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第一章金属的晶体结构本章重点与难点：①金属键；②最常见的晶体结构：面心立方结构（fcc）、体心立方结构（bcc）、密排六方结构（hcp）；晶向指数和晶面指数；③晶体中存在的缺陷：点缺陷、面缺陷、线缺陷。
内容提要：固体物质的原子是由键结合在一起。
这些键提供了固体的强度和有关电和热的性质。
由于原子间的结合键不同，我们经常将材料分为金属、聚合物和陶瓷三类。
金属的原子之间时依靠金属键结合在一起的。
在结晶固体中，材料的许多性能都与其内部原子排列有关，可将晶体分为7种晶系，14种布拉菲点阵。
金属中最常见的晶体结构有面心立方结构（fcc）、体心立方结构（bcc）、密排六方结构（hcp）结构。
本章还介绍了晶向、晶面的概念及其表示方法（指数），因为这些指数被用来建立晶体结构和材料性质及行为间的关系。
实际的晶体结构中存在着一些缺陷，根据几何形态特征，分为点缺陷、面缺陷、线缺陷。
基本要求：1.建立原子结构的特征，了解影响原子大小的各种因素。
3.建立单位晶胞的概念，以便用来想像原子的排列；在不同晶向和镜面上所存在的长程规则性;在一维、二维和三维空间的堆积密度。
4.熟悉常见晶体中原子的规则排列形式，特别是bcc，fcc以及hcp。
我们看到的面心立方结构，除fcc金属结构外，还有NaCl结构和金刚石立方体结构。
5. 掌握晶向、晶面指数的标定方法。
一般由原点至离原点最近一个结点（u,v,w）的连线来定其指数。
如此放像机定为[u,v,w]。
u,v,w之值必须使互质。
晶面指数微晶面和三轴相交的3个截距系数的倒数，约掉分数和公因数之后所得到的最小整数值。
若给出具体的晶向、镜面时会标注“指数”时，会在三维空间图上画出其位置。
6.认识晶体缺陷的基本类型、基本特征、基本性质。
注意位错线与柏氏矢量，位错线移动方向、晶体滑移方向与外加切应力方向之间的关系。
7 了解位错的应力场和应变能，位错的增殖、塞积与交割。
第一节金属1 金属原子的结构特点金属原子的结构特点是外层电子少，容易失去。
金属键一、金属键的涵义1定义：金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用所形成的化学健叫金属键。
2强度：金属键的强弱与原子半径、价电子数有关。
原子半径越小，价电子越多，金属键就越强。
3对性质的影响：金属键越强，金属晶体的熔、沸点就越高、硬度就越大。
同一主族从上到下，价电子数相同，原子半径依次增大，金属键依次减弱；同一周期从左到右，价电子数依次增多，原子半径依次减小，金属键依次增强。
4金属晶体：通过金属键所形成的晶体叫做金属晶体。
5金属的原子结构特点(1)自由电子：金属原子的价电子比较少，容易失去价电子变成金属阳离子，这些释放出的电子在整个晶体中可以自由地运动，这些价电子叫做自由电子。
(2)自由电子的特性：价电子不专属某个或某几个金属原子，为整个晶体所有。
“自得自失，互得互失”。
(3)金属晶体的结成：金属阳离子、自由电子。
正因为金属晶体中存在自由电子，所以表现出一些相似的物理性质。
二、对金属物理通性的解释1、金属的物理通性：金属都具有一定的金属光泽、延展性、导电性、导热性，A、金属光泽：大多数金属呈现银白色，是因为自由电子能吸收所有频率的光又立即将它们反射出来。
在粉末状时多显灰色或黑色，如Pt、Ag在粉末时呈黑色，是因为金属粉末表面凹凸不平，光线照射地上面经过多次反射和吸收后，几乎全部被吸收，所以呈黑色。
B、不透明：由于各种波长的光在金属表面都能被自由电子阻挡，所以除极薄的铂片外，金属都不透明。
C、导电性：自由电子在电场作用下作定向移动的结果。
D、导热性：自由电子通过碰撞，把能量从高温部分传到低温部分，从而使整个晶体达到同样的温度。
E、延展性：金属阳离子与自由电子之间的作用不是固定的，所以在外力作用下可以产生相对的滑动，滑动的结果，金属发生了形变，但各层之间的金属键的作用仍然存在，金属并没有断裂，所以大多数金属都有不同程度的延展性。
(说明：如果外力的作用破坏了金属键的作用，金属还是会发生断裂的。
)F如：白金丝拉到直径为1/5000 mm不断裂；金箔可过到厚度为1/10000 mm。
金属的分子结构名词解释金属是一类具有特殊特性和广泛应用的物质，其结构与其他材料有着明显的区别。
金属的分子结构是指金属中原子的排列方式以及原子之间的相互作用。
下面将对金属分子结构涉及到的一些重要名词进行解释。
1. 金属晶体结构金属晶体结构是金属内部原子有序排列的方式。
最常见的金属晶体结构是面心立方(FCC) 和体心立方(BCC)。
在FCC结构中，金属原子以正六面体的形式排列，每个面心立方晶胞中有4个原子；而在BCC结构中，金属原子也以正六面体的形式排列，但每个体心立方晶胞中只有2个原子。
2. 点阵常数点阵常数是指晶格中相邻原子之间的距离。
对于FCC结构，点阵常数a是指相邻面心立方晶胞的边长；对于BCC结构，点阵常数a是指相邻体心立方晶胞的对角线长度。
3. 电子云金属中的原子通常会失去部分或全部的外层电子，形成正离子。
这些失去电子的原子核周围会形成电子云，是金属的重要特征。
电子云具有自由移动的特性，使得金属具有导电和热导的性质。
4. 金属键金属中的原子之间通过共享电子形成金属键。
金属键是一种强电子共享的键，使得金属原子能紧密地结合在一起。
5. 金属的堆积序金属的堆积序是指金属晶体中原子间的排列方式。
常见的堆积序包括紧密堆积、六方最密堆积和立方密堆积。
紧密堆积是一种原子以八面体或正十二面体堆积的方式，相邻两层原子的排列方式相互平行；六方最密堆积是一种原子以六边形堆积的方式，具有六方对称性；立方密堆积是一种原子以面心立方的方式堆积，具有四方对称性。
6. 晶胞晶胞是指晶体中最小的重复单元。
金属晶体的晶胞通常由多个原子组成，可以是立方形、正六面体形或其他几何形状。
7. 缺陷金属晶体中存在缺陷，主要包括点缺陷和线缺陷。
点缺陷指的是由于原子的缺失或替代等原因造成晶体结构中的局部不完整；线缺陷指的是晶格中某一部分原子排列出现错误，例如位错或脆性断裂。
8. 金属的相变金属在不同的温度和压力下可能会发生相变，即从一种晶体结构转变为另一种晶体结构。
金属材料晶体结构特征
1.原子排列有序：金属材料中的原子排列有序，呈现出高度的规则性和对称性。
这种有序排列决定了金属材料具有很高的韧性和强度。
2. 金属键：金属材料中的原子之间形成的是金属键，这种键的
强度比共价键或离子键要弱，但却能够保持金属材料的整体结构稳定。
3. 晶格结构：金属材料的晶体结构由晶格和点阵组成。
晶格是
一种由点阵排列而成的三维结构，每个点阵都代表着一种原子或离子的位置。
不同的金属材料有不同的晶格结构，如立方晶格、六方晶格、四方晶格等。
4. 点阵类型：不同的金属材料中，原子的排列方式也存在差异，可以分为充分填充型、半填充型和空穴型三种点阵类型。
5. 密堆积结构：金属材料的原子在晶体结构中的排列方式往往
是密堆积结构，这种结构可以使得金属材料的密度很高，同时也保证了金属材料的整体强度和韧性。
总的来说，金属材料的晶体结构特征决定了其在力学性能、热学性能、电学性能等方面的表现，对于金属材料的制备和应用都有着重要的意义。
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什么是金属键理论
金属键理论是描述金属晶体中原子之间化学作用力的理论。
根据该理论，金属键是一种遍布整个晶体的离域化学键，是金属晶体内的基本作用力。
在金属晶体中，由于自由电子的存在和晶体的紧密堆积结构，使金属获得了共同的性质，例如具有较大的密度、有金属光泽、良好的导电性、导热性、机械加工性等。
金属键的强度可以由原子化热来衡量。
原子化热是指1mol金属转化成气态原子时所需要吸收的能量。
原子化热较小的金属，硬度较小、熔点较低；反之亦然。
金属键的强弱造成了不同金属晶体的熔沸点、硬度等性质的差异。
对此，不同的理论也有不同的解释层面。
例如，“电子气论”（即自由电子理论）认为，金属键的本质是自由电子与金属阳离子之间的静电作用，那么金属键的影响因素主要就是金属阳离子所带的电荷与离子半径（与离子电荷成正相关、与离子半径成反相关）。
以上信息仅供参考，建议查阅专业书籍或咨询专业人士获取更全面和准确的信息。
金属键和金属晶体结构理论
在高中化学课本“金属键”一节中，简略地讲了金属键的自由电子理论和金属晶体的圆球密堆积结构。
在本节中将介绍这两种理论的有关史实，并对理论本身进一步加以阐述。
一、金属键理论及其对金属通性的解释
一切金属元素的单质，或多或少具有下述通性：有金属光泽、不透明，有良好的导热性与导电性、有延性和展性，熔点较高（除汞外在常温下都是晶体），等等。
这些性质是金属晶体内部结构的外在表现。
金属元素一般比较容易失去其价电子变为正离子，在金属单质中不可能有一部分原子变成负离子而形成离子键。
由于Ｘ射线衍射法测定金属晶体结构的结果可知，其中每个金属原子与周围8到12个同等（或接近同等）距离的其它金属原子相紧邻，只有少数价电子的金属原子不可能形成８到12个共价键。
金属晶体中的化学键应该属于别的键型。
1916年，荷兰理论物理学家洛伦兹（Lorentz．H．A．1853－1928）提出金属“自由电子理论”，可定性地阐明金属的一些特征性质。
这个理论认为，在金属晶体中金属原子失去其价电子成为正离子，正离子如刚性球体排列在晶体中，电离下来的电子可在整个晶体范围内在正离子堆积的空隙中“自由”地运行，称为自由电子。
正离子之间固然相互排斥，但可在晶体中自由运行的电子能吸引晶体中所有的正离子，把它们紧紧地“结合”在一起。
这就是金属键的自由电子理论模型。
根据上述模型可以看出金属键没有方向性和饱和性。
这个模型可定性地解释金属的机械性能和其它通性。
金属键是在一块晶体的整个范围内起作用的，因此要断开金属比较困难。
但由于金属键没有方向性，原子排列方式简单，重复周期短（这是由于正离子堆积得很紧密），因此在两层正离子之间比较容易产生滑动，在滑动过程中自由电子的流动性能帮助克服势能障碍。
滑动过程中，各层之间始终保持着金属键的作用，金属虽然发生了形变，但不至断裂。
因此，金属一般有较好的延性、展性和可塑性。
由于自由电子几乎可以吸收所有波长的可见光，随即又发射出来，因而使金属具有通常所说的金属光泽。
自由电子的这种吸光性能，使光线无法穿透金属。
因此，金属一般是不透明的，除非是经特殊加工制成的极薄的箔片。
关于金属的良好导电和导热性能，高中化学课本中已用自由电子模型作了解释。
上面介绍的是最早提出的经典自由电子理论。
1930年前后，由于将量子力学方法应用于研究金属的结构，这一理论已获得了广泛的发展。
在金属的物理性质中有一种最有趣的性质是，包括碱金属在内的许多金属呈现出小量的顺磁性，这种顺磁性的大小近似地与温度无关。
泡利曾在1927年对这一现象进行探讨，正是这一探讨开辟了现代金属电子理论的发展。
它的基本概念是：在金属中存在着一组连续或部分连续的“自由”电子能级。
在绝对零度时，电子（其数目为Ｎ个）通常成对地占据Ｎ／2个最稳定的能级。
按照泡利不相容原理的要求，每一对电子的自旋方向是相反的；这样，在外加磁场中，这些电子的自旋磁矩就不能有效地取向。
当温度比较高时，其中有一些配对的电子对被破坏了，电子对中的一个电子被提升到比较高的能级。
未配对的电子的自旋磁矩能有效地取向，所以使金属具有顺磁性。
（前一节中介绍价键理论的局限性时已指出，顺磁性物质一般是具有自旋未配对电子的物质。
）未配对电子的数目随着温度的升高而增多；然而，每个未配对电子的自旋对顺磁磁化率的贡献是随着温度的升高而减小的。
对这二种相反的效应进行定量讨论，解释了所观察到的顺磁性近似地与温度无关。
索末菲与其他许多研究工作者，从1928年到30年代广泛地发展了金属的量子力学理论，建立起现代金属键和固体理论──能带理论，可以应用分子轨道理论去加以理解。
（可参看大学《结构化学》教材有关部分）
二、等径圆球密堆积模型和金属单质的三种典型结构
在高中化学课本“金属键”一节中，讲到金属晶体内原子的排列，好象许多硬球一层一层地紧密地堆积在一起，形成晶体。
课本中还画出了示意图。
所谓等径圆球紧密堆积，就是要把许多直径相同的圆球堆积起来做到留下的空隙为最小。
这个问题曾经引起许多研究工作者的兴趣。
1883年，英国学者巴罗发现等径圆球的最紧密堆积只有两种排列方式：一种是立方对称的，一种是六方对称的，分别相当于现在知道的金属单质的Ａ1型和Ａ3型结构。
巴罗在1898年发表的论文中，还提出用大球和球相间排列形成的NaCl型和CsCl型密堆积，并且指出其中大球是按立方最紧密堆积排列的。
他的这些成就当时没有受到应有的重视。
直到1913年，布拉格父子在建立Ｘ射线晶体学时从巴罗的假说中得到了帮助。
Ｗ．Ｌ．布拉格用Ｘ射线测定氯化钠和氯化钾的晶体结构，测定结构证实了巴罗假设。
测定所得化钠晶胞参数的数值，对建立Ｘ射线结构分析方法起了重要作用。
劳厄、布拉格等人用Ｘ射线测定铜和其它金属的晶体结构，也证实了巴罗的等径圆球最密堆积假说。
现在，我们详细说明一下等径圆球最密堆积模型。
取许多直径相同的硬圆球，把它们相互接触排列成一条直线（所有的球心准确地在一条直线上），形成了一个等径圆球密置列。
将许多互相平行的等径圆球密置在一个平面上最紧密地相互靠拢（要做到最紧密只能有一个方式，就是每个球与周围其它六个球相接触），就形成了一个等径圆球密置层。
它是沿二维空间伸展的等径圆球密堆积唯一的一种排列方式。
取Ａ、Ｂ两个等径圆球密置层，将Ｂ层放在Ａ层上面。
要做最密堆积使空隙最小也只有一种唯一堆积方式，就是将两个密置平行地错开一点，使Ｂ层的球的投影位置正落在Ａ层中三个球所围成的空隙的中心上，并使两层紧密接触。
这时，每一个球将与另一层的三个球相接触。
值得重视的是这个密置双层结构中的空隙有两种：一种是由三个相邻Ａ球和一个Ｂ球（或三个Ｂ球和一个Ａ球）所组成的空隙，称为正四面体空隙，因为将包围空隙的四个球的球心连接起来得正四面体；另一种空隙是由三个Ａ球和三个Ｂ球（两层球的投影位置错开60°）所组成，称为正八面体空隙，因为连接这六个球的球心得正八面体。
显然八面体空隙比四面体空隙大。
在密置的双层的基础上进一步了解等圆球的三维最密堆积就很容易了。
将第三个等径圆球密置层Ｃ放在上述密置双层的上面，与Ｂ层紧密接触，注意将Ｃ层中的球的投影位置对准前二层组成的正八面体空隙中心，以后第四、五、六；第七、八、九个密置层的投影位置分别依次与Ａ、Ｂ、Ｃ层重合。
这样我们就得到了Ａ1型的密堆积，它可用符号…ＡＢＣＡＢＣ…来表示，因为可从Ａ1型密堆积结构中抽出立方晶胞来，所以它又称为立方最密堆积。
具有Ａ1型密堆积结构的金属单质有铝、铅、铜、银、金、铂、钯、镍、γ－Fe等。
如果加在密置双层ＡＢ上的第三、五、七……个密置层的投影位置正好与Ａ层重合，第四、六、八……个密置层的投影位置正好与Ｂ层重合，各层间都紧密接触，则得到Ａ3型的密堆积，它可用符号……ＡＢＡＢ……来表示。
它又称为六方最密堆积，因为从其中可抽出六方晶胞。
具有Ａ3型堆积结构的金属单质有铍、镁、钛、锆、锌、镉、锇等。
在Ａ1和Ａ3型结构的金属单质晶体中，每个金属原子的配位数均为12，即每个原子是与12个原子（同一密置层中六个原子，上、下层中各三个原子）相邻接。
这两种堆积方式是在等径圆球密堆积中最紧密的，配位数最高，空隙最小（只占总体积的25．95％）。
金属单质有三种典型的结构型式，除Ａ1和Ａ3型外，还有一种Ａ2型密堆积。
在Ａ2型结构中，最小单位是立方体，立方体中心有一个球（代表原子），立方体的每一顶角各有一个球，所以原子的配位数为8。
空隙占总体积的31．98％。
虽然不是最密堆积，仍是一种高配位密堆积结构。
钠、钾等常见的碱金属和钡、钡、铬、钼、钨、α－Fe等金属单质都具有Ａ2型结构。
在金属单质中，上述三种高配位密堆积结构型式占了统治地位。
这表明用等径圆球密堆积的理论模型来处理金属单质的结构是正确的。
由于在金属晶体、离子晶体和分子晶体中的金属键、离子键和分子间力，都没有方向性和饱和性，这些作用力都趋向使原子（离子）具有较大的配位数以降低体系的能量。
因此许多晶态物质都是原子或离子相当紧密堆积的集合体，许多晶体的结构可以用球体的堆积来讨论，这是不足为奇的。
