2024年3月20日发(作者：褒格格)
第九章 化学与材料
(19)
9.1 引 言
9.1.1 材料的定义
所谓材料是指人类利用单质或化合物的某些功能来制作物件时用的化学物质。
也就是说，材料是具有某些功能的化学物质。这里所说的化学物质，既可以是单质，也
可以是化合物。由材料的定义可知，材料与化学的密切关系。
9.1.2 材料与化学的关系
材料科学一般包括四个组元：材料的组成结构，材料的合成工艺，材料的性能以及材料
的应用。四者是互相联系、密不可分的。而上述四个方面都离不开化学。
材料的组成结构是研究、制备和使用材料的基础，而化学就是研究物质的组成、结构和
性能关系的科学；
材料的合成更是离不开化学，就是对原有材料进行改性也同样离不开化学（材料改性是
制备新材料的重要手段），如在金属表面扩渗稀土元素就是对材料改性的一种重要方法；
材料的性能离不开其组成结构，近年来发展起来的分子工程学，就是将分子设计与分子
施工结合起来，有目的、按需要地来制备新物质和新材料；
材料的应用同样离不开化学，材料的加工、合理使用，材料的保护等都与化学有密切关
系。因此化学在材料科学中占有重要的地位。
9.1.3 材料的分类
材料可按不同的方法分类。若按用途分类，可将材料分为结构材料和功能材料两大类。
若按材料的成分和特性分类，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复
合材料等。
结构材料是以其所具有的强度为特征被广泛应用的材料；
功能材料，主要是以其所具有的电、光、声、磁和热等效应和功能为特征被应用的。
9.2 金属材料
9.2.1 金属单质
一.金属晶体结构
按金属键的自由电子理论，周期排列的金属原子和离子处于自由电子的气氛中，两者紧
密地胶合在一起，形成金属晶体。
因此，金属键没有方向性和饱和性（这是与共价键不同的地方），金属原子以高配位的
密堆积方式排列。
金属晶体的最基本结构类型有三种。其中两种是属于最紧密堆积，即六方密堆积和立方
密堆积（空间利用率为74.05%）；第三种是较密堆积—体心立方堆积（空间利用率为68.02%）。
具体排布方式（图9.3，9.4，9.5，9.6）。
金属单质晶体除上述三种基本晶格外，还有其它较复杂的晶格。
有些金属还可以有几种不同的晶体结构，例如纯铁在910℃以下具有体心立方晶格，叫
α
-Fe，当温度超过910℃至1320℃时，则由体心立方晶格转变为立方晶格，称为
γ
-Fe。
二．金属键
1.金属键的自由电子理论
按金属键的自由电子理论，金属元素的价电子不是固定于某个金属原子或离子，它是共
有化的，可以在整个金属晶格的范围内自由运动，称为自由电子。
自由电子的运动是无序的，它们为许多原子或离子所共有。这些自由电子减少了晶格中
98
带正电荷的金属离子间的排斥力，起到把金属原子或离子连接在一起的作用，这种“连接”
作用就称为金属键。
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；
自由电子可以在整块金属内运动，所以金属的导电性、传热性都很好；
由于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，使它在受到外
力作用时各密置层间可以相对滑动，但由于自由电子的运动，使各层间仍保持着不具方向的
金属键的作用力，所以金属虽然发生变形而不致破裂，使金属有优异的延展性。
2.能带理论
（1）能带理论的基本内容
①一块（金属）晶体可以看成是一个“大分子”，晶体中的电子是在这个“大分子”中
的分子轨道（一般称为公有化轨道）中运动。
②晶体中的公有化轨道是由原子轨道组合而成。公有化轨道的数目等于参加组合的原
子轨道数目。
③电子在公有化轨道中的分布也遵循保里原理、能量最低原理（因为没有简并轨道，因
此不提洪德规则）。
现以Li金属晶体的2s轨道为例，当2个Li原子接近时，2个2s轨道发生重叠，组成2
个分子轨道。一个是成键分子轨道
2s
，一个是反键分子轨道
2s
（2个1s轨道的重叠情况
与的2s相似，9.7图）。
而如果是N个Li原子进行组合的话，则可分别形成N个对应于1s和2s的分子轨道（又
称公有化轨道，图9.8）。
对于金属晶体来说，即使是很小的一块晶体所含的原子数也是很大的。例如，1cm
3
的
锂晶体，约有4.6×10
22
个锂原子，那么它们就有4.6×10
22
个2s原子轨道，组成同样数目能
量不同的公有化轨道。
在这些公有化轨道中，能量最高的和能量最低的轨道能量差只约为6.72×10
-19
J，这样
每一相邻的公有化轨道的能量差就很小了，约为1.6×10
-41
J。
实际上这些能级的界限已经分不清了，几乎连成一片了，从而形成了具有一定上下限的
能带。能带的下半部分充满电子，上半部分则空着（图9.8）。
同样道理，N个锂原子的N个1s以及其它原子轨道也都形成对应的能带，其中1s能带
充满了电子，而其它能带则空着。
每一条公有化轨道只能容纳2个电子，因此如果参加组合的原子轨道上充满电子，则其
形成的能带也是完全充满电子的（即没有空的公有化轨道），这种能带叫做满带，例如锂的
1s能带。
如果参加组合的原子轨道未充满电子，则其形成的能带也是未充满的（即有空的公有化
轨道）。
在这种未满能带中的电子，吸收微小能量迁移到带内能量稍高的空公有化轨道，从而起
到导热、导电作用。
这种未充满电子的能带称为导带，就像锂的2s能带。有未充满的能带，这是导体的特
点。
相邻的能带（如锂的1s和2s能带）一般还隔开一段能量间隔，这段能量间隔叫带隙。
正如原子中的电子不能在两条原子轨道之间“停留”一样，带隙是电子的“禁区”，电
子不能停留在这一禁区内，故又把带隙叫做禁带。
正如在原子形成简单分子时，形成了分立的分子轨道一样，当原子形成晶体时，便形成
了分立的能带。
晶体中最重要的能带是由价电子充填的导带、与导带毗邻的空带以及它们之间的禁带。
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2024年3月20日发(作者：褒格格)
第九章 化学与材料
(19)
9.1 引 言
9.1.1 材料的定义
所谓材料是指人类利用单质或化合物的某些功能来制作物件时用的化学物质。
也就是说，材料是具有某些功能的化学物质。这里所说的化学物质，既可以是单质，也
可以是化合物。由材料的定义可知，材料与化学的密切关系。
9.1.2 材料与化学的关系
材料科学一般包括四个组元：材料的组成结构，材料的合成工艺，材料的性能以及材料
的应用。四者是互相联系、密不可分的。而上述四个方面都离不开化学。
材料的组成结构是研究、制备和使用材料的基础，而化学就是研究物质的组成、结构和
性能关系的科学；
材料的合成更是离不开化学，就是对原有材料进行改性也同样离不开化学（材料改性是
制备新材料的重要手段），如在金属表面扩渗稀土元素就是对材料改性的一种重要方法；
材料的性能离不开其组成结构，近年来发展起来的分子工程学，就是将分子设计与分子
施工结合起来，有目的、按需要地来制备新物质和新材料；
材料的应用同样离不开化学，材料的加工、合理使用，材料的保护等都与化学有密切关
系。因此化学在材料科学中占有重要的地位。
9.1.3 材料的分类
材料可按不同的方法分类。若按用途分类，可将材料分为结构材料和功能材料两大类。
若按材料的成分和特性分类，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复
合材料等。
结构材料是以其所具有的强度为特征被广泛应用的材料；
功能材料，主要是以其所具有的电、光、声、磁和热等效应和功能为特征被应用的。
9.2 金属材料
9.2.1 金属单质
一.金属晶体结构
按金属键的自由电子理论，周期排列的金属原子和离子处于自由电子的气氛中，两者紧
密地胶合在一起，形成金属晶体。
因此，金属键没有方向性和饱和性（这是与共价键不同的地方），金属原子以高配位的
密堆积方式排列。
金属晶体的最基本结构类型有三种。其中两种是属于最紧密堆积，即六方密堆积和立方
密堆积（空间利用率为74.05%）；第三种是较密堆积—体心立方堆积（空间利用率为68.02%）。
具体排布方式（图9.3，9.4，9.5，9.6）。
金属单质晶体除上述三种基本晶格外，还有其它较复杂的晶格。
有些金属还可以有几种不同的晶体结构，例如纯铁在910℃以下具有体心立方晶格，叫
α
-Fe，当温度超过910℃至1320℃时，则由体心立方晶格转变为立方晶格，称为
γ
-Fe。
二．金属键
1.金属键的自由电子理论
按金属键的自由电子理论，金属元素的价电子不是固定于某个金属原子或离子，它是共
有化的，可以在整个金属晶格的范围内自由运动，称为自由电子。
自由电子的运动是无序的，它们为许多原子或离子所共有。这些自由电子减少了晶格中
98
带正电荷的金属离子间的排斥力，起到把金属原子或离子连接在一起的作用，这种“连接”
作用就称为金属键。
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；
自由电子可以在整块金属内运动，所以金属的导电性、传热性都很好；
由于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，使它在受到外
力作用时各密置层间可以相对滑动，但由于自由电子的运动，使各层间仍保持着不具方向的
金属键的作用力，所以金属虽然发生变形而不致破裂，使金属有优异的延展性。
2.能带理论
（1）能带理论的基本内容
①一块（金属）晶体可以看成是一个“大分子”，晶体中的电子是在这个“大分子”中
的分子轨道（一般称为公有化轨道）中运动。
②晶体中的公有化轨道是由原子轨道组合而成。公有化轨道的数目等于参加组合的原
子轨道数目。
③电子在公有化轨道中的分布也遵循保里原理、能量最低原理（因为没有简并轨道，因
此不提洪德规则）。
现以Li金属晶体的2s轨道为例，当2个Li原子接近时，2个2s轨道发生重叠，组成2
个分子轨道。一个是成键分子轨道
2s
，一个是反键分子轨道
2s
（2个1s轨道的重叠情况
与的2s相似，9.7图）。
而如果是N个Li原子进行组合的话，则可分别形成N个对应于1s和2s的分子轨道（又
称公有化轨道，图9.8）。
对于金属晶体来说，即使是很小的一块晶体所含的原子数也是很大的。例如，1cm
3
的
锂晶体，约有4.6×10
22
个锂原子，那么它们就有4.6×10
22
个2s原子轨道，组成同样数目能
量不同的公有化轨道。
在这些公有化轨道中，能量最高的和能量最低的轨道能量差只约为6.72×10
-19
J，这样
每一相邻的公有化轨道的能量差就很小了，约为1.6×10
-41
J。
实际上这些能级的界限已经分不清了，几乎连成一片了，从而形成了具有一定上下限的
能带。能带的下半部分充满电子，上半部分则空着（图9.8）。
同样道理，N个锂原子的N个1s以及其它原子轨道也都形成对应的能带，其中1s能带
充满了电子，而其它能带则空着。
每一条公有化轨道只能容纳2个电子，因此如果参加组合的原子轨道上充满电子，则其
形成的能带也是完全充满电子的（即没有空的公有化轨道），这种能带叫做满带，例如锂的
1s能带。
如果参加组合的原子轨道未充满电子，则其形成的能带也是未充满的（即有空的公有化
轨道）。
在这种未满能带中的电子，吸收微小能量迁移到带内能量稍高的空公有化轨道，从而起
到导热、导电作用。
这种未充满电子的能带称为导带，就像锂的2s能带。有未充满的能带，这是导体的特
点。
相邻的能带（如锂的1s和2s能带）一般还隔开一段能量间隔，这段能量间隔叫带隙。
正如原子中的电子不能在两条原子轨道之间“停留”一样，带隙是电子的“禁区”，电
子不能停留在这一禁区内，故又把带隙叫做禁带。
正如在原子形成简单分子时，形成了分立的分子轨道一样，当原子形成晶体时，便形成
了分立的能带。
晶体中最重要的能带是由价电子充填的导带、与导带毗邻的空带以及它们之间的禁带。
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