蘇教版高中化學選修三3.1《金屬鍵金屬晶體》參考教案

.專題3微粒間作用力與物理性質第一單元 金屬鍵 金屬晶體教學目標1了解金屬晶體模型和金屬鍵的本質2認識金屬鍵與金屬物理性質的辨證關系3能正確分析金屬鍵的強弱4結合問題討論并深化金屬的物理性質的共性5認識合金及其廣泛應用課時安排 3課時 第一課時學習內容金屬鍵的概念及金屬的物理性質【引入】同學們我們的世界是五彩繽紛的，是什么組成了我們的世界呢？學生回答：物質講述：對！我們的自然世界是有物質組成的，翻開我們的化學課本的最后一頁我們可以看到一張化學元素周期表，不論冬天美麗的雪花，公路上漂亮的汽車。包括你自己的身體都是有這些元素的一種或幾種構成的。那么我們現在就來認識一下占周期表中大多數的金屬。【板書】3-1-1 金屬鍵與金屬特性大家都知道晶體有固定的幾何外形、有確定的熔點，水、干冰等都屬于分子晶體，靠范德華力結合在一起，金剛石、金剛砂等都是原子晶體，靠共價鍵相互結合，那么我們所熟悉的鐵、鋁等金屬是不是晶體呢？它們又是靠什么作用結合在一起的呢？【展示】幾種金屬的應用的圖片，有金屬導線(銅或鋁)、鐵絲、鍍銅金屬片等，并將鐵絲隨意彎曲，引導觀察銅的金屬光澤。敘述應用部分包括電工架設金屬高壓電線，家用鐵鍋炒菜，鍛壓機把鋼錠壓成鋼板等。【討論】請一位同學歸納，其他同學補充。1、金屬有哪些物理共性？2、金屬原子的外層電子結構、原子半徑和電離能？金屬單質中金屬原子之間怎樣結合的？【板書】一、金屬共同的物理性質容易導電、導熱、有延展性、有金屬光澤等。二、金屬鍵【動畫演示并講解】金屬原子的電離能低，容易失去電子而形成陽離子和自由電子，陽離子整體共同整體吸引自由電子而結合在一起。這種金屬離子與自由電子之間的較強作用就叫做金屬鍵。金屬晶體的組成粒子：金屬陽離子和自由電子。金屬離子通過吸引自由電子聯(lián)系在一起, 形成金屬晶體.經典的金屬鍵理論把金屬鍵形象地描繪成從金屬原子上“脫落”下來的大量自由電子，金屬原子則“浸泡”在“自由電子”的“海洋”之中。金屬鍵的形象說法: “失去電子的金屬離子浸在自由電子的海洋中”. 金屬鍵的特征是成鍵電子可以在金屬中自由流動，使得金屬呈現出特有的屬性在金屬單質的晶體中，原子之間以金屬鍵相互結合。金屬鍵是一種遍布整個晶體的離域化學鍵。這種鍵既沒有方向性也沒有飽和性，【板書】 1構成微粒：金屬陽離子和自由電子 2金屬鍵：金屬陽離子和自由電子之間的較強的相互作用 3、成鍵特征：自由電子被許多金屬離子所共有；無方向性、飽和性【板書】三、金屬鍵對金屬通性的解釋【學生分組討論】如何應用金屬鍵理論來解釋金屬的特性？請一位同學歸納，其他同學補充?！景鍟?金屬導電性的解釋在金屬晶體中，充滿著自由電子，而自由電子的運動是沒有一定方向的，但在外加電場的條件下自由電子就會發(fā)生定向移動，因而形成電流，所以金屬容易導電?！緩娬{】：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. 金屬導熱性的解釋金屬容易導熱，是由于自由電子在熱的作用下與金屬原子頻繁碰撞從而把能量從溫度高的部分傳到溫度低的部分，從而使整塊金屬達到相同的溫度。3金屬延展性的解釋當金屬受到外力作用時，晶體中的各原子層就會發(fā)生相對滑動，但不會改變原來的排列方式，彌漫在金屬原子間的電子氣可以起到類似軸承中滾珠之間潤滑劑的作用，所以在各原子層之間發(fā)生相對滑動以后，仍可保持這種相互作用，因而即使在外力作用下，發(fā)生形變也不易斷裂。因此，金屬都有良好的延展性。4、金屬晶體結構具有金屬光澤和顏色由于自由電子可吸收所有頻率的光，然后很快釋放出各種頻率的光，因此絕大多數金屬具有銀白色或鋼灰色光澤。而某些金屬（如銅、金、銫、鉛等）由于較易吸收某些頻率的光而呈現較為特殊的顏色。當金屬成粉末狀時，金屬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，所以成黑色?！締栴}解決】1金屬晶體的形成是因為晶體中存在A.金屬離子間的相互作用 B金屬原子間的相互作用 C.金屬離子與自由電子間的相互作用 D.金屬原子與自由電子間的相互作用 2金屬能導電的原因是A.金屬晶體中金屬陽離子與自由電子間的相互作用較弱 B金屬晶體中的自由電子在外加電場作用下可發(fā)生定向移動 C金屬晶體中的金屬陽離子在外加電場作用下可發(fā)生定向移動 D金屬晶體在外加電場作用下可失去電子 3、下列敘述正確的是（ ）A.任何晶體中，若含有陽離子也一定含有陰離子 B原子晶體中只含有共價鍵 C.離子晶體中只含有離子鍵，不含有共價鍵 D分子晶體中只存在分子間作用力，不含有其他化學鍵 【設問】我們知道，不同的金屬在某些性質方面，如密度、硬度、熔點等又表現出很大差別。有的金屬軟如蠟，有的硬如鋼；有的金屬熔點低，有的熔點高，金屬的這些性質與金屬鍵有沒有關系？【投影】課本P29表3-1【學生分組討論】根據表中的數據，總結影響金屬鍵的因素?！景鍟克摹＝饘俚娜?、沸點、硬度與金屬鍵的關系1原子化熱：1mol金屬固體完全氣化成相互遠離的氣態(tài)原子時吸收的能量。【講解】金屬鍵無方向性, 無固定的鍵能, 金屬鍵的強弱和自由電子的多少有關, 也和離子半徑、電子層結構等其它許多因素有關, 很復雜. 金屬鍵的強弱可以用金屬原子化熱等來衡量. 金屬原子化熱是指 1mol 金屬變成氣態(tài)原子所需要的熱量. 金屬原子化熱數值小時, 其熔點低, 質地軟; 反之, 則熔點高, 硬度大.【板書】2、影響金屬鍵強弱的因素：原子半徑、單位體積的自由電子的數目等一般：金屬元素的原子半徑越小、單位體積內自由電子的數目越多，金屬鍵越強，金屬晶體的硬度越大，熔沸點越高?！菊f明】：不同的金屬在某些性質方面，如密度、硬度、熔點等又表現出很大差別。這與金屬原子本身、晶體中原子的排列方式等因素有關?！締栴}解決】3、試比較下列金屬熔點的高低和硬度大小。（1）Na Mg Al （2）Li Na K Rb Cs （3）K Ca 4、為什么堿金屬單質的熔沸點從上到下逐漸降低？【課堂小結】 結構 性質金屬鍵金屬內部的特殊結構 金屬的物理共性金屬陽離子 自由電子 原子化熱 導電性 導熱性 延展性金屬陽離子半徑、自由電子數 熔沸點高低、硬度大小【課后閱讀材料】1超導體一類急待開發(fā)的材料一般說來，金屬是電的良好導體(汞的很差)。 1911年荷蘭物理學家H昂內斯在研究低溫條件下汞的導電性能時，發(fā)現當溫度降到約4 K(即269、)時汞的電阻“奇異”般地降為零，表現出超導電性。后又發(fā)現還有幾種金屬也有這種性質，人們將具有超導性的物質叫做超導體。2金屬的物理性質由于金屬晶體中存在大量的自由電子和金屬離子(或原子)排列很緊密，使金屬具有很多共同的性質。(1)狀態(tài)：通常情況下，除Hg外都是固體。(2)金屬光澤：多數金屬具有光澤。但除Mg、Al、 Cu、Au在粉末狀態(tài)有光澤外，其他金屬在塊狀時才表現出來。 (3)易導電、導熱：由于金屬晶體中自由電子的運動，使金屬易導電、導熱。(4)延展性(5)熔點及硬度：由金屬晶體中金屬離子跟自由電子間的作用強弱決定。金屬除有共同的物理性質外，還具有各自的特性。顏色：絕大多數金屬都是銀白色，有少數金屬具有顏色。如Au金黃色Cu紫紅色Cs銀白略帶金色。密度：與原子半徑、原子相對質量、晶體質點排列的緊密程度有關。最重的為鋨(Os)鉑(Pt)最輕的為鋰(Li)熔點：最高的為鎢(W)，最低的為汞(Hg)，Cs，為284Ca為30硬度：最硬的金屬為鉻(Cr)，最軟的金屬為鉀 (K)，鈉(Na)，銫(Cs)等，可用小刀切割。導電性：導電性能強的為銀(Ag)，金(Au)，銅 (Cu)等。導電性能差的為汞(Hg)延展性：延展性最好的為金(Au)，Al【課后練習】1.下列敘述中，可以肯定是一種主族金屬元素的是 A原子最外層有3個電子的一種金屬 B熔點低于100的一種金屬C次外電子層上有8個電子的一種金屬D除最外層，原子的其他電子層電子數目均達飽和的一種金屬2.金屬晶體的形成是因為晶體中主要存在 A金屬離子之間的相互作用B金屬原子之間的作用C金屬離子與自由電子間的相互作用D金屬原子與自由電子間的相互作用3. 金屬的下列性質中與金屬晶體結構無關的是 A導電性 B化學反應中易失去電子C延展性 D硬度4.在金屬晶體中，自由電子與金屬離子的碰撞中有能量傳遞，可以用此來解釋的金屬的物理性質是 A延展性 B導電性 C導熱性 D硬度5.金屬的下列性質中，不能用金屬晶體結構加以解釋的是 A易導電 B易導熱 C有延展性 D易銹蝕 6. 試比較下列金屬熔點的高低，并解釋之。（1）Na、Mg、Al （2）Li、Na、K、Rb、Cs第 二 課 時學習內容 認識金屬晶體基本結構【引入】展示：雪花、石英、食鹽、鋁的晶體結構圖， 大多數的金屬及其合金也是晶體，具有規(guī)則的幾何外形?！鹃喿x】課本P30 化學史話：人類對晶體結構的認識?！景鍟恳弧⒕w與非晶體晶體:具有規(guī)則幾何外形的固體非晶體:沒有規(guī)則幾何外形的固體二、晶體的特性1、有規(guī)則的幾何外形2、有固定的熔沸點3、各向異性(強度、導熱性、光學性質等）三、 晶體的分類(依據：構成晶體的粒子種類及粒子之間的作用)分為：金屬晶體、離子晶體、原子晶體、分子晶體、混合晶體?！景鍟?-1-2 金屬晶體一、金屬晶體的密堆積結構【展示】 鈉晶體的堆積方式，講解晶胞的概念。 【板書】1、晶胞：金屬晶體中能夠反映晶體結構特征的基本重復單位【講解】晶體的結構是晶胞在空間連續(xù)重復延伸而形成的。晶胞與晶體的關系如同磚塊與墻的關系。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(guī)律的。【展示】金屬晶體的原子平面堆積模型（a）非密置層 （b）密置層【設問】哪種排列方式圓球周圍剩余空隙最?。俊就队安⒅v解】金屬晶體中離子是以緊密堆積的形式存在的. 下面的剛性球模型來討論堆積方式.在一個層中，最緊密的堆積方式是，一個球與周圍 6 個球相切，在中心的周圍形成 6 個凹位，將其算為第一層.第二層: 對第一層來講最緊密的堆積方式是將球對準1, 3, 5 位 (若對準2, 4, 6 位, 其情形是一樣的).關鍵是第三層, 對第一、二層來說, 可以有兩種最緊密的堆積方式: 第一種是將球對準第一層的球, 于是每兩層形成一個周期，即 ABAB 堆積方式，形成六方緊密堆積, 配位數 12 (同層 6, 上下各 3). 此種六方緊密堆積的前視圖:另一種是將球對準第一層的 2, 4, 6 位, 不同于 AB 兩層的位置,這是 C 層. 第四層再排 A, 于是形成 ABCABC 三層一個周期. 得到面心立方堆積, 配位數 12.這兩種堆積都是最緊密堆積, 空間利用率為 74.05%.還有一種空間利用率稍低的堆積方式, 立方體心堆積: 立方體 8 個頂點上的球互不相切, 但均與體心位置上的球相切. 配位數 8, 空間利用率為 68.02%【板書】2.金屬晶體的常見的三種堆積方式：(1)六方堆積. 如鎂、鋅、鈦等(2) )面心立方堆積。如金、銀、銅、鋁等(3)體心立方堆積。如鈉、鉀、鉻、鎢（4）簡單立方堆積。如釙等二、金屬晶體中晶胞粒子數的計算【引導】學生觀察右圖立方體晶胞，并思考晶胞中原子的計算方法：討論后，請學生回答?！景鍟?、立方體晶胞中原子的計算方法（1）頂端原子一般只計算 1/8 棱邊原子一般只計算 1/4 面上原子一般只計算 1/2 內部原子一般計算成 1 （2）晶胞內含的原子數=a*1/8+b*1/4+c*1/2+d a位于頂點的原子或離子數； b為位于棱邊的原子或離子數；c為位于面上的原子或離子數； d為位于晶胞內的原子或離子數鈉晶體的晶胞【思考】右圖是鈉晶體的晶胞結構，則晶胞中的原子數是 2、若如右圖六棱柱狀晶胞，頂端原子一般只計算 1/6 棱邊原子一般只計算 1/3 面上原子一般只計算 1/2 內部原子一般計算成 1 若此晶胞所有原子相同，則此晶胞中含 6 個原子。能力訓練：1、 在金屬晶體中最常見的三種堆積方式有：（1）配位數為8的 堆積，（2）配位數為 的立方面心堆積，（3）配位數為 的 堆積。其中 和 空間相等， 以ABAB方式堆積， 以ABCABC方式堆積，就的堆積層來看，二者的區(qū)別是在第 層。2、1183 K以下純鐵晶體的基本結構單元如圖1所示，1183 K以上轉變?yōu)閳D2所示結構的基本結構單元，在兩種晶體中最鄰近的鐵原子間距離相同。 （1）在1183 K以下的純鐵晶體中，與鐵原子等距離且最近的鐵原子數為_個；在1183 K以上的純鐵晶體中，與鐵原子等距離且最近的鐵原子數為_；（2）純鐵晶體在晶型轉變前后，二者基本結構單元的邊長之比為（1183 K以下與1183K以上之比）_。 （3）轉變溫度前后兩者的密度比（1183 K以下與1183 K以上之比）_。 【過渡】我們學習了金屬晶體中金屬原子的緊密堆積的方式，知道盡管原子盡可能多地緊密堆積，但原子與原子之間還存在著一定的空隙，于是人們就想能否在金屬中加入其他的金屬或非金屬，以填入原金屬的空隙中?！静シ拧课覈糯茉缇驼莆樟撕辖鸬闹圃旌图庸ぜ夹g的畫面?！景鍟咳?、合金1、合金：是指一種金屬與另一種（或幾種）金屬或非金屬經過熔合而得到的具有金屬性質的物質?！局v述】例如，黃銅是銅和鋅的合金（含銅67%、鋅33%）；青銅是銅和錫的合金（含銅78%、錫22%）；鋼和生鐵是鐵與非金屬碳的合金。故合金可以認為是具有金屬特性的多種元素的混合物?！景鍟?、性質：合金在硬度、彈性、強度、熔點等許多性能方面都優(yōu)于純金屬。【講解】合金的某些性質比純金屬更優(yōu)越，例如鐵易生銹，而在普通鋼中加入約15%的鉻和約0.5%的鎳形成的不銹鋼；金屬鋁很軟，而一定比例的鋁、銅、鎂熔合而成的硬鋁。具有較大的硬度。當原子半徑較小的H、B、C、N等非金屬元素與金屬元素形成合金時，非金屬元素的原子滲入金屬晶體的空隙中，這類合金一般具有較高的熔點和較大的硬度。當電負性和原子半徑相差不大的兩種金屬元素形成的合金，一種金屬原子將占據另一種金屬原子的晶體結構中的位置，從而使形成的合金的強度和硬度比組成它的金屬的強度和硬度都要大。因此合金的性質主要決定于它的組成和內部結構。其內部結構與成分金屬的性質，各成分用量之比及制備合金時的條件有密切的關系。特別是溫度的控制，對結構有很大的影響。3、合金的分類：（1）以某種金屬作基質，摻入適量其他金屬或非金屬的合金，稱為某基質的合金。如鋼，是以鐵為基質的鐵合金。練習：請你寫出五種以上的合金名稱_,_, _, _, _。（2）在金屬晶體的不同空隙中適度填入一定量的其他金屬或非金屬所形成的合金，稱為金屬間充化合物。許多金屬間充化合物具有低密度，高強度以及高溫力學性能和抗氧化性能的優(yōu)異特點，被視為新一代高溫結構材料。金屬間充化合物主要用于航天、航空、汽車和化工工業(yè)。思考：你認為金屬間充化合物與高溫結構陶瓷相比，優(yōu)越性體現在什么方面？能力訓練：21、合金有許多特點,如鈉-鉀合金(含鉀50%-80%)為液體,而鈉鉀的單質均為固體，據此推測生鐵、純鐵、碳三種物質中，熔點最低的是 ( )A.生鐵 B.純鐵 C.碳 D.無法確定2、下列鐵及鐵的合金中，最易生銹的是（ ）A、生鐵 B、純鐵 C、 鎳鉻鋼 D、鋼簡單立方堆積非密置層 三種立方堆積【課堂小結】 體心立方堆積1、金屬晶體中原子的堆積方式 面心立方堆積 密置層 三種最常見堆積方式六方密堆積 2、晶體中晶胞粒子數的計算 （1）立方堆積 體心：1 面心:1/2 頂點:1/8 棱邊:1/43、合金第三課時習題研究鈉晶體的晶胞1金屬鈉晶體為體心立方晶格（如圖），實驗測得鈉的密度為（gcm-3）。已知鈉的相對原子質量為a，阿伏加德羅常數為NA（mol-1），假定金屬鈉原子為等徑的剛性球且處于體對角線上的三個球相切。則鈉原子的半徑r（cm）為 （ ）A B C D2擬晶(quasicrystal)是一種具有凸多面體規(guī)則外形但不同于晶體的固態(tài)物質。Al65Cu23Fe12是2000年之前發(fā)現的幾百種擬晶之一，具有合金的某些優(yōu)良物理性能。有關這種擬晶的說法錯誤的是AAl65Cu23Fe12的硬度比金屬Al、Cu、Fe都大BAl65Cu23Fe12中三種金屬的化合價均可視作零CAl65Cu23Fe12不可用作長期浸泡在海水中的材料D1mol Al65Cu23Fe12溶于過量的硝酸時共失去265mol電子3、硼和鎂形成的化合物刷新了金屬化合物超導溫度的最高記錄，如圖所示， 鎂原子，位于定點和上下兩個面心 硼原子，位于六棱柱的內部則該化合物的化學式可表示為 A、MgB B、MgB2 C、Mg2B D、Mg3B24納米材料的表面微粒數占微粒總數的比例極大，這是它有許多特殊性質的原因，假設某納米顆粒中粒子分布類似于硼鎂化合物，其結構如上圖所示，則這種納米顆粒的表面微粒數占總微粒數的百分數為 A22 B 70 C66.7 D 33.3 5、某固體僅由一種元素組成，其密度為5.0g.cm-3,用X射線研究該固體的結構時,得知在邊長為10-7cm的立方體中含有20個原子,則此元素的相對原子質量最接近于