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、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”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。

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。

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，常态下Hg单质是否会是气态呢？

Hg原子的核外层电子结构的能量最低及稳定的对称结构状态，这从Hg常态下的稳定不容易被氧化，常态下是较惰性的金属也可得到证实。但是，Hg原子的稳定状态一旦被破坏，其将表现出强烈的复原性——即氧化性，再把失去的电子夺回来。

另外，虽然Hg原子的正负电荷中心是重合的，造成的“紧堆力”弱，但当在其他金属原子的影响下，Hg原子的正、负电中心的对称性会被影响而诱变，会迅速改变Hg原子的“紧堆力”，使得Hg原子与其他金属原子紧密结合，形成合金——俗称汞齐，其物理性质发生巨变。

三、主族金属熔、沸点分析

对于第一主族的金属单质而言，由于它们的最外层只有一个电子，而其内层电子结构的对称性，故使得它们的变形性不大，又由于它们的相对原子半径较大，从而第一主族的金属单质的密度小，1cm3中的金属原子的物质的量少，说明第一主族的金属单质中的原子之间的距离较远，金属原子之间的“紧堆力”弱，造成了它们的熔、沸点低的特征。并随着金属原子半径的增大，在1cm3中的金属原子的物质的量逐渐减少。

第二主族金属单质的熔、沸点比第一主族的金属单质的熔、沸点都高。原因是第二主族金属原子的最外层电子数为S2比第一主族的金属原子的最外层电子数S1多了一倍，则“金属键”的强度要大。而最外层的两个电子对整个原子的电子运动所产生的偏移影响要大，从而产生的“紧堆力”要比第一主族最外层一个电子影响要大。

四、金属锇熔、沸点（Os）分析

金属锇（Os熔点2727℃、沸点4230℃），原子的最外电子层结构为5d66s2，5d6刚好超过最稳定的半数结构，属于能量最高状态，所以对金属原子的变形性影响最大，从而产生的“紧堆力”较强，使得金属锇（Os）原子在1cm3中的金属原子的物质的量较多，金属原子间的结合较紧密，则在常态下其密度较大。正因为5d6的电子能量高且活性也大，在受到加热时产生的活力也敏感，带动它的原子运动也会有所加巨，使得它们的“紧堆力”减弱会快，则使得它的熔、沸点并非最高！

综上所述，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，在这个过程中释放出能量，同时形成自由电子的“电子气”之“金属键”。这便形成了金属晶体，才有了金属晶体的各种物理特性。

正是由于在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，能相互溶解——形成合金。

参考文献：

[1]尹敬执，申泮文.基础无机化学[M].北京：人民出版社，1980.

[2]北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学无机化学教研室.无机化学[M].北京：高等教育出版社，1986.

[3]岳永霖.无机化学[M].北京：中国轻工业出版社，2001.