无机化学材料
金属在元素周期表中占有很大的比例，而金属材料是人类发展与应用的最悠久的材料，可追溯到5000年前的“青铜器时代”。近几十世纪来，金属材料从原来“一统天下”的地位部分地为其他新材料取代，但这并不是说金属材料没有用处了，而是正朝着高性能化、复合化、多功能化和智能化方向发展。随着科技的发展，在21世纪，金属材料在现代社会材料消费中仍占主导地位。在金属材料中，钢的用量最大，目前全球年消耗达8亿多吨。尤其对我们国家更是如此。著名科学家宋健先生曾说过：“中国的工程建设才刚刚拉开序幕，其高潮将发生在21世纪上半叶，根据我国国情，中国的建设起码还要半个世纪。”以我国高速路建设为例，现在总长度也不过1万多公里，试想若把各省间大城市都联结起来，得需要多少钢、多少水泥，还不要说大桥、港口、码头等。我国调整公路大干线还没有开始，像“横三条、竖二条”等等还都没建，怎么说中国的钢铁工业就没有什么用处了呢？如果没有钢铁工业的支持，中国21世纪的现代化建设将没有基础，所以中国的钢铁工业仍是国民产业的支柱。
一、金属结构
（一）金属的通性以及相关的理论解释
所有金属元素的单质，一般的都会具有以下共性：有金属光泽、不透明，有良好的导热性与导电性、有延性和展性，熔点较高（除汞外在常温下都是晶体）等等。这些性质是金属晶体内部结构的外在表现。
金属元素的原子由于最外层的电子较少，在通常的情况下，比较容易失去其价电子变为正离子，在金属单质中不可能有一部分原子变成负离子而形成离子键。由于X射线衍射法测定金属晶体结构的结果可知，其中每个金属原子与周围8～12个同等（或接近同等）距离的其他金属原子相紧邻，只有少数价电子的金属原子不可能形成8～12个共价键。金属晶体中的化学键应该属于别的键型。
对于对金属通性的理论解释，在1916年，荷兰著名理论物理学家洛伦兹（Lorentz，H.A.1853-1928年）提出金属“自由电子理论”，定性的解释了金属的特征。该理论认为，在金属晶体中金属原子失去其价电子成为正离子，正离子如刚性球体排列在晶体中，电离下来的电子可在整个晶体范围内在正离子堆积的空隙中“自由”地运行，称为自由电子。正离子之间固然相互排斥，但可在晶体中自由运行的电子能吸引晶体中所有的正离子，把它们紧紧地“结合”在一起。这就是金属键的自由电子理论模型。
根据上述模型得知金属键没有方向性和饱和性；定性地解释了金属的机械性能和其他通性。金属键是在一块晶体的整个范围内起作用的，因此要断开金属比较困难。但由于金属键没有方向性，原子排列方式简单，重复周期短（这是由于正离子堆积得很紧密），因此在两层正离子之间比较容易产生滑动，在滑动过程中自由电子的流动性能帮助克服势能障碍。滑动过程中，各层之间始终保持着金属键的作用，金属虽然发生了形变，但不至断裂。这就是对金属一般有较好的延性、展性和可塑性的解释。
金属内部都有自由移动的电子，这是金属具有导电性的原因。自由电子几乎可以吸收所有波长的可见光，而随后又全部的发射出来，因而使金属具有通常所说的金属光泽。自由电子的这种吸光性能，使光线无法穿透金属。因此，金属一般是不透明的，除非是经特殊加工制成的极薄的箔片。
上述是最早提出的经典自由电子理论。1930年前后，由于将量子力学方法应用于研究金属的结构，使其获得了广泛的发展。在金属的物理性质中，有最有趣的一种性质即包括碱金属在内的许多金属呈现出小量的顺磁性。这种顺磁性的大小近似地与温度无关。泡利曾在1927年对这一现象进行探讨，正是这一探讨开辟了现代金属电子理论的发展。它的基本概念是：在金属中存在着一组连续或部分连续的“自由”电子能级。在绝对零度时，电子（其数目为N个）通常成对地占据N／2个最稳定的能级。按照泡利不相容原理的要求，每一对电子的自旋方向是相反的。这样，在外加磁场中，这些电子的自旋磁矩就不能有效地取向。
当温度升高到一定的程度以后，其中就会有一些已经配对的成对电子之间的作用力削弱，进而使电子对被破坏了，电子对中的一个电子被提升到比较高的能级。未配对的电子的自旋磁矩能有效地取向，所以使金属具有顺磁性。未配对电子的数目随着温度的升高而增多。然而，每个未配对电子的自旋对顺磁磁化率的贡献是随着温度的升高而减小的。对这两种相反的效应进行定量讨论，解释了所观察到的顺磁性近似地与温度无关。
从1928年到20世纪30年代开始。索末菲与其他许多研究工作者广泛地发展了金属的量子力学理论，建立起现代金属键和固体理论——能带理论，这样运用分子轨道理论对金属的一些性质做了更加圆满的解释。
（二）等径圆球密堆积模型和金属单质的三种典型结构在结构化学当中，所谓的等径圆球紧密堆积，就是要把许多直径相同的圆球堆积起来做到留下的空隙为最小。这个问题曾经引起许多研究工作者的兴趣。1883年，英国学者巴罗发现等径圆球的最紧密堆积只有两种排列方式：一种是立方对称的，一种是六方对称的，分别相当于现在知道的金属单质的A1型和A3型结构。巴罗在1898年发表的论文中，还提出用大球和球相间排列形成的NaCl型和CsCl型密堆积，并且指出其中大球是按立方最紧密堆积排列的。他的这些成就当时没有受到应有的重视。直到1913年，布拉格父子在建立X射线晶体学时从巴罗的假说中得到了帮助。W．L．布拉格用X射线测定氯化钠和氯化钾的晶体结构，测定结构证实了巴罗假设。测定所得氯化钠晶胞参数的数值，对建立X射线结构分析方法起了重要作用。劳厄、布拉格等人用X射线测定铜和其他金属的晶体结构，也证实了巴罗的等径圆球最密堆积假说。
那么究竟什么是等径圆球最密堆积模型？下面就做一下详尽的叙述。取许多直径相同的硬圆球，把它们相互接触排列成一条直线（所有的球心准确地在一条直线上），形成了一个等径圆球密置列。将许多互相平行的等径圆球密置在一个平面上最紧密地相互靠拢（要做到最紧密只能有一个方式，就是每个球与周围其他六个球相接触），就形成了一个等径圆球密置层。它是沿二维空间伸展的等径圆球密堆积唯一的一种排列方式。
取A、B两个等径圆球密置层，将B层放在A层上面。要做最密堆积使空隙最小也只有一种唯一堆积方式，就是将两个密置平行地错开一点点，使B层的球的投影位置正落在A层中三个球所围成的空隙的中心上，并使两层紧密接触。这样每一个球将与另一层的三个球相接触。值得注意的是这个密置双层结构中的空隙有两种：一种是由3个相邻A球和1个B球（或3个B球和1个A球）所组成的空隙，称为正四面体空隙，因为将包围空隙的四个球的球心连接起来得正四面体；另一种空隙是由3个A球和3个B球（两层球的投影位置错开60°）所组成，称为正八面体空隙，因为连接这6个球的球心得正八面体。显然八面体空隙比四面体空隙大。
在上面介绍的密置的双层的基础上进一步了解等圆球的三维最密堆积就很容易了。将第三个等径圆球密置层C放在上述密置双层的上面，与B层紧密接触，注意将C层中的球的投影位置对准前二层组成的正八面体空隙中心，以后第四、五、六，第七、八、九个密置层的投影位置分别依次与A、B、C层重合。这样我们就得到了A1型的密堆积，它可用符号…ABCABC…来表示，因为可从A1型密堆积结构中抽出立方晶胞来，所以它又称为立方最密堆积。具有A1型密堆积结构的金属单质有铝、铅、铜、银、金、铂、钯、镍、γ－Fe等。
如果加在密置双层AB上的第三、五、七……个密置层的投影位置正好与A层重合，第四、六、八……个密置层的投影位置正好与B层重合，各层间都紧密接触，则得到A3型的密堆积，它可用符号……ABAB……来表示。它又称为六方最密堆积，因为从其中可抽出六方晶胞。具有A3型堆积结构的金属单质有铍、镁、钛、锆、锌、镉、锇等。
在A1和A3型结构的金属单质晶体中，每个金属原子的配位数均为12，即每个原子是与12个原子（同一密置层中6个原子，上、下层中各3个原子）相邻接。这两种堆积方式是在等径圆球密堆积中最紧密的，配位数最高，空隙最小（只占总体积的25．95％）。
金属单质有三种典型的结构形式，除A1和A3型外，还有一种A2型密堆积。在A2型结构中，最小单位是立方体，立方体中心有一个球（代表原子），立方体的每一顶角各有一个球，所以原子的配位数为8。空隙占总体积的31．98％。
虽然不是最密堆积，仍是一种高配位密堆积结构。钠、钾等常见的碱金属和钡、铬、钼、钨、α－Fe等金属单质都具有A2型结构。
经过实验的实践论证，在金属单质中，体心立方精密堆积、六方紧密堆积以及面心立方紧密堆积这三种高配位密堆积结构占了统治地位。这表明用等径圆球密堆积的理论模型来处理金属单质的结构是正确的。
由于在金属晶体、离子晶体和分子晶体中的金属键、离子键和分子间力，都没有方向性和饱和性，这些作用力只能趋向使原子（离子）具有较大的配位数以降低体系的能量。
金属材料有着悠久的发展历史，人类在很早以前就懂得使用铜和铜合金，后来发展到铁和铁合金。产业革命后钢铁的大规模发展和应用，使金属在材料中占了绝对优势。第二次世界大战后，随着合成高分子材料、无机非金属材料和各种复合材料的发展，部分取代了金属材料，极大地冲击了金属材料的主导地位。尽管如此，金属材料在一个国家的国民经济中仍占有举足轻重的位置，原因是金属材料的资源比较丰富，已有一整套相当成熟的生产技术，有组织大规模生产的经验，产品质量稳定，价格低廉、性能优异。例如金属材料的模量比高分子材料高，韧性比陶瓷材料高，还具有导电性和磁性等。此外，金属材料自身还在不断发展，传统的钢铁工业在冶炼、浇铸、加工和热处理等方面不断出现新工艺。新型的金属材料如高温合金、形状记忆合金、贮氢合金、永磁合金、非晶态合金等相继问世。因此在发展中国家，金属材料仍占有材料工业的主导地位，如中国年产钢铁已超过1亿万吨。
（三）金属键和纯金属的晶体结构
在元素周期大厦里居住着90多种金属元素，它们大多数具有金属光泽、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。
结构决定性质，金属所具备的优良的特性正是由于金属的内部结构决定的。金属内部结构是由金属原子作规整的周期性排列。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氛围中，两者紧密地胶合在一起，形成金属晶体。
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。所以说金属的一般性质与自由电子存在着密切的关系。
其实可以把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数值很大为602×1023。Na的核外有三个电子层，电子层的结构为1S22S22P63S1，N个Na原子中能量相同的原子轨道的通过线性组合，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2-1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2-1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。
NaMg图2-1Na和Mg的能带结构示意图研究金属的结构，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2-2（a）所示，而图2-2（b）则为非密置层。
（a）密置层（b）非密置层图2-2金属原子堆积模型六方紧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的呢？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2-3，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。
图2-3六方最密堆积（a）（b）（c）
图2-4立方最密堆积
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，如果ABC重复堆积，这样的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2-4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2-5所示。
图2-5四面体和八面体空隙
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%，配位数为12，这是两种最重要的堆积方式。
体心立方堆积图2-6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%。
图2-6体心立方堆积
