金屬與合金：團結就是力量！

大家好！您是否曾想過，為何摩天大廈的鋼筋骨架如此堅固？為何小號是閃亮的黃銅製成的，而不是紅色的銅呢？這些問題的答案都藏在金屬與合金這個奇妙的世界裡。

在這些筆記中，我們將深入探索金屬的奧秘。我們將了解金屬原子是如何整齊地堆疊在一起的。然後，我們將揭開製造合金的「方法」——這些特別的金屬混合物通常比純金屬更堅固，用途也更廣泛。了解這些知識，能幫助我們明白為何從建築物到樂器，各式各樣的物件都會選擇使用特定的物料！


1. 純金屬的結構：秩序井然的世界

在深入探討金屬的結構之前，讓我們先快速回顧其結合原理。

快速重溫：金屬鍵

想像一下一箱彈珠。現在，想像您將蜂蜜倒在上面，直到它們完全浸沒。這些彈珠就像正金屬離子，而蜂蜜就像一片自由流動的離域電子海。

  • 這片「電子海」以一種堅固而具彈性的方式，將所有正離子緊密連結在一起。
  • 這就是為什麼金屬能夠導電（電子可以移動！）以及可以彎曲而不斷裂（離子層能滑動！）的原因。

晶格：金屬的藍圖

金屬原子不是隨機散佈的。它們會排列成一種非常整齊、重複的三維模式，稱為晶格。

您可以將其想像成堆疊樂高積木。這個模式中最小的重複單元稱為晶胞。如果您知道晶胞的樣貌，便能想像整個金屬的結構，因為它僅是此單元的重複排列。

金屬原子如何堆疊

想像您有一箱相同大小的球體（就像彈珠或橘子），您想盡可能多地放入。您肯定會將它們堆疊得非常緊密。金屬原子也是如此！它們主要有兩種堆疊方式。

方式一：密堆積結構（最有效率的方式）

這是球體最緊密的堆疊方式。在這些結構中，每個原子都與其他12個原子接觸。我們稱其配位數為12。

密堆積主要有兩種，僅是層的堆疊方式不同（想像 ABAB... 與 ABCABC...）：

  • 六方密堆積 (hcp)：常見於鎂 (Mg) 和鋅 (Zn) 等金屬。
  • 立方密堆積 (ccp)：又稱面心立方 (fcc)。常見於銅 (Cu)、鋁 (Al) 和銀 (Ag) 等金屬。

各位無須過度擔憂六方密堆積和立方密堆積的差異。需要記住的是，它們都屬於「密堆積」，且配位數皆為12。

方式二：疏鬆結構（空間較大）

有些金屬採用效率稍低的堆疊方式。

  • 體心立方 (bcc)：想像一個立方體，在8個角的每個角上各有一個原子，而在立方體的正中心有一個單一原子。

因此，它的配位數是8。因為它不如密堆積緊密，所以我們稱它為「疏鬆結構」。這在鐵 (Fe) 和鈉 (Na) 等金屬中很常見。

學習重點：金屬結構

金屬具有有序、重複的結構，稱為晶格。主要的堆疊方式包括：

  • 密堆積（六方密堆積 hcp 和立方密堆積 ccp/fcc）：最有效率的堆疊。配位數 = 12。
  • 疏鬆結構（體心立方 bcc）：效率較低的堆疊。配位數 = 8。

2. 什麼是合金？製成更優質金屬的配方

基本概念

合金是一種金屬與至少一種其他元素組成的混合物。這種其他元素可以是另一種金屬，也可以是非金屬。

類比：您可以將純金屬想像成純橘子汁。合金就像一杯水果奶昔——您仍以橘子汁為基底，但混入了其他成分（例如草莓或香蕉），來改變味道、顏色和質感。

關鍵在於，合金是一種混合物，而不是化合物。原子沒有以固定比例化學鍵合。金屬的「電子海」依然存在，但正離子現在是不同類型的混合體。

合金如何形成：破壞原有的秩序

還記得純金屬中整齊、有序的原子層嗎？引入不同大小的原子會破壞這種完美的排列。

想像一堵由相同籃球完美堆疊而成的牆。讓一層籃球滑過另一層是相當容易的。這就像純金屬一樣，這也是為什麼純金屬通常柔軟且具延展性的原因。

現在，如果您用較小的網球或較大的保齡球替換一些籃球，將會如何？這些整齊的層會變得扭曲和不平整。要讓這些層相互滑動就困難許多。這正是合金中發生的情況！

不同大小的其他元素原子會破壞規律的晶格，使得離子層更難滑動。

你知道嗎？

青銅是銅和錫的合金，是人類最早使用的合金之一。它對於製造工具和武器是如此重要，以至於為人類歷史的整個時期命名：青銅時代！

學習重點：合金

合金是金屬混合物。加入不同元素的原子會破壞純金屬的規律晶格。這種簡單的改變對物料的特性產生巨大影響。


3. 金屬與合金：特性大比拼

那麼，當我們製成合金時，物料的特性究竟會產生何種變化？我們將進行比較。

特性一：硬度和強度

  • 純金屬：通常較軟，延展性也較高。規律的原子層可以輕易地相互滑動。
  • 合金：幾乎總是比其主要金屬更硬、更堅固。扭曲的層阻止原子容易滑動。這就是我們剛才提到的「凹凸不平的籃球」效應！

例子：純鐵是一種相對較軟且容易生鏽的金屬。但加入少量碳（一種非金屬），便能製成鋼——這種合金非常堅固，構成了我們現代世界的骨幹。

特性二：導電性

  • 純金屬：優良的導電體。在規律、有序的晶格中，「電子海」可以自由流動，電阻很小。
  • 合金：通常比其純母金屬導電性較差。晶格中不同的原子會像障礙物一樣，散射流動的電子，使它們更難通過。

類比：電子在純金屬中流動，就像在完全空曠的走廊裡衝刺。而在合金中，它就像在擁擠的走廊裡衝刺——電子會不斷撞擊其他原子，這會使其減速。

常見錯誤提示！

一個常見的錯誤是聲稱合金完全不導電。此為錯誤觀念。它們仍然是金屬，它們確實導電，僅是導電性通常不如純金屬。

學習重點：特性變化
  • 硬度：合金 > 純金屬（由於晶格扭曲）
  • 導電性：純金屬 > 合金（由於電子散射）

4. 日常生活中常見的合金及用途

我們選擇合金用於特定的用途，是因為它們的特性經過「調整」，比純金屬更優越。以下為兩個您需要了解的經典範例。

鋼

  • 成分：主要是鐵 (Fe) 混合少量碳 (C)。可以添加其他金屬，例如鉻和鎳，製成不同類型的鋼，例如不鏽鋼。
  • 與純鐵的特性比較：鋼比純鐵更硬、更堅固。不鏽鋼也高度抗腐蝕（生鏽）。
  • 用途：建築物、橋樑、汽車車身、鐵路軌道、船舶和餐具（不鏽鋼）。凡是需要極高強度之處都會用到它。

黃銅

  • 成分：銅 (Cu) 和鋅 (Zn) 的合金。
  • 與純銅的特性比較：黃銅比銅更硬，並具有吸引人的金色外觀。它也抗腐蝕。
  • 用途：樂器（如小號和薩克斯風）、水喉配件（水龍頭）、螺絲和裝飾品。選擇它是因為它結合了硬度、可加工性和美觀的特性。