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11.18: 金属固体
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Metallic Solids
 
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11.18: 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。

实体类型 粒子类型 吸引力类型 性质 示例
金属 电正元素原子 金属键 光亮、可锻、延性强、可良好地导热和电、可变硬度和熔化温度 铜、铁、铁、铅,U

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。

Eq1

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%。

Eq1

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 第10.6节: 结晶固体中的晶格结构

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Metallic Solids Copper Aluminum Gold Metal Atoms Metallic Bonds Electron Clouds Delocalized Electrons Flexible Internal Structure Molecular Solids Ionic Solids Bending And Deformation Melting Points Conductors Of Heat And Electricity Hexagonal Close-packing Cubic Close-packing ABAB Arrangement Zinc Metal Hcp Lattice

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