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改性共价键理论

在金属晶体中,自由电子作穿梭运动,它不专属于某个金属离子而为整个金属晶体所共有。这些自由电子与全部金属离子相互作用,从而形成某种结合,这种作用称为金属键。由于金属只有少数价电子能用于成键,金属在形成晶体时,倾向于构成极为紧密的结构,使每个原子都有尽可能多的相邻原子(金属晶体一般都具有高配位数和紧密堆积结构),这样,电子能级可以得到尽可能多的重叠,从而形成金属键。

上述假设模型叫做金属的自由电子模型,称为改性共价键理论。这一理论是1900年德鲁德(drude)等人为解释金属的导电、导热性能所提出的一种假设。这种理论先后经过洛伦茨(Lorentz,1904)和佐默费尔德(Sommerfeld,1928)等人的改进和发展,对金属的许多重要性质都给予了一定的解释。但是,由于金属的自由电子模型过于简单化,不能解释金属晶体为什么有结合力,也不能解释金属晶体为什么有导体、绝缘体和半导体之分。随着科学和生产的发展,主要是量子理论的发展,建立了能带理论。

周期表中大约有80%的元素为金属元素,除汞之外的其他金属在常温常压下都是金属晶体。金属和许多合金显示出离子化合物和共价化合物所不具备的某些特征,例如具有金属光泽、优良的导电导热性、延展性等。金属的特性是由金属内部结合力的特殊性决定的。

与非金属原子相比,金属原子的半径比较大,核对价电子的吸引力比较弱。这些价电子很容易从金属原子上脱离,脱离下来的电子能在整个金属晶体中自由流动,被称为自由电子或离域电子。在金属晶体中,自由电子汇集形成"电子的海洋",失去电子的金属离子浸在自由电子的海洋中。金属中的自由电子把金属正离子吸引并约束在一起,这就是金属键的实质。金属键无方向性,无固定的键能。金属键的强弱和自由电子的多少有关,也和离子半径、电子层结构等复杂因素有关。

金属离子通过吸引自由电子联系在一起,形成金属晶体。在金属晶体中,由于自由电子的存在和金属的紧密堆积结构,使金属具有共同的性质,如具有金属光泽、较大的密度、导电性和导热性等。

金属晶体对辐射能有良好的反射性能。金属中自由电子可以吸收波长范围极广的光,并重新反射出,所以金属晶体不透明,且有金属光泽。在外加电场的作用下,自由电子可以定向移动形成电流,故有导电性。受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞,传递能量,所以金属也是热的良导体。当金属受外力发生变形时,金属紧密堆积结构允许在外力下使原子层滑动而金属键不被破坏,故金属有很好的延展性,这与离子晶体的情况正好相反。

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