2015届第三章第三节 金属晶体(课件)

C C B C
A
C B B C
B B A B
C
六方紧密堆积
1200
平行六面体
镁型[六方密堆积]
配位数：12 空间占有率：74%
每个晶胞含原子数： 2
( 同层 6，上 下层各 3 )
第二种是将第三层的 球对准第一层的 2，4， 6 5 4 C 层。 1
2
3
6
位，不同于 AB 两层
的位置，这是
1 6 5
每个晶胞含原子数1个
（2）钾型
----体心立方堆积：
这种堆积晶胞是一个体心立方， 每个晶胞每个晶胞含 2 个原子， 空间利用率不高（68%），属于非 密置层堆积，配位数为 ，许 多金属（如 Na、K、Fe等）采取这 8 种堆积方式。
空间利用率计算
设原子半径为r 、晶胞边长为a ， 根据勾股定理， 得：2a 2 + a 2 = (4r) 2
金属晶体中原子的四种基本堆积模型
金属原子的平面 金属原子的空间堆 堆积模型 配位 排列方式 积方式 的名称 数 名称 配位数 球放在球上 简单立方 4 6 非密置 层 8 球放在空隙上 钾型 ABAB……型 密置层 6 镁型 12
ABCABC ……型
铜型
12
金属原子
二维平面放置方 式 非密置层 层在三维空间的堆 积 简单立方堆 积 体心立方堆 积 六方最密堆积 面心立方最密堆 积 密置层
非密置层 配位数为4
密置层 配位数为6
探究活动 金属晶体可以看成金属原子在三维空间中堆积. 那么,将非密置层或密置层一层一层地在三维空 间堆积，有几种堆积方式？请比较不同方式堆 积时每个原子的配位数是多少？那种堆积方式 比较紧密？原子的空间利用率、在上述堆积方 式中找出一个最小的正方体作为晶胞，每个晶 胞实际占有的原子数是几个？
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
思考：非密置层的堆积方式有哪些？
配位数是 6
个.
配位数是
8
个.
3、金属晶体的原子在三维空间堆积模型 （1）.简单立方堆积（Po） ：
非最紧密堆积，空间利用率低（52%）
配位数是 6
个.
只有金属（Po）采取这种堆积方式
简单立方堆积
要使带正电荷的金属 阳离子按一定规律紧密堆 积，除非金属原子释放的 电子在各金属离子间自由 运动，自由电子不专属于 某一个的特定金属离子， 他们几乎均匀地分布在整 个晶体中，被许多金属离 子所共有。这样依靠金属 阳离子与带负电荷的自由 电子之间强烈的相互作用 使金属离子紧密地堆积在 一起。
“有阳离子而无阴离子” 问题： 是金属独有的特性。 构成金属的粒子有哪些？
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 自由电子 错位 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+
金属离子
金属原子
(4)金属晶体结构具有金属光泽和颜色
由于自由电子可吸收所有频率的光，然后 很快释放出各种频率的光，因此绝大多数 金属具有银白色或钢灰色光泽。而某些金 属（如铜、金、铯、铅等）由于较易吸收 某些频率的光而呈现较为特殊的颜色。 当金属成粉末状时，金属晶体的晶面取向 杂乱、晶格排列不规则，吸收可见光后辐 射不出去，所以成黑色。
3a 2 16r 2 3 r a 4
配位数：8 空间占有率： 68%
每个晶胞含原子数： 空间利用率 = 晶胞含有原子的体积 / 晶胞体积 100% =
4 3 4 3 3 2 r 2 ( a) 3 3 4 100% 68% 3 3 a a
2
思考：密置层的堆积方式有哪些？
金属样品
思考1:从上述金属的应用来看，金属有哪些 共同的物理性质呢? 一、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
思考2:金属为什么具有这些共同性质呢?
二、金属晶体的结构
金属（除汞外）在常 温下一般都是固体。在金 属中，金属原子一层层紧 密地堆积着，每一个金属 原子周围有许多相同的金 属原子围绕着。由于金属 原子的外层电子比较少， 金属原子容易失去外层电 子变成金属离子，在金属 内部结构中，实际上按一 定规律紧密堆积的是带正 电荷的金属阳离子。
堆积原理：
三、金属晶体的原子堆积模型
组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时， 在空间的排列大都遵循紧密堆积原理。这是因为金 属键没有方向性，因此都趋向于使金属原子吸引更 多的其他原子分布于周围，并以紧密堆积方式降低 体系的能量，使晶体变得比较稳定。 1、几个概念 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
2、金属键：金属离子和自由电子之间的强烈 的相互作用叫做金属键（电子气理论）
特征： 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
3、金属晶体：通过金属键结合形成的单质 晶体。金属单质和合金都属于金属晶体
思考：电解质在熔化状态或溶于水能导 电，这与金属导电的本质是否相同？ 晶体类型 导电时的状态 导电粒子 电解质 水溶液或 熔融状态下 金属晶体
晶体状态
自由移动的离子 自由电子 化学变化 物理变化 导电时发生的变化
导电能力随温度的 变化
增强
减弱
⑵金属导热性的解释 “电子气”（自由电子）在运动时经常 与金属离子碰撞，引起两者能量的交换。当 金属某部分受热时，那个区域里的“电子气” （自由电子）能量增加，运动速度加快，通 过碰撞，把能量传给金属离子。“电子气” （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。
组成粒子： 金属阳离子和自由电子
金属单质中不存在 独立的分子或原子。
作用力： 金属离子和自由电子之间的较强作 用—— 金属键
二、金属的结构
1、电子气理论（描述金属键本质的理论）：
由于金属原子的最外层电子数较少,容易失去 电子成为金属离子,金属原子释放出的价电子 不专门属于某个特定的金属离子,而为许多金 属离子所共有,并在整个金属中自由运动,这些 电子又称为自由电子.自由电子几乎均匀分布 在整个晶体中，像遍布整块金属的“电子气”， 从而把所有金属原子维系在一起。
2 3 4
1 6
5
2
3
4
第四层再排 A，于是形 成 ABC ABC 三层一个周
A
期。 得到面心立方堆积。
C
B
1 6
5
2
A
3
4
C B
A
配位数 ( 同层
6 ， 上下层各 3 ) 此种立方紧密堆积的前视图
12
。
铜型
1 6 5
2 3 4
C B
A
铜型 [面心立方] （ⅠB Pb Pd Pt ）
C B A
⑶金属延展性的解释
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 良好的延展性和可塑性。
配位数：12 空间占有率：74%
每个晶胞含原子数： 4
空间利用率计算
例2：求面心立方晶胞的空间利用率.
解：晶胞边长为a，原子半径为r. 由勾股定理： a 2 + a 2 = (4r)2 a = 2.83 r 每个面心立方晶胞含原子数目： 8 1/8 + 6 ½ = 4 = (4 4/3 r 3) / a 3 = (4 4/3 r 3) / (2.83 r ) 3 100 % = 74 %
金属晶体的4种基本堆积模型
堆积方式及性质小结
堆积方式 晶胞类型 空间利 配位数 用率 简单立 方堆积 简单立方 52％ 68% 74% 74% 6 8 12 实例
Po Na、K、Fe
体心立方 体心立方 密堆积 六方最 密堆积 六方
Cu、Ag、Au Mg、Zn、Ti
面心立方 面心立方 最密堆积
12
首先了解它的堆积原理，ABAB堆积，填充四面体空 隙，沿着c轴方向堆积。 然后，看图 由于是四面体空 隙，所以下面的四个就形成了正四面体，而且两两相 切... 设球半径为r,那么 a=2r,整个六方晶胞里面有2个， 所以V球=8/3πr^3 现在关键问题就是求六方晶胞的h， 因为四面体里面那个顶角的球正好是位于2/h处，现在 的问题就转化为求四面体的高，那么看旁边一张图。 四面体的高，根据数学的立体几何知识（你也可以建 个空间坐标系什么的算一下）等于2/3的体对角线...那 么，h四面体=2√6r/3 那么h六方晶胞=4√6r/3 S六方晶 胞=2√3r^2 V六方晶胞=SH=8√2r^3 则，V球/V六方晶 胞=74.05%
组成粒子： 金属阳离子和自由电子
微粒间作用力： 金属键
4、电子气理论对金属的物理性质的解释
【讨论1】 金属为什么易导电？
⑴金属导电性的解释 在金属晶体中，充满着带负电的“电子气” （自由电子），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，自由电子定 向运动形成电流，所以金属容易导电。不同的 金属导电能力不同，导电性最强的三中金属是： Ag、Cu、Al