007_单质及金属的结构
金属的晶体结构及其性质
金属的晶体结构及其性质金属是一类具有很高的导电性和热导性的物质，广泛应用于工业、建筑、交通等领域。
对于金属的结构和性质进行深入的探究不仅有助于我们更好地理解和应用它们，在材料科学和工程领域也具有重要的意义。
一、金属的晶体结构1.1 单质金属的结构单质金属的晶体结构主要取决于其原子的大小、形态、数量等因素。
最简单的是钨、银、金等元素，它们的晶体结构都是面心立方格子结构，其中每个原子位于晶体的一个顶点或一个面心上。
而对于一些较小的原子，如铁、铝、镁等，则容易出现体心立方格子或六方密堆积等结构。
1.2 合金的结构合金是由两种或更多金属元素混合而成的材料，具有比单质金属更多元化的结构。
由于合金中包含了不同的金属原子，因此其形成的晶体结构也较为复杂。
以黄铜为例，它是铜和锌的合金，具有面心立方格子结构，并且晶体结构中的铜原子和锌原子是交替排列的。
二、金属的性质2.1 导电性金属具有很高的电导率，这是由于其晶体结构中存在许多自由电子，这些电子在外部电场的作用下会漂移，从而使金属的导电性得以表现。
由于金属内部电阻很小，因此电子能够自由地在金属中传导，使得金属具有优良的导电性。
2.2 热传导性金属的热传导性也很好，这是由于其晶体结构是由许多密集排列的原子构成的，因此热量能够迅速地在这些原子之间传递。
在金属中，电子和离子发生碰撞时可以带走一部分热能，从而进一步促进了热传导的发生。
2.3 塑性和可锻性金属具有很好的塑性和可锻性，这是因为其晶体结构中的原子可以向多个方向移动。
金属在受到一定的压力或拉伸力时，其原子能够在晶体中重新排列，从而产生塑性或可锻性。
金属的塑性常被用于制造各种形状的产品，如铝汽车轮毂，而可锻性则用于制造各种形态的金属制品，如铁门等。
2.4 耐腐蚀性金属对于腐蚀的抵抗能力因其化学性质而有所不同。
像铜、铝等金属，由于存在氧化物和其他形式的化学反应产物，因此具有良好的耐腐蚀性。
然而，其他的金属，如铁、钢等，则易于腐蚀，需要经过某些方式的处理以防止腐蚀。
八年级物理金属结构知识点
八年级物理金属结构知识点金属是一种常见的物质，在我们的日常生活中，金属的应用广泛。
例如，我们通常用金属来制作各种工具、电子设备、建筑材料等，这都离不开对金属结构的认识和理解。
下面，就让我们来了解一下八年级物理金属结构的相关知识点吧。
一、金属元素的结构金属元素的基本结构是由一个或多个金属原子构成。
金属原子的结构和一般原子不同，金属原子内部含有大量自由电子，这些自由电子可以在原子间自由流动，并形成网络状结构，从而形成金属的晶体结构。
二、金属晶体结构金属晶体结构通常分为密排结构和稀排结构两种。
密排结构的金属晶体中，金属原子的排列比较紧密，相邻原子之间没有很多空隙。
稀排结构的金属晶体中，金属原子的排列比较稀疏，原子之间有较多的空隙。
三、常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构包括立方晶系、六方晶系和单斜晶系。
其中，立方晶系金属的晶体结构呈立方体状；六方晶系金属的晶体结构呈六角形柱状；单斜晶系金属的晶体结构呈斜的四棱锥状。
四、金属的力学性能金属的力学性能是指金属在受力下的变形和破坏特性。
金属的力学性能与其晶体结构有关，密排结构的金属更加硬而脆，稀排结构的金属则往往更加柔软和延展。
五、金属的导电性和热导性金属的导电性和热导性直接跟金属的晶体结构和自由电子有关。
由于金属原子之间的电子距离较大，自由电子在整个金属中流动起来比较容易，因此，金属是一种良好的导电材料。
同时，金属的自由电子在运动过程中会产生热能，因此金属也是一种优良的导热材料。
六、金属的磁性金属的磁性与其电子结构、晶体结构及温度有关。
有些金属具有自发磁性，如铁、镍、钴等，称为磁性金属；而一些金属则不具有磁性，如铝、铜等，称为非磁性金属。
以上就是八年级物理金属结构的相关知识点，希望能够帮助大家更加深入地了解金属结构的特点和性质。
在今后的学习和生活中，我们也要更加善于利用这些知识，为我们的生产和生活创造更大的价值。
九年级化学金属结构知识点
九年级化学金属结构知识点化学中的金属结构是指金属元素的原子是如何排列和连接在一起的。
金属结构的研究对于理解金属的性质、特点和应用具有重要意义。
下面将介绍九年级化学中与金属结构相关的几个知识点。
一、金属元素的晶体结构金属元素在固态下通常具有晶体结构。
晶体结构是由大量原子按照一定的规律排列而成。
最常见的金属晶体结构有体心立方格子、面心立方格子和密堆积结构。
1. 体心立方格子体心立方格子中，每个立方体的几个角和体对角上都有一个金属原子，每个面的中心也有一个金属原子。
常见的体心立方格子结构的金属有铁、钴、镍等。
2. 面心立方格子面心立方格子中，每个面的中心都有一个金属原子。
常见的面心立方格子结构的金属有铜、铝等。
3. 密堆积结构密堆积结构中，金属原子按照一定的规律连续堆积形成六角密堆积。
常见的密堆积结构的金属有银、金等。
二、合金的形成和应用合金是由两种或两种以上金属元素组合而成的固态材料。
合金通常具有比单一金属更好的性能和应用特点。
1. 合金的形成合金的形成可以通过熔炼、冶炼、固溶和共晶等过程实现。
熔炼就是将两种或两种以上的金属熔化混合，然后再冷却凝固形成合金。
冶炼是在固态下将多种金属加热熔化后混合。
固溶是指在某一金属中溶解其他金属元素，形成一种均匀的固溶体。
共晶是指两种或两种以上金属在液态下按一定比例混合后冷却结晶形成具有特殊结构的固体。
2. 合金的应用合金具有优异的物理性质和化学性质，因此广泛应用于各个领域。
例如，铜合金常用于制作电线、电缆和导线等电气设备。
铝合金常用于制造航空器、汽车和建筑材料等。
钢是铁和碳的合金，用于制造建筑结构、汽车、船舶和大型机械等。
合金还可以通过调整成分比例和加入其他金属元素来改变其硬度、强度和耐腐蚀性能，满足不同的需求。
三、金属的导电性和导热性金属具有良好的导电性和导热性，这与金属的结构有关。
1. 导电性金属中的原子形成一个一个的等间距排列，并且原子之间用电子云连接。
这种电子云的存在使得金属具有良好的导电性。
金属单质的晶体结构
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常见物质的电子式及结构式
02
结构式
硫原子位于中心，与两个氧原子 通过共享电子形成两对共价键。
03
二氧化硫分子呈"V"形结构，硫原 子位于"V"形的顶点，两个氧原子
分别位于"V"形的两个侧边。
04
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
铝
电子式：Al
输标02入题
结构式：面心立方晶格，每个晶胞含有4个铝原子， 每个铝原子与周围的12个铝原子等距相切。
01
03
化学性质：在常温下能与空气中的氧气反应生成致密 的氧化铝薄膜，在高温条件下能与氧化合生成三氧化
二铝。
04
物理性质：具有银白色金属光泽，良好的导电性和导 热性，密度较小。
02 非金属单质
结构式：CaO
2
3
描述：氧化钙是石灰石、大理石等的主要成分， 由钙离子和氧离子组成，离子键结合。
氢氧化钠
电子式：[:Na:]+[:OH:]–
结构式：NaOH
描述：氢氧化钠是一种强碱，由钠离子和氢氧 根离子组成，离子键结合。
06 共价化合物
甲烷
01
电子式：$CH_{4}$
02
结构式
03
碳原子位于中心，与四个氢原子通过共享电子形成四对共价键。
常见物质的电子式及结构式
contents
目录
• 金属单质 • 非金属单质 • 稀有气体 • 化合物 • 离子化合物 • 共价化合物
01 金属单质
铜
01
电子式：Cu
02
03
04
结构式：体心立方晶格，每个 晶胞含有2个铜原子，每个铜 原子与周围的12个铜原子等
金属所有知识点总结
金属所有知识点总结一、金属的基本性质1. 金属的结构和成分金属的晶体结构通常是紧密堆积的球形原子构成的各向同性结构。
金属的晶体结构通常是面心立方结构（如铝、铜、铂等金属）、体心立方结构（如铁、钒、钽等金属）或者简单立方结构（如钾、银、钠等金属）。
2. 金属的物理性质金属的物理性质主要包括金属的硬度、导电性、导热性、光泽和延展性。
金属通常具有较好的硬度和刚性，同时具有良好的导电导热性能。
此外，金属通常具有光泽并且可以被延展成薄片并制成不同形状。
3. 金属的化学性质金属的化学性质主要包括金属的化学活性、与其他物质的反应性以及在化学反应中的离子性等特点。
大部分金属具有较强的还原性，可以与非金属元素形成氧化物或盐等化合物。
同时，金属通常在化学反应中以正离子的形式存在。
4. 金属的熔点和沸点金属的熔点和沸点是金属固态、液态和气态状态的转变温度。
金属通常具有较高的熔点和沸点，能够在一定的温度下形成稳定的固态结构。
二、金属的种类根据金属的晶体结构和性质，可以将金属分为不同的类别，主要包括有色金属、贵金属、稀有金属、黑色金属等不同类别。
1. 有色金属有色金属是指具有明显颜色的金属，包括铜、铝、镍、锌、铅等。
有色金属通常具有良好的导电导热性能，并且在电子工业、建筑工业和航空航天等领域有广泛的应用。
2. 贵金属贵金属是指珍贵且稀有的金属，包括金、银、铂、钯、铱等。
贵金属通常具有良好的稳定性和化学反应性，因此被广泛用于首饰、电子产品、化工催化剂等方面。
3. 稀有金属稀有金属是指地壳中含量较少的金属，包括钨、锆、铌、钽等。
稀有金属通常具有高熔点和高硬度，被广泛应用于合金、耐磨材料、电子器件等方面。
4. 黑色金属黑色金属主要指铁、锰、铬、钴等。
黑色金属具有较高的熔点和较好的磁性，广泛应用于冶金、机械加工、建筑结构等领域。
三、金属的应用领域金属在现代社会的生产生活中有着广泛的应用。
1. 金属材料金属材料是工程技术中使用最广泛的材料之一，用于制造机械设备、汽车船舶、建筑结构等。
《金属的结构和性质》课件
防护措施： 涂覆保护 层、电化 学保护、 合金化等
腐蚀类型： 化学腐蚀、 电化学腐 蚀、物理 腐蚀
防护材料： 油漆、涂 料、塑料、 橡胶等
防护技术： 阴极保护、 阳极保护、 电镀等
防护效果： 延长金属 使用寿命， 提高金属 性能
金属的焰色反应
原理：金属原 子在火焰中激 发出电子，产 生特定颜色的
光
他元素改变金属的性质 合金化效果：提高金属的强度、硬度、耐磨性等 合金化应用：广泛应用于汽车、航空、航天等领域
06 金属的工艺性质
可锻性
可锻性是指金属材料在压力作用下，能够产生塑性变形而不破裂的能力。
可锻性是金属材料重要的工艺性质之一，对于金属材料的加工和制造具有重要意义。
可焊性
焊接性：金属在焊接过程中能够形成牢固的接头的能力 影响因素：金属的化学成分、物理状态、焊接工艺等 焊接方法：电弧焊、气焊、激光焊等 应用：广泛应用于机械制造、建筑、汽车等行业
切削加工性
切削加工性是指金 属在切削加工过程 中表现出来的性质
切削加工性包括切 削力、切削温度、 切削速度、刀具磨 损等
磁共振等
光学性质
反射率：金属表面对光的反射能力 透射率：金属对光的透射能力 吸收率：金属对光的吸收能力 色散：金属对不同波长的光的吸收和反射能力
04 金属的化学性质
氧化还原反应
氧化还原反应 是金属化学性 质的重要表现
氧化还原反应 是指金属失去 电子或得到电
子的过程
氧化还原反应 中，金属失去 电子，被氧化， 生成金属离子
添加标题
原子半径与元素的化学性质和物理 性质有关
原子半径越小，元素的非金属性越 强
配位数
金属晶体中，配位数通常为 12，即每个原子或离子周围 有12个相邻原子或离子
高考化学常见物质物质的结构
高考化学常见物质物质的结构高考化学常见物质的结构一、金属元素的结构金属元素是指化学元素周期表中的金属元素，包括钠、铝、镁、锌、铁等。
这些元素的共同特点是它们有较低的电离能和较高的导电性、热传导性，并且能够以阳离子形式氧化和溶解。
金属元素的晶体结构描述了金属元素的原子如何排列在空间中。
最常见的金属元素结构是面心立方堆积结构（fcc）和体心立方堆积结构（bcc）。
面心立方堆积结构中，原子以等距离的方式排列在立方体的面心上。
而体心立方堆积结构中，一个原子位于立方体的中心，而其他的八个原子分别位于立方体的每个角上。
例如，铁的晶体结构是体心立方堆积结构。
铁的原子半径较小，因此能够在密堆积结构中互相接触。
这种紧密堆积使铁能够展示出较高的密度和韧性。
另外一个常见的金属元素，铝，也采用体心立方堆积结构。
铝的原子半径比铁要大，因此在铝的结构中可以看到更多的空隙。
二、无机盐的结构无机盐是指由金属离子和非金属离子或一个金属离子与一个团簇离子（也是非金属离子）组成的化合物。
常见的无机盐有氯化钠（NaCl）、硫酸铜（CuSO4）和硝酸铵（NH4NO3）。
氯化钠的晶体结构属于立方密堆结构，它由等量的钠和氯离子组成。
每个钠离子都被六个氯离子包围，而每个氯离子也被六个钠离子包围。
硫酸铜的结构是由一个二价铜离子和四个硫酸根离子组成。
硫酸根离子是一个硫酸根团簇离子，由一个硫原子和四个氧原子组成。
硝酸铵是一个由一个铵离子（NH4+）和一个硝酸根离子（NO3-）组成的化合物。
三、碳元素的结构碳元素的结构非常复杂多样，其中最重要的是钻石和石墨这两种形式。
钻石是由纯净的碳组成，其中每个碳原子都连接到其他四个碳原子。
这种结构形成了一个坚硬、透明和高熔点的晶体。
石墨也是由碳原子组成的，但是每个碳原子只连接到其他三个碳原子，形成了一个平面六边形的结构。
石墨的层状结构赋予了其良好的导电性和润滑性。
除了钻石和石墨，碳还有许多其他形式。
例如，富勒烯是由碳原子以球形、管状或其他形状组成的结构。
常见的金属单质课件
• 常见的金属单质 • 金属单质的制备方法 • 金属单质的腐蚀与防护 • 金属单质的发展前景
01
金属的简介
金属的定 义
01
金属是一种具有光泽、延展性、 导电性和导热性的物质，通常为 固体，但汞除外。
02
金属可以通过化合反应生成，通 常是由一个金属原子与非金属原 子结合形成金属离子和电子。
金属在新能源领域的应用
01
02
03
太阳能电池板
利用金属单质的光电效应， 将太阳能转化为电能，用 于太阳能电池板的制造。
核能反应堆
利用金属单质的导热性和 耐腐蚀性，制造核能反应 堆的冷却系统和压力容器 等关键部件。
电动汽车电池
利用金属单质的电化学性 质，制造电动汽车的电池， 提高电动汽车的续航里程 和安全性。
金属的特性
金属具有良好的导电性和导热性，这是因为金属内部的自由电子可以在电场或温度 梯度下流动。
金属具有延展性，可以拉伸、弯曲或冲压成各种形状。
金属具有光泽，这是因为金属原子密集排列，使得光波在表面发生反射和折射。
金属的分 类
金属可以根据其在地壳中的丰度分为稀有金属和常见金属。 金属还可以根据其熔点、密度、硬度等物理性质进行分类。
02
常见的金属单质
铁（Fe）
化学性质
铁是活跃的金属，容易与氧、酸 和其他物质发生反应。它在潮湿
的空气中容易生锈。
用途
铁是制造钢铁的主要原料，用于建 筑、汽车、飞机、机器等各种行业。 它也是制造各种铁盐和铁合金的重 要原料。
发现与生产
铁在地壳中的含量非常丰富，通常 以化合物的形式存在。人类最早通 过从铁矿石中提炼出铁来生产铁。
04
金属单质的腐蚀与防护
单质晶体结构资料
单质晶体结构资料晶体是一种固态物质，具有有序的排列方式，并呈现出特定的晶体结构。
晶体结构是指晶体中原子、离子或分子的排列方式，它决定了晶体的物理和化学性质。
在自然界中，存在着许多不同种类的单质，每种单质都具有不同的晶体结构。
下面将以金属、离子晶体和共价晶体三种常见的单质类型为例，介绍它们的晶体结构及性质。
一、金属晶体结构金属晶体是由金属原子通过金属键紧密排列而成的。
金属原子的价电子脱离原子核形成自由电子云，形成了金属键。
金属晶体的晶体结构通常是由多面体对称形状的晶胞构成的。
最简单的金属晶体结构是体心立方结构（bcc），如铁晶体。
体心立方晶格中，每个晶胞内有一个原子，其中一个原子位于晶胞的中心。
铁的体心立方晶体结构使得其具有较高的熔点和良好的韧性。
另一种常见的金属晶体结构是面心立方结构（fcc），如铜晶体。
面心立方晶格中，每个晶胞内有四个原子，其中一个位于晶胞的中心，其余三个分别位于每个面的中心。
铜的面心立方结构使得其具有良好的导电性和导热性。
二、离子晶体结构离子晶体是由正负离子通过离子键排列而成的。
正离子和负离子通过静电作用互相吸引形成晶体。
离子晶体的晶体结构通常是由阴阳离子交替排列的晶胞构成的。
典型的离子晶体结构是岩盐结构，如氯化钠晶体。
岩盐结构中，钠离子和氯离子通过离子键排列成一个正负离子的立方胞。
氯化钠具有良好的溶解性和导电性。
另一种常见的离子晶体结构是锌礦石结构，如氧化铝晶体。
锌礦石结构中，每个阳离子和周围的四个阴离子以及每个阴离子和周围的六个阳离子形成边长比较长的八面体。
氧化铝具有高熔点和良好的电绝缘性。
三、共价晶体结构共价晶体是由原子通过共价键（电子共享）排列而成的。
共价晶体的晶体结构通常是由共价键连接形成的晶胞构成的。
典型的共价晶体结构是金刚石结构，如金刚石。
金刚石结构中，每个碳原子通过共价键与周围四个碳原子相连，形成一个八面体形状的晶胞。
金刚石具有极高的硬度和热导率。
另一种常见的共价晶体是石墨结构，如石墨。
第9章金属单质的结构和性质-07
金属原子间存在着较强的化学键, 因此金属原子
间的结合力不是一般分子间的范德华引力, 而是
一种相当强的化学键. 我们称为金属键.
3 2012-7-6
金属的气化热和熔点
Li
135 454
Be
309 1551
Na Mg
89 371 129 922
K
78
337
Ca
150
1112
Sc
305
1814
Ti
429
12
2012-7-6
正八面体空隙和正四面体空隙
正八面体空隙
13
正四面体空隙
2012-7-6
等径圆球密置三层
第 三 层 球 有 两 种 放 法
六方最密堆积 ( A3 型)
立方最密堆积 ( A1 型)
14
2012-7-6
这两种堆积方式, 每个球在同一层与6个球相切, 上下层各与3个球接触, 配位数均为12。
8
2012-7-6
能带结构特征
导体: 绝缘体:
具有导带
只有满带和空带, 而且满带和空带
E g 5eV
之间的禁带较宽(ΔE≥5eV)。 一般电场条件下, 难以将满带电子激发入空带, 不能形成导带。
半导体:
只有满带和空带, 但满带与空带之
E g 3eV
间的禁带较窄(ΔE<3eV), 在电场条件下满带的
空间利用率为:
20
74.05%
2012-7-6
(2) A2型密堆积
每个金属原子最近邻有8个金属原子,次近邻有6 个金属原子(距离较直接接触大15.5%),不是最密堆 积。称为体心立方密堆积(body cubic packing, 简 称bcp,或 A2)。 A2型为立方体心堆积, 每个晶胞中有两个球, 结构基元为1个球。
金属的组织结构
金属材料的组织结构
4、铁碳相图中的特性线及意义
温度℃
ACD线—液相线 ACD AC—析出A A AC CD—析出 Fe3C CD
1538 ℃
A
1148℃ E 1148℃
L
L+A
C
D
A
912℃
AECF线—固相线 AECF AE—A AE A析出终了线 ECF—共晶线 ECF 1148℃
G
FP
Q
F+A S
金属材料的组织结构
面心立方晶胞
金属材料的组织结构
面心立方晶胞的特征：
（1）晶格常数
a=b=c，α=β=γ=90°
（2）晶胞原子数 (个)
1/8*8+1/2*6=4
金属材料的组织结构
(三)密排六方晶格
密排六方晶胞原子如何排列
十二个金属原子分布在六方体的十二个角上，在上下 底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀分布三个 原子。 具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍 (Be)等。大多具有较大的脆性，塑性差。
金属材料的组织结构
密排六方晶胞
金属材料的组织结构
密排六方晶胞的特征：
（1）晶格常数 （a=b≠c，α=β=90°，γ= 120 ° ） 用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表 达, 两相邻侧面之间的角为120°, 侧面与底面之间的 夹角为90°。
（2）晶胞原子数
1/6*12+1/2*2+3=6
金属材料的组织结构
C——共晶点，1148℃
4.3%C
共晶点——发生共晶反应的点。 共晶反应 —— 在一定的温度下，由一定成分的液体同 时结晶出一定成分的两个固相的反应。 共晶反应的产物——共晶体——机械混合物
金属材料的结构资料PPT课件
第7页/共59页
• 例一.求截距为、1、晶面的指
数
截距值
取倒数为0、1、0，加圆括弧得
（010）
• 例二.求截距为2、3、 晶面的指
数
取倒数为
1/2、1/3 、 0, 化为最小整数
加圆括弧得（320）
• 例三.画出（112）晶面 取三指数的倒数1、1、1/2, 化 成 最 小 整 数 为 2 、 2 、 1 ，第即8页/为共59X页、
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密排六方晶格的参数
第28页/共59页
• 密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
原子半径：r 1a
2 原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
第29页/共59页
第30页/共59页
2、实际金属的晶体结构 • ⑴ 单晶体与多晶体
{110}
Z
（011）
（110） （011） （101）
（101）
Y （110）
X
第14页/共59页
立方晶系常见的晶向为：
100 : [100]、[010]、[001]
110 : [110]、[101]、[011]、[110]、[101]、[011]
111 : [111]、[111]、[111]、[111]
• 间隙固溶体都是有限固溶体。
第53页/共59页
化 合 物
Cu-Zn有限固溶体
• ④ 固溶体的性能
• 随溶质含量增加, 固溶体 的强度、硬度增加, 塑性、 韧性下降—固溶强化。
• 产生固溶强化的原因是 溶质原子使晶格发生畸 变及位错运动受到阻碍。
金属的组织结构
第二章金属的组织结构为什么不同材料具有不同性能，而且同一金属也有可能具有不同性能呢？大量研究证明：金属的性能除与金属的原子结构以及原子间的结合键有关外，还与金属原子的排列方式即组织结构有关。
为此，本章将阐述金属组织结构的相关知识。
第一节金属的结晶一、金属结晶的有关概念金属能够以气态、液态和固态形式存在，并且在一定条件下这三种状态能够互相转变。
金属由液态转变变为固态的过程叫凝固，又由于固态金属都是晶体，所以这一过程也称为结晶。
(一)晶体的概念晶体是指原子（离子﹑分子）在三维空间呈有规则的周期性重复排列的物质。
在自然界中，除了少数物质（如普通玻璃、松香等）以外，包括金属在内的绝大多数固体都是晶体。
晶体的各项性能指标在不同方向上具有不同的数值，即各向异性，而非晶体则是各向同性的。
自然界有些晶体的还具有规则的外形。
晶体都具有固定的熔点，而非晶体则没有固定的熔点，凝固总是在某一温度范围逐渐完成。
(二)金属结晶时的过冷现象1. 理论结晶温度从热力学角度来看，物质状态的稳定性是由该状态的自由能高低来决定的，总是自发地从自由能较高的不稳定状态向自由能较低的稳定状态转变。
那么，物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外界做功的这一部分能量就叫做“自由能（F）”。
图2-1所示的是同一金属在液态和固态时自由能随温度变化的曲线。
由图可见，液态自由能F L和固态自由能F S都随温度升高而降低，但是结构不同，自由能随温度的变化是不同的，液态自由能降低得更快些，因此两条曲线交于T0温度。
在T0温度，液态和固态的自由能恰好相等，两种状态具有同样的稳定性，固相和液相处于动态平衡，既不熔化，也不结晶。
液态和固态自由能相等时所对应的温度T0，就是理论结晶温度或理论熔点。
2. 过冷现象如果将液态纯金属缓慢冷却，每隔一定时间测量一次温度，最后把实验数据绘在“温度－时间”坐标中，便可得到图2-2所示的冷却曲线，图中T0表示理论结晶温度。
第八章金属的结构和性质
由密堆积层进行堆积时，若采用最密堆积的方式，必须是 密堆积层中原子的凸出部位正好处在相邻一密堆积层中的 凹陷部位，即每一个原子都同时和相邻一密堆积层的3个 原子相接触。上图中示出在A层之上加了B层球。这种由 两层密堆积球紧密堆积形成的双层，称为密置双层。
当密置双层中球的球心位置一层处于A，另一层处于B， 这种密置双层可用AB表示。
(
n
2 x
n
2 y
n
2 z
)
n2h2 2ml 2
每一组量子数(nx , ny , nz )确定一个允许的量子
态，因 n2nx2ny2nzFra bibliotek 对E值确定的状态，用
nx2 + ny2 + nz2相等的任意一组数均可。若考虑电子 自旋，还要加入自旋磁量子数ms。
体 系 处 于 0K 时 电 子 从 最 低 能 级 填 起 ， 直 至 Fermi能级EF，能量低于EF的能级, 全都填满电子， 而所有高于EF的能级都是空的。对导体，EF就是 0K时电子占据的最高能级，其值可从理论上推导， 也可用实验测定。
A3最密堆积形成的六方晶胞
A3最密堆积形成后, 从中可以划分 出什么晶胞? 六方晶胞.
每个晶胞含2个原子(即81/8+1), 组成一个结构基元. 可抽象成六方简单格子. 六方晶胞的c轴垂直于密置层:
c
从ABAB……堆积中划分出六方晶胞, 可能使人感到困惑。 因为在一个密置层上, 通过球心处的旋转轴是六重轴, 通过三 角形空隙处的是三重轴:
另一类金属包括d壳层未填满的过渡金属、4f壳 层未填满的稀土金属，5f壳层未填满的锕系金属， 这些未填满的次层电子能级和外层s, p电子相近，这 些d电子或f电子介于公有化与局域化状态之间，所 以要有特殊的理论处理。
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单质和合金的结构识别并画出金属晶体结构(BCC, FCC, HCP)• 计算单胞中原子的数目和空间利用率由晶体结构和晶格常数求算金属密度•掌握8-N规则•掌握固溶体及其类型•掌握金属化合物概念了解金属及非金属单质的结构，了解二元合金的结构（维加尔答定律，铁和钢的结构）金属单质的晶体结构我们前面学习了几何晶体学，对任何晶体,知道了晶体的空间群、晶胞的大小和原子（离子）的坐标（等效点系）就可以准确的知道晶体的结构，金属当然也可以这样描述，比如Fe 的结构： F m -3 m (空间群)，a=3.4300 Å（晶胞的大小）， Fe：4a（原子的坐标）。
Li的结构：I m -3 m，a=3.493Å，Li：2a。
但是，经常用另外的方式来描述晶体结构。
金属单质可被看作金属原子失去电子形成的离子相互堆积在一起，而电子在离子形成的空隙中自由移动。
所以经常用球的密堆积来描述金属的结构。
如图，等径圆球堆积时一层(A层)的情况。
如果堆积方式是第二层（B层）原子的安放位置在图中所示正（或倒）三角形的位置。
而第三层放在和第一层球处于同样的投影位置，那么第三层也被称为A层，第四层B层…，这样就形成…ABABABAB…的堆积方式。
由于在这种堆积方式中可以取出一个六方点阵，所以被称为六方最紧密堆积，又被称为A3结构。
这个六方点阵是简单格子还是复格子？是简单格子。
同种原子进行六方最紧密堆积时的空间群为P63/mmc。
如果堆积方式是：第二层（B层）原子的安放位置在图中所示正（或倒）三角形的位置。
而第三层放在倒（或正）三角形的位置（倒或正取决于第二层是正或倒，总是和第二层相反），称为C层。
如果堆积方式是…ABCABCABC…，那么可以取出一个面心立方点阵，所以被称为立方最紧密堆积，又被称为A1结构（见平面点阵扎结成空间面心立方格子的情况）。
同种原子进行立方最紧密堆积时的空间群为Fm-3m。
空间利用率构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中占有的体积百分数对一个晶胞：空间利用率=晶胞中原子、离子或分子体积/晶胞体积面心立方最密堆积的空间利用率如图为面心立方的一个面，设晶胞边长为a ，球的半径为r ，则：4r= √2 a 晶胞体积：V=a 3=16√2r 3每个晶胞中有四个球，则球占据体积：v=4⨯4/3πr 3空间利用率：v/V=74%六方最密堆积的空间利用率空间利用率的计算方法是一样的，关键是计算 球占据的体积和晶胞的体积。
设晶胞底边长为a ，高为c ，球的半径为r ，如右图。
从图中很容易知道，晶胞体积是a 2c sin120︒，a=2r ，c 和a 或r 是什么关系？c 等于图中四面体高h 的2倍。
如果知道了h 就 可以知道c 。
h 可以通过下面方法求得。
我们知道立方体的面对角线构成正四面体，如下图,图中的a 和上图中的a 相等。
若立方体边长为a’，则图中四面体的高h 等于体对角线的2/3，即：h=2√3/3a’a ’= √2/2ac= 2√6/3a 晶胞体积V = √3/2a 2c= √3/2⨯4r 2⨯2√6/3⨯2r=8√2r 3每个晶胞中有两个球，球占据的体积v=2⨯4/3πr 3空间利用率：v/V=74%六方晶系中c /a 被称为轴率，六方最密堆积时轴率为1.633。
等径球还有一种非最紧密堆积，即体心立方堆积，又被称为A2结构，空间占有率只有68%（可以自己算一算）。
同种原子进行体心立方堆积时的空间群为Im-3m 。
金属单质的晶体结构绝大多数属于A1（立方最紧密堆积），或A2（体心立方），或 A3（六方最密）结构。
而且，一、所有单质的A3结构中，除Zn 与Cd 外，轴率c/a 都与理论值1.633相差不远，一般偏差在4％以内。
二、Ca 、Co 、Ni 等元素可分别在A1型与A3型结构中存在。
这是因为A1与A3两种结构，1.堆积的紧密程度相似；2. 键角相似，从而稳定程度很相近。
Ca 、Co 、Ni 等元素在A1及A3型结构中原子间距离几乎相等。
一般说来（钙例外），这些元素在室温下为A3型，在较高温度下则为A1型。
三、某些元素在A2型结构中的稳定性可能大于A1或A3型的稳定性（如碱金属）。
这是因为在A2型结构中，每个原子除了与8个原子相接触以外，还与距离仅大15％的6个原子相接近，因此，A2型结构中每个原子的有效配位数可能比8为高。
四、Hg 、Ga 、Mn 等不属于上述三种结构类型，而属于较复杂的结构类型。
非金属元素单质的晶体结构（1）惰性气体 惰性气体原子具有完整的电子层，故具有球形对称性，它们以无方向性的分子间键（微弱的范德华力）形成晶体，可以用球的密堆积描述。
Ne ，Ar ，Kr ，Xe 等为A1型结构；He 为A3型结构，c/a 与理论值一致（1.633）。
（2）其他非金属元素原子先相互以共价键结合成分子，然后再聚集成为晶体。
因为共价键有方向性和化学量限制，所以不能用球的密堆积来描述共价键晶体，而是要用空间群、原子坐标等来描述。
由于共价键的饱和性，在周期系中族次为N 的某非金属元素的原子在共价结合a’a中可生成P (P= 8-N)个单键，这被称为8-N 规则(8-N Rule)。
注意：石墨中，碳原子之间形成的不是单键，因此，在形式上并不遵守8-N 规则。
在N 2和O 2分子中，原子间的共价键亦非单键。
共价键结合成的分子具有的形式有：有限的分子(如I 2、等)；无限的链状“分子”(如Te) ； 无限层状“分子”（如石墨，As ）；无限立体“分子” (如金刚石)。
比如，碘（Iodine ），位于第七主族，根据8-N 规则，它们的晶体结构中是I 2分子的堆积，如下左图。
I 2，Bmab(64)a=7.27007，b=9.79344，c=4.79004；I-16g ：0，0.1156，0 .1493数据来源：/AMS/对于第六主族元素，P= 2，它们可以形成链状分子或环状分子。
α-硒（Selenium ）P3221(154)，a=4.35517，b=4.35517，c=4.94945；Se-3b ：0.217，0，1/6/AMS/ 上图中、右是不同方向上看到的α-硒链。
β-硒和S 的晶体中，Se 原子和S 原子形成环状分子。
Fddd(70)-orthorhombic(晶体结构数据来自Diamond 软件)a=10.4375(1)Å b=12.8125(1)Å c=24.3750(3)Å（括号中为误差，下同） Atom x/a y/b z/cS1-32h ：0.85547(10) 0.95313(7) 0.94922(3) S2-32h ：0.78125(9) 0.02991(7) 0.07617(3) S3-32h ：0.70703(10) 0.97656(8) 0.00409(4) S4-32h ：0.78516(9) 0.90625(8) 0.12891(3)对于第五主族元素，P=3，它们可以形成四面体分子或无限层状分子。
白磷（white phosphorus ）结构尚未确定，但已经知道其结构中P 原子结成P 4四面体分子。
As 晶体中存在着层状结构。
/lattice/struk/a7.html 黑磷（black phosphorus ）也是层状结构。
Bmab(64)a=3.31，b=4.38，c=10.50；P-8f ：0，0.090，0.098 /AMS/对于第四主族元素，P=4，它们可以形成无限立体“分子”。
比如金刚石和硅，都形成如下图所示结构。
金刚石的晶体结构数据(来自Diamond 软件)碘的结构图不同方向上看到的α-硒链 S 原子形成的八元环 As 晶体中的层状结构黑磷晶体中的层状结构Fd3m(227)-cubic a=3.5625(0) Å；C1-8a对于碳元素，虽然在第四主族，但是可以以sp 2杂化成键，从而形成无限层状分子。
比如石墨晶体。
而且，层状分子还可以通过卷曲形成笼形分子（C 60富勒烯）或者管状分子（碳纳米管）。
石墨的晶体结构数据(来自Diamond 软件)P63mc(186)–hexagonal a=2.47Å c=6.79Å；C1-2a ；C2-2b ：1/3，2/3，0.005球形的C 60分子以立方最紧密方式堆积成晶体。
C 60的晶体结构数据(来自Diamond 软件) Fm3(202)-cubic a=14.26ÅC1-48h ：0.052，0，0.249；C2-96i ：0.105，0.085，0.22；C3-96i ：0.185，0.052，0.165单质晶体结构的过渡在元素周期系中，随电子构型递变，元素性质由金属性递变到非金属性，或由非金属性递变到金属性（最外层电子数达到4时，非金属性开始突出地表现出来）。
化学组成通过结构而决定物质的性能，因此它们的单质的晶体结构也必然反映出这种性质的递变过程。
比如：例一：Zn ，Cd ，Hg 的单质结构基本上是金属的结构，但适用于非金属元素的8-N 规则已经开始明显起来。
Zn 和Cd 的结构基本还可以用六方最紧密堆积方式来描述，而Hg 的晶体中，Hg 原子的配位数是6（8-N ＝8-2＝6）。
(在同层内可以用最紧密堆积描述) 锌(Zinc) P63/mmc(194)a=2.670，b=2.670，c=4.966；Zn-2c ：1/3，2/3，0.25 http://icsdweb.fiz-karlsruhe.de/镉(Cadmium) P63/mmc(194)a=2.97887，b=2.97887，c=5.61765；Zn-2c ：1/3，2/3，0.25 /AMS/amcsd.php汞(Mercury) C12/m1(12)a=5.9223，b=2.7566，c=8.862，α=90，β=102.33，γ=90；Hg-2a http://icsdweb.fiz-karlsruhe.de/金刚石的结构 石墨晶体的层状结构C 60分子的球形结构例二：第五主族元素，从As ，Sb 到Bi ，单质的结构型式并无变化，均属三方晶系，但层形分子间的界限却愈来愈模糊，如下表。
例三：第七主族元素，从Cl 到I ，单质结构型式仍无变化，但分子与分子间的界限逐渐消失（I 2晶体已有金属光泽），如下表。
合金（Alloy ）合金是两种或两种以上金属（有时为非金属）经过熔合过程后形成的体系。
含有两种金属元素的合金，称为二元合金，含有两种以上金属元素的合金，称为多元合金。
本节讨论仅限于二元合金。
金属A 和B 按各种组成、在各种温度条件下形成的各种合金，统称为合金体系A-B 。
在平衡状态下，合金A-B 的物相组成，随化学组成及温度递变的关系，可由合金体系A-B的相图中看出，如下图。