第二节 金属晶体
一、教学目的要求
1.使学生了解金属晶体的模型及性质的一般特点。
2.使学生理解金属晶体的类型与性质的关系。
二、教材分析和教学建议
本节之前，已经介绍了离子晶体、分子晶体和原子晶体等知识，再介绍金属晶体的知识，可以使学生对于晶体有比较全面的了解。
在大纲中，对于金属键的概念是不作要求的，所以教材在介绍金属晶体时没有使用金属键这一名词，而是从“金属离子与自由电子之间存在着较强的作用”引入。金属晶体的概念比较抽象，教材在处理时运用图示并联系学生已学过的有关金属的知识，帮助学生理解。在解释金属的性质时，让学生思考离子晶体导电与金属导电有什么不同，以加深学生对金属导电原因的认识，同时也复习离子晶体的有关知识。在本节的最后，给出了一个讨论题，让学生自己比较学过的几种晶体的性质，既帮助学生复习知识，也训练学生比较、总结的方法，培养学生的能力。
教学建议如下：
1.本节的教学可以从让学生回忆金属的一些物理性质出发，提出金属为什么会有一些共同的性质这一问题。并结合离子晶体、分子晶体和原子晶体的知识，将性质与结构联系起来认识金属的性质与结构的关系。
2.通过金属晶体的结构示意图来解释金属离子与自由电子的相互作用，从而引出金属晶体的概念，进一步解释金属的一些性质。金属晶体的结构比较复杂，可以利用实物模型或多媒体手段，使其形象化。
3.可以结合展示一些金属实物，及播放有关金属实际应用的录像，如金属导线、工具，及金属的加工过程等，对金属的一些共同性质进行解释。为了使学生更好地了解金属有一些共性的原因，还可以将一些微观的知识用多媒体动画来呈现，如金属晶体中自由电子在外加电场作用下形成电流，自由电子与金属离子在受热时相互碰撞传递能量等。
4.利用课本中的“讨论”和单元小结给出的表格，结合上一节学习后学生的总结，由学生讨论，比较离子晶体、分子晶体、原子晶体和金属晶体的类型和性质。
本节教学重点：金属晶体的模型；晶体类型与性质的关系。
本节教学难点：金属晶体结构模型。
三、部分习题参考答案
习题一：
1.D 2.C 3.B
习题二：
2.(1)Ne (2)Cu (3)Si (4)KCl
四、资料
1.金属键
(1)改性共价键理论
在金属晶体中，自由电子作穿梭运动，它不专属于某个金属离子而为整个金属晶体所共有。这些自由电子与全部金属离子相互作用，从而形成某种结合，这种作用称为金属键。由于金属只有少数价电子能用于成键，金属在形成晶体时，倾向于构成极为紧密的结构，使每个原子都有尽可能多的相邻原子(金属晶体一般都具有高配位数和紧密堆积结构)，这样，电子能级可以得到尽可能多的重叠，从而形成金属键。
上述假设模型叫做金属的自由电子模型，称为改性共价键理论。这一理论是1900年德鲁德(drude)等人为解释金属的导电、导热性能所提出的一种假设。这种理论先后经过洛伦茨(Lorentz,1904)和佐默费尔德(Sommerfeld,1928)等人的改进和发展，对金属的许多重要性质都给予了一定的解释。但是，由于金属的自由电子模型过于简单化，不能解释金属晶体为什么有结合力，也不能解释金属晶体为什么有导体、绝缘体和半导体之分。随着科学和生产的发展，主要是量子理论的发展，建立了能带理论。
(2)能带理论
金属键的能带理论是利用量子力学的观点来说明金属键的形成。因此，能带理论也称为金属键的量子力学模型，它有5个基本观点：
①为使金属原子的少数价电子(1、2或3)能够适应高配位数的需要，成键时价电子必须是“离域”的(即不再从属于任何一个特定的原子)，所有价电子应该属于整个金属晶格的原子共有。
②金属晶格中原子很密集，能组成许多分子轨道，而且相邻的分子轨道能量差很小，可以认为各能级间的能量变化基本上是连续的。
③分子轨道所形成的能带，也可以看成是紧密堆积的金属原子的电子能级发生的重叠，这种能带是属于整个金属晶体的。例如，金属锂中锂原子的1S能级互相重叠形成了金属晶格中的1S能带，等等。每个能带可以包括许多相近的能级，因而每个能带会包括相当大的能量范围，有时可以高达418 kJ/mol。
④按原子轨道能级的不同，金属晶体可以有不同的能带(如上述金属锂中的1s能带和2s能带)，由已充满电子的原子轨道能级所形成的低能量能带，叫做“满带”；由未充满电子的原子轨道能级所形成的高能量能带，叫做“导带”。这两类能带之间的能量差很大，以致低能带中的电子向高能带跃迁几乎不可能，所以把这两类能级间的能量间隔叫做“禁带”。例如，金属锂(电子层结构为1s22s1)的1s轨道已充满电子，2s轨道未充满电子，1s能带是个满带，2s能带是个导带，二者之间的能量差比较悬殊，它们之间的间隔是个禁带，是电子不能逾越的(即电子不能从1s能带跃迁到2s能带)。但是2S能带中的电子却可以在接受外来能量的情况下，在带内相邻能级中自由运动。
图1-5 金属锂中的能带
⑤金属中相邻近的能带也可以互相重叠，如铍(电子层结构为1s22s2)的2s轨道已充满电子，2s能带应该是个满带，似乎铍应该是一个非导体。但由于铍的2s能带和空的2p能带能量很接近而可以重叠，2s能带中的电子可以升级进入2p能带运动，于是铍依然是一种有良好导电性的金属，并且具有金属的通性。
根据能带理论的观点，金属能带之间的能量差和能带中电子充填的状况决定了物质是导体、非导体还是半导体(即金属、非金属或准金属)。如果物质的所有能带都全满(或最高能带全空)，而且能带间的能量间隔很大，这个物质将是一个非导体；如果一种物质的能带是部分被电子充满，或者有空能带且能量间隙很小，能够和相邻(有电子的)能带发生重叠，它是一种导体。半导体的能带结构是满带被电子充满，导带是空的，而禁带的宽度很窄，在一般情况下，由于满带上的电子不能进入导带，因此晶体不导电(尤其在低温下)。由于禁带宽度很窄，在一定条件下，使满带上的电子很容易跃迁到导带上去，使原来空的导带也充填部分电子，同时在满带上也留下空位(通常称为空穴)，因此使导带与原来的满带均未充满电子，所以能导电。
能带理论也能很好地说明金属的共同物理性质。向金属施以外加电场时，导带中的电子便会在能带内向较高能级跃迁，并沿着外加电场方向通过晶格产生运动，这就说明了金属的导电性。能带中的电子可以吸收光能，并且也能将吸收的能量又发射出来，这就说明了金属的光泽和金属是辐射能的优良反射体。电子也可以传输热能，表明金属有导热性。给金属晶体施加应力时，由于在金属中电子是离域(即不属于任何一个原子而属于金属整体)的，一个地方的金属键被破坏，在另一个地方又可以形成金属键，因此机械加工不会破坏金属结构，而仅能改变金属的外形，这也就是金属有延性、展性、可塑性等共同的机械加工性能的原因。金属原子对于形成能带所提供的不成对价电子越多，金属键就越强，反应在物理性质上熔点和沸点就越高，密度和硬度越大。
能带理论对某些问题还难以说明，如某些过渡金属具有高硬度、高熔点等性质，有人认为原子的次外层d电子参与形成了部分共价性的金属键。所以说，金属键理论仍在发展中。
2.金属晶体的结构类型
表1-5 金属晶体中常见的三种结构类型
三种典型结构类型
体心立方晶格
面心立方晶格
密排六方晶格
配位数
8
12
12
常见金属晶体结构(有些金属晶体可能有两种或三种晶格)
Li Na K Rb Cs Ca Sr Ba Ti V Nb Ta Cr Mo W Fe Ca Sr Cu Au Al Pb Ni Pd Pt Be Mg Ca Sr CO Ni Zn Cd Ti
三种典型结构类型
体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格
结构示意图
空间利用率
68.02%
74.05%
74.05%
堆积形式
体心立方紧密堆积
面心立方紧密堆积
六方紧密堆积
【附】教案示例
第二节 金 属 晶 体
教学目标：
1.使学生形成正确的金属晶体概念，并了解金属晶体的晶体模型及金属的共同性质、特点。
2.使学生理解金属晶体的晶体结构与性质的关系。
3.通过对结构决定性质的分析讨论，培养学生科学的学习方法和探索、归纳能力。
教学重点：金属晶体的概念、晶体类型与性质的关系。
教学难点：金属晶体结构模型
教学方法：对比、诱导、分析、观察、推理、归纳相结合。
教具准备：投影仪、多媒体电教设备和自制课件、录像、导线、铁丝、镀铜金属片。
教学过程：
〔投影〕选一位同学的家庭作业(以表格形式比较离子晶体、原子晶体和分子晶体结构与性质的关系)。要求全体同学对照分析各自作业，在教师的引导下进行必要的修正和补充。然后投影一张正确的表格。
表一：离子晶体、分子晶体、原子晶体结构与性质关系的比较
晶体类型
离子晶体
分子晶体
原子晶体
结
构
构成晶体粒子
阴离子
阳离子
分子
原子
粒子间的相互作用形式
离子键
分子间作用力
共价键
性
质
硬度
较大
较小
很大
熔、沸点
较高
较低
很高
导电
固体不导电，熔化或溶于水后导电
固态和熔融状态时都不导电
不导电
〔展示金属实物并播放录像〕展示的金属实物有金属导线(铜或铝)、铁丝、镀铜金属片等，并将铁丝随意弯曲，引导观察铜的金属光泽。录像内容包括电工架设金属高压电线，家用铁锅炒菜，锻压机把钢锭压成钢板等。
〔教师诱导〕从上述金属的应用来看，金属有哪些共同的物理性质呢？
〔学生分组讨论〕请一位同学归纳，其他同学补充。
〔板书〕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。
〔教师诱启〕前面我们知道离子晶体、分子晶体、原子晶体有着不同的物理性质特点，且分别由它们的晶体结构所决定，那么金属的这些共同性质是否也由金属的结构所决定呢？
〔板书〕第二节 金属晶体
〔演示多媒体动画1〕内容为：教材图1-15某种金属晶体的结构示意图。硬球一个一个地堆积给同学观察，成形后再旋转让同学从不同角度进行观察，且拆散、堆积给学生分析。
〔画外音兼有字幕〕金属(除汞外)在常温下一般都是固体。通过X射线进行研究发现，在金属中，金属原子好像许多硬球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。
〔设疑〕金属中堆积的就是中性原子吗？
〔阅读并讨论〕金属中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。
〔教师诱启〕同样的带正电荷的金属阳离子本应相互排斥，为何还可以紧密地堆积在一起呢？
〔提示设疑〕电子到哪里去了呢？
〔讨论〕学生分组讨论，教师引导分析：要使带正电荷的金属阳离子按一定规律紧密堆积，除非金属原子释出的电子在各金属离子间自由地运动，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。
〔演示多媒体动画2〕出现带负电的电子围绕在金属阳离子之间自由运动的金属晶体结构模型。
〔画外音兼有字幕〕在金属晶体里，自由电子不专属于某几个特定的金属离子，它们几乎均匀地分布在整个晶体中并被许多金属离子所共有。
〔板书〕二、金属晶体结构
金属晶体：通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体。
〔教师设问〕构成金属晶体的粒子有哪些？
〔学生归纳〕金属晶体由金属离子和自由电子构成。
〔引言〕金属晶体的结构与其性质有哪些内在联系呢？
〔板书〕三、金属晶体的结构与金属性质的内在联系
1.金属晶体结构与金属导电性的关系
〔演示多媒体动画3〕画面内容：金属晶体中的自由电子在没有外加电场存在时是自由移动的，在外加电场作用下，自由电子则发生定向移动而形成电流。
〔画外音兼有字幕〕在金属晶体中，存在着许多自由电子，这些自由电子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就会发生定向运动，因而形成电流，所以金属容易导电。
〔投影〕表二
晶体类型
离子晶体
金属晶体
导电时的状态
导电粒子
〔板书〕2.金属晶体结构与金属的导热性的关系
〔教师诱启〕导热是能量传递的一种形式，它必然是物质运动的结果，那么金属晶体导热过程中金属离子和自由电子担当什么角色？
〔学生阅读〕教材中有关内容。
〔分组讨论〕
①金属晶体导热过程中粒子运动情况如何？
②这些粒子通过什么方式传递热量？
③热量传递方向及最后整个金属晶体温度高低情况怎样？
〔学生汇报〕选一位学生汇报学生讨论结果，其他学生补充。
〔投影小结〕金属容易导热，是由于自由电子运动时与金属离子碰撞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。
〔板书〕3.金属晶体结构与金属的延展性的关系
〔演示多媒体动画4〕画面为一原子晶体和金属晶体结构模型，当其分别受到外力作用时，原子晶体中原子间的位移使共价键受到破坏，而金属晶体中各原子层发生相对滑动时，却保持了金属离子与自由电子之间的较强相互作用。
〔画外音兼有字幕〕原子晶体受外力作用时，原子间的位移必然导致共价键的断裂，因而难以锻压成型，无延展性，而金属晶体中由于金属离子与自由电子间的相互作用没有方向性，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。
参考资料：http://www.pep.com.cn:82/200410/ca627925.htm