锈蚀

6. 试比较下列金属熔点的高低，并解释之。

（1）Na、Mg、Al （2）Li、Na、K、Rb、Cs

第二课时

[学习内容] 认识金属晶体基本结构

【引入】展示：雪花、石英、食盐、铝的晶体结构图，

大多数的金属及其合金也是晶体，具有规则的几何外形。

【阅读】课本P30 化学史话：人类对晶体结构的认识。

【板书】一、晶体与非晶体

晶体:具有规则几何外形的固体

非晶体:没有规则几何外形的固体

二、晶体的特性

1、有规则的几何外形

2、有固定的熔沸点

3、各向异性(强度、导热性、光学性质等）

三、晶体的分类(依据：构成晶体的粒子种类及粒子之间的作用)

分为：金属晶体、离子晶体、原子晶体、分子晶体、混合晶体。

【板书】§3-1-2 金属晶体

一、金属晶体的密堆积结构

【展示】钠晶体的堆积方式，讲解晶胞的概念。

【板书】1、晶胞：金属晶体中能够反映晶体结构特征的基本重复单位

【讲解】晶体的结构是晶胞在空间连续重复延伸而形成的。晶胞与晶体的关系如同砖块与墙的关系。在金属晶体中，金属原子如同半径相等的小球一样，彼此相切、紧密堆积成晶体。金属晶体中金属原子的紧密堆积是有一定规律的。

【展示】金属晶体的原子平面堆积模型

（a）非密置层（b）密置层

【设问】哪种排列方式圆球周围剩余空隙最小？

【投影并讲解】金属晶体中离子是以紧密堆积的形式存在的. 下面的刚性球模型来讨论堆积方式.

在一个层中，最紧密的堆积方式是，一个球与周围 6 个球相切，在中心的周围形成6 个凹位，将其算为第一层.

第二层: 对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准1, 3, 5 位(若对准2, 4, 6 位, 其情形是一样的).

关键是第三层, 对第一、二层来说, 可以有两种最紧密的堆积方式: 第一种是将球对准第一层的球, 于是每两层形成一个周期，即ABAB 堆积方式，形成六方紧密堆积, 配位数12 (同层6, 上下各3). 此种六方紧密堆积的前视图:

另一种是将球对准第一层的2, 4, 6 位, 不同于AB 两层的位置,这是 C 层. 第四层再排A, 于是形成ABCABC 三层一个周期. 得到面心立方堆积, 配位数12.

这两种堆积都是最紧密堆积, 空间利用率为 74.05%.

还有一种空间利用率稍低的堆积方式, 立方体心堆积: 立方体 8 个顶点上

的球互不相切, 但均与体心位置上的球相切. 配位数 8, 空间利用率为 68.02%

【板书】2.金属晶体的常见的三种堆积方式：

(1)六方堆积. 如镁、锌、钛等

(2) )面心立方堆积。如金、银、铜、铝等

(3)体心立方堆积。如钠、钾、铬、钨

（4）简单立方堆积。如钋等

二、金属晶体中晶胞粒子数的计算

【引导】学生观察右图立方体晶胞，并思考晶胞

中原子的计算方法：讨论后，请学生回答。

【板书】1、立方体晶胞中原子的计算方法

（1）顶端原子一般只计算 1/8 棱边原子一般只计算 1/4

面上原子一般只计算 1/2 内部原子一般计算成 1

（2）晶胞内含的原子数=a*1/8+b*1/4+c*1/2+d

a 位于顶点的原子或离子数；

b 为位于棱边的原子或离子数；

c 为位于面上的原子或离子数；

d 为位于晶胞内的原子或离子数

【思考】

右图是钠晶体的晶胞结构，

则晶胞中的原子数是

2、若如右图六棱柱状晶胞，顶端原子一般只计算 1/6

棱边原子一般只计算 1/3

面上原子一般只计算 1/2

内部原子一般计算成 1

钠晶体的晶胞

若此晶胞所有原子相同，则此晶胞中含 6 个原子。

能力训练：1、 在金属晶体中最常见的三种堆积方式有：（1）配位数为8的 堆积，（2）配位数为 的立方面心堆积，（3）配位数为 的 堆

积。其中 和 空间相等， 以ABAB 方式堆积， 以

ABCABC 方式堆积，就的堆积层来看，二者的区别是在第 层。

2、1183 K 以下纯铁晶体的基本结构单元如图1所示，1183 K 以上转变为图2所

示结构的基本结构单元，在两种晶体中最邻近的铁原子间距离相同。

（1）在1183 K 以下的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子数为______

个；在1183 K 以上的纯铁晶体中，与铁原子等距离且最近的铁原子数为

___________；

（2）纯铁晶体在晶型转变前后，二者基本结构单元的边长之比为（1183 K 以下

与1183K 以上之比）___________。

（3）转变温度前后两者的密度比（1183 K 以下与1183 K 以上之比）______。

【过渡】我们学习了金属晶体中金属原子的紧密堆积的方式，知道尽管原子尽可

能多地紧密堆积，但原子与原子之间还存在着一定的空隙，于是人们就想能否在

金属中加入其他的金属或非金属，以填入原金属的空隙中。

【播放】我国古代很早就掌握了合金的制造和加工技术的画面。

【板书】三、合金

1、合金：是指一种金属与另一种（或几种）金属或非金属经过熔合而

得到的具有金属性质的物质。

【讲述】例如，黄铜是铜和锌的合金（含铜67%、锌33%）；青铜是铜和锡的合

金（含铜78%、锡22%）；钢和生铁是铁与非金属碳的合金。故合金可以认为是

具有金属特性的多种元素的混合物。

【板书】2、性质：合金在硬度、弹性、强度、熔点等许多性能方面都优于纯金属。

【讲解】合金的某些性质比纯金属更优越，例如铁易生锈，而在普通钢中加入约15%的铬和约0.5%的镍形成的不锈钢；金属铝很软，而一定比例的铝、铜、镁熔合而成的硬铝。具有较大的硬度。当原子半径较小的H、B、C、N等非金属元素与金属元素形成合金时，非金属元素的原子渗入金属晶体的空隙中，这类合金一般具有较高的熔点和较大的硬度。当电负性和原子半径相差不大的两种金属元素形成的合金，一种金属原子将占据另一种金属原子的晶体结构中的位置，从而使形成的合金的强度和硬度比组成它的金属的强度和硬度都要大。因此合金的性质主要决定于它的组成和内部结构。其内部结构与成分金属的性质，各成分用量之比及制备合金时的条件有密切的关系。特别是温度的控制，对结构有很大的影响。

3、合金的分类：（1）．以某种金属作基质，掺入适量其他金属或非金属的合金，称为某基质的合金。如钢，是以铁为基质的铁合金。

练习：请你写出五种以上的合金名称______,_________, _________, _________, ________。

（2）．在金属晶体的不同空隙中适度填入一定量的其他金属或非金属所形成的合金，称为金属间充化合物。许多金属间充化合物具有低密度，高强度以及高温力学性能和抗氧化性能的优异特点，被视为新一代高温结构材料。金属间充化合物主要用于航天、航空、汽车和化工工业。

思考：你认为金属间充化合物与高温结构陶瓷相比，优越性体现在什么方面？能力训练：2

1、合金有许多特点,如钠-钾合金(含钾50%-80%)为液体,而钠钾的单质均为固体，据此推测生铁、纯铁、碳三种物质中，熔点最低的是( )

A.生铁

B.纯铁

C.碳

D.无法确定

2、下列铁及铁的合金中，最易生锈的是（）

A、生铁

B、纯铁

C、镍铬钢

D、钢

简单立方堆积

三种立方堆积

【课堂小结】 体心立方堆积

1、金属晶体中原子的堆积方式 面心立方堆积

密置层 三种最常见堆积方式

六方密堆积

2、晶体中晶胞粒子数的计算

（1）立方堆积 体心：1 面心:1/2 顶点:1/8 棱边:1/4

3、合金

第三课时

[习题研究]

1．金属钠晶体为体心立方晶格（如图），实验测得钠的密度为ρ（g·cm -3）。已知

钠的相对原子质量为a ，阿伏加德罗常数为N A （mol -1），假定金属钠

原子为等径的刚性球且处于体对角线上的三个球相切。则钠原子的

半径r （cm ）为 （ ）

A ．32ρA N a

B ．323ρA N a ?

C ．3243ρA N a ?

D ．3221ρA N a ? 2．拟晶(quasicrystal)是一种具有凸多面体规则外形但不同于晶体的固态物质。

Al 65Cu 23Fe 12是2000年之前发现的几百种拟晶之一，具有合金的某些优良物理性

能。有关这种拟晶的说法错误．．

的是 A ．Al 65Cu 23Fe 12的硬度比金属Al 、Cu 、Fe 都大

B ．Al 65Cu 23Fe 12中三种金属的化合价均可视作零

C ．Al 65Cu 23Fe 12不可用作长期浸泡在海水中的材料

D ．1mol Al 65Cu 23Fe 12溶于过量的硝酸时共失去265 mol 电子

3、硼和镁形成的化合物刷新了金属化合物超导温度的最高记录，如图所示，

○镁原子，位于定点和上下两个面心

●硼原子，位于六棱柱的内部

钠晶体的晶胞

Al（四条体对角线的

4

1

处）则该化合物的化学式可表示为

A、MgB

B、MgB2

C、Mg2B

D、Mg3B2

4．纳米材料的表面微粒数占微粒总数的比例极大，这是它有许多特殊性质的原

因，假设某纳米颗粒中粒子分布类似于硼镁化合物，其结构如上图所示，则这种

纳米颗粒的表面微粒数占总微粒数的百分数为

A．22％B．70％C．66.7％D．33.3％

5、某固体仅由一种元素组成，其密度为5.0g.cm-3,用X射线研究该固体的结构

时,得知在边长为10-7cm的立方体中含有20个原子,则此元素的相对原子质量最

接近于下列数据中的( )

A、32

B、120

C、150

D、180

6.现有甲、乙、丙、丁四种

晶胞（如图2-8所示），

可推知：甲晶体中A与B

的离子个数比为；乙

晶体的化学式

为；丙晶体的化学式为______；丁晶体的化学式为______。

7．金晶体的最小重复单元（也称晶胞）是面心立方体，即在立

方体的8个顶点各有一个金原子，各个面的中心有一个金原子，

每个金原子被相邻的晶胞所共用（如图）。金原子的直径为d cm

用N A表示阿伏加德罗常数，M表示金的摩尔质量。

（1）金晶体每个晶胞中含有________个金原子。

（2）欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定

_______________。

（3）一个晶胞的体积是多少？（4）金晶体的密度是多少？

8．晶体是质点（分子、离子、或原子）在空间有规则地

排列的，具有整齐外形，以多面体出现的固体物质。在空

间里无限地周期性的重复能成为晶体的具有代表性的最小

单元，称为晶胞。一种Al－Fe合金的立体晶胞如图所示。

⑴确定该合金的化学式____________。

⑵若晶胞的边长＝a nm ，计算此合金的___________g/cm 3。

⑶取一定质量的该合金粉末溶于足量的稀NaOH 溶液中，

待反应完全停止后得到气体6.72L 。过滤，将残渣用蒸馏水

洗净后，取其质量的十分之一，投入100mL 一定浓度的稀硝酸中，恰好完全反应，共收集到气体0.672L 。（气体体积均在标准状况下测定）①计算硝酸的物质的量浓度。

②最终所得溶液中Fe 3＋的物质的量浓度（假设溶液体积仍为100mL ）。

⑴Fe 2Al （2分） ⑵37A )10(274568-???+?a N 或3

A 21

10556a N ?? ⑶①3Fe ＋8HNO 3＝3Fe(NO 3)2＋2NO↑＋4H 2O

Fe ＋4HNO 3＝Fe(NO 3)3＋NO↑＋2H 2O

根据铁和稀硝酸的反应，不管铁被氧化到什么价态，均有

n (HNO 3)＝4 n (NO)＝4×

1L mol 22.4L 0.672－?＝0.12mol c (HNO 3)＝L

0.1mol 0.12＝1.2mol/L ②2Al ＋2NaOH ＋H 2O ＝2NaAlO 2＋3H 2↑

开始所取合金中n (Al)＝32n (H 2)＝32×

L/mol

4.22L 72.6＝0.2 mol ）