最后更新: 2025-10-29 08:50 查看: 66 次纠错评论(0) 课件开VIP

金属晶体、晶胞、合金、金属键、硬度

早在史前时期，美丽晶莹的晶体就引起了人们的注意。它们表面光洁而又棱角分明，千姿百态而又对称有致，充分展示了大自然的鬼斧神工。随着现代科学技术的发展，有特殊物理性质的人工合成晶体广泛应用于能源、环境、材料、生命科学等领域。为什么同样是由碳原子构成的晶体，钻石和石墨的硬度却相差很大？为什么化学式相似的干冰 $\left(\mathrm{CO}_2\right)$ 和水晶 $\left(\mathrm{SiO}_2\right)$ 的熔点截然不同？晶体物质的性质，与晶体中分子、离子、原子等微粒的空间排列和相互作用又有什么关系？

通过对晶体物质的深入了解和学习，我们将进一步掌握晶体物质中微粒有序排列的一般规律，了解晶体物质中微粒间相互作用的特征和实质，理解晶体的结构与晶体特殊物理性质之间的关系，认识晶体结构测定是确定分子空间结构的重要方法和途径之一。

构成物质的分子、原子和离子等微粒可以通过各种相互作用凝聚成固体，地球上就有许多物质是固体。固体种类繁多，性质也千变万化，有些固体在电学、磁学或光学等某一方面具有特殊的性质。固体通常有晶体和非晶体之分。自然界常见的固体物质中，如食盐、冰、水晶、金属和许多矿石等，都是晶体，而玻璃、玛瑙、橡胶之类的物质则属于非晶体。那么，晶体有哪些明显不同于非晶体的特性呢？

## 晶体的特性

许多天然矿石，如绿柱石、重晶石、水晶等，不仅有绚丽的色彩，还有光滑平整的表面和规则的几何外形。人类很早就开始利用晶体，并关注到晶体的几何外形特征。在我国周口店的中国猿人遗址中就有用水晶等晶体制造而成的工具；在西汉时期，《韩诗外传》中有对雪花六角形的描述＂凡草木花多五出，雪花独六出＂的记载。

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晶体的最基本特性是它们内部结构的有序性以及外形的对称性。在适宜的条件下，晶体能够自发地呈现封闭的、规则的几何多面体外形，这称为晶体的自范性。本质上，晶体的自范性是晶体中原子、分子和离子等微粒在三维空间里呈现周期性有序排列的宏观表现。相反，非晶体中微粒的排列则相对无序，因而无自范性。例如，自然界中存在的各种石英晶体（晶体SiO2），它们几乎都具有对称的六角形棱柱状的外形，而玻璃、玛瑙（非晶体SiO2）等就没有天然的、有规则的外形，如图3.2所示。根据晶体内部微粒的种类（原子、离子或分子）和微粒间的相互作用不同，可以将晶体分为金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体等。

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 晶体内部微粒的排列呈现周期性，而不同方向上的微粒排列情况是不同的。因此，在晶体中，不同的方向上具有不同的物理性质，如导电性、导热性、硬度、解理性等，这称为晶体的各向异性。例如，石墨晶体的导电性表现出各向异性，在与层平行的方向上的电导率数值约为与在层垂直的方向上的电导率数值的1万倍。又如，云母晶体各个方向解理性不同，若沿两层平面的平行方向施加外力就容易剥离，若沿着垂直于平面的方向剥离就困难得多。非晶体在各个方向上的物理性质都一致，显各向同性。例如，玻璃的折光率、热膨胀系数等，一般不随测定的方向而改变。
 
**实验 晶体的各向异性**
取一张云母薄片，用酒精棉擦拭后晾干，在其表面均匀地涂上一薄层石蜡，然后放置在铁圈上。将一锥尖固定在电烙铁的发热头上，电烙铁用铁夹固定，调节高度，使锥尖刚好与云母薄片接触，如图3.3所示。接通电源，观察云母薄片上石蜡熔化后扩张的形状。再取一玻璃薄片进行相同的实验，观察玻璃薄片上石蜡熔化后扩张的形状。

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#### 准晶体
中国、以色列、美国和法国等国家的学者于1984年前后几乎同时在急冷的合金中发现了一种新的固体，即准晶体。我们已经知道，物质的构成由其微粒排列特点而定，构成物质的微粒呈周期性排列的固体物质叫做晶体，呈无序排列的叫做非晶体。准晶体则介于两者之间，其结构是长程有序，但又不具有晶体结构内部微粒排列的周期性，如图3.4所示。准晶体的发现，是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破

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准晶体被发现的几十年来，科学家们在实验室中发现或创造了各个类型的数百种准晶体。直到2009年，科学家们才在俄罗斯采集的矿物样本中首次发现了天然形成的准晶体，从而为准晶体学说提供了有力的矿物学支撑

随着研究的不断深入，准晶体越来越多地应用于日常生活和工业生产中。例如，作为热和电的不良导体，准晶体可用于制作温差电材料，能把热能转化为电能；因为具有表面不粘、高硬度、耐磨损等特性，准晶体可用于制作煎锅表面的涂层。

## 金属晶体的结构
晶体外形的对称性，是晶体内部结构微粒有序排列的反映。从内部结构看，晶体中的微粒呈现可重复的周期性排列，因此，研究晶体结构时只需要找出其中的基本重复单元加以分析，就能了解整个晶体的结构。晶体结构中基本的重复单元称为晶胞。如图3.5所示的就是在由无数金原子构成的金属晶体中找到的一个基本重复单元。

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### 晶胞
晶胞一般都是平行六面体。晶体可以看作由数量巨大的晶胞在三维空间无隙并置而成。因此，知道了晶胞的大小和形状以及晶胞中微粒的种类、数目和微粒所处的空间位置，就可以了解整个晶体的空间结构。

以金属金的一个晶胞为例（图 3.6 ）。表面上看，在 8 个顶角有 8 个原子， 6 个面上有 6 个原子，一共有 14 个原子。但是，在这个晶胞的上、下、前、后、左、右还重复地排列着其他晶胞，所以处于顶角和面心的金原子并不为一个晶胞所独有。其中，处于晶胞顶角的金原子被 8 个晶胞所共有，每一个晶胞占有 $\frac{1}{8}$ 个金原子。处于晶胞面心的金原子被 2 个晶胞所共有，每一个晶胞占有 $\frac{1}{2}$ 个金原子。因此，实际在这个金的晶胞中的金原子数为 $\frac{1}{8} \times 8+\frac{1}{2} \times 6=4$ 。

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 金属晶体中的原子可看成直径相等的刚性球体，它们在三维空间按照一定的方式进行排列、堆积，形成金属晶体。金属原子排列和堆积方式不同，可以形成不同结构的金属晶体。表3.1列出了三种金属晶体的结构模型。了解金属晶体的结构，不仅有助于我们理解金属的密度等一些物理性质，还能帮助我们研究金属晶体的化学性质。例如，许多过渡金属都是工业上重要的催化剂，它们的催化作用与金属原子核外电子排布有关，同时，不同的金属晶体结构也会影响它们在某些反应中的催化活性。

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#### 合金
金属材料在人类的生产、生活中有重要的应用。由于具有独特结构，合金的某些性能比单组分金属更优越。例如，铁暴露在空气中容易锈蚀，而加入约15%
的铬和约0.5%的镍形成的哈氏合金，能够耐酸、碱的腐蚀。又如金属铝很软，而一定比例的铝、铜、镁、硅等熔合而成的硬铝，具有较大的强度和硬度。

我们的祖先很早就掌握了合金的制造和加工技术。例如，青铜（铜锡合金）工艺在距今3 000 多年前的商朝就已经非常发达。1965年在湖北省荆州市发掘出的春秋晚期（公元前6世纪左右）的越王勾践剑制作工艺精湛，出土后仍然锋利无比。经过检测，发现该剑是以铜、锡为主要成分，并含有少量铝、铁、镍、硫的铜锡合金。

在科学技术日新月异的今天，各种功能合金更是层出不穷，如储氢材料LaNi5合金、形状记忆合金、高强度的锰钢、高磁性的硅钢、航空材料钛合金等

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 ## 金属键与金属的性质

在金属晶体中，由于金属元素的电离能较小，金属原子的原子核对其价电子的吸引力较弱，价电子容易脱离原子核的束缚成为自由电子。这些自由电子不再属于某一金属原子，可以在整个金属晶体中自由移动。金属正离子可看作是＂浸泡＂在自由电子的＂海洋＂中。因此，金属晶体的基本结构微粒是金属正离子和自由电子。金属晶体中金属正离子与自由电子之间的强烈相互作用，称为金属键。金属键本质上也是一种静电作用，没有方向性和饱和性。

由于金属晶体的结构特点，所以金属有一些特殊的物理性质，例如，金属不透明，但具有金属光泽及良好的延展性、导电性和导热性等。因为金属晶体中有自由电子，所以当可见光照射到金属晶体表面时，晶体中的自由电子可以吸收光能而呈现能量较高的状态。但是，这种状态不稳定，电子跃迁回到低能量状态时，会将吸收的各种波长的光辐射出来，使得金属不透明并具有金属光泽。金属键没有方向性，当金属受到外力作用时，金属原子之间发生相对滑动（图 3．8），各层金属原子之间仍然保持金属键的作用。因此，在一定强度的外力作用下，金属可以发生形变，表现出良好的延展性。需要指出的是，不同的金属晶体中金属键的强弱差异非常显著，因此金属的熔点、硬度相差很大。例如， Hg 的熔点是 $-39^{\circ} \mathrm{C}$ ，而 W 的熔点是 $3410^{\circ} \mathrm{C} ; \mathrm{Na}$ 的莫氏硬度为 0.4 ，而 Cr 的莫氏硬度为 9 。
 
> 莫氏硬度
硬度是指物质抵抗某些外部机械作用，特别是刻划作用的能力。德国矿物学家莫斯（F．Mohs，1773－1839）于1822年首先提出莫氏硬度。莫氏硬度表示物质的相对硬度，是衡量硬度的一种标准。

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#### 金属纳米晶体
我们已经知道，当宏观物质处于气、液、固态时，微粒之间的运动方式、内部结构特点和相互作用不同，使得处于不同聚集状态的物质表现出不同的性质。当物质处于其他一些聚集状态时，如等离子体、液晶、准晶体等，也表现出了各自的特殊性质，甚至聚集态物质的颗粒大小、形状或形态等也会影响物质的性质。

金属纳米晶体指的是具有晶体结构的金属纳米颗粒。纳米是一个长度单位， 1 nm 为 1 m 的十亿分之一， 100 nm 约为一根头发丝直径的一千分之一。当金属晶体的粒径减小到纳米级别（通常为 $1 \sim 100 \mathrm{~nm}$ ）时，这些尺寸很小的金属晶体就会表现出与一般金属晶体不同的物理和化学性质。

金属纳米晶体有一个与尺寸相关的有趣特性。我们常见的金属金晶体是＂金色＂的，但是实验表明，如果金纳米晶体的尺寸减小至几十到几个纳米时，不同尺寸的金纳米晶体形成的胶体可以呈现出不同的颜色。此外，不同形状的金纳米晶体，如球形和棒状金纳米晶体形成的胶体颜色也各不相同。

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 近年来，金属纳米晶体已经受到基础研究和工业应用的广泛关注。诸如四面体、立方体、八面体等形状的贵金属纳米晶体，已经能够通过简便的方法制备得到，它们在催化、光学、电子学、生物医学等领域都有着重要的应用

`例`数一数金属钠、镍、钋的晶胞中分别含有的原子个数。

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 解：（1）观察金属钠的晶胞可以发现：有 8 个钠原子位于晶胞顶角位置，由于晶胞之间是无隙并置地排列的，所以处于顶角的钠原子被 8 个晶胞所共有，每一个晶胞占有 $\frac{1}{8}$ 个钠原子；另有 1 个钠原子处于晶胞内部（体心），并没有被其他晶胞共有，每个晶胞单独占有这个钠原子。因此，金属钠的晶胞中含有的钠原子数目为：$\frac{1}{8} \times 8+1=2$ 。
（2）观察金属镍的晶胞可以发现：立方体的 8 个顶角均有 $\frac{1}{8}$ 个镍原子，同时 6 个面的面心都有 $\frac{1}{2}$ 个镍原子。因此，金属镍的晶胞中含有的镍原子个数为：$\frac{1}{8} \times 8+\frac{1}{2} \times 6=4$ 。
（3）显而易见，金属针的晶胞中， 8 个针原子位于立方体的顶角。因此，金属钋的晶胞中含有的针原子个数为：$\frac{1}{8} \times 8=1$ 。

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