金属的特性

第一节　金属的特性

同非金属相比，金属在固态具有以下一系列显著的特性。

1．良好的导电性和导热性;

2．具有正的电阻温度系数，即金属的电阻随着温度的升高而增大。很多金属(约30种)还具有超导性，在接近绝对零摄氏度时电阻突然下降，趋近于零;

3．良好的反射能力，不透明性及金属的光泽;

4．良好的塑性变形能力，等等。

金属的这些特性都是由其内部原子的结合方式决定的。金属原子都有着相同的构造特点，即核外最外层电子(亦称价电子)数目很少，一般仅有1～2个，如图2-1所示。由于原子核对这些外面轨道上的价电子吸引力较小，所以原子很容易丢失价电子而成为正离子。当大量的金属原子相互靠近并聚集成固体时，其中大部分或全部原子都会丢失其价电子，这些丢失了电子的正离子按一定的几何规则有序排列起来，组成自己的晶格，并在晶格结点上做无规则的高频率热振动;而那些被丢失的价电子则在正离子之间做高速的无规则穿梭运动，形成所谓的电子气，如图2-2所示。与离子键和共价键不同，这些可以自由运动的价电子并不属于某个或某几个正离子所专有或共用，而是属于全体正离子所公有，这些公有化的电子被称为自由电子。在金属固体中，价电子弥漫在金属固体的整个体积内部，正离子沉浸在电子气中，它们和电子气之间产生强烈的静电引力，使全部离子紧密地结合在一起，这种结合力称为金属键。由金属键结合起来的晶体称为金属晶体。

图2-1　原子结构示意图

图2-2　电子气模型

金属键可以很好地解释金属的很多特性。如金属键中有大量的自由电子存在，当金属两端存在电动势差或外加电场时，电子做定向运动而形成电流，使金属表现出优良的导电性。金属具有正的电阻温度系数，这是因为当金属受热温度升高时，正离子振动加剧，振幅增大，与电子产生碰撞的几率增大，对自电电子定向运动的阻力增大，金属的电阻升高;温度降低时离子(原子)振动减弱，则电阻减小。

金属具有良好的导热性，一是因为自由电子的活动能力很强，二是依靠金属离子的振动作用。

金属具有良好的塑性，这是由于在金属晶体中，所有金属正离子均处于相同的环境之中，全部离子(或原子)均可看做是具有一定体积的圆球，所以金属键无饱和性和方向性，对原子也没有选择性，当其在外力作用下发生原子相对运动即金属发生塑性变形时，金属键不会被破坏，故金属表现出良好的塑性。

金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到金属表面上的光能，所以金属不透明并呈现特有的金属光泽。

上述特性明确地反映了金属的本质，所以在材料工程中，常常把金属理解为具有特殊光泽、优良导电性、导热性和良好塑性的固体物质。非金属也可能具有上述特性中的一种或几种，但一般不会同时具有上述的全部特性，也达不到金属那样高的性能水平。