金属的结构和性质.ppt

1. 金属的性质和金属键
2. 球的密堆积和金属单质的结构
3. 合金的结构和性质
4. 准晶
5. 非晶态合金
第九章 金属的结构和性质
（课堂讲授0学时）
教学目标
第九章 金属的结构和性质
了解金属键理论，掌握等径球密堆积原理和金属单质的主要结构A1、A2、A3、A4,了解合金结构分类并掌握一些典型合金化合物，了解晶态、非晶态、准晶态之间的区别。
学习要点
⑴ 等径球密堆积原理与空间占有率。⑵ 金属单质结构A1、A2、A3、A4堆积形式。⑶ 合金结构可分为三类：金属固溶体、金属间隙化合物、金属化合物及其典型例子。⑷ 晶体、准晶、非晶的区别。
学时安排
学时----- 2学时
在一百多种化学元素中，金属元素约占80% 。它们都具有金属光泽、有很好的传热导电性，金属的这些性质是它们内部结构的反映。金属元素很多，大致可分为两大类，一类为简单金属，另一类为过渡金属，稀土和锕系金属。
简单金属主要指碱金属、碱土金属等。在这类金属中，元素的电负性较小，电离能也较小，最外层价电子容易脱离原子核的束缚，在金属中运动。这样原子实和价电子可截然分开。前者原子实对金属整体来说，它的影响是局域的，而后者—价电子则是整体公有的。
金属键和金属的一般性质

这类金属用近‘自由电子’模型，获得了与实验大致相符的结果。
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。
贵金属介于两者之间，它们部分性能和简单金属相似，而另一部分性质与过渡金属相似。
自由电子模型，固体能带理论
金属元素的电负性较小，电离能也较小，最外层价电子容易脱离原子核的束缚，而在金属晶粒中由各个正离子形成的势场中比较自由地运动，形成“自由电子”或“离域电子”。这些金属中的自由电子可看作彼此间没有相互作用、各自独立地在势 能等于平均值的势场中运动，相当于在三维势箱中运动的电子。按照箱中粒子的Schrödinger方程并求解，可得波函数表达式和能级表达式。
金属键的‘自由电子’模型
金属键理论主要有两种：
‘自由电子’模型的Schrödinger方程:
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。
每一组量子数(n x , n y , n z )确定一个允许的量子态，因 对E值确定的状态，用n x 2+ n y 2 + n z 2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 .
计算n F和EF值，具有n小于n F的点数为 ，
每一状态可放2个电子（ ms =±1/2），故共可放
个电子。
若金属的立方体势箱的边长为l，则体积为l3。单位体积有N个电子，则共有N l3个，即
0K时的Fermi能级
例如金属钠， · cm-3，每一个原子提供一个自由电子，电子密度为：
金属键的强度可用金属的原子化热(气化热)来衡量。原子化热是指1mol的金属变成气态原子所需吸收的能量。金属的许多性质跟原子化热有关。例如原子化热小，金属较软，熔点较低；原子化热大，金属较硬，熔点较高等。
，与计算所得结果符合较好，由金属钠的EF值可见，即使在0K时，电子仍有相当大的动能。
当温度升高，部分电子会得到热能，所得热能的数量级为kT。室温下，kT约为4。14×10-21J；而大多数金属的EF值约为（3～10）×10-19J， kT比EF值约小2个数量级。