高中化学集体备课 《第三章 晶体结构与性质》第三节 金属晶体教案 苏教版选修Word格式文档下载.docx

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二、电子气理论及其对金属通性的解释1电子气理论

2、金属晶体

（1）

定义：

通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体，叫金属晶体。

（2）

微粒间的相互作用：

金属键3金属通性的解释金属导电性的解释金属导热性的解释金属延展性的解释（4）熔沸点（5）颜色教学过程教学步骤、内容教学方法、手段、师生活动引入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？

板书

金属阳离子和自由电子的较强的相互作用叫做金属键。

金属阳离子和自由电子讲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。

金属阳离子和自由电子间的作用叫静电作用讲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共价键，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。

没有饱和性和方向性讲金属键的强弱差别很大。

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，存在的金属键的较强。

同主族元素，随着核电荷数的增大，金属原子半径增大，金属键变弱，键能减小；

同周期元素，随着核电荷数的增加，金属原子半径减小，金属键增强，键能增大，物质的熔沸点升高。

金属元素的原子半径和单位体积内自由电子的数目及所带电荷的多少强调金属晶体是以金属键为基本作用力的晶体。

由金属键结合成的金属是大分子。

二、电子气理论及其对金属通性的解释1电子气理论讲经典的金属键理论叫做“电子气理论”。

它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形成可与气体相比拟的带负电的“电子气”，金属原子则“浸泡”在“电子气”的“海洋”之中。

投影讲在金属晶体中，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内，而不是自由移动。

通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体，叫金属晶体。

金属键讲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展示金属实物展示的金属实物有金属导线（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。

教师引导从上述金属的应用来看，金属有哪些共同的物理性质呢?

学生分组讨论请一位同学归纳，其他同学补充。

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。

讲在金属晶体中，充满着带负电的“电子气”，这些电子气的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件下电子气就会发生定向移动，因而形成电流，所以金属容易导电。

板书3金属通性的解释金属导电性的解释讲金属导电的带电微粒是电子，离子晶体熔化或溶于水后导电的微粒是阳离子和阴离子。

金属导电过程不生成新物质，属物理变化，而电解质导电的同时要在阴阳两极生成新物质，属化学变化，故二者导电本质是不同的。

设问导热是能量传递的一种形式，它必然是物质运动的结果，那么金属晶体导热过程中电子气中的自由电子担当什么角色?

板书金属导热性的解释讲金属容易导热，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。

板书金属延展性的解释讲大多数金属具有较好的延展性，与金属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，金属都有良好的延展性。

投影电子气理论对金属良好延展性的解释：

讲当向金属晶体中掺人不同的金属或非金属原子时，就像在滚珠之间掺人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。

讲纯金属内，所有原子的大小和形状都是相同的，原子的排列分规整。

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。

因此合金比纯金属延展性要差。

讲金属晶体的熔点变化差别很大。

如Hg在常温下为液态，熔点低而Fe等金属熔点高，这是由于金属晶体密堆积方式、金属阳离子与自由电子的作用力不同造成的。

板书（4）熔沸点讲金属键的强弱与离子半径、离子电荷有关。

离子半径越小，离子所带的电荷越多，则金属键越强，金属的熔点沸点高，硬度越大。

同周期的金属单质，从左到右点升高，硬度增大；

同主族的金属单质，从上至下熔沸点降低，硬度减小。

一般地，合金的熔沸点比其他各成分金属的熔沸点低。

板书（5）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，这就使绝大多数金属呈现银灰色以至银白色光泽。

而金属在粉末状态时，金属的取向杂乱，晶格排列得不规则，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。

教学回顾：

教案课题：

第三节金属晶体

（2）

授课班级课时教学目的知识与技能了解金属晶体内原子的几种常见排列方式过程与方法训练学生的动手能力和空间想象能力。

情感态度价值观培养学生的合作意识重点金属晶体内原子的空间排列方式难点金属晶体内原子的空间排列方式知识结构与板书设计

二、金属晶体的原子堆积模型

1、基本概念紧密堆积：

微粒之间的作用力使微粒间尽可能的相互接近，使它们占有最小的空间配位数：

在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数空间利用率：

晶体的空间被微粒占满的体积百分数，用它来表示紧密堆积的程度

2、简单立方堆积：

晶胞：

一个立方体，1个原子，如金属钋（Po）。

3、钾型：

体心立方，两个原子。

如碱金属。

4、镁型和铜型镁型：

按ABABABAB方式堆积；

铜型：

ABCADCABC方式堆积；

配位数均为12，空间利用率均为74。

教学过程教学步骤、内容教学方法、手段、师生活动过渡金属（除贡外）在常温下一般都是晶体。

在金属中，金属原子容易失去外层电子变成金属离子。

金属原子释出电子后形成的金属离子按一定规律堆积，释出的电子在整个晶体里自由运动，称为自由电子。

金属离子与自由电子之间存在着较强的相互作用，使许许多多金属离子结合在一起形成金属晶体。

原子象钢球一样堆积着，咱们接着研究金属原子的堆积模型。

板书

二、金属晶体的原子堆积模型

微粒之间的作用力使微粒间尽可能的相互接近，使它们占有最小的空间配位数：

在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数空间利用率：

晶体的空间被微粒占满的体积百分数，用它来表示紧密堆积的程度讲金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。

把它们放置在平面上（即二维空间里），可有两种方式，如图322所示。

投影金属原子在平面上的的两种放置方式：

讲金属原子在二维平面里放置得到的两种方式，配位数分别为4和6，可分别称为非密置层和密置层。

交流探究动手：

将直径相等的圆球放置在平面上，使球面紧密接触，除上面两种方式外，还有没有第三种方式?

你不妨用实物（如用中药丸的蜡壳或玻璃球等）自己动手试一试。

汇报

取16个直径相等的球体，在平面上排成一正方形，每排都有4个球体。

在这种放置方式中，每个球体周围都有4个球体与其紧密接触，得到配位数与其紧密接触，得到配位数为4的试，称为非密置层放置。

同样取16个球体，在平面上也排成4排，第二排球体排在第一排球体的间隙中，每排均照此方式排列。

在这种放置方式中，每个球体周围都有6个球体与其紧密接触，得到配位数为6的放置方式，称为密置层放置。

过渡金属晶体可看成金属原子在三维空间中堆积而成。

金属原子堆积有如下4种基本模式。

投影讲不难理解，这种堆积方式形成的晶胞是一个立方体，每个晶胞含1个原子，被称为简单立方堆积。

这种堆积方式的空间利用率太低，只有金属钋（Po）采取这种堆积方式。

投影讲非密置层的另一种堆积方式是将上层金属原子填人下层的金属原子形成的凹穴中，每层均照此堆积，如图324所示。

设问与立方堆积相比空间利用率那一个高？

体心立方，两个原子。

思考与交流钾型晶胞是立文体。

想一想，如果原来的非密置层上的原子保持紧密接触，立方体中心能否容得下一个原子？

（1）取8个直径相等的球体，每4个球体按非密置层放置并粘在一起；

在三维空间里，把两层球体按球体在同一直线上堆积，形成一立方体，这种堆积为简单立方堆积。

每个晶胞含有1个原子。

（2）取12个直径相等的球体，每4个球体按非密置层放置并粘在一起，把上层球体放在下层球体形成的凹穴中，每层均照此方式堆积，这种堆积方式称为钾型。

形成的晶胞也是一个立方体，每个晶胞含有2个原子非密置层在三维空间里的紧密接触除上述两种方式外，没有第三种方式。

把非密置层的小球黏合在一起，再一层一层地堆积起来，使相邻层的球紧密接触。

试一试，除了上述两种堆积方式外，是否可能有第三种方式?

板书

4、镁型和铜型讲密置层的原子按上述钾型堆积方式堆积，会得到两种基本堆积方式镁型和铜型。

镁型如图325左所示，按ABABABAB的方式堆积；

铜型如图325右所示，按ABCADCABC的方式堆积。

分别用代表性金属命名为镁型和铜型，这两种堆积方式都是金属晶体的最密堆积，配位数均为12，空间利用率均为74，但所得晶胞的形式不同。

投影金属晶体的两种堆积方式：

板书镁型：

投影小结空间利用率的计算

1、空间占有率空间占有率等径球两种最密堆积具有相同的堆积密度，等径球两种最密堆积具有相同的堆积密度，晶胞中圆球体积与晶胞体积之比称空间占有晶胞中圆球体积与晶胞体积之比称空间占有率，六方最密堆积（率，六方最密堆积（hcp）与立方最密堆积（）与立方最密堆积（ccp）空间占有率均为）空间占有率均为74、0

5、。

。

设圆半径为设圆半径为R，晶胞棱长为，晶胞棱长为a，晶胞面对，晶胞面对角线长角线长则则晶胞体晶胞体积积立方面心晶胞中含立方面心晶胞中含4个圆球，每个球体积个圆球，每个球体积为为:

:

立方最密堆积虽晶胞大小不同，每个晶胞中立方最密堆积虽晶胞大小不同，每个晶胞中含球数不同。

但计算得到空间占有率相同。

含球数不同。

而体心立方堆积（而体心立方堆积（bcp）则空间占有率低一）则空间占有率低一些。

些。

体对角线长为体对角线长为晶胞体积晶胞体积体心立方晶胞含体心立方晶胞含2个球个球2、某些金属晶体、某些金属晶体（Cu、、Ag、、Au）

的原子按面的原子按面心立方的形式紧密堆积，即在晶体结构中可心立方的形式紧密堆积，即在晶体结构中可以划出一块正立方体的结构单元，金属原子以划出一块正立方体的结构单元，金属原子处于正立方体的八个顶点和六个侧面上，试处于正立方体的八个顶点和六个侧面上，试计算这类金属晶体中原子的空间利用率。

计算这类金属晶体中原子的空间利用率。

2））、、立方面心结构立方面心结构立方面心结构的配位数立方面心结构的配位数12（即每个圆球有（即每个圆球有12个个最近的邻居，同一层有六个，上一层三个，下一层最近的邻居，同一层有六个，上一层三个，下一层三个）。

立方密堆积中可以取出一个立方面心的单三个）。

立方密堆积中可以取出一个立方面心的单位来，每个单位中有四个圆球，球心的位置是位来，每个单位中有四个圆球，球心的位置是000；

；

01/21/1/2/2；

1/201/2/1/；

1/2/1/2/0。

等径圆球的最紧密堆积方式，在维持每个球的周等径圆球的最紧密堆积方式，在维持每个球的周围的情况等同的条件下，就只有上述两种，它们的围的情况等同的条件下，就只有上述两种，它们的空间利用率最高（空间利用率最高（7405）。

）。

立方体边长=a；

立方体对角线a；

四面体边长=a；

讲所谓官堆积结构是指在无方向性的金属键、离子键和分子间作用力等结合的晶体中，原子、离子或分子等微粒总是趋向于相互配位数高、能充分利用空间的堆积密度大的那些结构。

密堆积方式由于充分利用了空间，从而可使体系的势能尽可能降低，结构稳定。

由此可能得出，金属晶体四种堆积模型中，空间利用率越高，结构越稳定。

小结金属晶体的四种模型对比：

堆积模型采纳这种堆积的典型代表空间利用率配位数简单立方Po526钾型（bcp）

Na、K、Fe688镁型（hcp）

Mg、Zn、Ti7412铜型（ccp）

Cu、Ag、Au7412教学回顾：