11.17: 金属固体

铜，铝和铁晶体等金属固体由金属原子形成。 金属晶体的结构通常被描述为原子核在离域电子“海”中的均匀分布。 这种金属固体中的原子由一个独特的力 (称为金属键) 固定在一起，该体性质可产生许多有用且变化多样的。

所有金属固体都具有高热电导率和电导率，金属光泽度和可锻性。 许多人都是非常坚硬的的人，而且相当强大。 由于它们的可锻性 (在压力或锤击下变形的能力) ，它们不是碎落，因此它们制造了有用的建筑材料。 金属的熔点差别很大。 汞是室温下的液体，碱金属溶解在 200 °C 以下 几种过渡后金属的熔点含量也很低，而过渡金属在 1000 °C 以上的温度下熔化 这些差异反映了金属键的强度在金属之间的差异。

金属固体的性质

由于其结晶结构，金属固体几乎没有与结构相关的独特性质，并在下表中列出。

金属固体的晶体结构：密堆积

由相同原子组成的固体可以有两种类型的排列：正方形或密堆积 (图 1)。 由于密堆积可以最大限度地提高原子之间的整体吸引力，并将分子间总能量降至最低，因此大多数金属中的原子会以这种方式进行包装。

图 1. 立方对比密堆积排列。

我们在简单的金属晶体结构中发现两种最接近的堆积： 六角最密堆积（HCP） 和 立方最密堆积（CCP）。 这两个图层都由六边排列原子的重复图层组成。 在这两种类型中，第二层 (B) 放置在第一层 (A) 上，以便第二层中的每一个原子都与第一层中的三个原子接触。 第三层以两种方式之一定位。

在 HCP 中，第三层的原子直接位于第一层的原子之上 (即第三层也是 A 型) ，堆叠由交替的 A 型和 B 型密堆积层 (即 ABAB⋯) 组成 (图 2a)。

在 CCP 中，第三层中的原子不在前两层中的任何一层中的原子之上 (即第三层为 C 型) ，堆叠由交替的 A 型， B 型和 C 型密堆积层 (即 ABCABCBC⋯) 组成 (图 2b)。 立方面心（FCC） 和 CCP 排列实际上是相同的结构，具有紧凑型原子堆积，占体积的 74%。

图 2. (a) 六角紧密堆积由两个交替层 (ABAB… ć ) 组成。 (b) 立方密堆积由三个交替层 (ABCABCABC…) 组成。

在这两 种类型的堆积中，每个原子接触其各自层中的六个原子，上面层中的三个原子，下面层中的三个原子。 因此，每一个原子接触 12 近邻，因此配位数为 12。

大约三分之二的金属在紧密堆积的阵列中结晶，配位数为 12。 HCP 结构中结晶的金属包括 CD ， Co ， Li ， mg ， Na ， 和锌，以及在 CCP 结构中结晶的金属包括 Ag ， Al ， Ca ， Cu ， Ni ， PB 和 Pt.

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第 10.5 节：物质的固态和 第10.6节： 结晶固体中的晶格结构。

金属固体，例如铜、铝和金，是以金属原子作为组成粒子的固体，通常通过强金属键 结合在一起。在金属键中，相邻 金属原子的电子云重叠，使得这些价电子离域 在整个固体中。金属固体有时被描述为 静止金属阳离子晶格 淹没在离域电子的海洋中。这导致其内部结构比 分子或离子固体更灵活。与其他固体相比，金属固体通常可以 在更大程度上 弯曲和变形而不会断裂。正如金和汞所显示的那样，它们的熔点因金属键的强度 而变化很大。流动电子还使这些固体成为 热和电的极佳导体。纯金属固体的原子 通常以两种大小均匀球体最有效的构型之一 进行排列或"堆积"六方密堆积或立方密堆积。在六角形紧密堆积结构中，金属原子 以六角形排列在两个重复层中，其中第二层的原子 占据第一层的凹陷。第三层是第一层的重复，形成了一种独特的 ABAB 排列。锌金属具有六方密堆积（或 hcp）晶格。它的晶胞包含有 两个不在晶格点上的原子。在立方密堆积结构中，原子以六角形排列在三个重复层中。每第四层的原子与第一层的原子对齐，形成独特的 ABCABC 排列。铜金属具有立方密堆积（或 ccp）晶格。这种晶格又称面心立方（或 fcc）因为它的排列就是 面心立方晶格的排列，每个格点上都有一个相同的原子。在这两种类型的堆积结构中，每个原子的配位数为十二。在 hcp 堆叠中，每个原子都与 来自同一层的六个原子、来自上层的三个原子和来自下层的三个原子直接接触。