金属键的能带理论
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发布时间：2022-04-30 14:46
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时间：2022-06-25 15:19
①为使金属原子的少数价电子(1、2或3)能够适应高配位数的需要，成键时价电子必须是“离域”的(即不再从属于任何一个特定的原子)，所有价电子应该属于整个金属晶格的原子共有。
②金属晶格中原子很密集，能组成许多分子轨道，而且相邻的分子轨道能量差很小，可以认为各能级间的能量变化基本上是连续的。
③分子轨道所形成的能带，也可以看成是紧密堆积的金属原子的电子能级发生的重叠，这种能带是属于整个金属晶体的。例如，金属锂中锂原子的1S能级互相重叠形成了金属晶格中的1S能带，等等。每个能带可以包括许多相近的能级，因而每个能带会包括相当大的能量范围，有时可以高达418 kJ/mol。
④按原子轨道能级的不同，金属晶体可以有不同的能带(如上述金属锂中的1s能带和2s能带)，由已充满电子的原子轨道能级所形成的低能量能带，叫做“满带”；由未充满电子的原子轨道能级所形成的高能量能带，叫做“导带”。这两类能带之间的能量差很大，以致低能带中的电子向高能带跃迁几乎不可能，所以把这两类能级间的能量间隔叫做“禁带”。例如，金属锂(电子层结构为1s22s1)的1s轨道已充满电子，2s轨道未充满电子，1s能带是个满带，2s能带是个导带，二者之间的能量差比较悬殊，它们之间的间隔是个禁带，是电子不能逾越的(即电子不能从1s能带跃迁到2s能带)。但是2S能带中的电子却可以在接受外来能量的情况下，在带内相邻能级中自由运动。
⑤金属中相邻近的能带也可以互相重叠，如铍(电子层结构为1s22s2)的2s轨道已充满电子，2s能带应该是个满带，似乎铍应该是一个非导体。但由于铍的2s能带和空的2p能带能量很接近而可以重叠，2s能带中的电子可以升级进入2p能带运动，于是铍依然是一种有良好导电性的金属，并且具有金属的通性。
根据能带理论的观点，金属能带之间的能量差和能带中电子充填的状况决定了物质是导体、非导体还是半导体(即金属、非金属或准金属)。如果物质的所有能带都全满(或最高能带全空)，而且能带间的能量间隔很大，这个物质将是一个非导体；如果一种物质的能带是部分被电子充满，或者有空能带且能量间隙很小，能够和相邻(有电子的)能带发生重叠，它是一种导体。半导体的能带结构是满带被电子充满，导带是空的，而禁带的宽度很窄，在一般情况下，由于满带上的电子不能进入导带，因此晶体不导电(尤其在低温下)。由于禁带宽度很窄，在一定条件下，使满带上的电子很容易跃迁到导带上去，使原来空的导带也充填部分电子，同时在满带上也留下空位(通常称为空穴)，因此使导带与原来的满带均未充满电子，所以能导电。
能带理论也能很好地说明金属的共同物理性质。向金属施以外加电场时，导带中的电子便会在能带内向较高能级跃迁，并沿着外加电场方向通过晶格产生运动，这就说明了金属的导电性。能带中的电子可以吸收光能，并且也能将吸收的能量又发射出来，这就说明了金属的光泽和金属是辐射能的优良反射体。电子也可以传输热能，表明金属有导热性。给金属晶体施加应力时，由于在金属中电子是离域(即不属于任何一个原子而属于金属整体)的，一个地方的金属键被破坏，在另一个地方又可以形成金属键，因此机械加工不会破坏金属结构，而仅能改变金属的外形，这也就是金属有延性、展性、可塑性等共同的机械加工性能的原因。金属原子对于形成能带所提供的不成对价电子越多，金属键就越强，反应在物理性质上熔点和沸点就越高，密度和硬度越大。
能带理论对某些问题还难以说明，如某些过渡金属具有高硬度、高熔点等性质，有人认为原子的次外层d电子参与形成了部分共价性的金属键。所以说，金属键理论仍在发展中。
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时间：2022-06-25 15:20
