任务3.3　金属键

元素周期表中约有80%的金属元素。除金属汞在常温下为液态外，其他都是晶体。金属有很多共同的物理特性，如有颜色和光泽，有良好的导电性和传热性，有好的机械加工性能等。金属有这些共性是由金属内部特有的化学键的性质决定的。

自由电子理论认为，金属原子的外层价电子较少，与原子核的联系较松弛，容易丢失电子形成阳离子。在金属晶体中，价电子可以自由地从一个原子流向另一个原子，不是固定在某一金属离子的附近，称为自由电子。图3.13中黑点代表自由电子。

图3.13　金属晶体结构示意图

在金属晶体中，由于自由电子不停地运动，把金属原子和离子联系在一起，这种化学键称为金属键。这些自由电子好像为许多原子或离子所共有，从这个意义上可以认为金属键是一种改性的共价键，但与共价键不同，金属键没有方向性和饱和性。

金属键是化学键的一种，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。金属键有金属的很多特性，例如：一般金属的熔点、沸点随金属键的强度而升高。

知识拓展

分子轨道理论

价键理论和杂化轨道理论比较直观，能比较成功地解释共价键的方向性和分子空间构型，但解释共价键的形成只局限在两个相邻原子之间，没有考虑分子整体性，因此有其局限性。如按照价键理论，O2 分子中电子都是成对的，应该是反磁性的，而实验测定却只有顺磁性。又如苯的结构、单电子键、三电子键等问题，价键理论都无法解释。1932年，美国化学家马利肯和德国理论物理学家洪特提出分子轨道理论。

现代价键理论认为，电子在原子轨道上运动，共价键局限在两个原子之间。分子轨道理论则认为，原子轨道先组合成分子轨道，电子在分子轨道上运动，共价键是离域的，不是局限在两个原子之间的。分子轨道理论基本要点如下：

1.分子中每个电子的运动状态可用相应的波函数φ 来描述，φ 称为分子轨道。|φ|表示电子在分子空间出现的概率密度，即电子云。每个分子轨道都有相应的能量和形状。分子轨道用σ，π，σ…表示。

2.分子轨道波函数由分子中所有原子轨道波函数线性组合而成，可用数学计算并程序化。组合前原子轨道数目与组合后形成的分子轨道数目相等。

原子轨道组合形成分子轨道，要遵循对称性原则（只有对称性相同的原子轨道才能组成分子轨道）、能量相近原则（只有能量相近的原子轨道才能组成有效的分子轨道）和最大重叠原则（原子轨道重叠程度越大形成的化学键越牢固）。

在分子轨道中，一部分轨道能量低于原来的原子轨道，称为成键轨道；一部分轨道能量高于原来的原子轨道，称为反键轨道。原子轨道对称性不匹配则不能有效重叠形成分子轨道，称为非键分子轨道。非键分子轨道能量与组合前的原子轨道能量没有明显差别。

3.分子中所有电子属于整个分子，在分子轨道中依能量由低到高的次序排布，同样遵循能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则。

4.用键级来表示所形成共价键的牢固程度。键级是成键轨道上电子数与反键轨道上电子数差值的一半。对于同周期、同区元素来说，键级越大，共价键越牢固，分子越稳定。

5.电子自旋产生磁场，分子中有未成对电子时，各单电子自旋方向相同，磁场加强，这时物质呈顺磁性。

分子轨道理论的诞生是量子化学发展的里程碑。它可以解释价键理论解释不了的物质结构和性质。从20世纪50年代开始，价键理论逐渐被分子轨道理论所代替。分子轨道理论主要应用有：阐述各种类型的分子光谱的性质以及有关激发态的性质；讨论共轭分子的稳定性、键的活性（键能、电荷密度和电偶极矩）；讨论键的类型，分子的磁性，分子内、分子间与分子对称性有关的相互作用等。此外，分子轨道理论在有机合成、药物设计、物质结构分析、分子器件制造、光材料制备、纳米材料生产、选矿等诸多领域均具有广泛应用。