金属原子间的“紧堆力”与“金属键”

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1、金属原子间的“紧堆力”与“金属键”　　摘要：金属晶体的形成过程，是在金属原子间“紧堆力”的作用下，形成金属原子的紧密堆积，并释放出能量，同时形成自由电子的“电子气”之“金属键”，这便形成了完美金属晶体。由于金属原子之间存在着性质相同的“紧堆力”与“金属键”，则金属在液态状态下，能互相溶解――形成合金。　　关键词：紧密堆积；紧堆力；金属键；电子气　　由金属原子形成的金属晶体，其原子的紧密堆积结构一般有三种形式：体心立方紧堆晶格Li、Na、K、Cr、Fe、Rb、Mo、Cs、W；面心立方紧堆晶格Al、Ca、Ni、Cu、Sr、Ag、Au、Pb；六方紧堆晶格Mg、Ti、Co、Y

2、、Zr、Cd、La、Hf等。　　一、金属晶体的形成　　在金属单质中，不同金属单质的熔点、沸点差别很大。这说明金属原子之间的结合力是有较大差异的。由于金属原子的最外层电子数大都在1～2个，所形成“电子气”的自由电子之物质的量相差不大，即由自由电子所形成的金属键之强度不应该有如此大的差别。而且“电子气”5之中的电子们又不是紧紧地连接在一起的，那它们又如何能把这些金属原子，以紧密堆积的形式紧紧连接在一起呢？原因在哪里呢？根据金属单质是以紧密堆积形式形成的金属晶体，以及金属晶体表现出来的物理性质，说明金属原子之间，存在着能实现让金属原子紧密堆积的结合力。那么这种使金属原子之间

3、能紧密堆积的结合力，是如何产生的呢？　　从上述的分析可知，金属晶体的形成，应该有使金属原子能紧密结合的力存在，这个力应当与金属原子的性质及其原子结构有关。那么，使金属原子紧密堆积的结合力是怎样产生的呢？笔者认为：由于金属原子的原子核对核外电子之束缚能力的不同，以及原子核外层电子的不对称与不饱和，特别是在过渡金属原子中，这种外层电子的不对称不饱和就更加明显。随着原子核外电子的高速运转，造成金属原子的电子们之负电中心与原子核的正电中心的不重合，形成金属原子的正、负电极性（是瞬间的），这种电性是没有方向性也没有饱和性的。金属原子所产生的这种正、负电极性，使得金属原子间相互吸

4、引，形成金属原子的紧密堆积。这种由金属原子所产生的正、负电极性而形成的金属原子间的相互结合力――称为金属原子间的“紧密堆积力”，简称为“紧堆力”。在“紧堆力”的作用下，使得金属原子间产生强烈的相互吸引，形成金属原子的紧密堆积，结果使每一个金属原子都得到电性饱和，形成稳定状态下的金属晶体。由于金属原子的紧密堆积，使得金属原子的最外层电子进一步远离了原子核，形成自由电子的“电子气”，被所有金属原子所共用的“金属键”。在这一过程中释放出大量的能量，形成常态下的金属晶体。　　“紧堆力”的大小与金属原子的变形性有关。对不同的金属原子来讲是不相同的，也就是说，使金属原子具有的“紧

5、堆力”与金属原子性质及其电子层结构及电子轨道内电子的运动状态有关。金属原子的变形能力强的“紧堆力”大，而变形能力弱的“紧堆力”小。“紧堆力”的大小将直接影响到金属晶体的熔点与沸点。5　　金属晶体的形成是在金属原子间“紧堆力”的作用下，使金属原子间发生紧密的堆积，形成不同类型金属晶体。金属原子紧密堆积时，使得金属原子间把它们的最外层电子挤到紧堆层外，进一步远离了金属原子的原子核，形成自由电子的“电子气”，被所有金属原子共用的“金属键”。正因为最外层电子的远离，进一步加强了金属原子间对其他核外层电子的吸引力――“紧堆力”，使得金属原子间的紧密堆积更加稳固。金属原子间的“紧

6、堆力”是主动的，是形成金属晶体的主力，而形成的“金属键”是从属的，是形成金属晶体的从属力。　　为此，金属晶体的形成过程，是在金属原子间“紧堆力”的作用下，形成金属原子的紧密堆积，并释放出大量的能量。同时形成自由电子的“电子气”之“金属键”。在常态下，这便形成了完美的金属晶体。　　由于金属原子间具有的这种“紧堆力”性质的相似性，使得不同金属原子间在液态状态下能相互溶解。这也正符合相似相溶之理，从而能形成各种合金。这正是得意于金属原子间存在相同性质的“紧堆力”与“金属键”之作用。　　二、液态金属汞熔、沸点分析　　对于金属汞（Hg熔点-38.87℃沸点356.6℃）所表现出

7、来的常态下的液体状态也与Hg原子的核外层电子结构有关，造成汞原子间的“紧堆力”弱而形成。5　　因为Hg原子的核外层电子结构5d66s2，除最外层的6s2两个电子外，其他各层各个轨道的电子数完全达到能量最低饱和状态，形成了稳定的对称结构。这些核外电子形成的电荷中心与Hg原子核的正电荷中心高度重合，使得最外层的这两个电子对整个Hg原子的正负电荷重合影响很小，从而造成Hg原子之间的“紧堆力”很弱（Hg原子之间的结合力很小）。故Hg原子在常态下为液体且液态金属Hg是有挥发性的（Hg蒸汽有毒），这也进一步说明Hg原子间的相互作用力弱。如果Hg原子本身不重的话，