高中化学 3.2《金属晶体与离子晶体》教学课件 鲁科版选修3

欢迎进入化学课堂 第二节金属晶体与离子晶体 晶体的特性有 1 规则的 2 固定 3 4 能发生X射线衍射 其中利用 是区分晶体和非晶体最可靠 最科学的方法 晶体类型有 1 晶体 2 晶体 3 晶体 4 晶体 晶体内微粒的堆积方式 1 等径圆球的密堆积 简单立方堆积 配位数为 空间利用率为 A2型密堆积 配位数为 空间利用率为 A3型最密堆积 配位数为 空间利用率为 A1型最密堆 1 几何外形 熔点 各向异性 能否发 生X射线衍射 2 离子 分子 原子 金属 3 6 52 8 68 12 74 积即 方式 配位数为 空间利用率为 2 非等径圆球的密堆积 主要是离子晶体 在离子晶体中阴 阳离子半径不等 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晶体中Cl 先按 型最密堆积 Na 填在Cl 所构成的 中 ZnS晶体中S2 按 方式进行最密堆积 Zn2 填在S2 所构成的 中 ABCABCABC 12 74 等径圆球的密堆积 空隙 A1 空隙 A1 空隙 晶体结构中最小的 称为晶胞 如某晶体的晶胞为 则该晶体的化学式为 或 4 重复单元 XY3Z ZXY3 理解金属晶体和离子晶体中微粒间的堆积方式 并能从化学键和堆积方式两个角度认识金属晶体的延展性 离子晶体熔 沸点和硬度等性质的特点 学会从晶胞这个结构单元的角度来认识晶体的内部结构并且学会利用这种方法研究其他晶体 通过对微观结构的研究 讨论 体会感悟微观世界的精巧 1 2 3 概念 金属晶体是金属原子通过 形成的一类晶体 金属晶体常温下除 外都是固体 构成微粒 金属阳离子 电子 晶体内微粒间的作用力 金属晶体的结构形式由于金属键没有饱和性和方向性 从而导致金属晶体最常见的结构形式具有堆积密度大 原子配位数高 能充分利用空间等特点 笃学一金属晶体 1 2 3 4 金属键 Hg 自由 金属键 金属晶体的原子空间堆积有的采用最密堆积形式 如 面心立方最密堆积A1 六方最密堆积A3 体心立方密堆积A2等 1 面心立方最密堆积 A1型最密堆积面心立方晶胞 即立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子 配位数为12 这种堆积方式的空间利用率比体心立方密堆积高 2 体心立方密堆积 A2型密堆积 如右图所示为体心立方晶胞 即立方体的八个顶角和体心各有一个原子 配位数为8 3 六方最密堆积 A3型最密堆积 六方晶胞 配位数为12 这种堆积方式的空间利用率也比体心立方密堆积高 金属的晶体结构与物理性质 1 金属晶体具有良好的导电性 导热性 这是由于自由电子在外加电场的作用下发生 移动 形成电流 使金属晶体具有良好的导电性 而自由电子在运动过程中通过碰撞进行能量 使金属晶体具有良好的导热性 5 定向 传递 2 金属晶体具有良好的延展性 这是由于自由电子在金属晶体内可以自由运动 当金属受到外力作用被拉成细丝或压成薄片时 虽然各层之间发生了相对滑动 但自由电子跟金属阳离子之间的较强的相互作用没有改变 因而不致发生 3 金属的熔点 硬度等取决于金属晶体内部作用力的强弱 一般来说 金属原子的 越多 原子半径 金属晶体内部作用力越强 因而晶体熔点越高 硬度 断裂 价电子数 越小 越大 4 金属晶体中原子的堆积方式也会影响金属的性质 如具有最密堆积结构的金属的延展性往往比其他结构的延展性 合金 1 概念 合金是由 与另一种金属或几种金属 非金属 融合而成的 具有金属特性的物质叫做合金 2 性质 合金不是纯金属 但具有金属特性 与单组分金属相比 合金的某些性质更优越 如不锈钢能够耐 的腐蚀 硬铝具有较大的 合金的 一般比它的组分金属低 和 比它的组分金属 应用比纯金属广泛得多 6 一种金属 酸 碱 硬度 熔点 硬度 强度 大 好 离子晶体的概念 由 和 通过 键结合 在空间呈现有规律的排列而形成的晶体 构成离子晶体的微粒是 构成离子晶体的微粒之间的作用力 离子晶体的结构 笃学二离子晶体 1 阴离子 离子 2 阳离子 阴离子 3 离子键 4 6 6 4 4 12 4 阳离子 8 8 6 6 1 1 3 ZnS型离子晶体中 阴离子和阳离子的排列类似NaCl型 但相互穿插的位置不同 使阴 阳离子的配位数不是6 而是4 常见的ZnS型离子晶体有硫化锌 碘化银 氧化铍的晶体等 晶格能 1 含义将1mol离子晶体中阴 阳离子完全气化而远离所吸收的能量 晶格能越大 表示离子键越强 离子晶体越稳定 2 大小 5 正比 反比 与晶体的 有关 离子晶体的特性 1 熔点 沸点 晶格能越大 熔点 2 一般 溶于水 而难溶于非极性溶剂 3 固态时不导电 状态或 导电 结构型式 6 较高 越高 熔融 水溶液 易 1 固态导电的一定是金属晶体吗 2 金属的延展性与金属键有什么关系 提示 1 不一定 如石墨在固态时也导电 但不是金属 2 金属晶体由金属原子堆积而成 当金属受外力时 层与层之间可以发生相对滑动 但金属键仍然存在 所以金属键不会断裂 故金属具有良好的延展性 慎思1 金属晶体三维空间模型常见的三种结构是怎样的 提示 慎思2 注意 金属钋 Po 为简单立方密堆积 配位数为6 空间利用率为52 离子晶体特性与结构有哪些联系呢 提示 1 离子晶体具有较高的熔点 沸点 难挥发 离子晶体中 阴 阳离子间有强烈的相互作用 离子键 要克服离子间的相互作用力使物质熔化和沸腾 就需要较多的能量 一般来说 阴 阳离子所带的电荷数越多 离子半径越小 则离子键越强 离子晶体的熔 沸点越高 如熔沸点 Al2O3 MgO NaCl CsCl等 2 离子晶体硬而脆 离子晶体中 阴阳离子间有较强的离子键 离子键表现出较强的硬度 当晶体受到冲击力作用时 部分离子键发生断裂 导致晶体破碎 慎思3 3 离子晶体不导电 熔化或溶于水后能导电 离子晶体中 离子键较强 离子不能自由移动 因此离子晶体不导电 当升高温度时 阴 阳离子获得足够能量 克服了离子间的相互作用 成了自由移动的离子 在外界电场作用下 离子定向移动而导电 离子化合物溶于水时 阴 阳离子受到水分子作用变成了自由移动的离子 或水合离子 在外界电场作用下 阴 阳离子定向移动而导电 4 大多数离子晶体易溶于极性溶剂 如水 中 难溶于非极性溶剂 如汽油 煤油 中 当把离子晶体放在水中时 极性水分子对离子晶体中的离子产生吸引作用 使晶体中的离子克服了离子间的作用而电离 变成在水中自由移动的离子 5 离子晶体判断技巧 离子晶体的一些特殊物理性质可用于确定晶体类型 如在水溶液中和在熔融状态下都能导电的晶体一般是离子晶体 对于离子晶体的熔 沸点 要注意 一般地说 和 较高 等字词 一般地说 说明离子晶体的熔 沸点还有些特例 较高 是与其他晶体类型比较的结果 为什么同样是AB型离子化合物其晶体结构存在着较大的差异 慎思4 定义 金属晶体是指金属原子通过金属键形成的晶体 金属键 金属晶体中金属阳离子和自由电子之间的强烈的相互作用 金属键的特征 由于自由电子为整个金属所共有 所以金属键没有方向性和饱和性 金属原子的外层电子数比较少 容易失去电子变成金属离子和电子 金属离子间存在反性电荷的维系 带负电荷的自由移动的电子 运动的电子使体系更稳定 这些电子 要点一 金属晶体 1 2 不是专属于某几个特定的金属离子这就是金属晶体形成的原因 特别提醒 尽管每个电子的运动都是随机的 但是大量的价电子运动统计的结果是均匀地分布在整个晶体中 每个金属离子都均等的享用所有价电子 但都不可能独占 这就是金属键的核心思想 金属晶体的结构型式 1 特点 最常见的结构型式具有堆积密度大 原子配位数高 能充分利用空间等特点 2 分类 Ca Al Cu Ag Au等金属晶体属于A1型最密堆积 Mg Zn等金属晶体属于A3型最密堆积 A2型密堆积又称为体心立方密堆积 Li Na K Fe等金属晶体属于A2型密堆积 A1型配位数为12 A2型配位数为8 A3型配位数为12 3 特别提醒 1 对金属晶体的认识要抓住金属晶体中存在微粒和微粒间的相互作用 并能由此来分析金属晶体的特性 2 熟悉常见三种结构模式中的配位数 晶胞中所含有的原子数 晶胞名称及是否是密堆积等 金属键和原子的堆积方式与金属晶体的物理性质的关系 1 导电性 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 延展性 金属的堆积方式和金属键共同决定金属晶体是否具有良好的延展性 注意金属的延展性是有限度的 同时有少数金属 如锑 锇 锰等性质较脆 没有延展性 特别提醒 金属之最 1 导电和导热性最好的金属是银 2 延性最好的金属是铂 3 展性最好的金属是金 4 密度最小的金属是锂 最大的金属是锇 5 熔点最低的金属是汞 最高的是钨 6 硬度最大的金属是铬 4 合金 1 理解概念时一定紧紧抓住两点 一是至少有一种是金属 二是合金一般是将各组分熔合成均匀的液体 再经冷凝而制得的 2 合金的熔点比其成分中各金属的熔点都要低 而不是介于两种成分金属的熔点之间 3 具有比各成分金属更好的硬度 强度和机械加工性能 例如 金属铝很软 但如果将铝与铜 镁按一定的比例混合 经高温熔融后冷却可以得到硬铝 硬度大大提高 4 合金的不同类型是通过半径的不同和失电子能力的不同进行划分的 合金是在纯金属中引入其他元素 使化学键及晶体结构上发生变化 从而影响到性质 5 判断下列说法错误的是 A 镁的硬度大于铝B 镁的熔 沸点低于钙C 镁的硬度大于钾D 钾与镁晶体中原子堆积方式不同 镁的延展性比钾的强 例1 解析镁和铝的电子层数相同 价电子数Al Mg 原子半径AlMg 硬度Al Mg A项不正确 镁 钙价电子数相同 但半径Ca Mg 所以金属键Mg Ca 熔 沸点Mg Ca B项不正确 用以上比较方法可推出 价电子数Mg K 原子半径MgK 硬度Mg K C项正确 镁晶体中原子堆积方式属于最密堆积 比钾晶体中空间利用率高 延展性比钾的好 D项正确 答案AB 比较金属的物理性质 就是比较金属键的强弱 主要从两方面分析 1 价电子数 2 原子半径 金属晶体的形成是因为晶体中存在 金属原子 金属离子 自由电子 阴离子A 只有 B 只有 C D 解析金属晶体内存在的作用力是金属键 应该从金属键的角度考虑 分析金属键的组成和特征 由自由电子和离子组成 自由电子具有良好导电性 即金属晶体是金属离子和自由电子通过金属键形成的 答案C 体验1 定义 离子晶体是阴阳离子通过离子键结合 在空间呈现有规律的排列所形成的晶体 离子晶体的简单结构类型离子晶体以紧密堆积方式 阴阳离子尽可能接近 向空间无限扩展 形成晶体 阴阳离子的配位数比较大 故晶体中不存在单个分子 组成比为1 1的离子晶体称为AB型离子晶体 它是离子晶体中最简单的一类 AB型离子晶体最常见结构有NaCl型 CsCl型和ZnS型 要点二 离子晶体 1 2 1 NaCl型NaCl型离子晶体中 每个离子被6个带相反电荷的离子包围 阴离子和阳离子的配位数都为6 常见的NaCl型离子晶体有碱金属元素 铯除外 的卤化物 银的卤化物 碘化银除外 碱土金 属元素 铍除外 的氧化物 硫化物和 NaCl的晶体结构模型 硒化物的晶体等 2 CsCl型CsCl型离子晶体中 每个离子被8个带相反电荷的离子包围 阴离子和阳离子的配位数都为8 常见的CsCl型离子 晶体有 CsBr CsI NH4Cl的晶体等 CsCl的晶体结构模型 3 ZnS型ZnS型离子晶体中 阴离子和阳离子的排列类似NaCl型 但相互穿插的位置不同 使阴 阳离子的配位数不是6 而是4 常见的ZnS型离子晶 体有硫化锌 碘化银 氧化铍的晶体等 特别提醒 1 注意氯化钠晶体的晶胞不是一个小立方体 而是八个小立方体构成的大立方体 2 离子晶体中不存在分子 构成微粒为阴 阳离子 因此严格意义讲没有分子式 应该是化学式 ZnS晶体结构模型 晶格能 衡量离子键的强弱 1 定义 晶格能是指将1mol离子晶体中的阴 阳离子完全气化而远离所吸收的能量 2 意义 晶格能的绝对值越大 说明吸收能量越多 表示离子键越强 离子晶体越稳定 3 离子晶体的性质及相关解释一般说来 阴 阳离子的电荷数越多 离子半径越小 则离子键越强 离子晶体的熔 沸点越高 如Al2O3 MgO NaCl CsCl等 1 离子晶体导电的前提是先电离出自由移动的阴 阳离子 2 难溶于水的强电解质如BaSO4 CaCO3等溶于水 由于浓度极小 故导电性极差 通常情况下 我们说它们的水溶液不导电 4 3 大多数离子晶体易溶于极性溶剂 如水 中 难溶于非极性溶剂 如汽油 煤油 中 当把离子晶体放在水中时 极性水分子对离子晶体中的离子产生吸引作用 使晶体中的离子克服了离子间的作用而电离 变成在水中自由移动的离子 离子晶体的一些特殊物质性质可用于确定晶体构型 如在水溶液中和在熔融状况下能导电的晶体一定是离子晶体 对于离子晶体的熔 沸点 要注意 一般地说 和 较高 等字词 一般地说 说明离子晶体的熔 沸点还有些特例 较高 是与其他晶型比较的结果 离子晶体熔点的高低决定于晶体中阳离子与阴离子之间的静电引力 静电引力大则熔点高 引力小则反之 试根据你学过的知识 判断KCl NaCl CaO BaO四种晶体熔点的高低顺序可能是 A KCl NaCl BaO CaOB NaCl KCl CaO BaOC CaO BaO NaCl KClD CaO BaO KCl NaCl 例2 解析离子晶体中 离子键越强 晶体熔 沸点越高 而离子所带电荷越多 半径越小 离子键越强 Ca2 O2 Ba2 都带2个电荷 Na Cl K 只带1个电荷 r Ca2 BaO NaCl KCl 答案C 比较离子晶体的熔点和硬度大小 就是比较离子晶体晶格能的大小 主要从两方面分析 1 离子晶体中阴 阳离子的电荷数 2 阴 阳离子半径 如图所示 直线交点处的圆圈为NaCl晶体中Na 或Cl 所处的位置 这两种离子在空间三个互相垂直的方向上都是等距离排列的 1 请将其中代表Na 的圆圈涂黑 不必考虑体积大小 以完成NaCl晶体结构示意图 2 晶体中 在每个Na 的周围与它最接近的且距离相等的Na 共有 个 体验2 3 在NaCl晶胞中正六面体的顶点上 面上 棱上的Na 或Cl 为该晶胞与其相邻的晶胞所共有 一个晶胞中Cl 的个数等于 即 填计算式 Na 的个数等于 即 填计算式 解析 1 氯化钠晶体的结构特点是钠离子和氯离子在三个互相垂直的方向上都是等距离的交错排列 选择立方体的一个顶点开始代表钠离子涂黑 交替排列涂黑 见答案图 2 每个钠离子距离它最近的钠离子是分别位于三个互相垂直的平面内 每个平面内4个 总共12个 金属晶体具有延展性 为什么离子晶体硬而脆不具有延展性 金属晶体中层与层之间发生滑动过程中自由电子能够维系整个金属键的存在 离子晶体中阴 阳离子通过离子键结合在一起 半径大的离子采用等径圆球的紧密堆积 半径小的离子填充在空隙中 受力时发生错位 使正正离子 相切 负负离子 相切 彼此排斥 离子键失去作用 故离子晶体无延展性 如CaCO3可用于雕刻 而不可用于锻造 即不具有延展性 金属无论在固态还是液态都可以导电 而离子晶体却不能导电 它只有溶于水后或者在熔融状态下才可以导电 如何来解释这一事实 物质导电是因为物质中具有可自由移动的电荷 金属晶体是由金属离子和自由电子组成的 在固态时 金属离子不能自由移动 但自由电子是分布于整块金属晶体可以自由移动 因此在外加电场的作用下定向移动 产生电流 在熔融状态 除了自由电子外 金属离子变得也可以自由移动 因此可以导电 离子晶体是阳离子和阴离子组成的 在固态时 阴 阳离子只能在各自的位置作轻微的振动 不能改变位置 因此不能发生带电微粒的定向移动 所以固态的离子化合物不能导电 溶于水或者在熔融状态 阴 阳离子离解成可以自由移动的离子 可以传递电荷 因此具有导电性 银是一种银白色的金属 但是在氯化银的分解实验中却观察到生成黑色的固体粉末 这是为什么 答案对于这个问题的思考 应首先考虑金属晶体为什么呈现金属光泽 它源于金属晶体的结构 金属离子紧密堆积 规则排列且存在自由移动的电子 由于金属晶体中金属原子以最紧密堆积状态排列 且存在可以自由移动的电子 所以 当光线照射到金属晶体表面时 自由电子可以吸收所有频率的射光 然后又很快辐射出各种频率的光 这就使得绝大多数金属呈现银灰色以至银白色光泽 案例 粉末状态的金属由许许多多微小的晶体组成 微小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 所以金属粉末常呈暗灰色或黑色 氯化银分解时 得到的是粉末状的银 所以看上去是灰黑色的 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全