一、金属晶体
金属原子的价电子比较少,价电子跟原子核的联系又比较松弛,金属原子容易失去电子。因此,金属的结构实际上是金属原子释出电子后所形成的金属离子按一定规律堆积的(以一定的紧密形式堆积)。释出的价电子在整个晶体里自由地运动着,这些电子就是自由电子。在金属里自由电子并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里,被许多金属离子所共有。金属离子跟自由电子之间通过强烈的金属键相互结合形成的单质晶体,叫做金属晶体。
定义:以金属键为基本作用力的晶体
范围:金属单质和合金的固态
构成微粒:金属原子的电离能低,容易失去电子而形成金属阳离子和自由电
微粒间作用力:金属键,即金属阳离子整体共用许多自由电子的作用力
物理性质:导电导热延展性金属光泽
二、金属键
1、特征:没有方向性也没有饱和性,是一种遍布整个晶体的离域化学键
2、定义:金属晶体中金属阳离子与自由电子之间的强烈相互作用
3、形成过程:金属原子的部分或全部外层(一般是最外层或此外层)电子因受原子核的束缚较弱,从原子上“脱落”下来,形成自由移动的电子,金属原子失去电子后形成金属离子,这样金属离子与自由电子之间就存在强烈的相互作用。金属键存在于金属单质或合金中。
4、应用:
(1)由于金属键使金属离子(或原子)排列很紧密,因此通常情况下的金属状态,除Hg外都是固体;
(2)由于有自由电子存在,在外加电场的条件下发生定向移动,因而形成电流,所以金属容易导电。金属受热后,晶体中金属离子振动加剧,阻碍着自由电子的运动,因此金属的导电性随温度的升高而减弱。
(金属导电的微粒是电子,离子晶体熔化或溶于水后导电的微粒是阳离子和阴离子;金属导电过程不会生成新物质,属物理变化,而电解质导电的同时要在阴阳两极上生成新物质,属于化学变化,二者导电本质是不同的。)
(3)金属导热性:自由电子在运动时经常与金属离子碰撞,从而引起两者能量的交换。当金属某一部分受热时,在那个区域里的自由电子能量增加,运动速度加快,于是通过碰撞,自由电子把能量传给金属离子。金属容易导热就是由于自由电子运动时,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。
(4)由于自由电子能够吸收可见光并能随时放出,使金属不透明,且有光泽;
(5)金属有延性,可以抽成细丝,例如最细的金丝直径不超过1/mm。金属又有展性,可以压成薄片,例如最薄的金箔只有1/mm厚。一般金属具较好的延展性。(注意有少数金属,如锑、锇、锰等金属质地较脆,没有延展性,而延展性最好的金属为金。)由于等径圆球的堆积,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。而由于金属键没有方向性,金属键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,金属一般具有良好的延展性和可塑性;
(6)当向金属晶体中掺入不同的金属或非金属原子时,就像在滚珠之间掺入了细小而坚硬的砂土或碎石一样,会使这种金属的延展性甚至硬度发生改变,因此金属间能“互溶”,易形成合金。合金一般具有较高的熔点、较大的硬度,耐腐蚀性更强。
金属除有共同的物理性质外,还具有各自的特性。不同的金属在某些性质方面,如密度、硬度、熔点等又表现出很大差别。如汞在常温下是液体,熔点很低(-38.9℃)。而铁等金属熔点很高(℃)。这是由金属晶体紧密堆积方式、金属阳离子与自由电子的静电作用力(金属键)不同而造成的差别。
5、强弱衡量:原子汽化热(1mol金属固体完全气化成相互远离的气态原子时吸收的能量)。金属的原子化热越大,则金属键越强。金属键越强,其金属的硬度越大,熔沸点越高。
一般来说,金属原子价电子越多,原子半径越小,金属离子与自由电子的作用力就越强,晶体的熔沸点就越高,反之越低。
例如碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降低——价电子相同,原子半径逐渐增大。又如钠与钙原子大小相近,因为价电子不同,钠的原子化热为kJ/mol,钙的则增加到kJ/mol。
许多过渡元素具有很高的原子化热,金属键很强,是因为它们有较多可供金属原子成键的d电子,例如铁的原子化热为kJ/mol,钨为kJ/mol。
三、金属原子的堆积方式
金属键没有方向性,因此趋向于使原子或分子吸引尽可能多的其他原子或分子分布于周围,并以密堆积的方式降低体系的能量,使晶体变得比较稳定。
1、几个概念:
①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
②配位数:在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数
③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
2、二维空间中的堆积方式
金属晶体中的原子可看成直径相等的球体,像钢球一样堆积着。把它们放置在平面上(即二维空间里),可有两种方式:
说明:在一个平面上进行最紧密堆积排列只有一种,即只有当每个等径圆球与周围其他6个球相接触时,才能做到最紧密堆积——密置层。密置层的空间利用率比非密置层的空间利用率高。
3、三维空间中的堆积方式
金属晶体可看成金属原子在三维空间中堆积而成。
金属之最:熔点最低的金属是——汞
熔点最高的金属是——钨
地壳中含量最多的金属是——铝
生活中使用最广泛的金属是——铁
最活泼的金属是——铯
最稳定的金属是——金