金属的结构和性质
金属元素特征
金属元素特征
金属元素在元素周期表中占有特殊位置，其特征主要包括以下几点：
1. 原子结构：金属元素原子的最外层电子数较少，通常小于4，这意味着金属原子容易失去电子。
因此，绝大多数金属以阳离子形态存在于化合物中。
同时，金属原子的外围电子排布具有一定的规律，如主族金属元素的原子半径通常大于同周期的非金属元素（稀有气体除外），而过渡金属的外围电子排布则具有特殊的规律。
2. 物理性质：金属元素具有金属光泽，导电、导热性能良好。
同时，由于其原子结构的特点，金属的密度较大，熔点和沸点也较高。
3. 化学性质：金属元素在化学反应中表现活泼，它们通常具有较强的还原性，能够与氧、氯等非金属元素直接化合。
此外，金属元素还会形成多种金属化合物，如氧化物、硫化物等。
4. 存在形式：在自然界中，绝大多数金属元素以化合物的形式存在。
只有少数金属如金、银、汞等以游离态存在。
5. 用途：由于金属元素的特性和化合物性质，它们在工业和日常生活中具有广泛的应用。
例如，钢铁、铝和铜等金属被广泛用于建筑和制造各种工具和设备。
金属元素具有独特的原子结构、物理和化学性质，这使得它们在人类生活和工业生产中具有重要的应用价值。
常见金属的微观结构及物理性质分析
常见金属的微观结构及物理性质分析一、概述金属是可以传导电子、呈现金属光泽的物质。
其微观结构由金属晶粒和晶粒之间的晶界组成。
不同的晶粒或者晶界有着不同的微观结构和性质，因此不同的金属的微观结构和性质也存在差异。
本文将从常见的金属出发，对其微观结构和物理性质进行分析。
二、铁及其合金的微观结构及物理性质分析铁是常见的金属之一，其微观结构由铁晶粒和铁晶界组成。
铁晶粒的结构为面心立方晶系，晶粒内部存在许多的铁原子，而晶界则是连接两个晶粒的区域，其结构较为复杂。
铁的物理性质是比较优异的，其密度达7.87g/cm³，熔点为1535℃，且铁具有良好的磁性。
然而，纯铁的性能并不理想，因此常见的钢铁等铁合金通过添加一定的其他元素来改善其性能。
比如，铬的添加可以提高钢铁的耐腐蚀性，镍的添加可以提高钢铁的强度和韧性。
三、铝及其合金的微观结构及物理性质分析铝是常见的轻金属，其微观结构与铁相比略有不同。
铝晶粒的结构同样为面心立方晶系，但是其晶界的结构相对简单。
铝的密度为2.70g/cm³，熔点为660℃。
铝的特性是具有较高的导电性和热导率，同时还具有良好的耐腐蚀性。
铝合金则通过添加其他元素来改善其性能。
比如，铜的添加可以提高铝合金的强度，镁的添加可以提高铝合金的耐腐蚀性。
四、铜及其合金的微观结构及物理性质分析铜是具有良好导电性和热传递性的常见金属。
铜的微观结构同样为面心立方晶系，其晶粒内部富含铜原子。
铜的密度为8.96g/cm³，熔点为1084℃，同时具有很强的可塑性。
铜合金的作用很广泛，如青铜是铜和锡的合金，黄铜是铜和锌的合金，淬火铜是铜和磷的合金。
不同合金的添加元素不同，因而导致不同的物理性质和化学性质。
五、锌及其合金的微观结构及物理性质分析锌是一种重要的工业金属，其微观结构为紧密堆积的六方最密堆积结构。
锌的密度为7.14g/cm³，熔点为419℃。
锌的物理性质随着添加元素的不同而不同。
金属材料晶体结构及性质分析
金属材料晶体结构及性质分析金属材料是广泛应用于工业领域的重要材料之一。
其独特的物理和化学性质使其成为实现许多工程和技术应用的理想选择。
在深入了解金属材料的晶体结构和性质之前，先让我们了解一下晶体是什么。
晶体是一种具有有序排列的原子、离子或分子结构的物质。
它们的原子之间以一定的方式排列，形成长程有序的结构。
金属材料中的晶体结构对其性能和行为起着至关重要的作用。
金属材料的晶体结构通常可以归类为三种主要类型：体心立方晶体结构、面心立方晶体结构和密堆积晶体结构。
首先，体心立方晶体结构是指原子或离子在晶体的每个立方格点上各自存在一个，并且每个立方格点周围有八个最近邻。
典型的体心立方晶体结构材料包括铁、铬和钨等。
这种结构在金属材料中具有较高的韧性和延展性，因此常用于制造高强度的构件和工具。
其次，面心立方晶体结构是指原子或离子在晶体的每个面心立方格点上各自存在一个，并且每个面心立方格点周围有12个最近邻。
铜、银和金等金属都具有典型的面心立方晶体结构。
这种结构使金属具有良好的导电性和导热性，使其成为制造电线和电路的理想材料。
最后，密堆积晶体结构是指原子或离子在晶体中紧密堆积在一起，形成紧密堆积的球形结构。
典型的密堆积晶体结构材料包括铝、镁和铅等。
这种结构使材料具有良好的强度和刚性，适用于制造轻量化结构和构件。
除了晶体结构，金属材料的性质也由其晶体结构和原子间相互作用决定。
一些重要的金属材料性质包括机械性能、热性能和电性能。
机械性能是指金属材料在外力作用下的变形和破坏行为。
晶体结构对金属材料的机械性能起着决定性的影响。
其晶体结构的有序性决定了金属的塑性，并影响金属的硬度、韧性和延展性。
例如，体心立方晶体结构的金属具有良好的塑性和韧性，而面心立方晶体结构的金属则具有较高的硬度。
热性能是指金属材料在高温环境下的行为。
晶体结构对金属材料的热膨胀系数、热传导率和熔点等性质有重要影响。
金属材料的晶体结构通常决定了其在高温下的稳定性和热处理行为。
《结构化学》第六章 金属的结构和性质
6.2 金属单质的晶体结构
金属单质晶体结构比较简单, 这与金属键密切相关: 由 于金属键没有方向性和饱和性，大多数金属元素按照等径 圆球密堆积的几何方式构成金属单质晶体，主要有立方面 心最密堆积、六方最密堆积和立方体心密堆积三种类型.
6.2.1 等径圆球最密堆积与A1、A3型结构
等径圆球以最密集的方式排成一列（密置列），进 而并置成一层（密置层），再叠成两层（密置双层）， 都只有一种方式：
非最密堆积方式中最重要的是立方体心堆积A2 , 还有A4和少数的A6、A7、A10、A11、A12等.
A2 立方体心密堆积
布鲁塞尔的原子球博物馆 9个直径18米的球形展厅构成一个立方体心模型
A4 金刚石型结构
A4中原子以四面体键相连. 晶胞中虽然都是同种原子， 但所处的环境不同(球棍图中用两色颜色来区分). 一个浅蓝 色球与一个深蓝色球共同构成一个结构基元.
A1最密堆积形成立方面心(cF)晶胞
ABCABC……堆积怎么会形成立方面心晶胞? 请来个逆向思维:
取一个立方面心晶胞：
体对角线垂直方向就是密置层, 将它们设成3种色彩:
从逆向思维你已明白， 立方面心晶胞确实满足 ABCABC……堆积。
那么, 再把思路正过来: ABCABC……堆积形成立 方面心晶胞也容易理解吧?
晶胞 六方P
四、 金刚石型晶体(A4型)
C原子的配位数为4， 2套等同点 结构基元：2个C 空间点阵型式：立方F 每个晶胞中有8个C原子， 其坐标分别为：
(0,0,0), (1/2,1/2,0),
(1/2,0,1/2),(0,1/2,1/2),
(1/4,1/4,1/4),(1/4,3/4,3/4),
(为看得清楚,绿 球和蓝球层各有3 个球未画出)
金属材料的晶体结构及其性质
金属材料的晶体结构及其性质金属材料是指由金属元素或合金元素组成的材料，具有优良的导电性能、塑性和韧性，常用于各种工业领域。
而这些特性和性质的背后，与金属材料的晶体结构密不可分。
一、晶体结构晶体结构是指原子在立方、六方、单斜、正交等几何形状中有序排列而形成的三维周期性结构，它决定了金属材料的物理、化学性质。
在实践应用中，常见的金属晶体有面心立方晶体、体心立方晶体、六方密堆晶体等。
1.面心立方晶体面心立方晶体是金属晶体中最常见的结构类型之一，其晶胞中堆积着许多等体积的球形离子，其排列成为面心立方体结构。
面心立方晶体结构中相邻的原子之间的键长为1.28A，原子之间有12个近邻，它的密度较大，但这种密堆积结构存在一定的缺陷，因为它的球形离子之间的间距较小，容易发生塌陷，从而导致材料失去稳定性。
2. 体心立方晶体体心立方晶体是一种另外一种常见的金属晶体结构，其晶胞中有一个球形原子居于体心，被八个等距的球形原子包围。
体心立方晶体结构中相邻原子间的键长为2.06A，与面心立方晶体相比，原子之间的距离较远，原子间的紧密程度相对较低，从而具有较好的稳定性。
由于其晶体结构封闭、稳定，使得体心立方晶体在许多工业领域得到广泛的应用。
3. 六方密堆晶体六方密堆结构，又称密堆六方晶体结构，指的是在轴向上紧密堆积的一种晶胞结构。
在这种结构中，每个原子有12个近邻，六个处于同一层，三个分别居于每个上下相邻层中。
其中除轴向STC键长为2.88A之外，其它键长相等且约为2.49A。
这种类型的晶体结构出现在一些金属中，如石墨和锆。
四、性质晶体结构对金属材料的物理、化学性质有着重要影响。
金属的结构特性决定了它们的多种性质，如导电性能、塑性、热膨胀系数等。
1.导电性金属材料的导电性是由其结晶中的自由电子导致的，而这些自由电子存在于金属晶体结构的价电子带或导带中。
当电场作用在金属晶体中时，导电性能表现为传导电流的能力。
一般地，面心立方晶体结构的金属材料具有更好的导电性能。
金属材料的定义
金属材料的定义金属材料是指具有金属结构和金属性质的材料，通常具有良好的导电性、导热性、可塑性、延展性、强度和硬度等特点。
金属材料广泛应用于工业、建筑、航空、航天、电子、医疗等领域，是现代工业发展的重要基础材料之一。
金属材料的主要成分是金属元素，如铁、铜、铝、锌、镁等。
金属元素的原子结构具有特殊的电子排布方式，使得金属材料具有良好的导电性和导热性。
此外，金属元素的原子间距较大，使得金属材料具有良好的塑性和延展性，可以通过加工变形来制造各种形状的零件和构件。
金属材料的性质主要取决于其晶体结构和化学成分。
不同的金属材料具有不同的晶体结构，如面心立方结构、体心立方结构、六方最密堆积结构等。
晶体结构的不同会影响金属材料的力学性能、导电性能、热膨胀系数等。
化学成分的不同也会影响金属材料的性质，如铁和碳的组合可以形成不同的钢种，不同的钢种具有不同的强度、韧性和耐腐蚀性等特点。
金属材料的制备方法主要包括冶炼、铸造、锻造、轧制、拉伸、淬火等工艺。
其中，冶炼是将金属矿石经过高温熔炼得到金属的过程，铸造是将熔化的金属倒入模具中冷却成型的过程，锻造是通过加热和变形来改变金属材料的形状和性能的过程，轧制是将金属材料通过辊轧变形成不同厚度和形状的板材、棒材、管材等，拉伸是将金属材料拉伸成细丝的过程，淬火是将金属材料加热至一定温度后迅速冷却的过程，可以提高金属材料的硬度和强度。
金属材料的应用范围非常广泛，如钢铁材料用于建筑、桥梁、汽车、船舶等领域，铝合金材料用于航空、航天、电子、交通等领域，铜材料用于电气、通讯、化工等领域，锌材料用于防腐、镀层等领域，镁材料用于轻量化、高强度等领域。
随着科技的不断发展，金属材料的应用领域也在不断扩大和深化，为人类的生产和生活带来了巨大的便利和发展机遇。
金属的晶体结构及其性质
金属的晶体结构及其性质金属是一类具有很高的导电性和热导性的物质，广泛应用于工业、建筑、交通等领域。
对于金属的结构和性质进行深入的探究不仅有助于我们更好地理解和应用它们，在材料科学和工程领域也具有重要的意义。
一、金属的晶体结构1.1 单质金属的结构单质金属的晶体结构主要取决于其原子的大小、形态、数量等因素。
最简单的是钨、银、金等元素，它们的晶体结构都是面心立方格子结构，其中每个原子位于晶体的一个顶点或一个面心上。
而对于一些较小的原子，如铁、铝、镁等，则容易出现体心立方格子或六方密堆积等结构。
1.2 合金的结构合金是由两种或更多金属元素混合而成的材料，具有比单质金属更多元化的结构。
由于合金中包含了不同的金属原子，因此其形成的晶体结构也较为复杂。
以黄铜为例，它是铜和锌的合金，具有面心立方格子结构，并且晶体结构中的铜原子和锌原子是交替排列的。
二、金属的性质2.1 导电性金属具有很高的电导率，这是由于其晶体结构中存在许多自由电子，这些电子在外部电场的作用下会漂移，从而使金属的导电性得以表现。
由于金属内部电阻很小，因此电子能够自由地在金属中传导，使得金属具有优良的导电性。
2.2 热传导性金属的热传导性也很好，这是由于其晶体结构是由许多密集排列的原子构成的，因此热量能够迅速地在这些原子之间传递。
在金属中，电子和离子发生碰撞时可以带走一部分热能，从而进一步促进了热传导的发生。
2.3 塑性和可锻性金属具有很好的塑性和可锻性，这是因为其晶体结构中的原子可以向多个方向移动。
金属在受到一定的压力或拉伸力时，其原子能够在晶体中重新排列，从而产生塑性或可锻性。
金属的塑性常被用于制造各种形状的产品，如铝汽车轮毂，而可锻性则用于制造各种形态的金属制品，如铁门等。
2.4 耐腐蚀性金属对于腐蚀的抵抗能力因其化学性质而有所不同。
像铜、铝等金属，由于存在氧化物和其他形式的化学反应产物，因此具有良好的耐腐蚀性。
然而，其他的金属，如铁、钢等，则易于腐蚀，需要经过某些方式的处理以防止腐蚀。
初中一年级化学金属的性质和反应
初中一年级化学金属的性质和反应金属是我们日常生活中常见的物质，它们在我们的生活和工业中发挥着重要的作用。
本文将探讨初中一年级化学中金属的性质和反应。
一、金属的性质金属具有以下几个显著的性质：1. 导电性：金属是良好的导电体。
这是由于金属中自由电子的存在。
当外部施加电压时，自由电子能够移动，从而产生电流。
2. 导热性：金属也是良好的导热体。
与导电性类似，金属中的自由电子能够传递能量，并迅速将热量从一个地方传到另一个地方。
3. 延展性和延展性：金属具有较高的延展性和延展性，可以被拉伸成细丝或者被锤击成薄片，这是由于金属中原子之间的金属键的特殊性质所致。
4. 金属光泽：金属表面呈现出光泽，这是由于金属中自由电子的运动所造成的。
二、金属的反应1. 金属与酸的反应：大部分金属可以与酸反应，产生氢气和相应的盐。
这是因为金属能够失去电子，与酸中的氢离子结合形成氢气。
例如，锌与盐酸反应：Zn + 2HCl → ZnCl2 + H22. 金属与水的反应：部分金属可以与水直接反应。
通常，活泼金属如钠、钾等会与水剧烈反应，产生氢气和相应的碱。
例如，钠与水反应：2Na + 2H2O → 2NaOH + H23. 金属与氧的反应：部分金属与氧反应，产生金属氧化物。
例如，铁与氧反应：4Fe + 3O2 → 2Fe2O34. 金属与非金属的反应：金属通常与非金属反应，形成离子化合物。
在反应中，金属会失去电子，并与非金属中的阴离子结合。
例如，钠与氯反应：2Na + Cl2 → 2NaCl三、金属的应用金属在我们的生活中有着广泛的应用。
下面介绍几个常见的金属及其应用：1. 铁：铁是一种常见的金属，广泛应用于建筑、制造和运输等领域。
例如，钢材是铁与一定比例的碳和其他元素合金化得到的，具有优异的强度和韧性，用于制造建筑结构和机械设备。
2. 铝：铝是一种轻便、耐腐蚀的金属，被广泛用于制造飞机、汽车、包装材料和家电等。
铝也具有良好的导电性和导热性，因此也用于制造电线和散热器等。
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晶胞棱长为 a
晶胞面对角线长 4 r 晶胞体积 每个球体积 4个球体积
V球 V晶 胞
2a
3
a 2 2r
3 3
V晶 胞 a ( 2 2 r ) 1 6 2 r
4 3
V球 4
1 6 r / 3
3
r
3
4 3
r
3
16 3
r
3
16 2r
3
7 4 .0 5 %
上一内容
sin
n y y a b c l 2 3/2 n x x n z ( ) sin sin sin z l l l l
2 2
E
h
8ml
上一内容
(nx n y nz )
2 2 2
下一内容
结束放映
金属键的自由电子理论模型 电子由局限某个原子周围运动扩展到整个金 属运动, 能量降低, 这就是金属键的起源. 金属的 很多性质可由此得到解释. 金属键的强弱, 可从原 子化热中得到反映.
上一内容
下一内容
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等径圆球的堆积
第二种放法, 将第三层球放在第一层未被覆盖的空
隙上, 形成 C 层, 以后堆积按 ABCABC……重复下去。 这种堆积称为立方最密堆积(cubic closest packing,简称 ccp, 或 A1 型)。
上一内容
下一内容
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等径圆球的堆积
空间群为：
D6h P
4
63 2 2 m m c
分数数坐标为(0, 0, 0), (2/3,1/3,1/2) 或 (0, 0, 0), (1/3,2/3,1/2) 球数与空隙数之比： 球数：八面体空隙数：四面体空隙数=1：1：2
空间利用率（占有率, 堆积密度, 堆积系数）为: 74.05%
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3a )
变形八面体, 变形四面体和三角形空隙. 变形八面体空隙存在于: 面心与棱心,数目为:
6×1/2＋12×1/4=6
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等径圆球的堆积
变形四面体空隙存在于: 每个面上有4个: 6×4×1/2=12
球数与空隙数之比：
球数：变形八面体空隙数：四面体空隙数变形 =2：6：12=1：3：6 因此A2型为堆积中每个球分摊到21个空隙, 这些空
结 构
堆积方式
密置层 叠放方式
配 位 数
晶胞 中 球数
球数: 八面体空隙数 :四面体空隙 数
空间 利用率
实例
A1
立方最密堆 积
六方最密堆 积 立方体心堆 积
ABCABC
12
4
1:1:2=4:4:8
74.05%
Cu,Ag,Au, Ni,Pd,Pt,… Be,Mg,Zn, Cd,Zr,La,… Li,Na,K,Cr, Mo,W,… C,Ge,灰锡
Oh F
7
41 d
3
2 c
8
4
r
3
32
r
3
空间利用率 =
3 3 a
3 3 4 .0 1 % 8r 3 ( ) 3
上一内容
下一内容
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8.3 金属单质的结构
绝大多数单质为A1, A3, A2型, 少数为A4及其它特殊堆积方式, 总结如下表:
表9-2 金属单质晶体几种典型的结构
下一内容
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四面体空隙和八面体空隙
八面体空隙
四面体空隙
上一内容
下一内容
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球数、八面体空隙数、四面体空隙数之比
一个球周围有八个四面体空隙，上层四个，下层四个。 一四面体空隙由4个球组成，即四面体空隙的1/4属于 这个球。
属于一个球的四面体空隙为： 8
1 4
2
一个球周围有6个八面体空隙，上层3个，下层3个。 一八面体空隙由6个球组成，即八面体空隙的1/6属于 这个球。
这两种堆积方式, 每个球在同一层与6个球相切, 上下层各与3个球接触, 配位数均为12。
ABCABCABC
上一内容 下一内容
ABABAB
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等径圆球的堆积
① 立方最密堆积(A1)
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等径圆球的堆积
A1 型堆积中可抽取出立方面心点阵 (cF) A1型密置面为(111)面, 晶胞中有四个球, 1个球代表1 个结构基元.
堆积方式 A1 A3 ABCABC ABABAB 立方F
六方H
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径圆球的堆积
等径圆球密置 单层:
等径圆球平 铺成最密的一层 只有一种形式, 即每个球都与 6 个球相切
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等径圆球的堆积 等径圆球密置双层:
第二层球堆上去, 为了保持最密堆积, 应放在第一 层的空隙上。每个球周围有 6 个空隙, 只可能有3个空 隙被第二层球占用
上一内容 下一内容
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分子轨道能级演变成能带的示意图
上一内容
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金属键的能带理论
每个能带在固定的能量范围, 内层
原子轨道形成的能带较窄, 外层原子轨 道形成的能带较宽, 各个能带按能级高 低排列起来, 成为能带结构。已填满电 子的能带, 称为满带；无填充电子的能 带, 成为空带。有电子但未填满的能带 称导带。 能带的范围是允许电子存在的区 域, 而能带间的间隔, 是电子不能存 在的区域, 成为禁带。
上一内容
下一内容
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等径圆球的堆积
图9-2 正八面体空隙(a)和正四面体空隙(b)
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等径圆球的堆积 等径圆球密置三层:
第三层球有两种放法：第一种是每个球正对第一层：
若第一层为A, 第二层为B, 以后的堆积按ABAB……重复下
去。 这样形成的堆积称为六方最密堆积（hexagoal closest packing, 简称为 hcp 或 A3 型）。
隙的大小和分布特征直接影响到金属的性质.
上一内容
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等径圆球的堆积
(3) A4 型堆积(金刚型或四面体型堆积)
A4中原子以四面体键 相连. 晶胞中虽然都是同 种原子, 但所处的环境不 同(球棍图中用两色颜色来 区分). 一个浅蓝色球与一 个深蓝色球共同构成一个
结构基元.
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属于一个球的八面体空隙为：
6
1 6
1
上一内容
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等径圆球的堆积
②六方最密堆积(A3)
A3型堆积中可抽出六方简单点阵(hP)
a
六 方 晶 1 胞 b 胞 3
b
2 3
a
六方晶胞中的圆球位置
上一内容
下一内容
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等径圆球的堆积
A3型密置面为(001)面, 晶胞中有2个球。 c 2个球为1个结构基元。
大课题之一, 也是结构化学的重要任务.
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金属键
将 M(s)→ M(g) 所需能量称为金属的摩尔气化
热. 例如, 由金属钠转化为单原子气态钠所需的能量 为89 kJ.mol-1, 其它多数金属的摩尔气化热更大. 分
子间的作用能只有～30 kJ.mol-1, 氢键键能也一般只
空间群为: O h I
9
4 m
3
2 m
上一内容
下一内容
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等径圆球的堆积
空间利用率(占有率, 堆积密度, 堆积系数):
2 4
r
3
8 3 (4r
r
3
3 3 a
) 3
3
0 .6 8 0 2
( A2型堆积中, 存在关系: 体对角线长 4 r A2型为堆积中, 存在三类空隙：
空间群为：
Oh F
5
4 m
3
2 m
分数坐标为: (0,0,0), (1/2,1/2,0), (1/2,0,1/2), (0,1/2,1/2) 球数与空隙数之比： 球数：八面体空隙数：四面体空隙数=1：1：2
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空间利用率(占有率, 堆积密度, 堆积系数):
设球半径为 r,
r 2 4 a
A3型: 2 r a A2型: 4 r A4型: 8 r
3 a (体对角线);
r
r
a 2
3 4 a
3 a (体对角线);
r
3 8
a
例如: 对A1型 Cu, a = 361.4 pm
上一内容 下一内容 结束放映
rC u
2 4
a 1 2 7 .8 p m
第8章
金属的结构和性质
上一内容
下一内容
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8.1 金属键和金属的一般性质 在100多种化学元素中, 金属约占80%. 它们有着许多相似的性质：不透明, 有金属
光泽, 能导电传热, 富有延展性. 金属的这
些性质是金属内部电子结构及晶体结构的外
在反映. 弄清金属及合金晶体中化学键的本
质及结构与性能之间的关系是材料科学的重
等径圆球的堆积
A4 型堆积的配位数为 4，堆积密度只有 34.01%，不属于密堆积结构. 晶胞中有 8 个C， 属立方面心点阵， 1 个结构基元代表 2个C。
上一内容 下一内容 结束放映
等径圆球的堆积
8个C的分数坐标为： (0,0,0), (1/2,1/2,0), (1/2,0,1/2), (0,1/2,1/2)； (1/4,1/4,1/4), (3/4,3/4,1/4), (1/4,3/4,3/4), (3/4,1/4,3/4) 空间群为: