高中化學 3.2金屬晶體與離子晶體課件 魯科版選修3.ppt

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第二節(jié) 金屬晶體與離子晶體,晶體的特性有：(1)規(guī)則的_________；(2)固定_____；(3)_________；(4)能發(fā)生X射線衍射。其中利用________ ____________是區(qū)分晶體和非晶體最可靠、最科學的方法。 晶體類型有：(1)______晶體；(2)_____晶體；(3)_____晶體；(4)_____晶體。 晶體內微粒的堆積方式：(1)等徑圓球的密堆積——①簡單立方堆積，配位數為__，空間利用率為_____；②A2型密堆積，配位數為___，空間利用率為_____；③A3型最密堆積，配位數為____，空間利用率為______；④A1型最密堆,1．,幾何外形,熔點,各向異性,能否發(fā),生X射線衍射,2．,離子,分子,原子,金屬,3．,6,52%,8,68%,12,74%,積即“________________方式，配位數為____?？臻g利用率為_____。 (2)非等徑圓球的密堆積——主要是離子晶體，在離子晶體中陰、陽離子半徑不等；一般看成是大球(如NaCl中的Cl－)先按一定方式做__________________，小球(如NaCl中Na＋)再填空在大球所形成的_____中。NaCl晶體中Cl－先按____型最密堆積，Na＋填在Cl－所構成的______中；ZnS晶體中S2－按____方式進行最密堆積，Zn2＋填在S2－所構成的 _____中。,ABCABCABC…,12,74%,等徑圓球的密堆積,空隙,A1,空隙,A1,空隙,晶體結構中最小的__________稱為晶胞。如某晶體的晶 胞為： ，則該晶體的化學式 為________或______。,4．,重復單元,XY3Z,ZXY3,理解金屬晶體和離子晶體中微粒間的堆積方式，并能從化學鍵和堆積方式兩個角度認識金屬晶體的延展性、離子晶體熔、沸點和硬度等性質的特點。 學會從晶胞這個結構單元的角度來認識晶體的內部結構并且學會利用這種方法研究其他晶體。 通過對微觀結構的研究、討論，體會感悟微觀世界的精巧。,1．,2．,3．,概念：金屬晶體是金屬原子通過_______形成的一類晶體。金屬晶體常溫下除____外都是固體。 構成微粒：金屬陽離子、_____電子。 晶體內微粒間的作用力：________。 金屬晶體的結構形式 由于金屬鍵沒有飽和性和方向性，從而導致金屬晶體最常見的結構形式具有堆積密度大、原子配位數高、能充分利用空間等特點。,1.,2．,3．,4．,金屬鍵,Hg,自由,金屬鍵,金屬晶體的原子空間堆積有的采用最密堆積形式，如：面心立方最密堆積A1、六方最密堆積A3、體心立方密堆積A2等。 (1)面心立方最密堆積——A1型最密堆積 面心立方晶胞，即立方體的八個頂角和六個面的中心各有一個原子，配位數為12，這種堆積方式的空間利用率比體心立方密堆積高。 (2)體心立方密堆積——A2型密堆積,如右圖所示為體心立方晶胞，即立方體的八個頂角和體心各有一個原子，配位數為8。 (3)六方最密堆積——A3型最密堆積,六方晶胞，配位數為12，這種堆積方式的空間利用率也比體心立方密堆積高。,金屬的晶體結構與物理性質 (1)金屬晶體具有良好的導電性、導熱性。這是由于自由電子在外加電場的作用下發(fā)生_____移動，形成電流，使金屬晶體具有良好的導電性；而自由電子在運動過程中通過碰撞進行能量_____，使金屬晶體具有良好的導熱性。,5．,定向,傳遞,(2)金屬晶體具有良好的延展性。這是由于自由電子在金屬晶體內可以自由運動，當金屬受到外力作用被拉成細絲或壓成薄片時，雖然各層之間發(fā)生了相對滑動，但自由電子跟金屬陽離子之間的較強的相互作用沒有改變，因而不致發(fā)生_____。 (3)金屬的熔點、硬度等取決于金屬晶體內部作用力的強 弱。一般來說，金屬原子的_________越多，原子半徑 _____，金屬晶體內部作用力越強，因而晶體熔點越高， 硬度_____。,斷裂,價電子數,越小,越大,(4)金屬晶體中原子的堆積方式也會影響金屬的性質，如具有最密堆積結構的金屬的延展性往往比其他結構的延展性___。 合金 (1)概念：合金是由_________與另一種金屬或幾種金屬(非金屬)融合而成的，具有金屬特性的物質叫做合金。 (2)性質：合金不是純金屬，但具有金屬特性。與單組分金屬相比，合金的某些性質更優(yōu)越。如不銹鋼能夠耐 ___、___的腐蝕，硬鋁具有較大的_____，合金的_____一般比它的組分金屬低，_____和_____比它的組分金屬 ____，應用比純金屬廣泛得多。,6．,一種金屬,酸,堿,硬度,熔點,硬度,強度,大,好,離子晶體的概念：由_______和_______通過______鍵結合，在空間呈現有規(guī)律的排列而形成的晶體。 構成離子晶體的微粒是：_______、_______。 構成離子晶體的微粒之間的作用力：_______。 離子晶體的結構,1.,陰離子,離子,2．,陽離子,陰離子,3．,離子鍵,4．,6,6,4,4,12,4,陽離子,8,8,6,6,1∶1,(3)ZnS型離子晶體中，陰離子和陽離子的排列類似NaCl型，但相互穿插的位置不同，使陰、陽離子的配位數不是6，而是4。常見的ZnS型離子晶體有硫化鋅、碘化銀、氧化鈹的晶體等。 晶格能 (1)含義 將1 mol離子晶體中陰、陽離子完全氣化而遠離所吸收的能量。 晶格能越大，表示離子鍵越強，離子晶體越穩(wěn)定。 (2)大小,5.,,正比,反比,②與晶體的_________有關。 離子晶體的特性 (1)熔點、沸點_____。晶格能越大，熔點_____。 (2)一般___溶于水，而難溶于非極性溶劑。 (3)固態(tài)時不導電，______狀態(tài)或_______導電。,結構型式,6．,較高,越高,熔融,水溶液,易,(1)固態(tài)導電的一定是金屬晶體嗎？ (2)金屬的延展性與金屬鍵有什么關系？ 提示 (1)不一定。如石墨在固態(tài)時也導電，但不是金屬。 (2)金屬晶體由金屬原子堆積而成，當金屬受外力時，層與層之間可以發(fā)生相對滑動，但金屬鍵仍然存在，所以金屬鍵不會斷裂，故金屬具有良好的延展性。,【慎思1】,金屬晶體三維空間模型常見的三種結構是怎樣的？ 提示,【慎思2】,注意：金屬釙(Po)為簡單立方密堆積，配位數為6，空間利用率為52%。,離子晶體特性與結構有哪些聯系呢？ 提示 (1)離子晶體具有較高的熔點、沸點，難揮發(fā)。離子晶體中，陰、陽離子間有強烈的相互作用(離子鍵)，要克服離子間的相互作用力使物質熔化和沸騰，就需要較多的能量。 一般來說，陰、陽離子所帶的電荷數越多，離子半徑越小，則離子鍵越強，離子晶體的熔、沸點越高，如熔沸點：Al2O3MgO；NaClCsCl等。 (2)離子晶體硬而脆。離子晶體中，陰陽離子間有較強的離子鍵，離子鍵表現出較強的硬度，當晶體受到沖擊力作用時，部分離子鍵發(fā)生斷裂，導致晶體破碎。,【慎思3】,(3)離子晶體不導電，熔化或溶于水后能導電。離子晶體中，離子鍵較強，離子不能自由移動，因此離子晶體不導電。當升高溫度時，陰、陽離子獲得足夠能量，克服了離子間的相互作用，成了自由移動的離子，在外界電場作用下，離子定向移動而導電。離子化合物溶于水時，陰、陽離子受到水分子作用變成了自由移動的離子(或水合離子)，在外界電場作用下，陰、陽離子定向移動而導電。 (4)大多數離子晶體易溶于極性溶劑(如水)中，難溶于非極性溶劑(如汽油、煤油)中。當把離子晶體放在水中時，極性水分子對離子晶體中的離子產生吸引作用，使晶體中的離子克服了離子間的作用而電離，變成在水中自由移動的離子。,(5)離子晶體判斷技巧 ①離子晶體的一些特殊物理性質可用于確定晶體類型。如在水溶液中和在熔融狀態(tài)下都能導電的晶體一般是離子晶體。 ②對于離子晶體的熔、沸點，要注意“一般地說”和“較高”等字詞。“一般地說”說明離子晶體的熔、沸點還有些特例；“較高”是與其他晶體類型比較的結果。,為什么同樣是AB型離子化合物其晶體結構存在著較大的差異？,【慎思4】,定義：金屬晶體是指金屬原子通過金屬鍵形成的晶體。 金屬鍵：金屬晶體中金屬陽離子和自由電子之間的強烈的相互作用。 金屬鍵的特征：由于自由電子為整個金屬所共有，所以金屬鍵沒有方向性和飽和性。 金屬原子的外層電子數比較少，容易失去電子變成金屬離子和電子，金屬離子間存在反性電荷的維系——帶負電荷的自由移動的電子(運動的電子使體系更穩(wěn)定)，這些電子,1．,2．,不是專屬于某幾個特定的金屬離子這就是金屬晶體形成的原因。 特別提醒：盡管每個電子的運動都是隨機的，但是大量的價電子運動統(tǒng)計的結果是均勻地分布在整個晶體中，每個金屬離子都均等的享用所有價電子，但都不可能獨占，這就是金屬鍵的核心思想。,金屬晶體的結構型式 (1)特點：最常見的結構型式具有堆積密度大，原子配位數高，能充分利用空間等特點。 (2)分類：Ca、Al、Cu、Ag、Au等金屬晶體屬于A1型最密堆積，Mg、Zn等金屬晶體屬于A3型最密堆積，A2型密堆積又稱為體心立方密堆積，Li、Na、K、Fe等金屬晶體屬于A2型密堆積。A1型配位數為12，A2型配位數為8，A3型配位數為12。,3．,特別提醒：(1)對金屬晶體的認識要抓住金屬晶體中存在微粒和微粒間的相互作用，并能由此來分析金屬晶體的特性。 (2)熟悉常見三種結構模式中的配位數、晶胞中所含有的原子數、晶胞名稱及是否是密堆積等。,金屬鍵和原子的堆積方式與金屬晶體的物理性質的關系 (1)導電性：金屬受熱后，金屬晶體中離子的振動加劇，阻礙著自由電子的運動。所以溫度升高導電性下降。 (2)延展性：①金屬的堆積方式和金屬鍵共同決定金屬晶體是否具有良好的延展性。 ②注意金屬的延展性是有限度的：同時有少數金屬，如銻、鋨、錳等性質較脆，沒有延展性。 特別提醒：金屬之最：(1)導電和導熱性最好的金屬是銀 (2)延性最好的金屬是鉑 (3)展性最好的金屬是金 (4)密度最小的金屬是鋰，最大的金屬是鋨 (5)熔點最低的金屬是汞，最高的是鎢 (6)硬度最大的金屬是鉻,4．,合金 (1)理解概念時一定緊緊抓住兩點：一是至少有一種是金屬；二是合金一般是將各組分熔合成均勻的液體，再經冷凝而制得的。 (2)合金的熔點比其成分中各金屬的熔點都要低，而不是介于兩種成分金屬的熔點之間。 (3)具有比各成分金屬更好的硬度、強度和機械加工性能。例如：金屬鋁很軟，但如果將鋁與銅、鎂按一定的比例混合，經高溫熔融后冷卻可以得到硬鋁，硬度大大提高。 (4)合金的不同類型是通過半徑的不同和失電子能力的不同進行劃分的。合金是在純金屬中引入其他元素，使化學鍵及晶體結構上發(fā)生變化，從而影響到性質。,5．,判斷下列說法錯誤的是 ( )。 A．鎂的硬度大于鋁 B．鎂的熔、沸點低于鈣 C．鎂的硬度大于鉀 D．鉀與鎂晶體中原子堆積方式不同，鎂的延展性比鉀的 強,【例1】?,解析 鎂和鋁的電子層數相同，價電子數AlMg，原子半徑AlMg, 硬度AlMg，A項不正確。鎂、鈣價電子數相同，但半徑CaMg，所以金屬鍵MgCa，熔、沸點MgCa，B項不正確。用以上比較方法可推出：價電子數MgK，原子半徑MgK，硬度MgK，C項正確。鎂晶體中原子堆積方式屬于最密堆積，比鉀晶體中空間利用率高，延展性比鉀的好，D項正確。 答案 AB,比較金屬的物理性質，就是比較金屬鍵的強弱，主要從兩方面分析：(1)價電子數；(2)原子半徑。,金屬晶體的形成是因為晶體中存在 ( )。 ①金屬原子 ②金屬離子 ③自由電子 ④陰離子 A．只有① B．只有③ C．②③ D．②④ 解析 金屬晶體內存在的作用力是金屬鍵，應該從金屬鍵的角度考慮，分析金屬鍵的組成和特征：由自由電子和離子組成，自由電子具有良好導電性，即金屬晶體是金屬離子和自由電子通過金屬鍵形成的。 答案 C,【體驗1】?,定義：離子晶體是陰陽離子通過離子鍵結合，在空間呈現有規(guī)律的排列所形成的晶體。 離子晶體的簡單結構類型 離子晶體以緊密堆積方式，陰陽離子盡可能接近，向空間無限擴展，形成晶體。陰陽離子的配位數比較大，故晶體中不存在單個分子。 組成比為1∶1的離子晶體稱為AB型離子晶體，它是離子晶體中最簡單的一類。AB型離子晶體最常見結構有NaCl型、CsCl型和ZnS型。,1．,2．,(1)NaCl型 NaCl型離子晶體中，每個離子被6個帶相反電荷的離子包圍，陰離子和陽離子的配位數都為6。常見的NaCl型離子晶體有堿金屬元素(銫除外)的鹵化物、銀的鹵化物(碘化銀除外)、堿土金,屬元素(鈹除外)的氧化物、硫化物和,NaCl的晶體結構模型,硒化物的晶體等。,(2)CsCl型 CsCl型離子晶體中，每個離子被8個帶相反電荷的離子包圍，陰離子和陽離子的配位數都為8。常見的CsCl型離子,晶體有：CsBr、CsI、NH4Cl的晶體等。,CsCl的晶體結構模型,(3)ZnS型 ZnS型離子晶體中，陰離子和陽離子的排列類似NaCl型，但相互穿插的位置不同，使陰、陽離子的配位數不是6，而是4。常見的ZnS型離子晶,體有硫化鋅、碘化銀、氧化鈹的晶體等。 特別提醒：(1)注意氯化鈉晶體的晶胞不是一個小立方體，而是八個小立方體構成的大立方體。 (2)離子晶體中不存在分子，構成微粒為陰、陽離子，因此嚴格意義講沒有分子式，應該是化學式。,ZnS晶體結構模型,晶格能——衡量離子鍵的強弱 (1)定義：晶格能是指將1 mol離子晶體中的陰、陽離子完全氣化而遠離所吸收的能量。 (2)意義：晶格能的絕對值越大，說明吸收能量越多，表示離子鍵越強，離子晶體越穩(wěn)定。,3．,離子晶體的性質及相關解釋 一般說來，陰、陽離子的電荷數越多，離子半徑越小，則離子鍵越強，離子晶體的熔、沸點越高，如Al2O3MgO；NaClCsCl等。 (1)離子晶體導電的前提是先電離出自由移動的陰、陽離子。 (2)難溶于水的強電解質如BaSO4、CaCO3等溶于水，由于濃度極小，故導電性極差。通常情況下，我們說它們的水溶液不導電。,4．,(3)大多數離子晶體易溶于極性溶劑(如水)中，難溶于非極性溶劑(如汽油、煤油)中。當把離子晶體放在水中時，極性水分子對離子晶體中的離子產生吸引作用，使晶體中的離子克服了離子間的作用而電離，變成在水中自由移動的離子。 ①離子晶體的一些特殊物質性質可用于確定晶體構型。如在水溶液中和在熔融狀況下能導電的晶體一定是離子晶體。 ②對于離子晶體的熔、沸點，要注意“一般地說”和“較高”等字詞。“一般地說”說明離子晶體的熔、沸點還有些特例；“較高”是與其他晶型比較的結果。,離子晶體熔點的高低決定于晶體中陽離子與陰離子之間的靜電引力，靜電引力大則熔點高，引力小則反之。試根據你學過的知識，判斷KCl、NaCl、CaO、BaO四種晶體熔點的高低順序可能是 ( )。 A．KClNaClBaOCaO B．NaClKClCaOBaO C．CaOBaONaClKCl D．CaOBaOKClNaCl,【例2】?,解析 離子晶體中，離子鍵越強，晶體熔、沸點越高。而離子所帶電荷越多，半徑越小，離子鍵越強。Ca2＋、 O2－、Ba2＋都帶2個電荷；Na＋、Cl－、K＋只帶1個電荷，r(Ca2＋)BaONaClKCl。 答案 C,比較離子晶體的熔點和硬度大小，就是比較離子晶體晶格能的大小，主要從兩方面分析：(1)離子晶體中陰、陽離子的電荷數；(2)陰、陽離子半徑。,如圖所示 ，直線交點處的 圓圈為NaCl晶體中Na＋或Cl－所處的位置。這兩種離子在空間三個互相垂直的方向上都是等距離排列的。 (1)請將其中代表Na＋的圓圈涂黑(不必考慮體積大小)，以完成NaCl晶體結構示意圖。 (2)晶體中，在每個Na＋的周圍與它最接近的且距離相等的Na＋共有________個。,【體驗2】?,(3)在NaCl晶胞中正六面體的頂點上、面上、棱上的Na＋或Cl－為該晶胞與其相鄰的晶胞所共有，一個晶胞中Cl－的個數等于____________，即(填計算式)________；Na＋的個數等于____________，即(填計算式)________________。 解析 (1)氯化鈉晶體的結構特點是鈉離子和氯離子在三個互相垂直的方向上都是等距離的交錯排列。選擇立方體的一個頂點開始代表鈉離子涂黑，交替排列涂黑。見答案圖。 (2)每個鈉離子距離它最近的鈉離子是分別位于三個互相垂直的平面內，每個平面內4個，總共12個。,金屬晶體具有延展性，為什么離子晶體硬而脆不具有延展性？ 金屬晶體中層與層之間發(fā)生滑動過程中自由電子能夠維系整個金屬鍵的存在。 離子晶體中陰、陽離子通過離子鍵結合在一起，半徑大的離子采用等徑圓球的緊密堆積，半徑小的離子填充在空隙中。受力時發(fā)生錯位，使正正離子“相切”、負負離子“相切”，彼此排斥，離子鍵失去作用，故離子晶體無延展性，如CaCO3可用于雕刻，而不可用于鍛造，即不具有延展性。,金屬無論在固態(tài)還是液態(tài)都可以導電，而離子晶體卻不能導電，它只有溶于水后或者在熔融狀態(tài)下才可以導電。如何來解釋這一事實？ 物質導電是因為物質中具有可自由移動的電荷。金屬晶體是由金屬離子和自由電子組成的，在固態(tài)時，金屬離子不能自由移動，但自由電子是分布于整塊金屬晶體可以自由移動，因此在外加電場的作用下定向移動，產生電流；在熔融狀態(tài)，除了自由電子外，金屬離子變得也可以自由移動，因此可以導電。離子晶體是陽離子和陰離子組成的，在固態(tài)時，陰、陽離子只能在各自的位置作輕微的振動，不能改變位置，因此不能發(fā)生帶電微粒的定向移動，所以固態(tài)的離子化合物不能導電；溶于水或者在熔融狀態(tài)，陰、陽離子離解成可以自由移動的離子，可以傳遞電荷，因此具有導電性。,銀是一種銀白色的金屬，但是在氯化銀的分解實驗中卻觀察到生成黑色的固體粉末，這是為什么？ 答案 對于這個問題的思考，應首先考慮金屬晶體為什么呈現金屬光澤，它源于金屬晶體的結構：金屬離子緊密堆積、規(guī)則排列且存在自由移動的電子。 由于金屬晶體中金屬原子以最緊密堆積狀態(tài)排列，且存在可以自由移動的電子，所以，當光線照射到金屬晶體表面時，自由電子可以吸收所有頻率的射光，然后又很快輻射出各種頻率的光，這就使得絕大多數金屬呈現銀灰色以至銀白色光澤。,【案例】,粉末狀態(tài)的金屬由許許多多微小的晶體組成，微小晶體的晶面取向雜亂，晶格排列不規(guī)則，吸收可見光后輻射不出去，所以金屬粉末常呈暗灰色或黑色。氯化銀分解時，得到的是粉末狀的銀，所以看上去是灰黑色的。,