金屬與合金：團結就是力量！
哈囉！你有沒有想過，為什麼摩天大廈的鋼筋骨架如此堅固？為什麼小號是閃亮亮的黃銅造的，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，我們將會深入探索金屬的奧秘。我們會看看金屬原子是如何整齊地堆疊在一起的。然後，我們會揭開製造合金的「秘方」——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，能幫助我們明白為什麼從建築物到樂器，各種東西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，讓我們先快速重溫一下是什麼將它們結合在一起。
快速重溫：金屬鍵
想像一下一箱彈珠。現在，想像你將蜂蜜倒在上面，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。
你可以把它想像成砌樂高積木。這個模式中最小的重複單元稱為晶胞。如果你知道晶胞長什麼樣子，你就能想像整個金屬的結構，因為它只是不斷重複這個單元而已。
金屬原子如何堆疊
想像你有一箱相同大小的球體（就像彈珠或橙子），你想盡可能多地放入。你肯定會將它們堆疊得非常緊密，對吧？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，只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。
大家不用太擔心六方密堆積和立方密堆積的差異。要記住的重點是，它們都屬於「密堆積」，而且配位數都是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。
在這個結構中，中心原子與8個角上的原子接觸。所以，它的配位數是8。因為它沒有那麼緊密堆積，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：你可以把純金屬想像成純橙汁。合金就像一杯水果奶昔——你仍然有橙汁這個基底，但你混入了其他東西（比如草莓或香蕉），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，如果你用較小的網球或較大的保齡球替換一些籃球，會發生什麼事？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得多了。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，物料的特性究竟會如何改變呢？讓我們來比較一下吧！
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），你就能製成鋼——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——你不斷撞到人，這會令你減速。
常見錯誤提示！
一個常見的錯誤是說合金完全不導電。這是錯誤的！它們仍然是金屬，它們確實導電，只是通常不如純金屬。
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。這裡有兩個你需要知道的經典例子。
鋼
- 成分：主要是鐵 (Fe) 混合少量碳 (C)。可以添加其他金屬，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）。凡是需要極高強度的地方都會用到它。
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。