離子鍵
電負(fù)性值較小的活潑金屬(如Na、K等)與電負(fù)性值較大的活潑非金屬(如F、Cl等)元素的原子相互靠近時,活潑金屬原子容易失去電子形成正離子,而活潑非金屬元素原子易于得到電子形成負(fù)離子,正、負(fù)離子依靠靜電引力結(jié)合在一起,構(gòu)成成離子型化合物。這種正、負(fù)離子之間依靠靜電引力形成的化學(xué)鍵叫做離子鍵。顯然,離子鍵中正、負(fù)離子分別是鍵的正、負(fù)極,所以離子鍵是極性鍵。通常認(rèn)為,電負(fù)性差值△X>1.7的兩個金屬與非金屬元素間易于形成離子鍵。
離子鍵的本質(zhì)是靜電引力,由靜電引力f=k[(q+·q-)(r++r-)]可知,離子電荷q+和q-越高,正、負(fù)離子核間距越小,引力越大,形成的離子鍵越強(qiáng)。
離子型化合物通常被認(rèn)為是正、負(fù)離子(電荷是球形分布的)按照一定規(guī)則緊密堆積而成,每個離子可與很多異號離子之間產(chǎn)生相互吸引,只是由于距離的遠(yuǎn)近吸引力的大小不同而已;又因?yàn)殡x子電荷分布是球形對稱的,所以每個離子可在任何方向上與異號離子產(chǎn)生吸引作用,因此離子鍵無方向性和飽和性。
與
金屬鍵
金屬鍵的理論主要有兩種:自由電子理論和能帶理論。
自由電子理論
金屬鍵自由電子理論認(rèn)為,在固體金屬中,金屬原子釋放出價電子而成為正離子,釋放出的價電子可脫離原子,在整個晶格中自由運(yùn)動,正是這些自由流動的價電子把許多金屬原子和離子黏合在一起,形成金屬鍵。金屬鍵屬于離域鍵,對于金屬鍵,有一個形象的說法是:“金屬離子浸沒在電子的海洋中”。金屬鍵既無方向性,也無飽和性。
自由電子的存在使金屬具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。自由電子可以吸收可見光,然后又把大部分光反射出來,因而一般金屬具有銀白色光澤。自由電子在外電場的作用下定向流動形成電流。做熱振動的金屬陽離子對自由電子的流動產(chǎn)生阻礙作用,構(gòu)成金屬的電阻,且隨著溫度的升高,金屬陽離子的熱振動加劇,對電子運(yùn)動阻力加大,導(dǎo)致金屬的電阻一般隨著溫度的升高而加大。自由電子的運(yùn)動可以把熱能傳遞給鄰近的原子或離子,從而很快使金屬整體的溫度均一化。
能帶理論
在分子軌道理論的基礎(chǔ)之上來討論金屬鍵的特性,形成了能帶理論。
以金屬Li為例。Li原子的核外電子排布為1s22s1,按照分子軌道理論,2個Li原子相互作用,形成Li2分子軌道:(σ1s)2(σ*1s)2(σ2s)2,見圖4-22。
在金屬Li中,n個Li原子共同成鍵,由于晶格結(jié)點(diǎn)上不同距離的Li核對電子有不同程度的作用力,導(dǎo)致電子能級發(fā)生分裂,能級差很小,形成一個幾乎連成一片且有一定上、下的能級,這就是能帶。在金屬Li中,由n個1s軌道構(gòu)成的能帶,全部充滿電子,稱為滿帶。由n個2s軌道構(gòu)成成的能帶,電子僅為為半充滿,其中n/2個σ2s軌道均占滿電子,另外n/2個σ*2s軌道全空,電子很容易從σ2s軌道躍遷到σ*2s軌道,使i具有良好的導(dǎo)電性能,這種由未充滿電子的原子軌道所形成的較高能量的能帶叫做導(dǎo)帶。在滿帶和導(dǎo)帶之間,是電子的禁止區(qū),稱為禁帶,電子不易跨越禁帶從滿帶進(jìn)入導(dǎo)帶。不同的金屬,由于構(gòu)成它的原子核外電子分布各不相同,會形成其特有的能帶。例如圖4-23,金屬M(fèi)g的3s能帶(滿帶)與3p能帶(空帶)部分重疊,禁帶消失,構(gòu)成一個未滿的導(dǎo)帶,使得Mg具有導(dǎo)電性。由此看來,只要存在導(dǎo)帶,在外電場作用下會形成電子定向流動,使材料呈導(dǎo)電性。
根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)中禁帶寬度和能帶中電子填充情況,可把物質(zhì)分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體(圖4-24)。固體材料中全空的導(dǎo)帶稱為空帶。一般金屬導(dǎo)體的導(dǎo)帶是未充滿的。絕緣體的滿帶與空帶之間的禁帶很寬,其能量間隔隔△E超過3eV(0.48×10-18J),電子難以借熱運(yùn)動躍過禁帶進(jìn)入空帶,例如金剛石為絕緣體,其禁帶寬達(dá)5.3eV。當(dāng)禁帶寬度在1eV左右時,便屬于半導(dǎo)體,例如Si和Ge均為半導(dǎo)體,他們的禁帶寬度分別為1.12eV和0.67eV。