金属键

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金属键

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金属键是一种化学键合,由传导电子(以离域电子的电子云的形式)和带正电的金属离子之间的静电引力产生。 它可以描述为带正电的离子(阳离子)结构中自由电子的共享。 金属键考虑了金属的许多物理特性,例如强度、延展性热电阻率和电阻率以及电导率、不透明度和光泽。

金属键并不是金属可以表现出的xxx化学键类型,即使是纯物质也是如此。 例如,元素镓由液态固态的共价原子对组成——这些原子对形成晶体结构,它们之间有金属键。 金属-金属共价键的另一个例子是汞离子 (Hg2+2)。

历史

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随着化学发展成为一门科学,很明显金属构成了元素周期表的大部分,并且在描述与酸反应时可以形成的盐方面取得了很大进展。 随着电化学的出现,很明显金属通常以带正电的离子形式进入溶液,并且金属的氧化反应在其电化学系列中得到很好的理解。 一幅金属的图片出现了,正离子被负电子的海洋聚集在一起。

随着量子力学的出现,这幅图以自由电子模型及其进一步扩展即近自由电子模型的形式得到了更正式的解释。 在这两个模型中,电子都被视为一种气体,其能量基本上是各向同性的,通过固体结构行进,因为它取决于大小的平方,而不是动量矢量 k 的方向。 因此,在三维 k 空间中,最高填充能级费米面)的点集应该是一个球体。 在近自由模型中,盒状布里渊区通过(离子)结构经历的周期性势能添加到 k 空间,从而温和地破坏各向同性。

X 射线衍射和热分析的出现使研究结晶固体(包括金属及其合金)的结构成为可能; 并绘制了相图。 尽管取得了所有这些进展,但金属间化合物和合金的性质在很大程度上仍然是个谜,它们的研究通常只是经验性的。 化学家通常会避开任何似乎不遵循道尔顿倍数定律的东西; 这个问题被认为是另一门科学领域,冶金学

近自由电子模型被该领域的一些研究人员热切采用,尤其是 Hume-Rothery,试图解释为什么具有某些成分的某些金属间合金会形成而其他金属间合金不会形成。 最初 Hume-Rothery 的尝试相当成功。 他的想法是添加电子,使一系列布里渊盒内的球形费米气球膨胀,并确定某个盒子何时会充满。 这预测了后来观察到的相当大量的合金成分。 一旦回旋共振可用并且可以确定气球的形状,人们发现气球是球形的假设并不成立,也许铯的情况除外。 这一发现将许多结论简化为模型有时如何给出一系列正确预测但仍然是错误的示例。

近乎自由电子的崩溃向研究人员表明,任何假设离子处于自由电子海洋中的模型都需要修改。 因此,开发了许多量子力学模型,例如基于分子轨道或密度泛函理论的能带结构计算。 在这些模型中,要么偏离共享电子的中性原子的原子轨道,要么(在密度泛函理论的情况下)偏离总电子密度。 然而,自由电子的观点在教育领域仍然占据主导地位。

电子能带结构模型不仅成为金属研究的主要焦点,而且成为半导体研究的主要焦点。

化学键合

与电子状态一起,振动状态也显示形成带。 鲁道夫佩尔斯表明,在一维金属原子行的情况下——比如——必须出现不稳定性,这将导致这样的链分裂成单个分子。 这引发了人们对一般问题的兴趣:集体金属键何时稳定,何时会出现更局部的键合形式? 许多研究进入了金属原子簇的研究。

尽管能带结构模型的概念在描述金属键合方面被证明是强大的,但它的缺点是保持单电子近似。

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