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)機械性能如強度和延展性。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，但它不是我們在這里要討論的。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，雖然更遠一些大約遠15%左右，還有6個次近鄰。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，因為對某一指定的原子，它的同平面內(nèi)相鄰的六個原子和平面上下兩層中的六個原子的對稱性不是完全等價的，因而沒有理由說，在兩個不等同的原子組內(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個就是8個最近鄰再加上6個不太接近的)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，在相鄰的原子對之間也不可能有固定組合的普通共價鍵，因為既沒有滿足要求的電子，也沒有足夠的軌道。曾經(jīng)煞費苦心地企圖用最相鄰原子對間的電子對鍵的共振來處理這個問題，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。這個理論對導(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。其實定性的描述就足夠了。
讓我們設(shè)想，在不改變原子之間的幾何關(guān)系的情況下，膨脹一金屬塊，譬如說到10 6倍，這時原子間的距離應(yīng)增大10 2倍，大約為300-500A，于是每個原子可以看成為分立的原子，每個原子具有它自己完整的原子軌道?，F(xiàn)在讓我們再假定點陣收縮，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，在達到實際的核間距時，引起的狀態(tài)組是如此接近，以致實質(zhì)上形成了連續(xù)能級，見圖2-11顯然這些鍵伸展到整個金屬，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)表示每個能級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，因此這種物質(zhì)是絕緣體。共價晶體可以用這個觀點來討論(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，這時雖然原子的價電子層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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