金属连成整体,电子可以自由迁移
铜被用来做电线,金可以被捶打成比纸还薄的薄片。相比之下,盐的晶体一敲就碎,固体食盐也不导电。这些差别来自粒子结合的方式。原子中间是带正电的核,核外一层层排着带负电的电子。钠、铜这样的金属原子,最外层只有很少几个电子,而且束缚得比较松;想看清每一层,可以看玻尔原子模型页面。在金属中,这些外层电子不属于任何一个特定的原子;单凭这一点,就能同时解释导电和弯曲。可以把它与离子键和共价键页面比较:那里的电子是在特定的原子之间转移或共用的。
一根金属丝可以导电,也可以弯曲。要解释这两件事,我们先看看金属内部有哪些东西,以及哪些能够移动。模型中的正离子实排列成晶格,一些电子可以在整块金属中移动。认清这两部分以后,再加上电流或移动一层离子实,看看这个结构怎样帮助我们解释刚才的现象。
01认识晶格与离域电子
银色球是正离子实:原子核加上紧密束缚的内层电子。部分外层电子发生离域,不再属于某一个特定原子。负电电子与正离子实之间的吸引就是金属键。下面的蓝色细线让这种集体吸引可见,它们不是一根根固定的独立化学键。
模型说明:示意一价金属,含 45 个正离子实与 45 个离域电子标记。离子大小、电子路线、漂移速度和吸引细线均为教学符号,并非原子尺度的真实轨迹或定量电导计算。简单晶格不代表铜的实际晶体结构。
02从模型读出金属的性质
导电
接通电源后,导线里会出现一种沿导线方向推电子的作用,叫作电场。电场使离域电子(前面说的可迁移电子)产生定向偏移,无须让整个固体流动也能运输电荷。反向施加电场,电流与电子漂移方向都会反转。物理上把电流方向规定为正电荷运动的方向;电子带负电,所以电子的漂移方向与电流相反。
延展性
把一根铜丝弯成新的形状,它不会像盐晶体那样碎开。金属各层可以重新排列,同时继续共享离域电子。吸引遍布整个固体,而不是只固定在某一对原子之间,因此金属可以改变形状。
吸引是相互的
离子实吸引电子,电子也吸引离子实。稳定间距还取决于排斥与量子效应;只有吸引并不足以解释物质为何具有有限大小。
想一想:电流向右时,电子往哪边漂移?
向左。电子带负电,而约定电流方向采用正电荷运动方向。局部运动与更小的定向漂移是两个不同概念。
