金属的性质
同修 / 2022-08-05
金属的性质 很显然，即使是很不在意的观察，都可以发现金属具有许多与其它固体物质十分不同的物理性质，虽然有个别例外，但下列性质可以作为金属的特性：(1)高度的反射性，(2)高度的导电性，电导随温度增加而降低，(3)高度的导热性，和(4)机械性能如强度和延展性。解释这些性质以及某一金属与其它金属间性质的区别必须从金属的结构和电子本性来加以说明。
金属结构实际所有金属固相都具有三种基本结构中的一种，或者稍有一些微小的差别。虽然有少数例外，但它不是我们在这里要讨论的。这三种基本结构是：在2-1节中提到的立方和六方密堆积以及如图2-9所示的体心立方bcc。
12个，虽然更远一些大约远15%左右，还有6个次近邻。它的堆积密度只有hcp和ccp构型的92%。这三种构型hcp，ccp，和bcc在周期表中的分布，图示在图2-10中，大多数金属比理想的构型特别是hcp构型稍有偏差。如hcp构型中c/a的理论值是1.633(这里的c和a是六方单位晶胞的边长)，而所有具有这种构型的金属的c/a值都比较小(通常为1.57—1.62)，除去Zn和Cd例外，它们的c/a值分别为1.86和1.89，而这样的偏差一般是不能预言的，它们的出现并没有特别奇怪的地方，因为对某一指定的原子，它的同平面内相邻的六个原子和平面上下两层中的六个原子的对称性不是完全等价的，因而没有理由说，在两个不等同的原子组内的键必须是相同的。
金属键金属的特殊的物理性质和高配位数(不是12个就是8个最近邻再加上6个不太接近的)都说明在金属中的键和其它物质是不同的。很明显这里没有离子的贡献，在相邻的原子对之间也不可能有固定组合的普通共价键，因为既没有满足要求的电子，也没有足够的轨道。曾经煞费苦心地企图用最相邻原子对间的电子对键的共振来处理这个问题，而且这种近似已有一定程度的成功。然而在金属理论工作中最主要的突破是能带理论。这个理论对导电性，光泽性以及其它一些金属特性都给了非常自然的解释。然而能带理论的详细说明需要一定水平的数学技巧，已超出本书的范围。其实定性的描述就足够了。
让我们设想，在不改变原子之间的几何关系的情况下，膨胀一金属块，譬如说到10 6倍，这时原子间的距离应增大10 2倍，大约为300-500A，于是每个原子可以看成为分立的原子，每个原子具有它自己完整的原子轨道。现在让我们再假定点阵收缩，这样相邻原子的轨道开始重叠而相互作用。由于金属的原子数很多，在达到实际的核间距时，引起的状态组是如此接近，以致实质上形成了连续能级，见图2-11显然这些键伸展到整个金属，占据此能带的电子是完全离位的。如金属钠，图2-11表示出其3s和3p键的重叠。
另一种描述能带的方法如图2-12所示。这里能量为横坐标，纵坐标表示每个能级中所能容纳的电子数，阴影用来表示充满的能带。
完全充满或全空的能带，如图2-12(a)所示，不允许有净电子的流动，因此这种物质是绝缘体。共价晶体可以用这个观点来讨论(虽然不需要这样做)，可以认为所有电子占据了低能带(相当于成键轨道)，而高能带(相当于反键轨道)是全空的。金属中有被电子部分充满的能带，(如图2-12(b)所示)因而金属有导电性。d电子组不完整的过渡金属有部分充满的d能带，这就说明了它们有高度的导电性。碱金属具有半充满的由s轨道形成的s能带，如图2-11所示，实际上这些s能带和p能带重叠，并且由于这种重叠也发生在钙族金属中，这时虽然原子的价电子层s轨道全部充满，但它们仍然形成金属晶体，如图2-12(c)所示。
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