为什么不用纯铁造桥？
纯铁比较软，受力容易弯曲变形；往铁里加入少量碳（通常不到 2%），就成了坚硬的钢。纯铜也比较软，加入锌变成黄铜，就硬得多，能做成齿轮和乐器。只加了一点点别的原子，性质为什么变化这么大？AP U2.4 要求你用粒子模型回答这个问题。
金属的粒子模型
2.4.3 节学过电子气模型：金属原子的价电子不属于某一个原子，而是离域delocalized在整块金属中，被所有金属阳离子共用；金属阳离子整齐地排成晶格，浸在这片电子气里。用这个模型可以解释两个最重要的性质：
- 导电性： 离域电子可以自由移动，接上电源后定向移动，形成电流。
- 延展性： 电子气包围着所有阳离子，金属键没有方向性。受力时，原子层可以相对滑动；滑动后每个阳离子周围仍然是电子气，金属键没有被破坏，所以金属能锤打成薄片、拉成细丝。离子晶体则不同（U2.3）：一层离子错开后同号离子相对，晶体就碎了。
先复习一下：给金属通电、敲一敲，再和离子晶体比较：
合金的两种类型
合金alloy是在金属中熔合其他元素（金属或非金属）得到的、仍然具有金属特性的物质。它是混合物（固态溶液），成分可以在一定范围内变化，没有固定的化学式。AP 按加入的原子能不能“换掉”主体金属原子，把合金分成两类：
- 替代型合金substitutional alloy：加入的原子和主体金属原子大小相近，直接替换晶格中的一部分主体原子。
- 间隙型合金interstitial alloy：加入的原子小得多，不占晶格位置，而是钻进主体原子之间的空隙（间隙）。能这样做的通常是 H、B、C、N 这样的小原子。
判断类型，比的是原子半径（Slater 经验半径）：
| 合金 | 主体金属 | 加入的元素 | 半径比 | 类型 |
|---|---|---|---|---|
| 黄铜 | Cu，135 pm | Zn，135 pm | 1.00 | 替代型 |
| 青铜 | Cu，135 pm | Sn，145 pm | 1.07 | 替代型 |
| 白铜 | Cu，135 pm | Ni，135 pm | 1.00 | 替代型 |
| 不锈钢（铬） | Fe，140 pm | Cr，140 pm | 1.00 | 替代型 |
| 碳钢 | Fe，140 pm | C，70 pm | 0.50 | 间隙型 |
| 渗氮钢 | Fe，140 pm | N，65 pm | 0.46 | 间隙型 |
| 镍硼合金 | Ni，135 pm | B，85 pm | 0.63 | 间隙型 |
一种合金也可以同时含两种情况：不锈钢里的铬替代铁原子，其中的少量碳仍然在间隙里。
拓展（不属于 AP 核心要求）： 冶金学上有 Hume-Rothery 经验规则：两种原子的半径相差不超过约 15%，晶体结构、电负性和价态也相近时，才能大范围地互相替代。例如 Cu 和 Ni 能以任意比例互相替代；黄铜中的锌、青铜中的锡则有含量上限，超过上限就会出现别的晶体结构。AP 只要求你会比较半径、判断类型。
合金的性质
- 硬度和强度增大： 不管哪种类型，外来原子都会打乱整齐的原子层，让原子层更难滑动。替代型合金中，换上去的原子和主体原子不完全相同（大小、电子数略有差别），原子层不再完全规整；间隙型合金中，小原子卡在原子层之间，效果更明显，所以钢比纯铁硬得多。对替代型合金来说，加入的原子和主体原子大小相差越多，原子层被扰乱得越厉害，合金一般越硬。
- 延展性： 替代型合金基本保留了金属的延展性（黄铜仍能拉成丝、压成片）；间隙型合金更刚硬，延展性明显变差。
- 导电性： 合金中仍然有电子气，所以仍然导电；外来原子扰乱了晶格，导电性一般比纯金属差一些。
- 密度： 替代型合金的密度一般介于两种金属之间；间隙型合金在原来的晶格里加入了原子，体积几乎不变，按模型密度略有增大（实际变化很小）。
此外，合金还能改变金属的化学性质：不锈钢中的铬在表面生成一层致密的氧化铬薄膜，把里面的铁和空气、水隔开，所以不容易生锈。
选纯金属或不同的合金，调整加入的原子数目，再点“用力推”，比较原子层的滑动：
原子半径：Slater 1964 经验半径（alloys.ts），所有原子用同一个比例尺画。合金的排列是示意：钢中铁原子的真实排列不是方形网格。
例题 1：判断合金类型
根据原子半径判断下列合金的类型，并描述它的粒子模型：(1) 黄铜（Cu 135 pm，Zn 135 pm）；(2) 碳钢（Fe 140 pm，C 70 pm）；(3) 青铜（Cu 135 pm，Sn 145 pm）。
-
识别：判断依据是什么。 看加入的原子和主体金属原子的相对大小：半径接近，就替换晶格中的原子（替代型合金）；小得多，就挤进原子之间的空隙（间隙型合金）。
-
算半径比。
-
比较、分类。
- 黄铜（1.00）：大小相同，替代型
- 碳钢（0.50）：C 只有 Fe 的一半大，间隙型
- 青铜（1.07）：大小相近，替代型
-
描述粒子模型。
- 黄铜：部分 Cu 原子换成同样大小的 Zn 原子，所有原子仍排在同一套晶格位置上。
- 碳钢：Fe 原子排成晶格，小得多的 C 原子画在 Fe 原子之间的空隙里。
- 青铜：Sn 原子替换部分 Cu 原子，画得比 Cu 原子略大。
-
注意。 判断依据是相对大小，不是加入的量：黄铜里的 Zn 常占 30% 以上，仍是替代型。
例题 2：钢为什么比铁硬，却不如铁容易弯？
用粒子模型解释：碳钢比纯铁硬，延展性却比纯铁差，但钢仍然能导电。
-
识别：纯铁的结构。 铁原子大小相同，排列整齐，形成一层层原子。受力时，原子层能沿着滑动面相对滑过去，而金属键（原子和离域电子之间的吸引）不会因此断开，所以纯铁较软、延展性好。
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比较：加入碳以后。 小的 C 原子挤进 Fe 原子之间的空隙，卡在原子层之间，像楔子一样阻碍原子层的相对滑动。
-
联系到硬度和延展性。 原子层难以滑动：
- 抵抗变形的能力更强 → 钢更硬、更坚固
- 难以弯曲、拉伸 → 延展性变差
-
联系到导电性。 Fe 的价电子仍然离域、能在整块金属中自由移动，加入少量 C 不改变这一点，所以钢仍能导电。
- Cu（135 pm）中加入 Zn（135 pm）
半径比 1.00，大小相同，Zn 替换 Cu。这就是黄铜。
- Fe（140 pm）中加入 C（70 pm）
半径比 0.50，C 原子小得多，进入间隙。这就是碳钢。
- Cu（135 pm）中加入 Sn（145 pm）
半径比约 1.07，大小相近。这就是青铜。
- Fe（140 pm）中加入 Cr（140 pm）
半径相同，Cr 替换 Fe，不锈钢中的铬就是这样。
- Fe（140 pm）中加入 N（65 pm）
半径比约 0.46，N 原子进入间隙，渗氮让钢的表面更硬。
- Ni（135 pm）中加入 B（85 pm）
半径比约 0.63，B 原子比 Ni 小得多，和 C、N 一样进入间隙。
- Ti（140 pm）中加入 H（25 pm）
H 原子极小，半径比约 0.18，只能进入间隙。
- Ni（135 pm）中加入 Cu（135 pm）
半径相同，Cu 和 Ni 能以任意比例互相替代。
常见误区
误区 1：“合金是两种元素生成的化合物。” 合金是混合物（固态溶液），成分可以在一定范围内变化，没有固定的化学式，原子之间仍然是金属键。黄铜中锌的比例不同，就是不同牌号的黄铜。
误区 2：“钢里加了碳这种非金属，就不再是金属，也不导电了。” 钢中的碳只占很少一部分，铁的价电子仍然形成电子气，钢仍然有金属光泽、能导电。合金都保留了金属的特性，这正是合金定义的一部分。
误区 3：“加入的原子少就是间隙型，加入的多就是替代型。” 类型取决于原子的相对大小，不是加入的量。锌加得再少也是替代 Cu 原子；碳在钢中的比例不管多少，都在间隙里。
即时小测
下列哪张图最能表示黄铜（Cu 135 pm，Zn 135 pm）的结构？
Cu 和 Zn 的半径相同，Zn 原子占据部分 Cu 原子的晶格位置，画得一样大，并且和 Cu 混在一起。A 把 Zn 画得太大；B 把 Zn 画成小原子放进间隙，那是间隙型合金；D 中 Zn 单独成一层，没有和 Cu 混合。
镍和少量硼形成的合金（Ni 135 pm，B 85 pm），下列哪张图最能表示它的结构？
B 原子比 Ni 小得多（半径比约 0.63），和 C、N 一样进入 Ni 原子之间的间隙，不占晶格位置。B 让小原子占了晶格位置；C、D 把 B 画得和 Ni 一样大。
高碳钢比纯铁更硬、更难弯曲。下列哪一项是最好的解释？
硬度取决于原子层能不能滑动。A：钢中的碳以单个原子分散在铁的间隙里，并没有一块块的碳；C：密度变化很小，也不是硬度的原因；D：导热性和硬度无关。
金属能锤打成薄片而不碎裂。最好的解释是？
电子气没有方向性：原子层错开后，每个阳离子周围仍然是电子气，不会出现离子晶体那样同号离子相对的情况。A：金属键没有固定的方向；C：阳离子之间有排斥，是电子气把它们结合在一起；D 描述的是定域的共价键。
铜和锌能形成替代型合金，最主要的原因是？
能否替代主要看原子大小（135 pm 和 135 pm）。A 描述的是离子键的形成；B 是真的事实但不是理由；C 是错误的事实，Cu 在 11 族、Zn 在 12 族。
金属 M 的原子半径是 140 pm。在 M 中分别加入同样比例的金属 X（139 pm）和金属 Z（124 pm），都形成替代型合金。哪一种合金可能更硬？
两种都是替代型（半径比约 0.99 和 0.89）。加入的原子和主体原子越不一样大，原子层越不规整、越难滑动，合金一般越硬。B：Z 只比 M 小一些，占的是晶格位置，不进间隙；D：加入的原子会改变硬度。
不锈钢由 Fe（140 pm）、Cr（140 pm）和少量 C（70 pm）组成，表面有一层氧化铬薄膜。下列哪张图最能表示不锈钢靠近表面的部分？
Cr 和 Fe 一样大，替代部分 Fe 原子；C 小得多，在间隙里；表面是致密的氧化铬薄膜，把内部的铁和空气、水隔开。A 少了氧化层；B 把 Cr 画成了间隙原子；C 把 Cr 和 C 的位置弄反了。
AP 自由作答题
Slater 原子半径：Fe 140 pm，Cr 140 pm，C 70 pm。不锈钢主要由 Fe 和 Cr 组成，还含少量 C。
(a) 判断 Cr 和 C 在铁中分别形成哪种类型的合金，并说明理由。
(b) 描述一张能表示含 Cr 和 C 的不锈钢的粒子模型图应该画出哪些特征。
(c) 碳钢比纯铁更难弯曲。用粒子模型解释。
(d) 一位同学说：“不锈钢的主要成分里加入了碳这种非金属，所以它不导电。”评价这个说法。
参考答案与评分要点
(a) Cr：替代型。Cr 和 Fe 的半径相同（140 pm），Cr 原子能占据 Fe 原子的晶格位置。C：间隙型。C 的半径（70 pm）只有 Fe 的一半，钻进 Fe 原子之间的空隙。
(b) ① Fe 原子排成规则的晶格；② 部分晶格位置上是 Cr 原子，画得和 Fe 原子一样大；③ 少量小得多的 C 原子画在原子之间的空隙里，不占晶格位置；④ Fe 原子最多，Cr 次之，C 最少。
(c) 纯铁中原子大小相同，原子层受力时能沿滑动面滑过去。碳钢中，小的 C 原子卡在 Fe 原子层之间，阻碍原子层相对滑动，所以更硬、更难弯曲。
(d) 说法错误。不锈钢仍然是合金，Fe 和 Cr 的价电子仍然离域、形成电子气，可以自由移动，所以不锈钢能导电。
评分要点： (a) 两种类型都对，并且用半径比较说明；(b) 晶格、替代原子大小相同、间隙原子小且在空隙里；(c) 说出“原子层难以滑动”；(d) 判断错误，并用离域电子（电子气）说明。
小结
- 金属的粒子模型：金属阳离子排成晶格，价电子离域成电子气。离域电子能移动，所以导电；金属键没有方向性，原子层滑动后金属键仍在，所以有延展性。
- 合金是仍具有金属特性的混合物。加入的原子和主体原子大小相近，形成替代型合金（黄铜、青铜）；小得多，进入间隙，形成间隙型合金（碳钢）。
- 两种合金都比纯金属更硬（替代原子和主体原子大小相差越多，一般越硬）；替代型基本保留延展性，间隙型更刚硬、延展性差；合金仍然导电。
AP 提示： 常见题型是给出原子半径，让你判断合金类型、选出正确的粒子图，或者解释合金和纯金属性质的差别。解释时要落到粒子层面：原子大小决定类型，原子层能不能滑动决定硬度和延展性，离域电子决定导电性。金属固体和其他类型固体的比较在 U3.2。