金屬原子間的“緊堆力”與“金屬鍵”

摘 要：金屬晶體的形成過程，是在金屬原子間“緊堆力”的作用下，形成金屬原子的緊密堆積，并釋放出能量，同時形成自由電子的“電子氣”之“金屬鍵”，這便形成了完美金屬晶體。由于金屬原子之間存在著性質(zhì)相同的“緊堆力”與“金屬鍵”，則金屬在液態(tài)狀態(tài)下，能互相溶解——形成合金。

關(guān)鍵詞：緊密堆積；緊堆力；金屬鍵；電子氣

由金屬原子形成的金屬晶體，其原子的緊密堆積結(jié)構(gòu)一般有三種形式：體心立方緊堆晶格Li、Na、K、Cr、Fe、Rb、Mo、Cs、W；面心立方緊堆晶格Al、Ca、Ni、Cu、Sr、Ag、Au、Pb；六方緊堆晶格Mg、Ti、Co、Y、Zr、Cd、La、Hf等。

一、金屬晶體的形成

在金屬單質(zhì)中，不同金屬單質(zhì)的熔點、沸點差別很大。這說明金屬原子之間的結(jié)合力是有較大差異的。由于金屬原子的最外層電子數(shù)大都在1～2個，所形成“電子氣”的自由電子之物質(zhì)的量相差不大，即由自由電子所形成的金屬鍵之強(qiáng)度不應(yīng)該有如此大的差別。而且“電子氣”之中的電子們又不是緊緊地連接在一起的，那它們又如何能把這些金屬原子，以緊密堆積的形式緊緊連接在一起呢？原因在哪里呢？根據(jù)金屬單質(zhì)是以緊密堆積形式形成的金屬晶體，以及金屬晶體表現(xiàn)出來的物理性質(zhì)，說明金屬原子之間，存在著能實現(xiàn)讓金屬原子緊密堆積的結(jié)合力。那么這種使金屬原子之間能緊密堆積的結(jié)合力，是如何產(chǎn)生的呢？

從上述的分析可知，金屬晶體的形成，應(yīng)該有使金屬原子能緊密結(jié)合的力存在，這個力應(yīng)當(dāng)與金屬原子的性質(zhì)及其原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。那么，使金屬原子緊密堆積的結(jié)合力是怎樣產(chǎn)生的呢？筆者認(rèn)為：由于金屬原子的原子核對核外電子之束縛能力的不同，以及原子核外層電子的不對稱與不飽和，特別是在過渡金屬原子中，這種外層電子的不對稱不飽和就更加明顯。隨著原子核外電子的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，造成金屬原子的電子們之負(fù)電中心與原子核的正電中心的不重合，形成金屬原子的正、負(fù)電極性（是瞬間的），這種電性是沒有方向性也沒有飽和性的。金屬原子所產(chǎn)生的這種正、負(fù)電極性，使得金屬原子間相互吸引，形成金屬原子的緊密堆積。這種由金屬原子所產(chǎn)生的正、負(fù)電極性而形成的金屬原子間的相互結(jié)合力——稱為金屬原子間的“緊密堆積力”，簡稱為“緊堆力”。在“緊堆力”的作用下，使得金屬原子間產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互吸引，形成金屬原子的緊密堆積，結(jié)果使每一個金屬原子都得到電性飽和，形成穩(wěn)定狀態(tài)下的金屬晶體。由于金屬原子的緊密堆積，使得金屬原子的最外層電子進(jìn)一步遠(yuǎn)離了原子核，形成自由電子的“電子氣”，被所有金屬原子所共用的“金屬鍵”。在這一過程中釋放出大量的能量，形成常態(tài)下的金屬晶體。

“緊堆力”的大小與金屬原子的變形性有關(guān)。對不同的金屬原子來講是不相同的，也就是說，使金屬原子具有的“緊堆力”與金屬原子性質(zhì)及其電子層結(jié)構(gòu)及電子軌道內(nèi)電子的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。金屬原子的變形能力強(qiáng)的“緊堆力”大，而變形能力弱的“緊堆力”小?！熬o堆力”的大小將直接影響到金屬晶體的熔點與沸點。

金屬晶體的形成是在金屬原子間“緊堆力”的作用下，使金屬原子間發(fā)生緊密的堆積，形成不同類型金屬晶體。金屬原子緊密堆積時，使得金屬原子間把它們的最外層電子擠到緊堆層外，進(jìn)一步遠(yuǎn)離了金屬原子的原子核，形成自由電子的“電子氣”，被所有金屬原子共用的“金屬鍵”。正因為最外層電子的遠(yuǎn)離，進(jìn)一步加強(qiáng)了金屬原子間對其他核外層電子的吸引力——“緊堆力”，使得金屬原子間的緊密堆積更加穩(wěn)固。金屬原子間的“緊堆力”是主動的，是形成金屬晶體的主力，而形成的“金屬鍵”是從屬的，是形成金屬晶體的從屬力。

為此，金屬晶體的形成過程，是在金屬原子間“緊堆力”的作用下，形成金屬原子的緊密堆積，并釋放出大量的能量。同時形成自由電子的“電子氣”之“金屬鍵”。在常態(tài)下，這便形成了完美的金屬晶體。

由于金屬原子間具有的這種“緊堆力”性質(zhì)的相似性，使得不同金屬原子間在液態(tài)狀態(tài)下能相互溶解。這也正符合相似相溶之理，從而能形成各種合金。這正是得意于金屬原子間存在相同性質(zhì)的“緊堆力”與“金屬鍵”之作用。

二、液態(tài)金屬汞熔、沸點分析

對于金屬汞（Hg熔點-38.87℃沸點356.6℃）所表現(xiàn)出來的常態(tài)下的液體狀態(tài)也與Hg原子的核外層電子結(jié)構(gòu)有關(guān)，造成汞原子間的“緊堆力”弱而形成。

因為Hg原子的核外層電子結(jié)構(gòu)5d66s2，除最外層的6s2兩個電子外，其他各層各個軌道的電子數(shù)完全達(dá)到能量最低飽和狀態(tài)，形成了穩(wěn)定的對稱結(jié)構(gòu)。這些核外電子形成的電荷中心與Hg原子核的正電荷中心高度重合，使得最外層的這兩個電子對整個Hg原子的正負(fù)電荷重合影響很小，從而造成Hg原子之間的“緊堆力”很弱（Hg原子之間的結(jié)合力很小）。故Hg原子在常態(tài)下為液體且液態(tài)金屬Hg是有揮發(fā)性的（Hg蒸汽有毒），這也進(jìn)一步說明Hg原子間的相互作用力弱。如果Hg原子本身不重的話，常態(tài)下Hg單質(zhì)是否會是氣態(tài)呢？

Hg原子的核外層電子結(jié)構(gòu)的能量最低及穩(wěn)定的對稱結(jié)構(gòu)狀態(tài)，這從Hg常態(tài)下的穩(wěn)定不容易被氧化，常態(tài)下是較惰性的金屬也可得到證實。但是，Hg原子的穩(wěn)定狀態(tài)一旦被破壞，其將表現(xiàn)出強(qiáng)烈的復(fù)原性——即氧化性，再把失去的電子奪回來。

另外，雖然Hg原子的正負(fù)電荷中心是重合的，造成的“緊堆力”弱，但當(dāng)在其他金屬原子的影響下，Hg原子的正、負(fù)電中心的對稱性會被影響而誘變，會迅速改變Hg原子的“緊堆力”，使得Hg原子與其他金屬原子緊密結(jié)合，形成合金——俗稱汞齊，其物理性質(zhì)發(fā)生巨變。

三、主族金屬熔、沸點分析

對于第一主族的金屬單質(zhì)而言，由于它們的最外層只有一個電子，而其內(nèi)層電子結(jié)構(gòu)的對稱性，故使得它們的變形性不大，又由于它們的相對原子半徑較大，從而第一主族的金屬單質(zhì)的密度小，1cm3中的金屬原子的物質(zhì)的量少，說明第一主族的金屬單質(zhì)中的原子之間的距離較遠(yuǎn)，金屬原子之間的“緊堆力”弱，造成了它們的熔、沸點低的特征。并隨著金屬原子半徑的增大，在1cm3中的金屬原子的物質(zhì)的量逐漸減少。

第二主族金屬單質(zhì)的熔、沸點比第一主族的金屬單質(zhì)的熔、沸點都高。原因是第二主族金屬原子的最外層電子數(shù)為S2比第一主族的金屬原子的最外層電子數(shù)S1多了一倍，則“金屬鍵”的強(qiáng)度要大。而最外層的兩個電子對整個原子的電子運(yùn)動所產(chǎn)生的偏移影響要大，從而產(chǎn)生的“緊堆力”要比第一主族最外層一個電子影響要大。

四、金屬鋨熔、沸點（Os）分析

金屬鋨（Os熔點2727℃、沸點4230℃），原子的最外電子層結(jié)構(gòu)為5d66s2，5d6剛好超過最穩(wěn)定的半數(shù)結(jié)構(gòu)，屬于能量最高狀態(tài)，所以對金屬原子的變形性影響最大，從而產(chǎn)生的“緊堆力”較強(qiáng)，使得金屬鋨（Os）原子在1cm3中的金屬原子的物質(zhì)的量較多，金屬原子間的結(jié)合較緊密，則在常態(tài)下其密度較大。正因為5d6的電子能量高且活性也大，在受到加熱時產(chǎn)生的活力也敏感，帶動它的原子運(yùn)動也會有所加巨，使得它們的“緊堆力”減弱會快，則使得它的熔、沸點并非最高！

綜上所述，金屬晶體的形成過程，是在金屬原子間“緊堆力”的作用下，形成金屬原子的緊密堆積，在這個過程中釋放出能量，同時形成自由電子的“電子氣”之“金屬鍵”。這便形成了金屬晶體，才有了金屬晶體的各種物理特性。

正是由于在金屬原子之間存在著性質(zhì)相同的“緊堆力”與“金屬鍵”，則金屬在液態(tài)狀態(tài)下，能相互溶解——形成合金。

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