金属键和金属晶体结构理论

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1、金属键和金属晶体结构理论　　　　在高中化学课本“金属键”一节中，简略地讲了金属键的自由电子理论和金属晶体的圆球密堆积结构。在本节中将介绍这两种理论的有关史实，并对理论本身进一步加以阐述。　　　　一、金属键理论及其对金属通性的解释　　　　一切金属元素的单质，或多或少具有下述通性：有金属光泽、不透明，有良好的导热性与导电性、有延性和展性，熔点较高，等等。这些性质是金属晶体内部结构的外在表现。　　　　金属元素一般比较容易失去其价电子变为正离子，在金属单质中不可能有一部分原子变成负离子而形成离子键。由于X射线衍射法测定金属晶体结构的结果可知，其中每个金属原子与周围8到12个同等距离的其它金属原子相紧邻

2、，只有少数价电子的金属原子不可能形成8到12个共价键。金属晶体中的化学键应该属于别的键型。　　　　1916年金属键和金属晶体结构理论　　　　在高中化学课本“金属键”一节中，简略地讲了金属键的自由电子理论和金属晶体的圆球密堆积结构。在本节中将介绍这两种理论的有关史实，并对理论本身进一步加以阐述。　　　　一、金属键理论及其对金属通性的解释　　　　一切金属元素的单质，或多或少具有下述通性：有金属光泽、不透明，有良好的导热性与导电性、有延性和展性，熔点较高，等等。这些性质是金属晶体内部结构的外在表现。　　　　金属元素一般比较容易失去其价电子变为正离子，在金属单质中不可能有一部分原子变成负离子而形成离子

3、键。由于X射线衍射法测定金属晶体结构的结果可知，其中每个金属原子与周围8到12个同等距离的其它金属原子相紧邻，只有少数价电子的金属原子不可能形成8到12个共价键。金属晶体中的化学键应该属于别的键型。　　　　1916年金属键和金属晶体结构理论　　　　在高中化学课本“金属键”一节中，简略地讲了金属键的自由电子理论和金属晶体的圆球密堆积结构。在本节中将介绍这两种理论的有关史实，并对理论本身进一步加以阐述。　　　　一、金属键理论及其对金属通性的解释　　　　一切金属元素的单质，或多或少具有下述通性：有金属光泽、不透明，有良好的导热性与导电性、有延性和展性，熔点较高，等等。这些性质是金属晶体内部结构的外在

4、表现。　　　　金属元素一般比较容易失去其价电子变为正离子，在金属单质中不可能有一部分原子变成负离子而形成离子键。由于X射线衍射法测定金属晶体结构的结果可知，其中每个金属原子与周围8到12个同等距离的其它金属原子相紧邻，只有少数价电子的金属原子不可能形成8到12个共价键。金属晶体中的化学键应该属于别的键型。　　　　1916年，荷兰理论物理学家洛伦兹提出金属“自由电子理论”，可定性地阐明金属的一些特征性质。这个理论认为，在金属晶体中金属原子失去其价电子成为正离子，正离子如刚性球体排列在晶体中，电离下来的电子可在整个晶体范围内在正离子堆积的空隙中“自由”地运行，称为自由电子。正离子之间固然相互排斥，

5、但可在晶体中自由运行的电子能吸引晶体中所有的正离子，把它们紧紧地“结合”在一起。这就是金属键的自由电子理论模型。　　　　根据上述模型可以看出金属键没有方向性和饱和性。这个模型可定性地解释金属的机械性能和其它通性。金属键是在一块晶体的整个范围内起作用的，因此要断开金属比较困难。但由于金属键没有方向性，原子排列方式简单，重复周期短，因此在两层正离子之间比较容易产生滑动，在滑动过程中自由电子的流动性能帮助克服势能障碍。滑动过程中，各层之间始终保持着金属键的作用，金属虽然发生了形变，但不至断裂。因此，金属一般有较好的延性、展性和可塑性。　　　　由于自由电子几乎可以吸收所有波长的可见光，随即又发射出来，

6、因而使金属具有通常所说的金属光泽。自由电子的这种吸光性能，使光线无法穿透金属。因此，金属一般是不透明的，除非是经特殊加工制成的极薄的箔片。关于金属的良好导电和导热性能，高中化学课本中已用自由电子模型作了解释。　　　　上面介绍的是最早提出的经典自由电子理论。1930年前后，由于将量子力学方法应用于研究金属的结构，这一理论已获得了广泛的发展。在金属的物理性质中有一种最有趣的性质是，包括碱金属在内的许多金属呈现出小量的顺磁性，这种顺磁性的大小近似地与温度无关。泡利曾在1927年对这一现象进行探讨，正是这一探讨开辟了现代金属电子理论的发展。它的基本概念是：在金属中存在着一组连续或部分连续的“自由”电子

7、能级。在绝对零度时，电子通常成对地占据N／2个最稳定的能级。按照泡利不相容原理的要求，每一对电子的自旋方向是相反的；这样，在外加磁场中，这些电子的自旋磁矩就不能有效地取向。　　　　当温度比较高时，其中有一些配对的电子对被破坏了，电子对中的一个电子被提升到比较高的能级。未配对的电子的自旋磁矩能有效地取向，所以使金属具有顺磁性。未配对电子的数目随着温度的升高而增多；然而，每个未配对电子的自旋对顺磁磁化