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科学网物质是怎样构成的?(二)

2018-01-14 01:14    浏览:

物质是怎样构成的?(二)

           晶体构成的物理原因

                                             晏成和

共价晶体 质子的引力没有边界,原子有几个价电子,就吸引相邻的几个核心的外层电子构成几个结构元。原子通过这几个结构元与周围几个原子连接,围绕核心的结构元只有按一定的空间位置均匀分布,才能使得价和电子运行线路最短,以利价电子共享,无数个核心都如此均匀规则排列,就形成整齐有序的晶体。

如Ⅳ族元素碳、硅、锗等,其原子外层有4个价电子,在质子引力作用下,吸引周边的4个原子的价电子在空间环绕进行价和运转,构成了4个结构元。该元素所有的原子都象这样一个连着4个,规律重复。形成了Ⅳ族晶体的点阵结构──金刚石型结构。(图二左)

     

                 金刚石结构                       菱方结构     

图二  晶体的结构  

同样的,Ⅴ族元素如砷、锑等,其一个原子通过5个结构元在空间与周边5个原子连接,形成了菱方结构的晶格(图二 右)。Ⅵ族元素硒、碲等构成的是双菱结构。

原子有几个价电子,就能够构建几个结构元,因而晶体结构与其价电子数息息相关。无数个这样由结构元联接而成的几何形体在空间扩展开来就形成了整齐有序的晶格点阵,所以同一族元素的晶格结构完全一样或大部分相同。

晶体整齐有序的结构是核外电子按规律、精准线路运行的结果,那些电子云的重叠、化学键的耦合是不可能如此清楚地解读晶体的构成。晶体的规则结构对核外电子的规则运转线路作了最美丽的诠释

若按传统的理论每个原子的核外电子是电子云、所有电子都在作无规则运转,如何能形成与价电子数相对应的键?如何能形成如此多姿多彩的晶体?

以上我们讨论了价电子数为4—7的共价晶体,那么只有1、2、3个价电子的金属是如何构成其金属晶体结构、如何构成其面心立方、体心立方晶体?为此,我们先要来了解构成物体、使物质的原子结合、内聚的力——价和力和电磁力。

价和力  以上所讲:两个核心相互吸引对方的外电子,这样就把原子核对电子的聚合力——部分变成了两原子之间的结合力,在这种强结合力的作用下,结构元内的两核心结合十分紧密,我们把结构元内两原子之间由价和电子运转所形成的结合力叫做价和力。

价和力是非金属晶体的主要结合力,非金属晶体就是靠价和力结合成一个整体的。而不是所谓的共价键、极性键。

 价和力与价和电子运转速度的平方成正比、与运转半径成反比,价和电子的速率越高、两核心的半径之和越小,价和力就越大,原子之间结合得越紧密。价和电子的动能也就构成了结构元内两原子之间的结合能。

 碳原子的核心半径很小,价和电子的速率很高,所以其价和力较大,加之有四个结构元形成金刚石结构,外力极难损坏。宏观的表现就是:金刚石的硬度很高、强度很好。

当然,石墨也是碳原子构成的同素异构体,我们将另题讨论。

 图三,左图为非金属物体(碳、硅)的结构示意:处出在三棱锥每个定点上的原子也象其中心的原子一样,有4 条价和轨道的环绕,如此连续有序地向周围扩展,形成了稳定的固体结构。

                                         价和结构       电磁力结构      

                 图三

在金属物质中,原子外层只有1-3个价电子,价和运转只能形成1、2个结构元,不可能像硅那样有多个结构元结合成空间结构。那么,只有1个价电子的铜、银;2个价电子的铁、镍;3个价电子的铝,是如何构成其金属的晶体结构?

在价和电子组成结构元,形成价和力的同时还伴生着另一种力:





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