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为什么固体元素有软有硬?硬度是由什么决定的?

引子

金、银和铅比铁的密度大,但它们都比铁软;镁比金轻许多,但它们两个差不多硬;铝和硅在元素周期表里是邻居,硅比铝轻一点点,硬度却是铝的9倍;同样是碳,钻石的硬度比石墨高1000倍不止。

为什么固体元素有软有硬?硬度是由什么决定的?

打金

为什么会出现这种情况?既然不是密度越大的元素越硬,那么物质的硬度到底是由什么因素决定的呢?

元素周期表

我们知道,元素周期表是以化学元素原子核中的质子数(核电荷数)为序,按从小到大的方法进行科学排列的。在这个表格中,一些化学特性相近的元素被排列在一起归为一类,称之为“族”。因此从某些物理和化学的角度来分析元素周期表,能很容易地发现它整个是有规律的。

比如说,元素的原子半径:

为什么固体元素有软有硬?硬度是由什么决定的?

和元素在固体状态下的密度:

为什么固体元素有软有硬?硬度是由什么决定的?

但同样我们以颜色深浅来表示一些固体元素的莫氏硬度时,你就会发现这种规律性被打乱了:原子半径不大、密度不高的硼反倒是最硬的,它身边的碳(石墨)的硬度只有0.5;铁比它周边的元素都软;而磷在表格里居然没有数据!与上面两张图相比,这张表格几乎没什么规律可言,问题出在哪里呢?

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部分元素的矿物质硬度

什么是硬度?

我们说某个东西软或者硬,首先需要接触它,对它施加压力,看这个物体对压力的反应。硬度实际上就是物体对机械压痕或摩擦引起局部变形的抵抗力的大小(强度),物体越软,你越容易在它上面制造划痕,而越硬的东西对刮擦的抵抗力越强。

一个典型的例子就是我们平时使用的手机屏幕,最早的屏幕是塑料材质,它的表面很容易被刮花;后来有了玻璃屏幕,情况好了许多,时间一长还是会有划痕,直到经过特殊处理的“大猩猩”玻璃出现,我们的担心少了许多。但玻璃在石英砂面前还是显得很弱,所以很少有人敢把手机屏幕放在地上摩擦。

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石英晶体很容易在手机玻璃屏上留下划痕

石英的主要成分是二氧化硅晶体,它的莫氏硬度是7,手机玻璃属于非晶体,它的硬度最多是6.5左右,所以它敌不过沙子的刮擦。

与我们害怕刮擦手机屏幕不同,地质学家们在野外勘探的时候常常就是通过刮擦来估算矿物质硬度,从而推定其矿物属性的。

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地质工作者测量莫氏硬度的套件

硬度作为固体的属性之一,它自然也是元素周期表中固体元素在物理性质方面一种重要表现形式。那么,元素的硬度到底是由什么决定的呢?

元素的化学键合与硬度的关系

化学元素通过其原子最外层电子的交换和共享来组成各种物质,常见的固体物质中有离子键、共价键、金属键和分子间键(比如氢键等)。单一元素的固体物质内部通常是由共价键或金属键将原子进行相互连接的,因为大家得失电子的能力相同,不会说谁抢走了谁的电子,因此一般不存在离子键。那些靠金属键相结合的固体通常是金属,被称为金属固体;而其它一些以共价键相互结合的非金属固体我们称之为网络共价固体。

金属元素的最外层通常都存在离域电子,因为原子核对这些电子的吸引力比较低,所以离域电子们常常不会老实呆在它固定的座位上,而是在原子周围“瞎逛”。如此一来,金属原子就被看成是带正电的金属离子与离域电子的电子云的组合,原子之间通过共享这些自由电子互相键合在一起形成金属晶体。

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金属原子通过自由电子相互形成金属键

由于每一种金属元素吸引电子能力有区别、最外层电子数不同,所以金属晶体的组合形式也就有了不同。一般来说金属晶体分为体心立方、面心立方和六方密堆积晶体,晶体结构的不同决定了原子之间键的稳定性,也是金属晶体硬度差别的重要因素。

为什么固体元素有软有硬?硬度是由什么决定的?

三种晶体的排列方式决定了硬度大小

在这三种晶体类型中,体心立方晶体由于受中间一个原子的牵制,尽管可能比面心立方晶体密度低,但由于其结合更稳固,原子间不容易发生相对位置变化,因此体心立方晶体比面心立方更硬。基于同样的道理,六方密堆积晶体的稳固性比体心立方晶体更强一些。

铁在常温下是体心立方晶体金属,而铜、银、金和铅都是面心立方,所以铁尽管没后者密度大,但它更坚硬;但铁又比不过六方密堆积晶体金属钛、钴,就是这个道理。

硬度与原子半径的关系

有人可能会说,元素的软硬程度取决于原子之间键的长短,原子离的远,它们相互的力小,就软一些,反之就硬。

这看起来似乎有些道理。比如说元素周期表第一列的碱金属,它的硬度从上往下越来越低。但是请注意,这种变化是建立在它们的晶体结构相同的基础之上,堿金属全都是体心立方金属。只有当晶体结构相同的情况下,上述的说法才能成立。

我们来举两个显著的例子来说明这个问题:

铝与硅相邻,它们的原子半径相近,但铝的莫氏硬度只有2.75,而硅的莫氏硬度达6.5,二者的绝对硬度相差9倍。究其原因,问题还是出在晶体结构上:铝是面心立方晶体金属,而硅却是面心金刚石立方晶体。

为什么固体元素有软有硬?硬度是由什么决定的?

铝与硅的晶体排列差异巨大

另一个例子就是大家熟悉的碳元素,它的两种常见的同素异形体有天壤之别。我们用手指甲就能碾碎石墨,而钻石却是自然界中最坚硬的物质,其原因也在于二者在原子的排列结构上存在差异。钻石的晶胞是由5个碳原子构成的稳固四面体;石墨的碳原子间则组成了层状的六边形,正面受压容易变形,侧向受压会发生错位滑动。

硼元素与碳相邻,它在形成稳定的网络共价键分子方面与钻石很相似,因此硼结晶是一种非常坚硬的黑色材料,在元素周期表中一支独秀(石墨代表了碳元素)。

为什么固体元素有软有硬?硬度是由什么决定的?

钻石与石墨碳原子排列决定了硬度的天壤之别

说到这里,我们可以就固体元素硬度的问题下一个简单结论了。

自然界中的固体元素通常分为金属与非金属两大类,尽管在原子量、原子半径、化学性质上存在巨大差异,但这些元素所构成的固体物质大体由原子通过共价键或金属键结合,其中大部分是晶体。

影响元素固体硬度的因素复杂多样,不仅取决于元素化学键的长度大小、强弱,也取决于原子间的排列组合方式。四面体钻石结构晶体的硬度最高,接下来依次是六方密堆积晶体、体心立方、面心立方等等,而那些原子层状排列或不规则排列的固体,其硬度往往是最低的。

为什么固体元素有软有硬?硬度是由什么决定的?

部分固体元素的硬度柱状图

篇幅所限,对元素固体的硬度的原因就介绍到这里

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