金属键的定义、特性和示例

金属键的定义、特性和示例

金属键是在带正电的原子之间形成的一种化学键，其中自由电子在阳离子晶格中共享。相反，两个分立原子之间形成了共价键和离子键。金属键是金属原子间形成的主要化学键。

金属键存在于纯金属、合金和一些类金属中。例如，石墨烯（碳的同素异形体）具有二维金属键。金属，即使是纯金属，也能在原子间形成其他类型的化学键。例如，亚汞离子（Hg22+）可以形成金属-金属共价键。纯镓在成对原子之间形成共价键，这些原子通过金属键与周围的成对原子相连。

金属键的工作原理

金属原子（s和p轨道）的外能级重叠。参与金属键的价电子中的至少一个不与邻近原子共享，也不丢失以形成离子。相反，电子形成了所谓的“电子海”，其中价电子可以自由地从一个原子移动到另一个原子。

电子海模型是一种过于简单化的金属键。基于电子带结构或密度函数的计算更精确。金属键可以看作是材料具有比其具有离域电子更多的离域能态的结果（电子缺陷），因此局部不成对电子可能变得离域和可移动。电子可以改变能量状态，在晶格中向任何方向移动。

键合也可以采用金属团簇形成的形式，其中非定域电子围绕定域磁芯流动。键的形成很大程度上取决于条件。例如，氢是高压下的一种金属。随着压力的降低，键合从金属共价转变为非极性共价。

与金属特性有关的金属键

由于电子在带正电的原子核周围离域，金属键解释了金属的许多性质。

导电性-大多数金属都是优秀的导电体，因为电子海中的电子可以自由移动和携带电荷。导电非金属（如石墨）、熔融离子化合物和水离子化合物导电的原因相同——电子可以自由移动。

热导率-金属传导热量是因为自由电子能够将能量从热源转移出去，也因为原子（声子）的振动以波的形式穿过固体金属。

延展性-金属往往是延展性的或能够被拉成细丝，因为原子之间的局部键很容易被破坏，也可以被改造。单个原子或它们的整个薄片可以彼此滑动并改变键。

可锻性-金属通常是可锻性的，或者能够被铸模或捣成某种形状，再次是因为原子之间的键很容易断裂和改变。金属之间的结合力是无方向性的，因此拉拔或成形金属不太可能使其断裂。晶体中的电子可以被其他电子所取代。此外，由于电子可以自由移动，使金属工作时不会像电荷离子那样强制结合在一起，电荷离子可以通过强烈的排斥作用使晶体破裂。

金属光泽-金属趋向于有光泽或显示金属光泽。一旦达到一定的最小厚度，它们就变得不透明。电子海从光滑的表面反射光子。光的反射频率有一个上限。

金属键中原子间的强吸引力使金属很强，并使其具有高密度、高熔点、高沸点和低挥发性。也有例外。例如，水银是一种普通条件下的液体，具有很高的蒸气压。事实上，锌族中的所有金属（锌、镉、汞）都相对挥发。

金属键有多强？

因为键的强度取决于它的参与原子，所以很难对化学键的类型进行排序。共价键、离子键和金属键都可能是强化学键。即使在熔化的金属中，粘合也很牢固。例如，镓是不易挥发的，即使熔点很低，它的沸点也很高。如果条件正确，金属键连晶格都不需要。在具有非晶态结构的玻璃中观察到。