《物质结构与性质》——20、金属晶体

第三章  晶体结构与性质

第三节  金属晶体与离子晶体

一、金属键与金属晶体

1、金属晶体的概念

金属(除汞外)在常温下都是晶体，称其为金属晶体。金属单质和合金都是金属晶体。

可以简单的认为，金属原子如同硬球一样，一层一层很紧密地堆积，每一个金属原子的周围有较多相同的原子围绕着。

2、金属键

在金属晶体中，原子间以金属键相互结合。

电子气理论：金属原子脱落下来的价电子（电离出的自由电子），形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有的金属原子维系在一起。可以想象为，自由电子形成一团“气体”，金属阳离子分散到这团“气体”中。

金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用，就是金属键。

金属晶体是由金属阳离子和自由电子所构成，自由电子属于整块晶体，它和共价晶体一样，是一个“巨分子”。

3、金属晶体的性质

金属晶体的熔点、硬度差别很大。

如，金属钠的熔点较低，硬度很小，是很软的金属，可用小刀切开。钨是熔点最高的金属，其熔点在3000℃以上，铬是硬度最大的金属，比许多原子晶体硬度大。汞在常温下是液体，能蒸发出汞蒸气。  

造成这种现象的原因是金属键强弱差别很大。一般，金属原子半径越小，金属键越强；金属原子的价电子数越多（或金属阳离子所带的电荷数越多），金属键越强。如，金属键Na<Mg<Al，则其熔点、硬度Na<Mg<Al。

也可以借助经验规律比较，一般金属性越强，金属键强度越小。

金属晶体有良好的延展性。

金属晶体在外力作用下可以变形，但并不会断裂，可以拉成丝、压成薄片。

由于金属晶体中电子气被所有的金属原子所共用，所以金属键没有方向性及饱和性。当金属受外力作用时，晶体中各原子层会相对滑动，但金属键并不断裂，也不会改变原来的排列方式，而且金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用，所以金属有良好的延展性。

当向金属晶体中掺入其它金属或非金属（如碳、硅）原子时，由于其原子半径大小不一，就像在滚珠之间掺入了沙土或碎石一样，使其层间滑动困难，所以合金的延展性差、硬度会变大。

金属有良好的导电性、导热性

在外加电场作用下，由于自由电子带负电荷，电子气中自由电子会定向移动形成电流，因此金属有良好的导电性。

电子气中自由电子在热的作用下，与金属原子频繁碰撞，将热能从金属一端传导到另一端，使金属有导热性。

同时，自由电子的频繁碰撞，也使电子的定向移动变得困难，所以金属的导电能力随温度升高而下降。

注意：金属晶体有导电性，但能导电的物质不一定是金属。如，石墨有很好的导电性，而石墨是非金属。还有很多能导电的有机高分子化合物，如聚乙炔也不属于金属。

4、合金

合金也属于金属晶体。它是由两种或两种以上的金属，或金属与非金属熔合而成的，有金属特性的物质。

如，常见的铁合金有碳钢、锰钢、不锈钢等，常见的铜合金有黄铜、青铜、白铜等。

一般合金的硬度较大、熔点较低。

小结：

金属单质和合金是金属晶体。

金属晶体由金属阳离子和自由电子构成，它们之间靠金属键结合。

金属晶体的性质与金属键、晶体结构有关。

合金的性质。