金属键

化学键

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。金属键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18电子结构，金属与金属间以共价键相连，亦称金属键。

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，并在闭合回路中形成电流。

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系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，使每个原子都有尽可能多的相邻原子（金属晶体一般都具有高配位数和紧密堆积结构），这样，电子能级可以得到尽可能多的重叠，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，尽管金属原子发生了位移，但自由电子的连接作用并没变，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么有结合力，也不能解释金属晶体为什么有导体、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范围，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、非金属或准金属）。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）。由于禁带宽度很窄，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。

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