蘇教版高中化學(xué)選修三3.1《金屬鍵金屬晶體》參考教案

化學(xué)中學(xué)學(xué)習(xí)資料化學(xué)學(xué)習(xí)專題3微粒間作用力與物理性質(zhì)第一單元金屬鍵金屬晶體[教學(xué)目標(biāo)]1．了解金屬晶體模型和金屬鍵的本質(zhì)2．認(rèn)識(shí)金屬鍵與金屬物理性質(zhì)的辨證關(guān)系3．能正確分析金屬鍵的強(qiáng)弱4．結(jié)合問題討論并深化金屬的物理性質(zhì)的共性5．認(rèn)識(shí)合金及其廣泛應(yīng)用[課時(shí)安排]3課時(shí)第一課時(shí)[學(xué)習(xí)內(nèi)容]金屬鍵的概念及金屬的物理性質(zhì)【引入】同學(xué)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(xué)生回答：物質(zhì)講述：對(duì)！我們的自然世界是有物質(zhì)組成的，翻開我們的化學(xué)課本的最后一頁我們可以看到一張化學(xué)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(gòu)成的。那么我們現(xiàn)在就來認(rèn)識(shí)一下占周期表中大多數(shù)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(diǎn)，水、干冰等都屬于分子晶體，靠范德華力結(jié)合在一起，金剛石、金剛砂等都是原子晶體，靠共價(jià)鍵相互結(jié)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(jié)合在一起的呢？【展示】幾種金屬的應(yīng)用的圖片，有金屬導(dǎo)線(銅或鋁)、鐵絲、鍍銅金屬片等，并將鐵絲隨意彎曲，引導(dǎo)觀察銅的金屬光澤。敘述應(yīng)用部分包括電工架設(shè)金屬高壓電線，家用鐵鍋炒菜，鍛壓機(jī)把鋼錠壓成鋼板等?！居懻摗空?qǐng)一位同學(xué)歸納，其他同學(xué)補(bǔ)充。1、金屬有哪些物理共性？2、金屬原子的外層電子結(jié)構(gòu)、原子半徑和電離能？金屬單質(zhì)中金屬原子之間怎樣結(jié)合的？【板書】一、金屬共同的物理性質(zhì)容易導(dǎo)電、導(dǎo)熱、有延展性、有金屬光澤等。二、金屬鍵【動(dòng)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(jié)合在一起。這種金屬離子與自由電子之間的較強(qiáng)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(jīng)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(dòng)，使得金屬呈現(xiàn)出特有的屬性在金屬單質(zhì)的晶體中，原子之間以金屬鍵相互結(jié)合。金屬鍵是一種遍布整個(gè)晶體的離域化學(xué)鍵。這種鍵既沒有方向性也沒有飽和性，【板書】1．構(gòu)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(qiáng)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(duì)金屬通性的解釋【學(xué)生分組討論】如何應(yīng)用金屬鍵理論來解釋金屬的特性？請(qǐng)一位同學(xué)歸納，其他同學(xué)補(bǔ)充?！景鍟?．金屬導(dǎo)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(yùn)動(dòng)是沒有一定方向的，但在外加電場(chǎng)的條件下自由電子就會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)，因而形成電流，所以金屬容易導(dǎo)電?！緩?qiáng)調(diào)】：金屬受熱后，金屬晶體中離子的振動(dòng)加劇，阻礙著自由電子的運(yùn)動(dòng)。所以溫度升高導(dǎo)電性下降。2.金屬導(dǎo)熱性的解釋金屬容易導(dǎo)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(dá)到相同的溫度。2．金屬的物理性質(zhì)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(zhì)。(1)狀態(tài)：通常情況下，除Hg外都是固體。(2)金屬光澤：多數(shù)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(shí)才表現(xiàn)出來。(3)易導(dǎo)電、導(dǎo)熱：由于金屬晶體中自由電子的運(yùn)動(dòng)，使金屬易導(dǎo)電、導(dǎo)熱。(4)延展性(5)熔點(diǎn)及硬度：由金屬晶體中金屬離子跟自由電子間的作用強(qiáng)弱決定。金屬除有共同的物理性質(zhì)外，還具有各自的特性。①顏色：絕大多數(shù)金屬都是銀白色，有少數(shù)金屬具有顏色。如Au金黃色Cu紫紅色Cs銀白略帶金色。②密度：與原子半徑、原子相對(duì)質(zhì)量、晶體質(zhì)點(diǎn)排列的緊密程度有關(guān)。最重的為鋨(Os)鉑(Pt)最輕的為鋰(Li)③熔點(diǎn)：最高的為鎢(W)，最低的為汞(Hg)，Cs，為28．4℃Ca為30℃④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。⑤導(dǎo)電性：導(dǎo)電性能強(qiáng)的為銀(Ag)，金(Au)，銅(Cu)等。導(dǎo)電性能差的為汞(Hg)⑥延展性：延展性最好的為金(Au)，Al【課后練習(xí)】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(gè)電子的一種金屬B．熔點(diǎn)低于100℃的一種金屬C．次外電子層上有8個(gè)電子的一種金屬D．除最外層，原子的其他電子層電子數(shù)目均達(dá)飽和的一種金屬2.金屬晶體的形成是因?yàn)榫w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(zhì)中與金屬晶體結(jié)構(gòu)無關(guān)的是A．導(dǎo)電性B．化學(xué)反應(yīng)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(zhì)是A．延展性B．導(dǎo)電性C．導(dǎo)熱性D．硬度5.金屬的下列性質(zhì)中，不能用金屬晶體結(jié)構(gòu)加以解釋的是A．易導(dǎo)電B．易導(dǎo)熱C．有延展性D．易銹蝕6.試比較下列金屬熔點(diǎn)的高低，并解釋之。（1）Na、Mg、Al（2）Li、Na、K、Rb、Cs第二課時(shí)[學(xué)習(xí)內(nèi)容]認(rèn)識(shí)金屬晶體基本結(jié)構(gòu)【引入】展示：雪花、石英、食鹽、鋁的晶體結(jié)構(gòu)圖，大多數(shù)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(xué)史話：人類對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)?！景鍟恳?、晶體與非晶體晶體: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(diǎn)3、各向異性(強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、光學(xué)性質(zhì)等）三、晶體的分類(依據(jù)：構(gòu)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。【板書】§3-1-2金屬晶體一、金屬晶體的密堆積結(jié)構(gòu)【展示】鈉晶體的堆積方式，講解晶胞的概念?！景鍟?、晶胞：金屬晶體中能夠反映晶體結(jié)構(gòu)特征的基本重復(fù)單位【講解】晶體的結(jié)構(gòu)是晶胞在空間連續(xù)重復(fù)延伸而形成的。晶胞與晶體的關(guān)系如同磚塊與墻的關(guān)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?！菊故尽拷饘倬w的原子平面堆積模型（a）非密置層

（b）密置層【設(shè)問】哪種排列方式圓球周圍剩余空隙最小？【投影并講解】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(gè)層中，最緊密的堆積方式是，一個(gè)球與周圍6個(gè)球相切，在中心的周圍形成6個(gè)凹位，將其算為第一層.

第二層:對(duì)第一層來講最緊密的堆積方式是將球?qū)?zhǔn)1,3,5位(若對(duì)準(zhǔn)2,4,6位,其情形是一樣的).

關(guān)鍵是第三層,對(duì)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?qū)?zhǔn)第一層的球,于是每?jī)蓪有纬梢粋€(gè)周期，即ABAB堆積方式，形成六方緊密堆積,配位數(shù)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?qū)?zhǔn)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(gè)周期.得到面心立方堆積,配位數(shù)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(gè)頂點(diǎn)上的球互不相切,但均與體心位置上的球相切.配位數(shù)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(jiǎn)單立方堆積。如釙等二、金屬晶體中晶胞粒子數(shù)的計(jì)算【引導(dǎo)】學(xué)生觀察右圖立方體晶胞，并思考晶胞中原子的計(jì)算方法：討論后，請(qǐng)學(xué)生回答?！景鍟?、立方體晶胞中原子的計(jì)算方法（1）頂端原子一般只計(jì)算1/8棱邊原子一般只計(jì)算1/4面上原子一般只計(jì)算1/2內(nèi)部原子一般計(jì)算成1（2）晶胞內(nèi)含的原子數(shù)=a*1/8+b*1/4+c*1/2+da位于頂點(diǎn)的原子或離子數(shù)；b為位于棱邊的原子或離子數(shù)；c為位于面上的原子或離子數(shù)；d為位于晶胞內(nèi)的原子或離子數(shù)鈉晶體的晶胞【思考】鈉晶體的晶胞右圖是鈉晶體的晶胞結(jié)構(gòu)，則晶胞中的原子數(shù)是2、若如右圖六棱柱狀晶胞，頂端原子一般只計(jì)算1/6棱邊原子一般只計(jì)算1/3面上原子一般只計(jì)算1/2內(nèi)部原子一般計(jì)算成1若此晶胞所有原子相同，則此晶胞中含6個(gè)原子。能力訓(xùn)練：1、在金屬晶體中最常見的三種堆積方式有：（1）配位數(shù)為8的堆積，（2）配位數(shù)為的立方面心堆積，（3）配位數(shù)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、1183K以下純鐵晶體的基本結(jié)構(gòu)單元如圖1所示，1183K以上轉(zhuǎn)變?yōu)閳D2所示結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元，在兩種晶體中最鄰近的鐵原子間距離相同。（1）在1183K以下的純鐵晶體中，與鐵原子等距離且最近的鐵原子數(shù)為______個(gè)；在1183K以上的純鐵晶體中，與鐵原子等距離且最近的鐵原子數(shù)為___________；（2）純鐵晶體在晶型轉(zhuǎn)變前后，二者基本結(jié)構(gòu)單元的邊長(zhǎng)之比為（1183K以下與1183K以上之比）___________。（3）轉(zhuǎn)變溫度前后兩者的密度比（1183K以下與1183K以上之比）______?！具^渡】我們學(xué)習(xí)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?guó)古代很早就掌握了合金的制造和加工技術(shù)的畫面?！景鍟咳⒑辖?、合金：是指一種金屬與另一種（或幾種）金屬或非金屬經(jīng)過熔合而得到的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)?！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(rèn)為是具有金屬特性的多種元素的混合物?！景鍟?、性質(zhì)：合金在硬度、彈性、強(qiáng)度、熔點(diǎn)等許多性能方面都優(yōu)于純金屬?！局v解】合金的某些性質(zhì)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(dāng)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(shí)，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(diǎn)和較大的硬度。當(dāng)電負(fù)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(jù)另一種金屬原子的晶體結(jié)構(gòu)中的位置，從而使形成的合金的強(qiáng)度和硬度比組成它的金屬的強(qiáng)度和硬度都要大。因此合金的性質(zhì)主要決定于它的組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與成分金屬的性質(zhì)，各成分用量之比及制備合金時(shí)的條件有密切的關(guān)系。特別是溫度的控制，對(duì)結(jié)構(gòu)有很大的影響。3、合金的分類：（1）．以某種金屬作基質(zhì)，摻入適量其他金屬或非金屬的合金，稱為某基質(zhì)的合金。如鋼，是以鐵為基質(zhì)的鐵合金。練習(xí)：請(qǐng)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(qiáng)度以及高溫力學(xué)性能和抗氧化性能的優(yōu)異特點(diǎn)，被視為新一代高溫結(jié)構(gòu)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(rèn)為金屬間充化合物與高溫結(jié)構(gòu)陶瓷相比，優(yōu)越性體現(xiàn)在什么方面？能力訓(xùn)練：21、合金有許多特點(diǎn),如鈉-鉀合金(含鉀50%-80%)為液體,而鈉鉀的單質(zhì)均為固體，據(jù)此推測(cè)生鐵、純鐵、碳三種物質(zhì)中，熔點(diǎn)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(jiǎn)單立方堆積非密置層三種立方堆積【課堂小結(jié)】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(shù)的計(jì)算（1）立方堆積體心：1面心:1/2頂點(diǎn):1/8棱邊:1/43、合金第三課時(shí)[習(xí)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(shí)驗(yàn)測(cè)得鈉的密度為ρ（g·cm-3）。已知鈉的相對(duì)原子質(zhì)量為a，阿伏加德羅常數(shù)為NA（mol-1），假定金屬鈉鈉晶體的晶胞原子為等徑的剛性球且處于體對(duì)角線上的三個(gè)球相切。則鈉原子的半徑r（cm）為（）A．B．C．D．2．?dāng)M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(zhì)。Al65Cu23Fe12是2000年之前發(fā)現(xiàn)的幾百種擬晶之一，具有合金的某些優(yōu)良物理性能。有關(guān)這種擬晶的說法錯(cuò)誤的是A．Al65Cu23Fe12的硬度比金屬Al、Cu、Fe都大B．Al65Cu23Fe12中三種金屬的化合價(jià)均可視作零C．Al65Cu23Fe12不可用作長(zhǎng)期浸泡在海水中的材料D．1molAl65Cu23Fe12溶于過量的硝酸時(shí)共失去265

mol電子3、硼和鎂形成的化合物刷新了金屬化合物超導(dǎo)溫度的最高記錄，如圖所示，○鎂原子，位于定點(diǎn)和上下兩個(gè)面心●硼原子，位于六棱柱的內(nèi)部則該化合物的化學(xué)式可表示為A、MgBB、MgB2C、Mg2BD、Mg3B24．納米材料的表面微粒數(shù)占微?？倲?shù)的比例極大，這是它有許多特殊性質(zhì)的原因，假設(shè)某納米顆粒中粒子分布類似于硼鎂化合物，其結(jié)構(gòu)如上圖所示，則這種納米顆粒的表面微粒數(shù)占總微粒數(shù)的百分?jǐn)?shù)為A．22％B．70％C．66.7％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(jié)構(gòu)時(shí),得知在邊長(zhǎng)為10-7cm的立方體中含有20個(gè)原子,則此元素的相對(duì)原子質(zhì)量最接近于下列數(shù)據(jù)中的()A、32B、120C、150D、1806.現(xiàn)有甲、乙、丙、丁四種晶胞（如圖2-8所示），可推知：甲晶體中A與B的離子個(gè)數(shù)比為；乙晶體的化學(xué)式為；丙晶體的化學(xué)式為______；丁晶體的化學(xué)式為______。7．金晶體的最小重復(fù)單元（也稱晶胞）是面心立方體，即在立方體的8個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)金原子，各個(gè)面的中心有一個(gè)金原子