3.1 結合鍵(3)

    3.1.3 金屬鍵

   金屬是重要的固體材料之一，在109種化學元素中，金屬約占80%。金屬的共同性質是：不透明，有金屬光澤，有良好的導熱性、導電性和延展性。金屬所表現(xiàn)出的這些特性與金屬鍵密切相關。
    對金屬鍵的解釋目前存在2種理論，即“自由電子”模型和能帶理論。“自由電子”模型認為金屬元素的電負性小，電離能也小，外層價電子很容易擺脫原子核的束縛而成為“自由電子”，并在失去電子的金屬正離子按緊密堆積方式構成的晶格勢場中自由運動。這些“自由電子”在三維空間中運動，離域范圍很大，為所有金屬原子所共有。這種金屬正離子與自由電子之間的相互作用就構成了金屬原子間的結合力——金屬鍵。應用這個模型可以很好解釋金屬材料的一些特性，如金屬具有高導電性和導熱性，自由電子能吸收光波能量，產生躍遷，從而表現(xiàn)出有金屬光澤、不透明。另外，金屬正離子以球形密堆積方式組成，晶體原子間可滑動，表現(xiàn)出有延展性，并說明金屬鍵沒有方向性和飽和性。
   “自由電子”模型在解釋一些金屬導電性和比熱容等方面也暴露了一些不足，這主要是忽視了電子間的相互作用，從而出現(xiàn)偏差。要更深入地認識金屬鍵的本質，固體的能帶理論可得出較好的解釋。有關固體能帶理論將在固體物理等相關課程中學習。
    通過上面討論，我們可以認為金屬鍵是多原子共價鍵的極限情況，是考慮了電子的波動性以及金屬正離子的點陣勢能場以及電子與電子、電子與點陣的相互作用而得出來的，電子共有化程度顯著，形成能帶結構的特殊結果。

3.1.4 范德華鍵

    除了離子鍵、共價鍵和金屬鍵外，材料中分子之間還存在較弱的分子間作用力，范德華鍵就是其中一種。范德華鍵的鍵能比其他化學鍵的鍵能低約1~2個數量級，作用范圍約為0.3~0.5 nm，沒有方向性和飽和性。范德華力與距離r滿足1/r7的正比例函數關系，它主要源自以下3種力。
    1．靜電力
    很多極性分子正、負電荷中心不重合，具有永久偶極矩，一個分子的偶極矩正端與鄰近另一個分子偶極矩負端產生靜電吸引。靜電力即偶極子與偶極子之間的作用力，偶極子之間的靜電吸引能為
              （3-7）
  式中，μ₁²和μ₂²分別是兩個相互作用分子的偶極矩；r是偶極子之間的質心距離；k是為波爾茲曼常數；T為絕對溫度。μ_i=el_i(i=1,2)，e為電荷，l為正負電荷中心距。從式（3-7）可看出，偶極矩越大，靜電力越大。當溫度升高時，相互作用能減少，這是因為隨著溫度的升高，分子熱運動加劇，擾亂了偶極矩的取向，削弱了靜電吸引力。
    2．誘導力
    一般認為，非極性分子沒有偶極矩，正負電荷中心是重合的。但在極性分子與非極性分子組成的體系中，當非極性分子與極性分子靠近時，受到極性分子偶極電場的作用而使正負電荷位移，正負電荷中心不再重合，被誘發(fā)產生一個誘導偶極矩，該誘導偶極矩與極性分子的偶極矩之間發(fā)生靜電作用，二者之間的作用力就是誘導力。其相互作用能為
           （3-8）
  式中，μ₁²為極性分子的偶極矩；a₂為誘導偶極子的極化率�？梢娬T導力與極性分子偶極矩和誘導偶極子極化率大小有關。