金属的原子结构

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为什么第VIII族中铁钴镍有铁磁性， 为什么第VIII族中铁钴镍有铁磁性，而同族的钌铑 VIII族中铁钴镍有铁磁性 锇铱铂却没有? 常温下钆Gd也具有铁磁性？ Gd也具有铁磁性 钯,锇铱铂却没有? 常温下钆Gd也具有铁磁性？ 铁磁性产生的条件： 铁磁性产生的条件： 原子内部要有末填满的电子壳层； ①原子内部要有末填满的电子壳层； ②及Rab／r之比大于3使交换积分A为正。前者指的 Rab／ 之比大于3使交换积分A为正。 是原子本征磁矩不为零； 是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶 体结构。 体结构。
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e=1.6022×10-19C × NA=6.023×1023atom/mol × M：原子量 ： 质子：正电荷m＝1.6726×10 -27 kg 质子：正电荷m 1.6726× 原子核（nucleus) 原子核（ 中子：电中性m＝1.6748×10 -27 kg 中子：电中性m 1.6748× 电子（electron）：带负电，按能量高低排列 电子（electron）：带负电， ）：带负电 -31 m＝9.109510 kg，约为质子的1/1836 kg，约为质子的1/1836 ＝
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结合键与力学性能的关系－－强度 结合键与力学性能的关系－－强度 －－
材料的强度与结合键能也有一定的联系。一 材料的强度与结合键能也有一定的联系。 般结合键能高，强度也高一些。 般结合键能高，强度也高一些。 材料的强度在很大程度上还取决于材料的其 他结构因素，如材料的组织， 他结构因素，如材料的组织，因此材料的强 度可以在一个较大的范围内变化。 度可以在一个较大的范围内变化。
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思考题
为什么第VIII族中铁钴镍有铁磁性， 为什么第VIII族中铁钴镍有铁磁性，而同族 VIII族中铁钴镍有铁磁性 的钌铑钯,锇铱铂却没有? 常温下钆Gd Gd也具有 的钌铑钯,锇铱铂却没有? 常温下钆Gd也具有 铁磁性？ 铁磁性？ 为什么银的颜色是银白的，而金的颜色是金 为什么银的颜色是银白的， 黄色的，物质的颜色与什么有关？ 黄色的，物质的颜色与什么有关？
晶体材料的硬度与晶体的结合键有关。 晶体材料的硬度与晶体的结合键有关。一般 来说，共价键、离子键、 来说，共价键、离子键、金属键结合的晶体 比分子键结合的晶体的硬度高。 比分子键结合的晶体的硬度高。
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结合键与力学性能的关系－－弹性模量 结合键与力学性能的关系－－弹性模量 －－ 弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加 力的大小。 力的大小。 在给定应力下， 在给定应力下，弹性模量大的材料只发生很小的弹 性应变， 性应变，而弹性模量小的材料则发生比较大的弹性 应变。 应变。 结合能是影响弹性模量的主要因素， 结合能是影响弹性模量的主要因素，结合键之间的 结合键能越大，则弹性模量越大， 结合键能越大，则弹性模量越大，结合键能与弹性 模量之间有很好的对应关系。 模量之间有很好的对应关系。
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(2) (3) (4) (5)
硅表面原子排列
碳表面原子排列
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1.1 金属的原子结构
1.1.1 原子结构 物质的组成（Substance Construction） 物质由无数微粒（Particles）聚集而成 分子（Molecule）：单独存在，保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒
这种在金属中的自由电 子与金属正离子相互作 用所构成的键合Βιβλιοθήκη Baidu为金 用所构成的键合称为金 属键。 属键。 金属键无方向性， 金属键无方向性，饱和 性。 金属键的强弱和自由电 子的多少、离子半径、 子的多少、离子半径、 电子层结构等因素有关
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在外电压的作用下， 自由电子可以定向移动， 在外电压的作用下， 自由电子可以定向移动，故 有导电性。 导电性。 金属受外力发生变形时，金属键不被破坏， 金属受外力发生变形时，金属键不被破坏， 故金 属有很好的延展性 延展性。 属有很好的延展性。
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金属可以吸收波长范围极广的光，并重新反射出， 金属可以吸收波长范围极广的光，并重新反射出，故 金属晶体不透明，且有金属光泽 金属光泽。 金属晶体不透明，且有金属光泽。 受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰 传递能量， 故金属是热的良导体 热的良导体。 撞， 传递能量， 故金属是热的良导体。
第1章 金属的晶体结构
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本章主要内容
1.1 金属的原子结构 1.2 金属的晶体结构 1.3 实际金属的晶体结构
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思考
(1)
同样是由碳元素组成的， 同样是由碳元素组成的，为什么是硬度最高的 物质，而石墨却很软？ 物质，而石墨却很软？ 为什么原子能结合成固体？ 为什么原子能结合成固体？ 材料中存在哪几种键合方式？ 材料中存在哪几种键合方式？ 决定键合方式的主要因素有哪些？ 决定键合方式的主要因素有哪些？ 材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？ 材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？
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金属原子的外层价电子数比较少（ 金属原子的外层价电子数比较少（通常s, p 价电子 数少于4 数少于4）
正离子
各个原子的价电子极易 挣脱原子核的束缚而成 为自由电子，在整个晶 为自由电子， 体内运动， 体内运动，即弥漫于金 属正离子组成的晶格之 中而形成电子云。 中而形成电子云。
电子云
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1.1.2 金属键
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结合力与结合能 1.1.3 结合力与结合能
晶体中的原子之间可以相互吸引，也可以相互排斥。 晶体中的原子之间可以相互吸引，也可以相互排斥。 代表引力， 代表斥力， 代表原子间距离， 设 fa 代表引力，fr 代表斥力，r 代表原子间距离，则：
式中 a，b，m，n 均为常数，其中m < n 。 均为常数，其中m
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金属主要是金属键结合， 金属主要是金属键结合，但也会出现一些非金属 如过渡族元素（特别是高熔点过渡族金属W 键，如过渡族元素（特别是高熔点过渡族金属W、 Mo等），它们的原子结合中也会出现少量的共价 Mo等），它们的原子结合中也会出现少量的共价 键结合，这也是过渡族金属具有高熔点的原因。 键结合，这也是过渡族金属具有高熔点的原因。 金属与金属形成的金属间化合物（ CuGe）， ），尽 金属与金属形成的金属间化合物（如CuGe），尽 管组成元素都是金属， 管组成元素都是金属，但是由于两者的电负性不 一样，有一定的离子化倾向， 一样，有一定的离子化倾向，于是构成金属键和 离子键的混合键。因此， 离子键的混合键。因此，它们具有一定的金属特 性，但是不具有金属特有的塑性，往往很脆。 但是不具有金属特有的塑性，往往很脆。
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金属键（ bonding） 金属键（Metallic bonding） 典型金属原子结构：最外层电子数很少， 典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子 极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子， 极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子 云 金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金 属键 特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性， 特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性， 形成低能量密堆结构 性质：良好导电、导热性能， 性质：良好导电、导热性能，延展性好
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结合键与物理性能的关系－－熔点 结合键与物理性能的关系－－熔点 －－
熔点的高低代表了材料稳定性的程度。材料加热时， 熔点的高低代表了材料稳定性的程度。材料加热时，原 的高低代表了材料稳定性的程度 子振动足够破坏原子之间的稳定结合，于是发生熔化， 子振动足够破坏原子之间的稳定结合，于是发生熔化， 所以熔点与结合能有很好的对应关系。 所以熔点与结合能有很好的对应关系。 共价键、离子键化合物结合能较高，其中纯共价键的金 共价键、离子键化合物结合能较高， 刚石有最高的熔点，金属的熔点相对较低， 刚石有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材 料比金属具有更高热稳定性的根本原因。 料比金属具有更高热稳定性的根本原因。 金属中过渡族金属具有较高的熔点，特别是难熔金属W 金属中过渡族金属具有较高的熔点，特别是难熔金属W、 Mo、Ta等熔点较高，这可能是由于这些金属的内层电 Mo、Ta等熔点较高 等熔点较高， 子没有填满，使结合键中有一定比例的共价键。 子没有填满，使结合键中有一定比例的共价键。具有二 次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低。 次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低。
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结合键与化学性能的关系－－腐蚀 结合键与化学性能的关系－－腐蚀 －－
工程材料的腐蚀是一种化学反应，实质是结 工程材料的腐蚀是一种化学反应， 合键的形成和破坏。金属腐蚀时， 合键的形成和破坏。金属腐蚀时，金属离子 离开金属就与外层价电子的失去有关。 离开金属就与外层价电子的失去有关。
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结合键与力学性能的关系－－硬度 结合键与力学性能的关系－－硬度 －－
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结合键与力学性能的关系－－塑性 结合键与力学性能的关系－－塑性 －－
材料的塑性也与结合键类型有关，金属键结 材料的塑性也与结合键类型有关， 合的材料具有良好的塑性，而离子键、 合的材料具有良好的塑性，而离子键、共价 键结合的材料的塑性变形困难， 键结合的材料的塑性变形困难，所以陶瓷材 料的塑性很差。 料的塑性很差。
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结合键与物理性能的关系－－密度 结合键与物理性能的关系－－密度 －－ 材料的密度与结合键类型有关。 材料的密度与结合键类型有关。 大多数金属有较高的密度，如Pt、W、Au的密度在工 Au的密度在工 大多数金属有较高的密度， Pt、 程材料中最高。金属的高密度有两个原因： 程材料中最高。金属的高密度有两个原因：一个是由 于金属原子有较高的相对原子质量； 于金属原子有较高的相对原子质量；另一个原因是因 为金属键的结合方式没有方向性， 为金属键的结合方式没有方向性，所以金属原子中趋 向于密集排列，金属经常是简单的原子密排结构。 向于密集排列，金属经常是简单的原子密排结构。 离子键和共价键结合时的情况。 离子键和共价键结合时的情况。原子排列不可能非常 致密。共价键结合时， 致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键 数目的限制，离子键结合时则要满足正、 数目的限制，离子键结合时则要满足正、负离子之间
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结合键与力学性能的关系－－弹性模量 结合键与力学性能的关系－－弹性模量 －－ 金刚石具有最高的弹性模量，E＝1000GPa 金刚石具有最高的弹性模量， 工程陶瓷如碳化物、氮化物、氧化物等结合键能 工程陶瓷如碳化物、氮化物、 也比较高，它们的弹性模量为250~600GPa 也比较高，它们的弹性模量为250~600GPa 金属键结合的金属材料弹性模量要抵一些，常用 金属键结合的金属材料弹性模量要抵一些， 金属材料的弹性模量约为70～ 金属材料的弹性模量约为70～350GPa 聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为0.7～ 聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为0.7～ 3.5GPa
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结合键与物理性能的关系－－密度 结合键与物理性能的关系－－密度 －－ 的电荷平衡的要求，相邻的原子数目都不如金属多， 的电荷平衡的要求，相邻的原子数目都不如金属多， 所以陶瓷材料的密度比较低。 所以陶瓷材料的密度比较低。 聚合物中由于是通过二次键结合， 聚合物中由于是通过二次键结合，分子之间堆垛不 紧密，加上组成的原子质量比较小（ 紧密，加上组成的原子质量比较小（C、H、O）， 因此聚合物的密度很低。 因此聚合物的密度很低。 与金属键结合的金属相比，由非金属键结合的陶瓷、 与金属键结合的金属相比，由非金属键结合的陶瓷、 聚合物一般在故态下不导电， 聚合物一般在故态下不导电，它们可以作为绝缘体 和绝热体在工程上应用。 和绝热体在工程上应用。
原子间净作用力f 为：
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原子能够结合为固体的根本原因， 原子能够结合为固体的根本原因，是原子或分子 结合起来后，体系的能量可以降低， 结合起来后，体系的能量可以降低，即在分散的原子 结合成晶体过程中，会有一定的能量释放出来。 结合成晶体过程中，会有一定的能量释放出来。这个 能量叫做结合能。 能量叫做结合能。 结合能越大，则原子结合越稳定。 结合能越大，则原子结合越稳定。 离子晶体、共价晶体的结合能最大；金属键结合次 离子晶体、共价晶体的结合能最大； 金属键结合中以过渡元素为最大； 之，金属键结合中以过渡元素为最大；范德瓦尔斯 键的结合能最小，只有几十kJ/mol。 键的结合能最小，只有几十kJ/mol。 材料结合键的类型及结合能的大小对材料的性能有 重要的影响，特别是对物理性能和力学性能。 重要的影响，特别是对物理性能和力学性能。