材料化學 / 子課題
金屬晶體結構
Metallic Crystal Structures
三種金屬堆積結構的特徵、堆積效率及合金硬化原理
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 三種金屬堆積結構
考評提示：HCP/CCP/BCC 堆積效率、配位數及例子
- 金屬堆積結構：六方密堆積 HCP；面心立方（立方密堆積）CCP；體心立方 BCC。密堆積效率：HCP = CCP = 74%；BCC = 68%。
HKEAA 評卷員建議
2020 年
常見題型 · scoring points
描述六方緊密裝填 (HCP) 與立方緊密裝填 (CCP/FCC) 結構
- 緊密裝填：每層球以 ABAB… 或 ABCABC… 重覆方式堆疊；HCP 為 ABAB、CCP 為 ABCABC。
- 配位數：兩者同為 12（同層 6 個 + 上層 3 個 + 下層 3 個）。
- 裝填效率：74%，為所有結構中最高者，空隙僅 26%；密度較大。
- 例子：HCP — Mg、Zn、Ti；CCP（面心立方）— Cu、Ag、Au、Al。
描述體心立方 (BCC) 結構並與緊密裝填比較
- 結構：立方晶胞，八個頂點各一粒原子加上立方體中心一粒；屬敞開結構。
- 配位數：8；裝填效率：68%，低於 HCP/CCP（74%）。
- 每個晶胞含有的原子數 = 8 頂點 × 1/8 + 1 中心 = 2 粒原子。
- 例子：Fe（室溫 α-Fe）、Na、K、Cr、W；結構較「鬆散」故這些金屬一般密度較低且較軟。
辨認面心立方 (FCC) 晶胞並確定其配位數
- 結構特徵：FCC（面心立方，亦稱 CCP）晶胞的 8 個頂點各有一原子，6 個面中心各有一原子。
- 配位數：每個原子被 12 個最近鄰原子環繞（同層 6 個、上層 3 個、下層 3 個），配位數 = 12。
- 堆積順序：由 ABCABC… 的緊密堆積方式組成，屬最緊密堆積結構之一。
- 例子：Cu、Ag、Au、Al 等金屬在室溫下採 FCC 結構。
解釋合金的形成及鋼和黃銅性質的差異
- 合金：將其他元素（金屬或非金屬）加入純金屬中形成的混合物；原子半徑差異會使純金屬規則結構被擾動，層滑動更困難，因此硬度↑。
- 鋼：Fe + 少量 C（約 0.05–2%）；C 原子嵌入 Fe 晶格空隙（間隙合金），阻礙金屬層滑動 → 較純鐵硬、強度高，但延展性降低。
- 黃銅：Cu + Zn（約 30%）；Zn 原子取代 Cu 位置（取代合金）；黃銅較純銅硬、耐磨且不易鏽，用於銅管樂器、裝飾品、鎖具。
- 電導性：合金因晶格規則被破壞，電子移動受阻，故電導率低於純金屬；因此電線選用純銅而非黃銅。
解釋有機液晶 (Liquid crystals) 的結構特徵及相類別
- 結構特徵：分子為細長棒狀，中心多為剛性的苯環（共軛），兩端為具有極性或偶極的烷基/氰基，使分子有明確的長軸方向。
- 分子間力：分子間以弱范德華力作用，使其可流動（液體性質），但長軸方向仍整齊排列（晶體性質）。
- 向列相 (Nematic)：分子長軸平行但位置無序；
- 近晶相 (Smectic)：分子除長軸平行外，還排成層狀；膽固醇相 (Cholesteric)：螺旋狀排列。
描述液晶的用途與其性質的關係
- 用途：LCD 顯示屏（手機、電腦、電視、計算機）；因液晶分子方向可被外加電場調整，進而改變光的偏振方向。
- 原理：電壓 ON 時液晶分子轉向使光無法通過偏振片 → 畫素顯黑；OFF 時分子螺旋排列使光旋轉 90° 通過第二偏振片 → 畫素顯亮。
- 另一用途：熱變色溫度計（膽固醇型液晶隨溫度改變反射顏色）、壓力感應器、醫療影像顯示。
- 優點：耗電低、薄、輕、反應快，是現代資訊顯示的主要技術。
描述納米物料的定義、例子及其應用
- 定義：至少一個維度上粒徑 < 100 nm 的有機或無機物料；由於表面積-體積比極高，表現出與大塊物料截然不同的物理與化學性質。
- 例子：奈米碳管（CNT）強度極高且電導性優良；奈米 TiO₂ 及 ZnO 可吸收 UV，用於防曬霜；奈米銀具抗菌性。
- 應用：藥物遞送（包覆抗癌藥，精準送達患處）、光動力療法、自潔玻璃（奈米 TiO₂ 光催化分解污垢）、高效電池電極。
- 注意事項：奈米物料進入人體或環境後的安全性及長期毒性尚未完全了解，研發及應用時須謹慎評估。
結構與性質關係：為何金屬具有延展性、導電性和高熔點
- 延展性：金屬層之間可滑動而不破壞金屬鍵（電子海仍覆蓋離子），故可拉絲、錘片；合金因原子大小不一使滑動受阻而硬。
- 導電性：自由電子可在晶格中自由移動 → 金屬在固態及液態皆導電；電阻與溫度 T 成正比（T↑ 離子振動↑ 電子散射↑）。
- 導熱性：自由電子迅速傳遞動能，故金屬是良好的熱導體。
- 高熔點：金屬陽離子與自由電子之間的靜電吸引力強（金屬鍵）→ 需大量能量才能使離子擺脫電子海，故熔沸點高。
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關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
