[科普中国]-金属晶体

金属晶体都是金属单质，构成金属晶体的微粒是金属阳离子和自由电子（也就是金属的价电子）。在金属晶体中，金属原子以金属键相结合。从价键法的角度看，在金属晶体中，金属原子的价电子不会只与邻近的某一金属原子以共价键结合(也没有这么多价电子与所有的邻近金属原子形成共价键)，而是金属原子以其价电子公共化。1

物质概况晶格结点上排列金属原子-离子时所构成的晶体。金属中的原子-离子按金属键结合，因此金属晶体通常具有很高的导电性和导热性、很好的可塑性和机械强度，对光的反射系数大，呈现金属光泽，在酸中可替代氢形成正离子等特性。主要的结构类型为面心立方最密堆积、六方密堆积和立方体心密堆积三种（见金属原子密堆积）。金属晶体的物理性质和结构特点都与金属原子之间主要靠金属键键合相关。金属可以形成合金，是其主要性质之一。

由金属键形成的单质晶体。金属单质及一些金属合金都属于金属晶体，例如镁、铝、铁和铜等。金属晶体中存在金属离子(或金属原子)和自由电子2，金属离子(或金属原子)总是紧密地堆积在一起，金属离子和自由电子之间存在较强烈的金属键，自由电子在整个晶体中自由运动，金属具有共同的特性，如金属有光泽、不透明，是热和电的良导体，有良好的延展性和机械强度。大多数金属具有较高的熔点和硬度，金属晶体中，金属离子排列越紧密，金属离子的半径越小、离子电荷越高，金属键越强，金属的熔、沸点越高。例如周期系IA族金属由上而下，随着金属离子半径的增大，熔、沸点递减。第三周期金属按Na、Mg、Al顺序，熔沸点递增。

物质特性物理性质金属阳离子所带电荷越高，半径越小，金属键越强，熔沸点越高，硬度也是如此。例如第3周期金属单质：Al > Mg > Na，再如元素周期表中第ⅠA族元素单质：Li > Na > K > Rb > Cs。硬度最大的金属是铬，熔点最高的金属是钨。

延展性当金属受到外力，如锻压或捶打，晶体的各层就会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，在金属原子间的电子可以起到类似轴承中滚珠的润滑剂作用。所以在各原子之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用而不易断裂。因此金属都有良好的延展性。

导电性金属导电性的解释 在金属晶体中，充满着带负电的“电子气”，这些电子气的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件下电子气就会发生定向移动，因而形成电流，所以金属容易导电。3

导热性金属容易导热，是由于电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。3

缺陷以上所介绍的晶体结构均属理想情况。在实际晶体中，原子排列不可能那样规则和完整，往往存在着偏离理想结构的区域。通常把晶体中原子偏离其平衡位置而出现不完整性的区域称为晶体缺陷。按晶体缺陷的几何特征可将它们分为三大类：
(1)点缺陷：特点是在空间三维方向的尺寸很小，相当于原子数量级。如空位、间隙原子等。 ’
(2)线缺陷：特点是在两个方向上尺寸很小，而一个方向上尺寸很大。如各种类型的位错。
(3)面缺陷：特点是一个方向上的尺寸很小，另两个方向上的尺寸很大。如晶界、相界、堆垛层错等。

应该指出，虽然晶体中存在各种类型的缺陷，但晶体中偏离平衡位置的原子数目很少，即使在最严重的情况下，也不超过总原子数的千分之一。因此其结构整体上还是较完整的，而晶体缺陷也可以用较确切的几何图像来描述。
晶体中的缺陷随着各种条件的改变(如温度、压力等)而不断变动，它们可以产生、发展、运动和消失，并且能够发生相互作用。
晶体缺陷不但对金属材料的性能，其中特别是那些对结构敏感的性能，如强度、塑性、电阻等产生重大的影响，而且还在扩散、相变、塑性变形和再结晶等过程中起重要作用。因此，研究晶体缺陷具有重要的实际意义。4

本词条内容贡献者为:

唐浩宇 - 教授 - 湘潭大学