金属晶体中的金属键强弱

真金不怕火炼

人们常用“真金不怕火炼”这一成语来比喻品质好、意志坚定的英雄人物经受得起任何困难的考验，但这种比喻的背后是有一定的物质基础的。成语中的“金”字可有两层含义：如果是特指金、银、铜、铁、锡中的金（元素符号为Au），则因纯金熔点1065℃，即使在高达1000℃的炉温下，仍依然如故，加之金是化学性质极不活泼的金属之一，即使高温下也不会被氧化，故纯金确实不怕火“炼”；金字的另二层含义是泛指金属，那对于“真金不怕火炼”就应作具体分析：以元素周期表中第二至第六周期中的49种金属（镧系金属除外）为例，其中熔点高于1000℃的金属有26种之多，这其中熔点在2000℃以上的就有10种；而熔点低于500℃的金属有14种，它们主要是碱金属、碱土金属、铜、锌副族及ⅢA到ⅥA主族中的金属，这其中又有6种金属的熔点比100℃还低。从以上对金属熔点的粗略统计不难看出，确实有一半略多的金属经受了1000℃炉温的“考验”，但也有约六分之一的金属，即使沸水的温度也能将其熔化。

为什么同为金属单质，其熔点的差异竟如此之大？这主要是金属晶体中金属键的强弱有很大的差异所致。金属键的强弱可定量地用各金属的气化热来度量，气化热是1摩尔该金属晶体完全气化为金属原子时所需的热量。一种金属的气化热越大，说明金属晶体中原子间结合越牢，使其熔化所需温度就越高。金属钨、金、铅、钠、汞，它们的气化热分别为824．3、343．1、177．8、79．1和59．1千焦／摩，而熔点依次为3407℃、1065℃、328℃、98℃和－39℃，两者的顺序完全一致。

为什么金属晶体中金属键的强度有如此大的差异呢？这其中有无变化规律？有一种化学键的理论（分子轨道理论）认为：金属键还可以看作由多个金属原子参与的离域共价键，对于长周期的金属元素而言，由于原子中最外层的s亚层和次外层的d亚层能级相近，因此在形成离域共价键时．每个金属原子可将最外层的s轨道和次外层的5个d轨道提供出来，参与形成金属晶体中的离域分子轨道，其中每个金属原子可以分配回来3个对原子成键有正面影响的“成键分子轨道”，及对原子成键有负面影响的“反键分子轨道”，每个轨道都最多容纳2个电子。下面，以第四周期的前12种金属元素为例，来分析它们的成键强弱：从钾到铬的前6种元素，新增电子分别填入3个成键分子轨道，因此，所形成的金属键由弱到强；此后从锰到锌的6种金属，新增电子依次进入反键分子轨道，金属键又由强到弱。所以，对于这12种金属单质，其熔点是先由低到高，到铬时升至最高，此后熔点又由高到低。从这些金属熔点的具体数据看，除个别有微小的颠倒外，变化趋势基本如此，这一解释对第五、六周期的金属单质的熔点顺序也同样适用。这就是为什么在同一周期中，碱金属和锌副族金属的熔点最低，而铬副族（Cr、Mo、w）的熔点最高的微观结构角度的解释。