《微場模式》中的金屬鍵（上）

 侯馬市教研室     王玉生

篇首語：

在地球表面上，人們發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素也包括人造的元素，一共有一百一十二種，被排列在化學(xué)元素周期表中，其中金屬元素占80％，研究金屬原子的結(jié)構(gòu)和研究金屬鍵的形成機理，對于材料的開發(fā)和利用，具有非常重要的意義。

在二十世紀的化學(xué)理論中，金屬鍵理論一直是個弱項，對于金屬原子，它們原子的最外層一般只有1個或2個電子，電子云理論無法想象它們的單個電子是怎樣與周圍多個原子發(fā)生重疊的，這里的“多個原子”一般有8個或者是12個，在過去的理論中，原子之間形成化學(xué)鍵，是靠“電子云”的重疊來解釋的，這個電子云理論沒有辦法解釋金屬的特點，有說法認為金屬原子核外的電子是共同所有的，有些人把金屬說成是原子核浸泡在電子的海洋中，不論怎樣解釋，都不能令人信服，此外，金屬都具有許多共同的特點，比如：有金屬光澤、不透明、良好的導(dǎo)電性和傳熱性、良好的延展性和良好機械加工性、還有一定的機械強度，這些都是電子云無法解釋的?！半p電子軌道”發(fā)現(xiàn)以后，金屬原子之間形成的是三原子軌道鍵，在固態(tài)或液態(tài)的金屬中，原子之間是形成了繞3個原子或者多個原子旋轉(zhuǎn)的雙電子軌道而結(jié)合的，說到底仍然是一種特殊形態(tài)的軌道鍵，這些“雙電子軌道”就象橡皮筋捆綁玻璃球一樣，把金屬原子捆綁在一起，金屬的許多性質(zhì)，也將隨著《雙電子軌道理論》的出臺而被逐步搞清楚。

摘要：

本文從金屬的晶胞結(jié)構(gòu)上，分析它們的軌道結(jié)構(gòu)，從中發(fā)現(xiàn)疊交軌道的形成機理，找到疊交軌道的特征，解釋金屬具有的共同的特征。

 關(guān)鍵詞：

晶胞結(jié)構(gòu)   疊交軌道 

十九、金屬鍵的形成機理

 例36.  金屬鈉的（Na9）晶胞結(jié)構(gòu)

 金屬鈉在化學(xué)元素的周期表中是第11號元素，原子核中有11個質(zhì)子，原子核外有11個電子，第一層上有2個電子，形成一個雙電子軌道，第二層有8個電子，是4個雙電子軌道的定軸交叉，最外層只有1個電子，根據(jù)“內(nèi)層等量屏蔽原理”，鈉原子在它的外層球面上，存在1個單位的正電性強度，在熔化的狀態(tài)下，能夠吸引周圍其它原子的電子，形成繞三個原子旋轉(zhuǎn)的雙電子軌道，如圖（14—1a）所示，中心鈉原子吸引周圍兩個原子的電子形成一個雙電子軌道，在x軸方位上，占90度方位，在鈉原子的上方，仍然存在有1個單位的正電性，還能夠吸引周圍原子的電子而形成三原子軌道，這樣，鈉原子在0度、45度、135度方位上也形成三原子的分子軌道，形成4個雙電子軌道的定軸交叉式的結(jié)構(gòu)，如圖（14—1b）所示。

在金屬鈉的結(jié)構(gòu)中，由于鈉原子之間的正電性的排斥作用，原子之間上下轉(zhuǎn)位，其中0度 方位上的鈉原子，它向上偏轉(zhuǎn)，180度方位上的鈉原子向下偏轉(zhuǎn)，與315度方位上的軌道疊交； 90度 方位是的鈉原子向下偏轉(zhuǎn)，270度方位上的鈉原子向上偏轉(zhuǎn)，與45度 方位上的電子軌道疊交，形成2×2式疊交軌道，這樣的結(jié)構(gòu)單元稱為晶胞，組成了晶體為體心立方結(jié)構(gòu)體，晶胞結(jié)構(gòu)如圖（14—1c）所示。

圖中（a）是一個三原子軌道鍵，（b）是4個三原子軌道鍵，（c）是金屬鈉的晶胞結(jié)構(gòu)，（d）是疊交軌道示意圖。

 所謂疊交軌道，是指在“軌道平面定軸交叉”的結(jié)構(gòu)中，在某個平面上出現(xiàn)了兩個或者是兩個以上的“雙電子軌道”，這稱為“電子軌道的疊交”，形成的軌道稱為“疊交軌道”，疊交方式一般有2×2式、3×3式、4×4式等，在2×2式的表示方法中，前一個2表示平面數(shù)，后一個2表示每個平面的雙電子軌道數(shù)，鈉原子形成的屬于2×2式疊交道。對于中心鈉原子來講，是兩個軌道平面的交叉，屬于不飽滿結(jié)構(gòu)，因此，金屬鈉質(zhì)地很軟，金屬鈉的軌道結(jié)構(gòu)決定了它以下一些性質(zhì)和特點：

第一，軌道結(jié)構(gòu)不具備四軌道定軸交叉，因此，屬于不飽和結(jié)構(gòu) ，在外力作用下，分子軌道的平面能夠移動，因此，它的質(zhì)地很軟，用指甲就可以刻劃；

第二，在頂角上鈉原子，屬于單軌道捆綁，很容易從軌道中滑脫，化學(xué)性質(zhì)十分活潑，放入水中，能夠把氫原子核排斥掉而形成取代物，即形成氫氧化物；

第三，在整個晶胞中，9個價電子形成了4個雙電子軌道，用去了8個電子，有1個價電子剩余，因此，它具有導(dǎo)電性；在堿金屬中，如鉀、銣、銫，也可以形成體心立方結(jié)構(gòu)，配位數(shù)是8。在金屬鈉的結(jié)構(gòu)中，由于外層軌道結(jié)構(gòu)是兩個軌道平面的交叉，軌道平面隨著外力的作用而活動，在堿金屬中，如鉀、銣、銫，都可以形成與金屬鈉相似的配位數(shù)是8的體心立方結(jié)構(gòu)體。

上文，我們討論了三原子軌道是金屬結(jié)構(gòu)的共同特征，其一、三原子軌道中的原子在分子軌道中具有滑位而不破壞軌道的特點，其二、軌道外的原子與軌道內(nèi)的原子換位也具有不破壞軌道結(jié)構(gòu)的特點，這在鍛造和機械加工中能夠得到印證。第三、金屬原子的繞核電子在溫度升高時，也就是繞核速度增大時，能夠發(fā)生軌道遷移現(xiàn)象，反映了金屬結(jié)構(gòu)的良好導(dǎo)熱性，這個稱為軌道遷移傳熱說；

通過本文的討論，我們發(fā)現(xiàn)：第四、金屬的結(jié)構(gòu)中都具有剩余的價電子，這些剩余電子屬于自由電子，在外加電場的作用下，能夠定向移動形成電流，這就是金屬為什么具有導(dǎo)電性的原因，用這個方法解釋導(dǎo)電性的說法稱為“剩余電子導(dǎo)電說”；第五、在金屬結(jié)構(gòu)中，金屬鍵本質(zhì)上仍然是軌道鍵，多數(shù)金屬原子是被幾個雙電子軌道捆綁，屬于多軌道捆綁多原子，這樣的結(jié)構(gòu)在外力的拉拉伸作用下，不論是縱向拉伸、還是橫向拉伸，或者是側(cè)向拉伸，晶胞中的原子都被三個雙電子軌道捆綁，因此，一般金屬都具有一定的機械強度就是這個道理，這稱為多軌道捆綁牢固性原理。第六，在一般的金屬合金中，它們的軌道結(jié)構(gòu)存在雙原子軌道和三原子軌道的混合狀況，雙原子軌道對原子的捆綁具有一定的機械強度，而三原子軌道對原子的捆綁具有活動性，反應(yīng)在宏觀上是一種機械的韌性，雙原子軌道和三原子軌道的比例決定著合金的物理特性，一般可以采用熱處理的方法來改變這種軌道結(jié)構(gòu)的比例。比如碳鋼（即鐵和碳組成的合金），進行高溫處理以后，如果緩慢冷卻，可以增加三原子軌道在鋼件中的比例，其鋼件的韌性增加，這個稱為“退火”；如果高溫處理以后，迅速冷卻，可以增加雙原子軌道的比例，這樣鋼件的鋼性增強，這個稱為“淬火”，為了使鋼件既有一定的鋼性，同時又保留一定的機械韌性，可以采用高溫處理以后迅速“淬火”然后再緩慢冷卻，使之表面有一定的機械強度，內(nèi)部又有一定的機械韌性，當然“淬火液”的不同（有水、油、鹽水、微量元素水等多種），鋼件的硬度也就具有很大的不同，需要在實踐中推敲和實驗，這在刀具和刃具的加工中，非常重要。