金属键 _生活百科

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金属键【金属键】金属键（metallic bond）是化学键的一种，主要在金属中存在。由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。由于电子的自由运动，金属键没有固定的方向，因而是非极性键。金属键有金属的很多特性。例如：一般金属的熔点、沸点随金属键的强度而升高。其强弱通常与金属离子半径成逆相关，与金属内部自由电子密度成正相关（便可粗略看成与原子外围电子数成正相关）。在配合物（多聚型）中，为达到18e-，金属与金属间以共价键相连，亦称金属键。
基本介绍中文名：金属键
外文名：metallic bond
定义：使金属原子形成金属晶体的化学键
套用学科：化学
简介处于凝聚状态的金属原子，将它们的价电子贡献出来，作为整个原子基体的共有电子。金属键本质上与共价键有类似的地方，只是此时其外层电子的共有化程度远远大于共价键。这些共有化的电子也称为自由电子，自由电子组成所谓的电子云或电子气，在点阵的周期场中按量子力学规律运动。而失去了价电子的金属原子成为正离子，嵌镶在这种电子云中，并依靠与这些共有化的电子的静电作用而相互结合，这种结合方式就称为金属键。例如，铝原子失去它的最外层的3个价电子，而成为由原子核和内层电子组成的带有3个正电荷的铝离子。由于失去的这些价电子不再固定于某一原子位置，所以，以金属键结合的物质具有很好的导电性能。在外加电压作用下，这些价电子就会运动，并在闭合迴路中形成电流。金属键没有方向性，正离子之间改变相对位置并不会破坏电子与正离子间的结合，因而金属具有良好的塑性。同样，金属正离子被另外一种金属正离子取代也不会破坏结合键，这种金属之间溶解的能力（称为固溶）也是金属的重要特性。此外，金属导电性、导热性、紧密排列以及金属正的电阻温度係数都直接起因于金属键结合。自由电子理论在金属晶体中，自由电子作穿梭运动，它不专属于某个金属原子而为整个金属晶体所共有。这些自由电子与全部金属离子相互作用，从而形成某种结合，这种作用称为金属键。由于金属只有少数价电子能用于成键，金属在形成晶体时，倾向于构成极为紧密的结构，使每个原子都有儘可能多的相邻原子（金属晶体一般都具有高配位数和紧密堆积结构），这样，电子能级可以得到儘可能多的重叠，从而形成金属键。上述假设模型叫做金属的自由电子模型，称为改性共价键理论。这一理论是1900年德鲁德（drude）等人为解释金属的导电、导热性能所提出的一种假设。这种理论先后经过洛伦茨（Lorentz，1904）和佐默费尔德（Sommerfeld，1928）等人的改进和发展，对金属的许多重要性质都给予了一定的解释。如：1、由于在金属晶体中，自由电子在金属中作穿梭运动，所以在外电场作用下，自由电子定向运动，产生电流。加热时，因为金属原子振动加剧，阻碍了自由电子作穿梭运动，因而金属电阻率一般和温度呈正相关。2、当金属晶体受外力作用而变形时，儘管金属原子发生了位移，但自由电子的连线作用并没变，金属键没有被破坏，故金属晶体具有延展性。3、自由电子很容易被激发，所以它们可以吸收在光电效应截止频率以上的光，并发射各种可见光，所以大多数金属呈银白色。4、温度是分子平均动能的量度，而金属原子和自由电子的振动很容易一个接一个的传导，故金属局部分子的振动能快速地传至整体，所以金属导热性能一般很好。但是，由于金属的自由电子模型过于简单化，不能解释金属晶体为什幺有结合力，也不能解释金属晶体为什幺有导体、绝缘体和半导体之分。随着科学和生产的发展，主要是量子理论的发展，建立了能带理论。能带理论金属键的能带理论是利用量子力学的观点来说明金属键的形成。因此，能带理论也称为金属键的量子力学模型，它有5个基本观点：1、为使金属原子的少数价电子（1、2或3）能够适应高配位数的需要，成键时价电子必须是“离域”的（即不再从属于任何一个特定的原子），所有价电子应该属于整个金属晶格的原子共有。2、金属晶格中原子很密集，能组成许多分子轨道，而且相邻的分子轨道能量差很小，可以认为各能级间的能量变化基本上是连续的。3、分子轨道所形成的能带，也可以看成是紧密堆积的金属原子的电子能级发生的重叠，这种能带是属于整个金属晶体的。例如，金属锂中锂原子的1S能级互相重叠形成了金属晶格中的1S能带，等等。每个能带可以包括许多相近的能级，因而每个能带会包括相当大的能量範围，有时可以高达418 kJ/mol 。4、按原子轨道能级的不同，金属晶体可以有不同的能带（如上述金属锂中的1s能带和2s能带），由已充满电子的原子轨道能级所形成的低能量能带，叫做“满带”；由未充满电子的原子轨道能级所形成的高能量能带，叫做“导带” 。这两类能带之间的能量差很大，以致低能带中的电子向高能带跃迁几乎不可能，所以把这两类能级间的能量间隔叫做“禁带” 。例如，金属锂（电子层结构为1s22s1）的1s轨道已充满电子，2s轨道未充满电子，1s能带是个满带，2s能带是个导带，二者之间的能量差比较悬殊，它们之间的间隔是个禁带，是电子不能逾越的（即电子不能从1s能带跃迁到2s能带）。但是2S能带中的电子却可以在接受外来能量的情况下，在带内相邻能级中自由运动。5、金属中相邻近的能带也可以互相重叠，如铍（电子层结构为1s22s2）的2s轨道已充满电子，2s能带应该是个满带，似乎铍应该是一个非导体。但由于铍的2s能带和空的2p能带能量很接近而可以重叠，2s能带中的电子可以升级进入2p能带运动，于是铍依然是一种有良好导电性的金属，并且具有金属的通性。导电性金属能带之间的能量差和能带中电子充填的状况决定了物质是导体、非导体还是半导体（即金属、非金属或準金属）。如果物质的所有能带都全满，而且能带间的能量间隔很大，这个物质将是一个非导体；如果一种物质的能带是部分被电子充满，或者有空能带且能量间隙很小，能够和相邻（有电子的）能带发生重叠，它是一种导体。半导体的能带结构是满带被电子充满，导带是空的，而禁带的宽度很窄，在一般情况下，由于满带上的电子不能进入导带，因此晶体不导电（尤其在低温下）。由于禁频宽度很窄，在一定条件下，使满带上的电子很容易跃迁到导带上去，使原来空的导带也充填部分电子，同时在满带上也留下空位（通常称为空穴），因此使导带与原来的满带均未充满电子，所以能导电。物理性质向金属施以外加电场时，导带中的电子便会在能带内向较高能级跃迁，并沿着外加电场方向通过晶格产生运动，这就说明了金属的导电性。能带中的电子可以吸收光能，并且也能将吸收的能量又发射出来，这就说明了金属的光泽和金属是辐射能的优良反射体。电子也可以传输热能，表明金属有导热性。给金属晶体施加应力时，由于在金属中电子是离域（即不属于任何一个原子而属于金属整体）的，一个地方的金属键被破坏，在另一个地方又可以形成金属键，因此机械加工不会破坏金属结构，而仅能改变金属的外形，这也就是金属有延性、展性、可塑性等共同的机械加工性能的原因。金属原子对于形成能带所提供的不成对价电子越多，金属键就越强，反应在物理性质上熔点和沸点就越高，密度和硬度越大。能带理论对某些问题还难以说明，如某些过渡金属具有高硬度、高熔点等性质，有人认为原子的次外层电子参与形成了部分共价性的金属键。所以说，金属键理论仍在发展中。