金屬原子間的“緊堆力”與“金屬鍵”

摘 要：金屬晶體的形成過程，是在金屬原子間“緊堆力”的作用下，形成金屬原子的緊密堆積，并釋放出能量，同時形成自由電子的“電子氣”之“金屬鍵”，這便形成了完美金屬晶體。由于金屬原子之間存在著性質相同的“緊堆力”與“金屬鍵”，則金屬在液態狀態下，能互相溶解——形成合金。

關鍵詞：緊密堆積；緊堆力；金屬鍵；電子氣

由金屬原子形成的金屬晶體，其原子的緊密堆積結構一般有三種形式：體心立方緊堆晶格Li、Na、K、Cr、Fe、Rb、Mo、Cs、W；面心立方緊堆晶格Al、Ca、Ni、Cu、Sr、Ag、Au、Pb；六方緊堆晶格Mg、Ti、Co、Y、Zr、Cd、La、Hf等。

一、金屬晶體的形成

在金屬單質中，不同金屬單質的熔點、沸點差別很大。這說明金屬原子之間的結合力是有較大差異的。由于金屬原子的最外層電子數大都在1～2個，所形成“電子氣”的自由電子之物質的量相差不大，即由自由電子所形成的金屬鍵之強度不應該有如此大的差別。而且“電子氣”之中的電子們又不是緊緊地連接在一起的，那它們又如何能把這些金屬原子，以緊密堆積的形式緊緊連接在一起呢？原因在哪里呢？根據金屬單質是以緊密堆積形式形成的金屬晶體，以及金屬晶體表現出來的物理性質，說明金屬原子之間，存在著能實現讓金屬原子緊密堆積的結合力。那么這種使金屬原子之間能緊密堆積的結合力，是如何產生的呢？

從上述的分析可知，金屬晶體的形成，應該有使金屬原子能緊密結合的力存在，這個力應當與金屬原子的性質及其原子結構有關。那么，使金屬原子緊密堆積的結合力是怎樣產生的呢？筆者認為：由于金屬原子的原子核對核外電子之束縛能力的不同，以及原子核外層電子的不對稱與不飽和，特別是在過渡金屬原子中，這種外層電子的不對稱不飽和就更加明顯。隨著原子核外電子的高速運轉，造成金屬原子的電子們之負電中心與原子核的正電中心的不重合，形成金屬原子的正、負電極性（是瞬間的），這種電性是沒有方向性也沒有飽和性的。金屬原子所產生的這種正、負電極性，使得金屬原子間相互吸引，形成金屬原子的緊密堆積。這種由金屬原子所產生的正、負電極性而形成的金屬原子間的相互結合力——稱為金屬原子間的“緊密堆積力”，簡稱為“緊堆力”。在“緊堆力”的作用下，使得金屬原子間產生強烈的相互吸引，形成金屬原子的緊密堆積，結果使每一個金屬原子都得到電性飽和，形成穩定狀態下的金屬晶體。由于金屬原子的緊密堆積，使得金屬原子的最外層電子進一步遠離了原子核，形成自由電子的“電子氣”，被所有金屬原子所共用的“金屬鍵”。在這一過程中釋放出大量的能量，形成常態下的金屬晶體。

“緊堆力”的大小與金屬原子的變形性有關。對不同的金屬原子來講是不相同的，也就是說，使金屬原子具有的“緊堆力”與金屬原子性質及其電子層結構及電子軌道內電子的運動狀態有關。金屬原子的變形能力強的“緊堆力”大，而變形能力弱的“緊堆力”小。“緊堆力”的大小將直接影響到金屬晶體的熔點與沸點。

金屬晶體的形成是在金屬原子間“緊堆力”的作用下，使金屬原子間發生緊密的堆積，形成不同類型金屬晶體。金屬原子緊密堆積時，使得金屬原子間把它們的最外層電子擠到緊堆層外，進一步遠離了金屬原子的原子核，形成自由電子的“電子氣”，被所有金屬原子共用的“金屬鍵”。正因為最外層電子的遠離，進一步加強了金屬原子間對其他核外層電子的吸引力——“緊堆力”，使得金屬原子間的緊密堆積更加穩固。金屬原子間的“緊堆力”是主動的，是形成金屬晶體的主力，而形成的“金屬鍵”是從屬的，是形成金屬晶體的從屬力。

為此，金屬晶體的形成過程，是在金屬原子間“緊堆力”的作用下，形成金屬原子的緊密堆積，并釋放出大量的能量。同時形成自由電子的“電子氣”之“金屬鍵”。在常態下，這便形成了完美的金屬晶體。

由于金屬原子間具有的這種“緊堆力”性質的相似性，使得不同金屬原子間在液態狀態下能相互溶解。這也正符合相似相溶之理，從而能形成各種合金。這正是得意于金屬原子間存在相同性質的“緊堆力”與“金屬鍵”之作用。

二、液態金屬汞熔、沸點分析

對于金屬汞（Hg熔點-38.87℃沸點356.6℃）所表現出來的常態下的液體狀態也與Hg原子的核外層電子結構有關，造成汞原子間的“緊堆力”弱而形成。

因為Hg原子的核外層電子結構5d66s2，除最外層的6s2兩個電子外，其他各層各個軌道的電子數完全達到能量最低飽和狀態，形成了穩定的對稱結構。這些核外電子形成的電荷中心與Hg原子核的正電荷中心高度重合，使得最外層的這兩個電子對整個Hg原子的正負電荷重合影響很小，從而造成Hg原子之間的“緊堆力”很弱（Hg原子之間的結合力很小）。故Hg原子在常態下為液體且液態金屬Hg是有揮發性的（Hg蒸汽有毒），這也進一步說明Hg原子間的相互作用力弱。如果Hg原子本身不重的話，常態下Hg單質是否會是氣態呢？

Hg原子的核外層電子結構的能量最低及穩定的對稱結構狀態，這從Hg常態下的穩定不容易被氧化，常態下是較惰性的金屬也可得到證實。但是，Hg原子的穩定狀態一旦被破壞，其將表現出強烈的復原性——即氧化性，再把失去的電子奪回來。

另外，雖然Hg原子的正負電荷中心是重合的，造成的“緊堆力”弱，但當在其他金屬原子的影響下，Hg原子的正、負電中心的對稱性會被影響而誘變，會迅速改變Hg原子的“緊堆力”，使得Hg原子與其他金屬原子緊密結合，形成合金——俗稱汞齊，其物理性質發生巨變。

三、主族金屬熔、沸點分析

對于第一主族的金屬單質而言，由于它們的最外層只有一個電子，而其內層電子結構的對稱性，故使得它們的變形性不大，又由于它們的相對原子半徑較大，從而第一主族的金屬單質的密度小，1cm3中的金屬原子的物質的量少，說明第一主族的金屬單質中的原子之間的距離較遠，金屬原子之間的“緊堆力”弱，造成了它們的熔、沸點低的特征。并隨著金屬原子半徑的增大，在1cm3中的金屬原子的物質的量逐漸減少。

第二主族金屬單質的熔、沸點比第一主族的金屬單質的熔、沸點都高。原因是第二主族金屬原子的最外層電子數為S2比第一主族的金屬原子的最外層電子數S1多了一倍，則“金屬鍵”的強度要大。而最外層的兩個電子對整個原子的電子運動所產生的偏移影響要大，從而產生的“緊堆力”要比第一主族最外層一個電子影響要大。

四、金屬鋨熔、沸點（Os）分析

金屬鋨（Os熔點2727℃、沸點4230℃），原子的最外電子層結構為5d66s2，5d6剛好超過最穩定的半數結構，屬于能量最高狀態，所以對金屬原子的變形性影響最大，從而產生的“緊堆力”較強，使得金屬鋨（Os）原子在1cm3中的金屬原子的物質的量較多，金屬原子間的結合較緊密，則在常態下其密度較大。正因為5d6的電子能量高且活性也大，在受到加熱時產生的活力也敏感，帶動它的原子運動也會有所加巨，使得它們的“緊堆力”減弱會快，則使得它的熔、沸點并非最高！

綜上所述，金屬晶體的形成過程，是在金屬原子間“緊堆力”的作用下，形成金屬原子的緊密堆積，在這個過程中釋放出能量，同時形成自由電子的“電子氣”之“金屬鍵”。這便形成了金屬晶體，才有了金屬晶體的各種物理特性。

正是由于在金屬原子之間存在著性質相同的“緊堆力”與“金屬鍵”，則金屬在液態狀態下，能相互溶解——形成合金。

參考文獻：

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