固体中的键结
固体中的键结可依其原子或分子间的化学键键结型态进行分类。传统上分为以下四种键结：[1]
这些分类的成员含有不同的电荷分布、 [2] 热力、电子、以及力学性质。各类型的键能大小差异极大。而由于固体中的键结可以是混合的或是介于上述的分类之间，所以并非所有固体都是具有特定某种分类的性质，因此有些固体会被称为中间型态固体。
固体的基本分类
[编辑]共价网状固体
[编辑]共价网状固体是由以共价键连结之原子所构成（电子为具有相似电负性的原子所共有），因此可被视为一个单一的大分子。一些例子像是钻石，还有硅、[3] 石英和石墨。
性质
[编辑]这些固体的强度、刚度，以及高熔点性质都是将他们连结的共价键所造成的结果。共价键的方向特性能够抵抗与塑性流有关的剪力运动，当有剪力作用时键会断裂，因此这些固体也表现出脆的特性。造成这个脆性的原因可参考断裂力学。 共价网状固体依能隙的不同而有着从绝缘到半导体等不同的性质。
离子固体
[编辑]离子固体是由以离子键连接的原子所构成，此种键结是利用异性电荷间的电磁引力，而异性电荷是由电子从低电负性原子转移至高电负性原子所造成。离子固体当中有些化合物是由碱金属或碱土金属与卤素结合而成，如：氯化钠。
离子固体通常具有普通强度的键强以及极大的脆度，且熔点通常偏高，而有一些种类的阴阳离子会结合形成凝固点低于室温的离子液体。所有离子化合物的蒸气压都极低，这是由于将离子从离子介质移至空气中需要消耗大量的能量。
金属固体
[编辑]金属是由共用高密度离域电子的金属键所形成。一些例子像是铜和铝。另外，有一些物质从电子性质的角度来看是金属，但在力学及热力学上其金属键特性却可忽略(见中间型态). 金属固体由于其费米能级没有带隙，故可导电。
纯金属键所形成的固体具有良好的延展性以及低的键强，有些金属固体的熔点极低。（例如汞的熔点为 234 K（−39 °C））。这些性质是金属键的无方向性及非极性所造成的结果，由于这些因素，使得原子（及晶格中原子所构成的平面）能够在不干扰其他键结的状况下自由移动。金属能借由插入晶体缺陷（例如，借由合金）增加其强度，也就是借由干扰差排来调节塑性变形。另外，有些过渡金属在金属键以外，还有着具方向性的键结，使得其剪切强度增加，延展性减低，从而展现出共价固体的一些特性（为下方之其中一种中间型态）。
分子晶体
[编辑]分子晶体是由许多小的非极性共价分子以伦敦分散力（凡德瓦力）所连结而成。像是石蜡。而这种力非常微弱，其键能仅为共价键、离子键、金属键的约1/100。此种键能依分子大小和极性的增加而增加（见中间型态）。
由分子间微弱键结所形成的固体非常脆弱，且具有低熔点。如氢分子，其熔点为14 K（−259 °C）。分散力无方向性的特性增加了此种固体塑性变形的容易度，分子平面可在不造成键结严重断裂的情况下移至彼此的位置。而因为具有较大的能隙，分子晶体通常为绝缘体。
中间型态固体
[编辑]中间型态固体共有以下六种：
离子及网状共价
[编辑]共价键和离子键能形成一些连续特性的物质，参与键结的原子电负性差异越大，所形成物质的离子性越高。若共用电子之原子的电负性相近，会显现出共价键性质（例如碳氢化合物中的碳-碳键及碳-氢键）。键结极化程度越高，所显现出的离子性越大。金属氧化物沿着离子-共价谱带而变化。[4] 另外如石英中的硅-氧键，因为具有一定的极化程度，被认定为具有混合性质的物质。[5]
金属及网状共价
[编辑]有些纯共价键结构物质能够产生像是金属中离域电子的情形，像是金属奈米碳管。另外，过渡金属及过渡金属所构成之金属互化物显现出金属键及共价键的混合特性，[6]所产生的特性有高剪切强度、低延展性，以及高熔点，钨即是一个例子。
分子及网状共价
[编辑]一种物质可以既是分子也是网状共价结构，因为其共价键的组织程度介于两者之间，或者键结本身就是处于中间型态。
中等组织程度的共价键：
分子晶体是由小的非极性共价键所组成。例如石蜡是有着不同链长的碳氢化合物成员，其长链端具有高密度聚乙烯。高密度聚乙烯可形成强硬的物质：当其碳氢链排列整齐时，所产生的纤维强度可媲美钢，而此物质中的共价键会形成一些延伸的结构，但并不会形成连续的网状结构。然而，若是借由交叉链接，则聚合物网络可以变得连续，形成从交联聚乙烯到热固性树脂、高氢含量的非晶体、玻璃碳、类金刚石碳、以及钻石，等一系列物质。从上述这个例子可以知道，分子晶体与网状共价固体间是可以不存在明显分界的。
中间型态的键结：
具大量氢键的固体通常被视作分子晶体，然而其氢键具有高度的共价性。就像共价键及离子键会形成性质连续的物质一样，共价键与弱键亦会形成介于共用电子及未共用电子间之性质连续的物质。另外，有些小分子是极性的，或是具有极性基团，其极性会造成的带异性电荷的区域，进而产生类似离子键的静电键结。
分子与离子
[编辑]具有离子性基团的大分子即为离子，但其表现出的特性有可能是非离子性作用力所造成的。例如硬脂酸钠（肥皂的主要成分）完全是由离子所构成，然而其为一个柔软的物质，不像是一般的离子固体。离子固体与分子晶体之间存在一些连续的弱离子性物质。
金属与分子
[编辑]金属固体由高密度离域电子键结而形成。虽然微弱的分子键结与强大的金属键看似不相关，但共用的低密度离域电子可改变金属中金属键的程度以及共价分子表面的导电性。例子：电荷转移配合物。
金属与离子
[编辑]构成离子固体的带电成分无法存在于造成强金属键的高密度离域电子海当中。然而一些盐类分子同时具有分子以及电荷转移配合物的离子键特性，表明了导电轴上金属键结的程度。例子有包括像是四硫富瓦烯盐等物质。
参考资料
[编辑]- ^ Maksic, Zvonimir. The Concept of the Chemical Bond in Solids. Theoretical Models of Chemical Bonding. New York: Springer-Verlag. 1990: 417–452. ISBN 0-387-51553-4.
- ^ Mori-Sánchez, Paula; A. Martín Pendás; Víctor Luaña. A Classification of Covalent, Ionic, and Metallic Solids Based on the Electron Density. Journal of the American Chemical Society (American Chemical Society). 2002, 124 (49): 14721–14723. PMID 12465984. doi:10.1021/ja027708t.
- ^ Properties of Period 3 Elements （页面存档备份，存于互联网档案馆）. youtube
- ^ Lenglet, M. Iono-Covalent Character of the Metal–Oxygen Bonds in Oxides: A Comparison of Experimental and Theoretical Data. Active and Passive Electronic Components. 2004, 27: 1–60. doi:10.1080/0882751031000116142
.
- ^ Belashchenko, D.K; Ostrovski, O.I. Molecular dynamics simulation of oxides with ionic–covalent bonds. Thermochimica Acta. 2001, 372 (1–2): 143–152. doi:10.1016/S0040-6031(01)00452-X.
- ^ Nguyenmanh, D; Vitek, V; Horsfield, A. Environmental dependence of bonding: A challenge for modelling of intermetallics and fusion materials. Progress in Materials Science. 2007, 52 (2–3): 255. doi:10.1016/j.pmatsci.2006.10.010.
外部链接
[编辑]- Bonding in Solids （页面存档备份，存于互联网档案馆） Retrieved December 10, 2009.
- Materials Science （页面存档备份，存于互联网档案馆） Retrieved December 10, 2009.
