《微场模式》中的金属键（上）

 侯马市教研室     王玉生

篇首语：

在地球表面上，人们发现的化学元素也包括人造的元素，一共有一百一十二种，被排列在化学元素周期表中，其中金属元素占80％，研究金属原子的结构和研究金属键的形成机理，对于材料的开发和利用，具有非常重要的意义。

在二十世纪的化学理论中，金属键理论一直是个弱项，对于金属原子，它们原子的最外层一般只有1个或2个电子，电子云理论无法想象它们的单个电子是怎样与周围多个原子发生重叠的，这里的“多个原子”一般有8个或者是12个，在过去的理论中，原子之间形成化学键，是靠“电子云”的重叠来解释的，这个电子云理论没有办法解释金属的特点，有说法认为金属原子核外的电子是共同所有的，有些人把金属说成是原子核浸泡在电子的海洋中，不论怎样解释，都不能令人信服，此外，金属都具有许多共同的特点，比如：有金属光泽、不透明、良好的导电性和传热性、良好的延展性和良好机械加工性、还有一定的机械强度，这些都是电子云无法解释的。“双电子轨道”发现以后，金属原子之间形成的是三原子轨道键，在固态或液态的金属中，原子之间是形成了绕3个原子或者多个原子旋转的双电子轨道而结合的，说到底仍然是一种特殊形态的轨道键，这些“双电子轨道”就象橡皮筋捆绑玻璃球一样，把金属原子捆绑在一起，金属的许多性质，也将随着《双电子轨道理论》的出台而被逐步搞清楚。

摘要：

本文从金属的晶胞结构上，分析它们的轨道结构，从中发现叠交轨道的形成机理，找到叠交轨道的特征，解释金属具有的共同的特征。

 关键词：

晶胞结构   叠交轨道 

十九、金属键的形成机理

 例36.  金属钠的（Na9）晶胞结构

 金属钠在化学元素的周期表中是第11号元素，原子核中有11个质子，原子核外有11个电子，第一层上有2个电子，形成一个双电子轨道，第二层有8个电子，是4个双电子轨道的定轴交叉，最外层只有1个电子，根据“内层等量屏蔽原理”，钠原子在它的外层球面上，存在1个单位的正电性强度，在熔化的状态下，能够吸引周围其它原子的电子，形成绕三个原子旋转的双电子轨道，如图（14—1a）所示，中心钠原子吸引周围两个原子的电子形成一个双电子轨道，在x轴方位上，占90度方位，在钠原子的上方，仍然存在有1个单位的正电性，还能够吸引周围原子的电子而形成三原子轨道，这样，钠原子在0度、45度、135度方位上也形成三原子的分子轨道，形成4个双电子轨道的定轴交叉式的结构，如图（14—1b）所示。

在金属钠的结构中，由于钠原子之间的正电性的排斥作用，原子之间上下转位，其中0度 方位上的钠原子，它向上偏转，180度方位上的钠原子向下偏转，与315度方位上的轨道叠交； 90度 方位是的钠原子向下偏转，270度方位上的钠原子向上偏转，与45度 方位上的电子轨道叠交，形成2×2式叠交轨道，这样的结构单元称为晶胞，组成了晶体为体心立方结构体，晶胞结构如图（14—1c）所示。

图中（a）是一个三原子轨道键，（b）是4个三原子轨道键，（c）是金属钠的晶胞结构，（d）是叠交轨道示意图。

 所谓叠交轨道，是指在“轨道平面定轴交叉”的结构中，在某个平面上出现了两个或者是两个以上的“双电子轨道”，这称为“电子轨道的叠交”，形成的轨道称为“叠交轨道”，叠交方式一般有2×2式、3×3式、4×4式等，在2×2式的表示方法中，前一个2表示平面数，后一个2表示每个平面的双电子轨道数，钠原子形成的属于2×2式叠交道。对于中心钠原子来讲，是两个轨道平面的交叉，属于不饱满结构，因此，金属钠质地很软，金属钠的轨道结构决定了它以下一些性质和特点：

第一，轨道结构不具备四轨道定轴交叉，因此，属于不饱和结构 ，在外力作用下，分子轨道的平面能够移动，因此，它的质地很软，用指甲就可以刻划；

第二，在顶角上钠原子，属于单轨道捆绑，很容易从轨道中滑脱，化学性质十分活泼，放入水中，能够把氢原子核排斥掉而形成取代物，即形成氢氧化物；

第三，在整个晶胞中，9个价电子形成了4个双电子轨道，用去了8个电子，有1个价电子剩余，因此，它具有导电性；在碱金属中，如钾、铷、铯，也可以形成体心立方结构，配位数是8。在金属钠的结构中，由于外层轨道结构是两个轨道平面的交叉，轨道平面随着外力的作用而活动，在碱金属中，如钾、铷、铯，都可以形成与金属钠相似的配位数是8的体心立方结构体。

上文，我们讨论了三原子轨道是金属结构的共同特征，其一、三原子轨道中的原子在分子轨道中具有滑位而不破坏轨道的特点，其二、轨道外的原子与轨道内的原子换位也具有不破坏轨道结构的特点，这在锻造和机械加工中能够得到印证。第三、金属原子的绕核电子在温度升高时，也就是绕核速度增大时，能够发生轨道迁移现象，反映了金属结构的良好导热性，这个称为轨道迁移传热说；

通过本文的讨论，我们发现：第四、金属的结构中都具有剩余的价电子，这些剩余电子属于自由电子，在外加电场的作用下，能够定向移动形成电流，这就是金属为什么具有导电性的原因，用这个方法解释导电性的说法称为“剩余电子导电说”；第五、在金属结构中，金属键本质上仍然是轨道键，多数金属原子是被几个双电子轨道捆绑，属于多轨道捆绑多原子，这样的结构在外力的拉拉伸作用下，不论是纵向拉伸、还是横向拉伸，或者是侧向拉伸，晶胞中的原子都被三个双电子轨道捆绑，因此，一般金属都具有一定的机械强度就是这个道理，这称为多轨道捆绑牢固性原理。第六，在一般的金属合金中，它们的轨道结构存在双原子轨道和三原子轨道的混合状况，双原子轨道对原子的捆绑具有一定的机械强度，而三原子轨道对原子的捆绑具有活动性，反应在宏观上是一种机械的韧性，双原子轨道和三原子轨道的比例决定着合金的物理特性，一般可以采用热处理的方法来改变这种轨道结构的比例。比如碳钢（即铁和碳组成的合金），进行高温处理以后，如果缓慢冷却，可以增加三原子轨道在钢件中的比例，其钢件的韧性增加，这个称为“退火”；如果高温处理以后，迅速冷却，可以增加双原子轨道的比例，这样钢件的钢性增强，这个称为“淬火”，为了使钢件既有一定的钢性，同时又保留一定的机械韧性，可以采用高温处理以后迅速“淬火”然后再缓慢冷却，使之表面有一定的机械强度，内部又有一定的机械韧性，当然“淬火液”的不同（有水、油、盐水、微量元素水等多种），钢件的硬度也就具有很大的不同，需要在实践中推敲和实验，这在刀具和刃具的加工中，非常重要。