金、銀和鉛比鐵的密度大，但它們都比鐵軟；鎂比金輕許多，但它們兩個差不多硬；鋁和矽在元素周期表裡是鄰居，矽比鋁輕一點點，硬度卻是鋁的9倍；同樣是碳，鑽石的硬度比石墨高1000倍不止。

打金

為什麼會出現這種情況？既然不是密度越大的元素越硬，那麼物質的硬度到底是由什麼因素決定的呢？

我們知道，元素周期表是以化學元素原子核中的質子數（核電荷數）為序，按從小到大的方法進行科學排列的。在這個表格中，一些化學特性相近的元素被排列在一起歸為一類，稱之為“族”。因此從某些物理和化學的角度來分析元素周期表，能很容易地發現它整個是有規律的。

比如說，元素的原子半徑：

元素周期表中原子半徑

和元素在固體狀态下的密度：

元素周期表中元素在固體狀态下的密度

但同樣我們以顔色深淺來表示一些固體元素的莫氏硬度時，你就會發現這種規律性被打亂了：原子半徑不大、密度不高的硼反倒是最硬的，它身邊的碳（石墨）的硬度隻有0.5；鐵比它周邊的元素都軟；而磷在表格裡居然沒有數據！與上面兩張圖相比，這張表格幾乎沒什麼規律可言，問題出在哪裡呢？

部分元素的礦物質硬度

我們說某個東西軟或者硬，首先需要接觸它，對它施加壓力，看這個物體對壓力的反應。硬度實際上就是物體對機械壓痕或摩擦引起局部變形的抵抗力的大小（強度），物體越軟，你越容易在它上面制造劃痕，而越硬的東西對刮擦的抵抗力越強。

一個典型的例子就是我們平時使用的手機屏幕，最早的屏幕是塑料材質，它的表面很容易被刮花；後來有了玻璃屏幕，情況好了許多，時間一長還是會有劃痕，直到經過特殊處理的“大猩猩”玻璃出現，我們的擔心少了許多。但玻璃在石英砂面前還是顯得很弱，所以很少有人敢把手機屏幕放在地上摩擦。

石英晶體很容易在手機玻璃屏上留下劃痕

石英的主要成分是二氧化矽晶體，它的莫氏硬度是7，手機玻璃屬于非晶體，它的硬度最多是6.5左右，所以它敵不過沙子的刮擦。

與我們害怕刮擦手機屏幕不同，地質學家們在野外勘探的時候常常就是通過刮擦來估算礦物質硬度，從而推定其礦物屬性的。

地質工作者測量莫氏硬度的套件

硬度作為固體的屬性之一，它自然也是元素周期表中固體元素在物理性質方面一種重要表現形式。那麼，元素的硬度到底是由什麼決定的呢？

化學元素通過其原子最外層電子的交換和共享來組成各種物質，常見的固體物質中有離子鍵、共價鍵、金屬鍵和分子間鍵（比如氫鍵等）。單一元素的固體物質内部通常是由共價鍵或金屬鍵将原子進行相互連接的，因為大家得失電子的能力相同，不會說誰搶走了誰的電子，因此一般不存在離子鍵。那些靠金屬鍵相結合的固體通常是金屬，被稱為金屬固體；而其它一些以共價鍵相互結合的非金屬固體我們稱之為網絡共價固體。

金屬元素的最外層通常都存在離域電子，因為原子核對這些電子的吸引力比較低，所以離域電子們常常不會老實呆在它固定的座位上，而是在原子周圍“瞎逛”。如此一來，金屬原子就被看成是帶正電的金屬離子與離域電子的電子雲的組合，原子之間通過共享這些自由電子互相鍵合在一起形成金屬晶體。

金屬原子通過自由電子相互形成金屬鍵

由于每一種金屬元素吸引電子能力有區别、最外層電子數不同，所以金屬晶體的組合形式也就有了不同。一般來說金屬晶體分為體心立方、面心立方和六方密堆積晶體，晶體結構的不同決定了原子之間鍵的穩定性，也是金屬晶體硬度差别的重要因素。

三種晶體的排列方式決定了硬度大小

在這三種晶體類型中，體心立方晶體由于受中間一個原子的牽制，盡管可能比面心立方晶體密度低，但由于其結合更穩固，原子間不容易發生相對位置變化，因此體心立方晶體比面心立方更硬。基于同樣的道理，六方密堆積晶體的穩固性比體心立方晶體更強一些。

鐵在常溫下是體心立方晶體金屬，而銅、銀、金和鉛都是面心立方，所以鐵盡管沒後者密度大，但它更堅硬；但鐵又比不過六方密堆積晶體金屬钛、钴，就是這個道理。

有人可能會說，元素的軟硬程度取決于原子之間鍵的長短，原子離的遠，它們相互的力小，就軟一些，反之就硬。

這看起來似乎有些道理。比如說元素周期表第一列的堿金屬，它的硬度從上往下越來越低。但是請注意，這種變化是建立在它們的晶體結構相同的基礎之上，堿金屬全都是體心立方金屬。隻有當晶體結構相同的情況下，上述的說法才能成立。

我們來舉兩個顯著的例子來說明這個問題：

鋁與矽相鄰，它們的原子半徑相近，但鋁的莫氏硬度隻有2.75，而矽的莫氏硬度達6.5，二者的絕對硬度相差9倍。究其原因，問題還是出在晶體結構上：鋁是面心立方晶體金屬，而矽卻是面心金剛石立方晶體。

鋁與矽的晶體排列差異巨大

另一個例子就是大家熟悉的碳元素，它的兩種常見的同素異形體有天壤之别。我們用手指甲就能碾碎石墨，而鑽石卻是自然界中最堅硬的物質，其原因也在于二者在原子的排列結構上存在差異。鑽石的晶胞是由5個碳原子構成的穩固四面體；石墨的碳原子間則組成了層狀的六邊形，正面受壓容易變形，側向受壓會發生錯位滑動。

硼元素與碳相鄰，它在形成穩定的網絡共價鍵分子方面與鑽石很相似，因此硼結晶是一種非常堅硬的黑色材料，在元素周期表中一支獨秀（石墨代表了碳元素）。

鑽石與石墨碳原子排列決定了硬度的天壤之别

自然界中的固體元素通常分為金屬與非金屬兩大類，盡管在原子量、原子半徑、化學性質上存在巨大差異，但這些元素所構成的固體物質大體由原子通過共價鍵或金屬鍵結合，其中大部分是晶體。

影響元素固體硬度的因素複雜多樣，不僅取決于元素化學鍵的長度大小、強弱，也取決于原子間的排列組合方式。四面體鑽石結構晶體的硬度最高，接下來依次是六方密堆積晶體、體心立方、面心立方等等，而那些原子層狀排列或不規則排列的固體，其硬度往往是最低的。

部分固體元素的硬度柱狀圖

篇幅所限，對元素固體的硬度的原因就介紹到這裡，如果你有什麼問題歡迎在評論區提出加以讨論。

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