（56）零空间论与金属接触键的实例解析

零空间论与金属接触键的实例解析

除一般接触键以外，还有一类存在于金属中的化学键现代化学称为金属键。金属键存在于金属单质中，由一些自由电子形成，这些自由电子不像热能引起的接触键只存在于两个原子之间，而是存在于运动电子所经过的所有相邻金属原子之间。零空间论称金属单质中自由运动的电子与金属单质原子所形成的化学键叫做金属接触键，也称金属离子键，简称金属键。金属键其实就是电子在金属原子中不停地非持续膨胀运动。一个电子之所以能在物质中不断地自由运动，物质原子应该具备这样的条件：当原子获得一个电子时，这个电子一定是处于非持续性膨胀状态，而不可能是处于收缩状态或持续性膨胀状态。我们知道，金属元素一般具有这样的特性：不管最外电子层含有多少个电子，其收缩差或电负性都小于或等于一半电子质量。这个特性决定，当任何一个金属原子获得一个电子时，这个原子立刻会处于非持续性膨胀状态，而它周围的其他金属原子本来都是处于收缩差为小于或等于二分之一电子质量的收缩状态，所以这个原子就会和它周围处于收缩状态的相邻原子产生异性吸引力，即产生化学键作用力。而当电子因为非持续性膨胀力的作用离开这个原子时，这个原子又会恢复到原来的收缩状态，即恢复到收缩差小于或等于二分之一电子质量的收缩状态。这些条件决定自由电子会不断从第一个原子被膨胀到第二个原子内，又从第二个原子被膨胀到第三个原子内……电子每进入一个原子内都会使该原子从收缩状态转变为非持续性膨胀状态，进而使该原子与其周围的其他处于收缩状态的金属原子产生异性吸引力，形成化学键。而电子每离开一个原子时又会使该原子恢复到原来的收缩状态，并和进入电子后处于非持续膨胀状态的原子形成异性吸引力。这就是自由电子能够在金属单质中不断产生自由膨胀运动并不断形成化学键作用力的原因。我们看出，金属键和一般接触键相同的是它们都是因为电子从一个原子转移到另一个原子内而后形成化学键的作用，不同的是，金属键是一种动态结合力，而一般接触键则是一种静态结合力。现代化学认为一个电子在金属单质中自由运动形成化学键，相当于金属单质共用这个电子，所以叫共价键。零空间论认为， 自由电子在金属单质中的非持续性膨胀运动，原则上属于电子从一个原子内转移到另一个原子内，符合接触键的性质，再者，重叠键显著的特性是要产生重叠区域，而且需要两个共用电子才能形成化学键，但金属键内并不存在重叠区域，而且单电子可以形成化学键结合力，所以金属键应归属于接触键，而不应归属于重叠键。

我们举例说明金属键，比如铜、铁、铝三种金属单质。铜的收缩差（电负性）为 1.90，铁的收缩差（电负性）为 1.80，铝的收缩差（电负性）为 1.61。这些数值符合收缩差都小于一半电子质量（1.8 ～ 2.0）这一条件。当铜、铁、铝这些金属单质中的自由电子从第一个原子中脱离运动到第二个原子内时，第一个原子是从非持续性膨胀状态转变为收缩状态，第二个原子是从收缩状态转变为非持续性膨胀状态。此时第二和第一两原子会因异性产生相互吸引的作用力（第二个原子和所有处于收缩状态的相邻原子均可产生相互吸引的作用力）。当电子从第二个原子运动到第三个原子内时，第二个原子将从非持续性膨胀状态转变为收缩状态，而第三个原子将从收缩状态转变为非持续性膨胀状态，此时第三和第二两个原子也会因异性产生相互吸引的作用力（第三个原子和所有处于收缩状态的相邻原子均可产生相互吸引的作用力） ……所有原子最终形成每获得一个电子就会处于非持续性膨胀状态并再次膨胀出一个电子的情况，这是金属接触键自由电子形成的基础。在金属接触键的形成过程中， 电子与原子每一次脱离与进入或进入与脱离，都会使原子的状态发生变化，都会使原子由非持续性膨胀状态转变为收缩状态或由收缩状态转变为非持续性膨胀状态，最终都会使脱离和进入的两个原子间或异性相邻的原子间产生相互吸引的作用力。电子不断运动的过程就是电子不断从一个原子膨胀到另一个原子的过程，又是相邻原子不断产生异性吸引力作用的过程。由于电子的运动速度非常快，就会使同一物质内相邻原子间产生高概率吸引力作用，这种高概率吸引力作用又会使每两个相邻原子间都能产生相对持续性的结合力，从而使整个物质内的原子被结合和束缚在一起。这里应该明白，我们所说的自由电子并不是指一个电子，同一个金属物质内可能含有若干个这样的自由电子。电子就是靠这种膨胀作用产生的运动，靠这种运动过程中产生高概率的相互吸引作用，使整个物质原子紧密地结合在一起，牢固地束缚在一起。自由电子的运动轨迹就像无数条无形的绳索将原子串联在一起，将物质捆绑在一起。这也是这些金属单质的原子本来都是处于游离状态，处于一盘散沙的状态，为什么通过金属键结合在一起就会变得那么牢固坚硬的原因。

电子之所以能在铜、铁、铝等金属单质中所有的原子内产生非持续性膨胀作用，并不断能在每个原子中产生自由运动，自有其内在的本质原因。一方面，它们是同一类单质，即自由电子面对的是相同的原子。相同的原子其最外电子层都具有相同的状态，决定它们具有某些相同的性质。这种相同的性质主要表现在当它们获得一个电子的时候，就会表现出相同的状态，比如都表现出收缩状态或膨胀状态。一旦这些原子获得电子都能处于非持续性膨胀状态，决定电子可以在这些原子内不停地运动和传播。这种相同原子的物质特性为电子能否在所有原子中传播创造了一定条件。另一方面，根据金属原子的性质我们推测出金属元素具有一个普遍而重要的性质：最外电子层收缩差或电负性一般都小于二分之一电子质量。这一性质保证了电子被金属原子膨胀运动到另一个金属原子内，只可能产生非持续性膨胀状态，而不可能产生收缩状态或持续性膨胀状态，非持续性膨胀状态决定电子要产生非持续性膨胀运动，要脱离该原子。脱离该原子的电子又会进入下一个原子内，并使离开的原子由非持续性膨胀状态转变为收缩状态，使进入的下一个原子再次产生非持续性膨胀运动并再次脱离该原子……从而使电子能不断地在所有金属原子中产生非持续性膨胀运动，产生在原子间的传播运动，产生原子间的异性结合力作用。这就是自由电子形成金属接触键的基本原理。由此我们看出，金属接触键的形成条件有两个：第一，金属单质是由同类金属原子组成。第二，金属元素一般都具有最外电子层收缩差小于或等于一个电子质量一半的特性。不难看出，金属接触键其实是一种动态结合力。金属键的形成原理也让我们揭开了物质导电和不导电的本质原因。

我们知道，最外层电子的数量越少，对电子膨胀出原子外的影响越小，铜、铁、铝最外层分别含有 1、2、3 个电子，它们之所以具有较好的导电性能，成为人们常用的导电材料，与它们最外层含有最少的电子数量有关。相比之下，铜的导电性能最好，原因是铜最外层只有一个电子，即便增加一个电子一共也就两个电子，电子层膨胀差只作用于这两个电子，一个电子能否被尽快膨胀出原子外，只会受到另外一个电子的影响。在同时进入的膨胀运动中，一旦另外一个电子的运动速度减慢，那么这个电子就可能会被膨胀出原子外。正是这一因素决定铜的导电性能最好。