化學原理啟迪408
1.
成功的金屬原子鍵結模型，必定要納入基本的金屬物理性質：延展性、高效率地導熱與導電。
CORNELIANI Menswear Spring Summer 2014 Milan
2.
雖然大部分純金屬比較容易改變形狀，不過金屬是相當堅固結實的物質，並且金屬的熔點很高。上述事實顯示大部分金屬物質的原子鍵結力量很強，並且沒有方向性（可與各個方向的原子鍵結）。
3.
意思是，雖然要分開金屬原子非常困難，但是在金屬原子彼此接觸的前提下去移動原子的位置就比較容易。
4.
對這些觀察到的現象，最簡單的圖像解釋是電子海模型electron sea model。
5.
這個模型想像金屬陽離子有秩序地排列在價電子海中，流動的電子海能夠導熱與導電。金屬被壓扁成片狀或拉長成絲線時，電子海中的陽離子能夠輕易地配合外力移動位置。
6.
另一個比較能夠解釋電子能量與運動的模型是：能帶模型band
model，或者稱為分子軌域模型molecular orbital(MO) model；這種模型假定電子群在金屬晶體的分子軌域內游移，這裡的分子軌域是由金屬原子的價電原子軌域交互作用而成。
7.
在氣態鋰分子Li2軌域模型 MO model，2個相同的原子軌域交互作用，產生2個距離遙遠的「分子軌域能階
MO energy levels」，這2個分子能階分別是分子的「鍵結軌域」與「反鍵結軌域」。
8.
金屬晶體包含許多金屬原子，這些金屬原子產生數量眾多的分子軌域MOs，在有限空間下擠入數量眾多的分子軌域，使得各分子軌域之間的間隔縮短，幾乎連接成一塊，成為連續性能階，稱為能帶bands。
9.
鎂金屬的晶體是六方最密堆積結構 hcp structure。每個鎂原子有1個3s和3個3p價電原子軌域。由n個鎂原子構成的晶體，每個鎂原子的3s軌域和3p軌域一起形成分子軌域。
10.
特別留意，核電子是定域化的（在固定的區域位置）。圖中顯示鎂的1s、2s、2p核電子軌域，穩定地環繞著它們的原子核電荷。
11.
而價電子（3s、3p）填入的分子軌域MOs比較遠離原子核，各原子的價電分子軌域彼此緊鄰連接，然而價電分子軌域MOs只有部分填入電子。
12.
上述模型可以解釋為什麼金屬晶體能導熱與導電。金屬導電、導熱非常迅速，因為它們的電子（價電子）能夠在不同的原子之間，自由地流動、移動。
13.
舉例來說，當一片金屬的二端接受正負二極電位，從電位輸出的電流電子，必須能夠從負極區域，自由地穿越金屬板到正極區域，才能順利導電。
14.
金屬能帶模型，位於填滿的分子軌域內的價電子，若是受外力激化（例如電位提供的外加電流）而進入空的分子軌域，我們就能夠以空的分子軌域為管道輸送流動電子。在電位的正、負電極指揮下，電子能自由地傳導通過金屬晶體。
15.
傳導電子填入的分子軌域MOs，稱為傳導能帶conduction bands。這些流動電子也與金屬高效率的導熱性質也官。當金屬棒的某一端被加熱，流動電子能迅速地將熱能傳遞到金屬棒的另一端。
金屬合金 Metal Alloys
16.
金屬原子的鍵結方式與原子結構，使金屬晶體容易混合其他元素產生新的金屬物質，稱為合金alloys。合金的定義是，這是一種含有數種元素、具有金屬性質的混合物。
17.
合金可分為二類，分別為取代合金substitutional
alloy和填隙式合金 interstitial alloy。
18.
取代合金substitutional alloy，金屬物質的主要金屬原子，一部份更換成其他類似大小的金屬原子。舉例來說，黃銅主要成分是銅，將其中1/3更換成鋅；
19.
紋銀的93%是銀，7%銅；鉛錫合金是85%是錫，7%是銅，6％是鉍，2％是銻；水管用的軟焊合金，67%是鉛，33%是錫；這些都是取代合金。
20.
填隙式合金，主要金屬元素的最密堆積結構的縫隙，填入較小的金屬原子。
21.
鋼是最著名的填隙式合金，鐵晶體的原子縫隙間，插入小顆的碳原子，便成為鋼。插入的原子改變主要金屬的性質。
22.
純鐵相當柔軟、有延展性，因為鐵原子彼此之間沒有強烈方向性的鍵結力量，也就是一個鐵原子對任何方向的其他鐵原子都能夠加以鍵結，這就是為什麼在金屬內，球型金屬原子很容易移往任何一個位置，繼續與周遭金屬原子鍵結。
23.
然而，嵌插在鐵原子縫隙間的碳原子，會與鐵原子形成強烈的方向性化學鍵，這些含有方向性「鐵－碳鍵」的合金，比純鐵更為剛硬，並且沒有延展性。
24.
碳原子的數量多寡直接影響鋼的性質。柔鋼mild steels，含有低於0.2%的碳，比較有延展性。柔鋼用來製造釘子、電纜線（鐵索）和鍊子。
25.
中碳鋼medium steels，含有0.2~0.6%的碳，中碳鋼比柔鋼堅硬，中碳鋼可用來做鐵軌和結構鋼樑。高碳鋼high carbon steels，含有0.6~1.5%的碳，質地堅硬，用來製造彈簧、各種工具和刀具。
26.
有許多鋼材含有鐵與碳以外的元素。這些鋼材稱為合金鋼alloy steels，合金剛可視為一種混合取代合金和填隙式合金的產物。舉例來說，腳踏車輪圈是許多種元素混合出來的合金鋼。
沒有留言:
張貼留言