金屬的性質(zhì)
同修 / 2022-08-05
金屬的性質(zhì) 很顯然，即使是很不在意的觀察，都可以發(fā)現(xiàn)金屬具有許多與其它固體物質(zhì)十分不同的物理性質(zhì)，雖然有個(gè)別例外，但下列性質(zhì)可以作為金屬的特性：(1)高度的反射性，(2)高度的導(dǎo)電性，電導(dǎo)隨溫度增加而降低，(3)高度的導(dǎo)熱性，和(4)機(jī)械性能如強(qiáng)度和延展性。解釋這些性質(zhì)以及某一金屬與其它金屬間性質(zhì)的區(qū)別必須從金屬的結(jié)構(gòu)和電子本性來加以說明。
金屬結(jié)構(gòu)實(shí)際所有金屬固相都具有三種基本結(jié)構(gòu)中的一種，或者稍有一些微小的差別。雖然有少數(shù)例外，但它不是我們?cè)谶@里要討論的。這三種基本結(jié)構(gòu)是：在2-1節(jié)中提到的立方和六方密堆積以及如圖2-9所示的體心立方bcc。
12個(gè)，雖然更遠(yuǎn)一些大約遠(yuǎn)15%左右，還有6個(gè)次近鄰。它的堆積密度只有hcp和ccp構(gòu)型的92%。這三種構(gòu)型hcp，ccp，和bcc在周期表中的分布，圖示在圖2-10中，大多數(shù)金屬比理想的構(gòu)型特別是hcp構(gòu)型稍有偏差。如hcp構(gòu)型中c/a的理論值是1.633(這里的c和a是六方單位晶胞的邊長)，而所有具有這種構(gòu)型的金屬的c/a值都比較小(通常為1.57—1.62)，除去Zn和Cd例外，它們的c/a值分別為1.86和1.89，而這樣的偏差一般是不能預(yù)言的，它們的出現(xiàn)并沒有特別奇怪的地方，因?yàn)閷?duì)某一指定的原子，它的同平面內(nèi)相鄰的六個(gè)原子和平面上下兩層中的六個(gè)原子的對(duì)稱性不是完全等價(jià)的，因而沒有理由說，在兩個(gè)不等同的原子組內(nèi)的鍵必須是相同的。
金屬鍵金屬的特殊的物理性質(zhì)和高配位數(shù)(不是12個(gè)就是8個(gè)最近鄰再加上6個(gè)不太接近的)都說明在金屬中的鍵和其它物質(zhì)是不同的。很明顯這里沒有離子的貢獻(xiàn)，在相鄰的原子對(duì)之間也不可能有固定組合的普通共價(jià)鍵，因?yàn)榧葲]有滿足要求的電子，也沒有足夠的軌道。曾經(jīng)煞費(fèi)苦心地企圖用最相鄰原子對(duì)間的電子對(duì)鍵的共振來處理這個(gè)問題，而且這種近似已有一定程度的成功。然而在金屬理論工作中最主要的突破是能帶理論。這個(gè)理論對(duì)導(dǎo)電性，光澤性以及其它一些金屬特性都給了非常自然的解釋。然而能帶理論的詳細(xì)說明需要一定水平的數(shù)學(xué)技巧，已超出本書的范圍。其實(shí)定性的描述就足夠了。
讓我們?cè)O(shè)想，在不改變?cè)又g的幾何關(guān)系的情況下，膨脹一金屬塊，譬如說到10 6倍，這時(shí)原子間的距離應(yīng)增大10 2倍，大約為300-500A，于是每個(gè)原子可以看成為分立的原子，每個(gè)原子具有它自己完整的原子軌道。現(xiàn)在讓我們?cè)偌俣c(diǎn)陣收縮，這樣相鄰原子的軌道開始重疊而相互作用。由于金屬的原子數(shù)很多，在達(dá)到實(shí)際的核間距時(shí)，引起的狀態(tài)組是如此接近，以致實(shí)質(zhì)上形成了連續(xù)能級(jí)，見圖2-11顯然這些鍵伸展到整個(gè)金屬，占據(jù)此能帶的電子是完全離位的。如金屬鈉，圖2-11表示出其3s和3p鍵的重疊。
另一種描述能帶的方法如圖2-12所示。這里能量為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)表示每個(gè)能級(jí)中所能容納的電子數(shù)，陰影用來表示充滿的能帶。
完全充滿或全空的能帶，如圖2-12(a)所示，不允許有凈電子的流動(dòng)，因此這種物質(zhì)是絕緣體。共價(jià)晶體可以用這個(gè)觀點(diǎn)來討論(雖然不需要這樣做)，可以認(rèn)為所有電子占據(jù)了低能帶(相當(dāng)于成鍵軌道)，而高能帶(相當(dāng)于反鍵軌道)是全空的。金屬中有被電子部分充滿的能帶，(如圖2-12(b)所示)因而金屬有導(dǎo)電性。d電子組不完整的過渡金屬有部分充滿的d能帶，這就說明了它們有高度的導(dǎo)電性。堿金屬具有半充滿的由s軌道形成的s能帶，如圖2-11所示，實(shí)際上這些s能帶和p能帶重疊，并且由于這種重疊也發(fā)生在鈣族金屬中，這時(shí)雖然原子的價(jià)電子層s軌道全部充滿，但它們?nèi)匀恍纬山饘倬w，如圖2-12(c)所示。
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