金属键与金属晶体知识点

在已知的110多种元素中，金属元素约占80%。在常温下，金属单质有许多共同的物理性质，如具有金属光泽，能导热、导电，具有一定的延展性等，金属的这些共性是由金属晶体中的化学键和金属原子的堆积方式所决定的。

除汞等少数金属外，大多数金属单质都具有较高的熔点，说明金属晶体中存在着强烈的相互作用。金属具有导电性，是因为金属晶体中存在着能够自由移动的电子。

通常情况下，金属原子的部分或全部外围电子受原子核的束缚比较弱。在金属晶体内部，它们可以形成自由移动的电子。金属原子失去部分或全部电子形成的金属离子与自由电子之间存在强烈的相互作用，这种强烈的相互作用称为金属键（metallic bond）。

通常情况下，金属内部自由电子的运动不具有固定的方向性。但在外电场作用下，自由电子在金属内部会发生定向运动，从而形成电流，所以金属具有导电性（electrical conductivity）。

金属导电性示意图

当金属某一部分受热时，该区域里自由电子的能量增加，运动速率增大，自由电子与金属离子（或金属原子）碰撞频率增加，自由电子把能量传给金属离子（或金属原子）。金属的导热性（thermal conductivity）就是通过自由电子的运动把能量从温度高的区域传到温度低的区域，从而使整块金属达到相同的温度。

金属键没有方向性，当金属受到外力作用时，晶体中密堆积层的金属原子之间容易发生相对滑动，但在滑动过程中自由电子能够维系金属键，即各层之间仍然保持金属键的作用，晶体不致断裂。因此，在一定强度的外力下，金属一般可以发生形变，表现出良好的延展性(延性、展性和可塑性)（ductility）。延展性最好的金属是金，一两黄金压成金箔可覆盖两个篮球场。但也有少数金属，如锑、铋、锰等，性质较脆，延展性差。

金属延展性示意图

延展性

延展性是物质的物理性质之一，指可锤炼可压延程度。物体在外力作用下能延伸成细丝而不断裂的性质叫延性；在外力（锤击或滚轧）作用下能碾成薄片而不破裂的性质叫展性。

延性指的是材料在受力而产生破坏之前的塑性变形能力。例如，钢结构材料延性好，可抵抗强烈地震而不倒塌；而砖石结构变形能力差，在强烈地震下容易发生脆性破坏而倒塌。为此，砖石砌体结构房屋需按抗震规范要求设置构造柱和抗震圈梁，约束砌体的变形。钢筋混凝土材料具有双重性，若设计合理能减少混凝土脆性性质的危害，充分发挥钢筋塑性性能，实现延性结构。

在外力（锤击或滚轧）作用能碾成薄片而不破裂的性质叫展性。一般活泼金属的延展性较差，不活泼的金属延展性较好。如Au、Ag、Pt的延展性好，碱金属（IA族除氢元素以外的元素，即锂Li、钠Na、钾K、铷Rb、铯Cs、钫Fr六种金属）延展性差。延展性最差的金属是汞，因其在常态下为液态。

有的金属软如蜡，有的金属硬如钢；有的金属熔点低（如汞的熔点为-38.9℃、铯的熔点为28.7℃），有的金属熔点高（如钨的熔点达3000℃以上）。金属的这些性质与金属键强弱密切相关。

金属原素的原子半径越大，金属键越弱；单位体积内自由电子数目越多，金属键越强。金属键的强弱可以用金属的原子化热来衡量。金属的原子化热是指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。金属原子化热数值越小时，其熔点越低，硬度小(质地软)；反之，熔点高，硬度大。

部分金属的原子半径、原子化热和熔点

影响金属键强弱的主要因素有金属元素的原子半径、单位体积内自由电子的数目等。一般而言，金属元素的原子半径越小、单位体积内自由电子的数目越多，金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。如金属锂中的金属键比金属钠中的金属键强，与金属钠相比，锂的熔点较高，硬度较大。

金属晶体

自然界中许多固态物质都是晶体，它们有规则的几何外形，如晶莹的雪花、剔透的石英、棱角分明的实验固体和很多矿石。通常情况下，大多数金属单质也是晶体。

雪花晶体

石英

人类对晶体结构的认识

古人很早就注意到一些物质具有规则的几何外形，我国古代《演繁录》一书中曾写到：“盐成卤水，暴烈日中，即成方印，洁白可爱。” “方印”是指食盐的几何外形。古希腊人认为透明的石英是由过冷的冰形成的，因而称之为“crystalos”，其原意是“结净的冰”，英文crystal（晶体）即源于此。

《演繁录》

17世纪，物理学家惠更斯（C. Huygens，1629—1695）收集了大量的矿石，他惊叹于矿石规则的几何外形，提出其成因是构成晶体的微粒有序排列的猜想。

X射线发现后，人类对晶体内部结构的认识才获得了重大突破。起初，科学家试图用人工狭缝作X射线的光栅，使其产生衍射，结果失败了。劳厄（M. Laue，1879—1960）分析并总结失败的原因，独辟蹊径，认为利用晶体作为立体光栅可以获得衍射图。1912年，清晰的X射线衍射图被拍摄到，根据衍射图显示的信息便能推知晶体内部的微观结构。

在金属晶体（metallic crystal）中，金属原子彼此相切、紧密堆积成晶体。金属晶体中金属原子的紧密堆积是有一定规律的。和其他类型的晶体一样，金属晶体也是由能够反映晶体结构特征的基本重复单位——晶胞 (unit cell) 在空间连接重复延伸而形成的。因此研究晶体的结构只需重点研究其晶胞的结构。

在晶胞中，处于立方体顶点的金属原子为8个晶胞共享，处于立方体面上的金属原子为2个晶胞共享，处于立方体体心的金属原子完全属于该晶胞。

金属晶体晶胞示意图（图为面心立方堆积，晶胞中金属原子数为8×1/8＋4×1/2＋1＝4）

如果金属原子在平面上（二维空间）紧密放置，可有两种排列方式，如图所示。

金属原子在平面内的两种排列方式（a，b）

从图中可以看出，b的排列比a紧密，b称为密置层，a称为非密置层。a、b是金属晶体中金属原子常见的两种排列方式。

金属晶体的空间堆积方式

金属晶体是金属晶体在三维空间按一定的规律堆积而成的。将密置层和非密置层按一定的方式在三维空间中堆积，就得到了金属晶体的4种基本堆积方式：简单立方、体心立方、面心立方和六方。

原子和离子都占有一定的空间，在某种程度上近似可将其视为具有一定大小的球体。原子或离子之间的相互结合，从几何的角度，在形式上可视为球体间的堆积。晶体内粒子相互结合时，相互间的引力和斥力处于平衡状态，这就相当于球体间作紧密堆积。球体堆积有两种基本类型，一是单一质点的等大球体堆积，如纯金属晶体；二是几种质点的不等大球体堆积，如离子晶体。

金属钋（Po）属于简单立方堆积；钠、钾、铬、钼、钨等属于体心立方堆积（钾型）；金、银、铜、铅等属于面心立方堆积（铜型）；镁、锌、钛属于六方堆积（镁型）。其中简单立方堆积和体心立方堆积属于非密置层堆积形式，称为密堆积，空间利用率较低；面心立方堆积和六方堆积属于密置层堆积方式，称为最密堆积，空间利用率较高。

1.简单立方堆积

简单立方堆积的空间利用率

2.体心立方堆积

3.六方堆积

4.面心立方堆积

面心立方堆积的空间利用率

四种堆积方式的配位数（每个原子周围距离相等且最近的原子数）

四种堆积方式的基本信息

金属材料在人类的生产、生活中有着重要的应用。但人们使用更多的是一种金属与另一种或几种金属（或非金属）的融合体——合金（alloy），而不是纯金属。与单组分金属相比，合金的某些性能更优越。

黄铜（由铜和锌组成(主要)的合金，硬度大，耐磨性、耐腐蚀性强，可用来制造阀门、水管等）

合金是具有金属材料特征的物质，是由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）融合而成。按元素数量可分为二元合金、三元合金和多元合金。

合金具有如下性质：

（1）合金的熔点一般低于它的各成分的金属；

（2）合金的强度和硬度大于它的各成分金属；

（3）合金具有金属的特性，如导电性、导热性、延展性等；

（4）合金中各成分的化学性质不变；

古代人很早就掌握了合金的制造和加工技术。合金的发展始于青铜器。古巴比伦人是世界上最早生产铝和合金的人。约6000年前，古巴比伦人开始精炼青铜（铜和锡等元素的合金）。青铜比紫铜软，熔点更高（1083℃），具有良好的铸造性、耐磨性和稳定的化学性质。中国也是世界上最早生产合金的国家之一。现代，各种功能合金层出不穷，如防腐性能优异的不锈钢、储氢材料LaNi5合金、形状记忆合金、高强度的锰钢、高磁性的硅钢、航天材料钛合金等。

金属的光泽

铁块、镁条、铜片具有金属光泽，但铁粉、镁粉、铜粉分别为黑色、灰白色和红色粉末，没有金属光泽。这是为什么呢？

光泽实际上是一种反光效应，与物体的密度和光洁度成正比，一般金属的密度较大、光洁度较高反光(对光反射)就越强。光泽的强弱取决于矿物的折射率、吸收系数和反射率。反射率越大，光泽就越强。

金属光泽是光泽强度的等级之一，一般指反射率R＞0.25、宛如金属抛光后产生的光泽，实际就是强烈的镜面反射。只要物质表面足够光滑、光洁度足够高、能将大量入射光线集中（朝同一个方向）反射，就能产生金属光泽。绝大多数金属呈现钢灰色至银白色光泽，如钢（铁）、锌、锡、铝、银、钛。而有些金属的光泽则不同，如金呈黄色，铜呈赤红色，铯呈淡黄色。

金属光泽并不是金属的特有性质，很多矿物也有金属光泽，如一些硫化物矿物和氧化物矿物。

金属中的自由电子容易吸收可见光的能量跃迁到较高能级，在回到原能级时以光的形式放出能量。铁、镁能吸收各种波长的可见光，吸收后又把它们几乎全部反射出去，所以呈钢灰色或银白色光泽。金属对某种波长的光吸收程度大，就呈现出与其对应的颜色。如金属铜容易吸收绿色光，即呈现出对应的紫红色。

金属粉末往往没有金属光泽，这是因为在粉末状时，金属的晶面杂乱地分布在各个方向，对入射光朝多个方向反射，晶格排列也不规则，吸收可见光后辐射不出去，在任意位置观测时，总会觉得其反光强度小于周围环境的亮度，所以看上去是黑色的而没有金属光泽。

（附）金属之最：

　　(1)铝：地壳中含量最多的金属元素（丰度约占地壳的8%）

　　(2)钙：人体中含量最多的金属元素

　　(3)铁：目前世界年产量最多的金属(铁>铝>铜)

　　(4)银：导电、导热性最好的金属(银>铜>金>铝)

　　(5)铬：硬度最高的金属（质地硬而脆，莫氏硬度为9，仅次于钻石）

　　(6)钨：熔点最高的金属（熔点为3410℃）

　　(7)汞：熔点最低的金属（凝固点为-38.7℃）

　　(8)锇：密度最大的金属（22.59克/立方厘米）

　　(9)锂 ：密度最小的金属（0.534克每立方厘米）

（10）金：延展性最好的金属

（11）锎：最贵的金属（1克的价格约10亿美元）

（12）锂：最轻的金属（能浮在水面上）

（13）锗：最纯的金属（纯度达99.99999999999%）