化学键与分子形状

金属键

为什么一块铜既有光泽、又易弯曲、还导电良好,而盐却暗淡又易碎?区别就在金属键。在金属里,原子紧密堆积,每个原子都让自己的外层电子在整块金属里自由游走,像流体一样。固定的正离子实浸泡在这片可移动电子的海洋中,离子实与电子海之间的吸引把金属维系在一起。

最简单的图景是电子海模型:金属是一组规整排列的阳离子,浸泡在不属于任何单个原子的离域价电子里。由于电子不被束缚在任何一根键上,离子实可以彼此滑动而不破坏成键(所以金属可锻、可延展),电子可以在电压下漂移(所以金属导电),还能迅速携带能量(所以金属导热)。更完整的处理用能带取代电子海,但直觉是一样的:成键电子分布在整块固体上,而非局域在两个原子之间。

金属键是与离子键、共价键并列的第三种极限键型,主导着周期表中大多数元素的化学与物理性质。它的强度差别极大——汞在室温下是液体,而钨的熔点高于 3400 摄氏度——这取决于每个原子贡献多少价电子,以及离子实把它们抓得多紧。同样这些导电的离域电子也会反射光,这正是抛光金属富有光泽的原因。

用锤子敲铜棒,它会被压扁而不会碎裂:Cu+ 离子实只是滑到新位置,电子海则在它们周围流动,继续维持成键。对比离子晶体,那里的滑动会让同种电荷靠到一起,于是晶体开裂。

可锻性可以直接从电子海图景推出。

电子海模型只是初步的草图;它无法解释为什么有些元素是绝缘体或半导体。固体能带理论才是关于金属为何导电、非金属为何不导电的更诚实、更完整的解释。

又称
electron-sea bonding电子海模型電子海模型