固体和现代材料

作者

松原苏打

固体分类

金属固体 (Metallic solids)

离子固体 (Ionic solids)

共价网络固体 (Covalent-network solids)

分子固体 (Molecular solids)

聚合物 (Polymers)

纳米材料 (Nanomaterials)

Simple Cubic or Primitive Cubic

\[ \frac{\pi}{6} \approx 52.36 \% \]

Body-Centered Cubic

\[ \frac{\sqrt{3} \pi}{8} \approx 68.02 \% \]

Face-Centered Cubic or Cubic close-packed

\[ \frac{\sqrt{2} \,\pi}{6} \approx 74.05 \% \]

Hexagonal close-packed

\[ \approx 74.05 \% \]

置换合金 (Substitutional alloys)

间隙合金 (Interstitial alloys)

异质合金 (Heteroatomic alloys)

金属间化合物 (Intermetallic compounds)

这是一个经典的简单模型，将金属想象为规则排列的阳离子阵列，浸泡在“离域价电子的海洋”中。

擅长解释金属的宏观物理性质：

导电性 (Electrical Conductivity)：
- 解释：电子海中的电子是“自由”的，可以在电压驱动下在金属晶格中自由流动，从而传递电流。
导热性 (Thermal Conductivity)：
- 解释：自由电子也是热能的载体。当金属一端受热，电子获得动能并迅速碰撞移动，将热量传递到另一端。
延展性 (Malleability and Ductility)：
- 解释：这是该模型解释得最漂亮的地方。金属原子之间没有特定的方向性键合（不像共价键那样有方向性）。当金属受到外力打击或拉伸时，金属阳离子层之间可以发生相对滑动，而“电子海”像润滑剂一样即使调整，保持键合不被破坏。这解释了为什么金属可以被锻打成片或拉成丝，而不会像离子晶体（如食盐）那样破碎。
金属光泽 (Luster)：
- 解释：自由移动的电子可以吸收各种波长的可见光并重新发射出来，使金属表面看起来闪闪发光。

这是分子轨道理论 (MOT) 在固体中的延伸。当无数个原子组合在一起时，它们的原子轨道重叠形成连续的能量状态，称为“能带”。

可以解释：

金属键强度的周期性趋势（熔点、硬度、沸点）：
- 解释：随着原子序数增加，电子不仅填充成键轨道（增强金属键，熔点升高），随后也会填充反键轨道（削弱金属键，熔点降低）。
- 例子：这解释了为什么过渡金属序列中间的金属通常比序列末尾的金属硬度更高、熔点更高。