金属键和纯金属的晶体结构

元素周期系中 111 种元素，金属元素约占 80%。金属具有金属光泽，传热、导电性和延展性。延性是指金属能被拉伸成金属丝，展性是指金属能被捶打展成金属薄片。金属具有优异的机械性能，可被加工成各种材料，广泛应用于国民经济的各个部门。

金属的优异性能来源于金属内部的结构。金属内部结构是由金属原子做规整的周期性排列所决定的。由于金属原子的电离能和电负性都比较小，最外层的价电子容易脱离原子的束缚而在金属中自由地运动，这种电子被称为自由电子。金属原子失去了价电子后成为金属正离子，周期性排列的金属正离子在自由电子的氛围中，两者紧密地胶合在一起，形成金属晶体。金属中这种结合力称为金属键，这就是金属键的自由电子理论。

金属的一般性质与自由电子的存在密切相关。由于自由电子可以吸收各种波长的可见光，随即又发射出来，因而使金属具有光泽，不透明；自由电子可以在整块金属内自由运动，所以金属的导电性和传热性都非常好；金属键没有方向性和饱和性，金属原子以高配位的密堆积方式排列，密置层之间可以滑动，使金属有优异的延展性。

实际上整块金属可以看做一个巨大的分子，例如一块金属钠是由 N 个钠原子形成的巨大分子，N 数值很大（6.02×1023）。Na 原子的电子层结构为1s22s22p63s1，N 个 Na 原子中能量相同的原子轨道通过线性组合，形成 N 个分子轨道，分子轨道的能级非常接近，能级间隙极小，所以 N 个分子轨道能级形成一个能带。金属 Na 中有 1s 能带、2s 能带、2p 能带和 3s 能带。内层原子轨道形成较窄的能带，外层原子轨道形成的能带较宽。各个能

带按能量高低排列起来，成为能带结构。图 7－1 为金属 Na 和 Mg 的能带结构示意图。已填满电子的能带叫满带，没有电子的能带叫空带，尚未填满电子的能带叫导带。金属 Na 中 1s，2s，2p 能带是满带，3s 能带是导带。具有导带的金属能导电。金属 Mg 的 3s 能带是满带，似乎不能导电，但从图 7

－1 中看到，金属 Mg 的 3s 能带与 3p 能带有交叠，所以还是可以导电。

绝缘体的能带结构有满带和空带，满带和空带之间的能量间隙 Eg≥5eV， 故不能导电。半导体的能带结构与绝缘体类似，也只有满带和空带，但能量间隙 Eg＜3eV，电子容易从满带被激发到空带，此时，空带得到了电子变为导带，满带失去了部分电子，产生了空穴，也成了导带，所以可以导电。例如 Si 的能量间隙（也称禁带宽度）为 1.1eV，Ge 为 0.72eV，GaAs 为 1.4eV。图 7－2 为导体、绝缘体和半导体的能带结构特点示意图。

研究纯金属的结构，最简单的是用球密堆积的模型。设想金属原子都是刚性圆球，则在一个平面上，等径圆球最紧密的排列只有一种方式，即每个圆球的周围与 6 个圆球相邻接，并出现 6 个三角形空隙，这样的一层称为密置层，如图 7－3（a）所示，而 7－3（b）则为非密置层。

六方最密堆积 有两个密置层，分别记为 A 和 B。A 和 B 怎样堆积才是最紧密呢？把 B 层的圆球放在 A 层的空隙上，则 A，B 两层的相对位置错开了60 度。然后按 AB|AB|⋯重复堆积。这种堆积称为六方最密堆积，见图 7－4， 从这种最密堆积中可取出一个六方晶胞。六方最密堆积也称为 A3 型堆积。

立方最密堆积 有 3 个密置层，分别记为 A，B，C。A，B 两层按上述方式堆积好以后，C 层位置既不同于 A，也不同于 B，构成 ABC|ABC|⋯重复堆积。这种堆积称为立方最密堆积，可从中取出一个面心立方晶胞，也称 A1 型堆积。图 7－5 为立方最密堆积示意图。

在一个密置层中只有三角形空隙，当两个密置层堆积起来后，原来的三

角形空隙变为四面体空隙或八面体空隙，如图 7－6 所示。

A1 和 A3 型堆积是等径圆球堆积得最紧密的两种形式，它们的堆积密度均为 74.05%，配位数 12，这是两种最重要的堆积方式。

体心立方堆积 图 7－7 示出体心立方堆积，记为 A2 型堆积，它不是密置层的堆积，堆积密度比 A1， A3 型低，只有 68.02%。

自然界中有 80 多种金属元素，经实验测定它们的单质结构大多数为 A1， A2 和 A3 三种结构形式，因为这三种结构是密堆积，所以是稳定结构。表 7

－1 示出金属单质的结构。