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.D2.C3.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418kJ/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