《微场模式》中的金属键（下）

2012-06-18 09:22:28

侯马市教研室     王玉生

例37.  金属锂（Li12）的晶胞结构

锂在化学元素的周期表中是第3号元素，原子核中有3个质子，原子核外有2层电子，第一层2个，第二层1个，它除了能够形成配位是8的体心立方晶体以外，还能够形成配位数是12的面心立方结构体和配位数是12的密排六方结构体。

所谓面心立方结构体，它的配位数是12，它的晶胞结构可以看做三层，中间的一层有7个原子，上面一层有三个原子，下面一层也是三个原子，中间一层排布形式如图（16—1a）所示，上面的一层如图（b）虚线所示，下面一层如图（c）实线所示。

面心立方结构体从任一方位上作切面，都是如图（a）所示的，可以看做是12个原子紧密围绕在中心一个原子的四周，整个金属都是由这些晶胞堆积而成，每个面中间有两个三原子的夹层。轨道结构：中间的是三个三原子双电子轨道，第一层与第三层与中心原子组成上下结合的三个三原子轨道，属于（1×3+3个三原子轨道）式三原子叠交轨道。

面心立方结构体的金属有：K、Rb、Cs、Li、Na、Cr、Mo、W、Fe

另外一种是密排六方结构，它的晶胞结构是：第一层是7个原子，第二层是三个原子，第三层7个原子，第四层又是三个原子，整个金属结构是半个面心立方晶胞的结合体，轨道结构可以看做是（1×3+3个双原子轨道），实际上，双原子轨道应该是叠交形态的三原子轨道。轨道结构如图（16—2）所示，

根据上述讨论，我们可以对金属键的形成机理作如下描述：

在金属结构中，金属原子可以与周围多个原子形成双原子轨道、三原子轨道或者是多原子轨道，由于原子之间的排斥力作用，金属原子彼此扭转，轨道叠交，形成叠交式轨道结构，这称为金属轨道叠交说。

三九、金属的结晶类型

在金属的结构中，常见的晶胞有：体心立方晶格、面心立方紧堆晶格和密排六方紧堆晶格，面心立方紧堆晶格的晶胞结构可以看作是两层，第一层是6个，第二层是3个，第三层是6个，第四层又是3个，属于6+3+6+3型，金属的原子球体占全部体积的74％，其余是晶格的空隙；密排六方紧堆晶格的结构可以看作是三层，第一层是3个，第二层是6个，第三层又是3个，第四层又是3个，属于3+6+3型，金属原子的球体也是占全部体积的74％，所以认为它是紧堆式结构。

而体心立方晶格的晶胞，配位数是8，金属原子的球体占全部体积的68％，所以，认为它们不是紧堆型结构。

在常见的金属结构中，它们组成晶体的情况如下：

组成体心立方晶格的金属有：K、Rb、Cs、Li、Na、Cr、Mo、W、Fe

组成面心立方紧堆的金属有：Sr、Ca、Pb、Ag、Au、Al、Cu、Ni

组成密排六方紧堆的金属有：La、Y、Mg、Zr、Hf、Cd、Ti、Co

（一）、一价金属的结晶形态

在化学元素周期表的主族元素中，外层只有1个电子的金属有：锂、钠、钾、铷、铯、钫，因为它们的氢氧化物，都是强碱，因此，称为碱金属，它的结晶形态基本上都是体心立方，配位数都是8，它们结晶的状况主要决定于它们的轨道结构形态，是在炽热的状态下，缓慢冷却而形成的。对于某些体心立方的结晶体，在熔化状态下，利用振动或者是加压的方法，是否能够使它们转化为密排六方结晶体，配位数变为是12，还需要通过实验去研究，从理论上分析，应该能够转化的。

（二）、二价金属的结晶形态

在化学元素周期表的主族元素中，外层是2个电子的有：铍、镁、钙、缌、钡，金属铍，金属镁，它们的结晶形态都是密排六方，配位数是6＋6，堆积形式是3+6+3式；金属钙，的结晶形态有两种，一种是面心立方，配位数都是12，堆积形式是6+3+6式，另一种是密排六方，配位数是6＋6；金属锶，的结晶形态是面心立方，配位数是12；金属钡的结晶形态是体心立方，配位数是8。

（三）、三价金属的结晶形态

在化学元素周期表的主族元素中，外层是3个电子的有：硼、铝、镓、铟、铊，硼属于非金属，它是一种棕色无形物质，没有结晶体，金属铝的结晶形态是面心立方，配位数是12；金属镓的晶胞是含8个原子的正交点阵；金属铟的结晶形态是面心正方，配位数都是4＋8；金属铊的结晶形态有两种：一种是密排六方，配位数是6＋6，另一种是体心立方，配位数是8。

（四）、四价金属的结晶形态

在化学元素周期表的主族元素中，外层是4个电子的称为四价金属，基本元素有：碳、硅、锗、锡、铅，碳有两种结晶形态，一种是金刚石，是正四面体，配位数是4，另一种是石墨，片层结构，6个原子组成一个单元，配位数是3；硅，符号是（Si），锗，符号是（Ge），它们的结晶形态是金刚石型，配位数是4；金属锡，符号（Sn），它的结晶形态有三种，灰锡是立方晶系，白锡是四方晶系，脆锡是正交晶系；金属铅，符号（Pb），它的结晶形态是面心立方，配位数是12。

（五）、五价元素的结晶形态

在化学元素周期表的主族元素中，外层是5个电子的称为五价元素，主要有：氮、磷、砷、锑、铋，其中，氮在常温下是气体，磷（P）属于非金属，将磷蒸汽隔绝空气迅速冷却，得到的是一种由4个磷原子组成的正四面体结晶体，称为白磷，晶体结构，每个磷原子分别在45度、90度、135度个方位上与其它磷原子组成轨道键，由于角度的关系，这几个轨道受到一定的应力，在外力作用下容易破坏，所以键能很低，仅为18.9千卡/摩尔，而在每个磷原子的00方位上是原子轨道，对外显示3个单位的负电性，能够与蛋白质分子中的氢原子形成电性键，激发下转化为轨道键，因此，正四面体的白磷，就像一个带四个利刃的“四角体”，能够夺去蛋白质分子中的氢原子，所以，它是一种有剧毒的结构体，0.1克白磷服入胃中即可致死人命。

将白磷放置或者是在400℃密闭加热数小时就转化为红磷，红磷的结构，目前人们还没有搞清楚，它是正四面体的结晶体断开一个轨道或者是两个轨道而形成的链状结构体，由于角度关系，其“利刃”也失去效用。白磷在高压下，磷原子00方位上的原子轨道相互结合组成轨道键，组成一种网络结构体，即转变为黑磷，每个磷原子有一个价电子剩余，因此，黑磷是可以导电的结构体，所以，单质磷有三同素种异形体：白磷、红磷、黑磷。

砷、锑、铋三种元素的结晶体是菱方结构，配位数是3+3。

本文完成于二00六年五月，本次略有更新，敬请参考。