金属为什么能导电，还能锻打？
1.8.3 节学过金属的共同性质：有金属光泽，能导电、导热，有延展性。金可以锤打成比头发丝薄几百倍的金箔，铜可以拉成细细的导线。可是 2.4.1 节说过，离子晶体一敲就碎。同样是由带正电的粒子组成，金属为什么不碎？答案藏在金属内部特殊的化学键里。
金属键：电子气模型
金属原子的价电子少（一般 1～3 个），电离能小，很容易“脱落”。在金属里，原子脱落下来的价电子不再属于某一个原子，而是在整块金属中自由运动，被所有金属阳离子共用，形象地叫做电子气sea of electrons。金属阳离子和电子气之间的强烈相互作用，叫做金属键metallic bond。
和前两节比较：
| 离子键 | 共价键 | 金属键 | |
|---|---|---|---|
| 成键粒子 | 阴、阳离子 | 原子 | 金属阳离子和自由电子 |
| 电子怎样分配 | 从金属原子转移给非金属原子 | 两个原子共用 | 整块金属共用 |
| 一般存在于 | 活泼金属和活泼非金属之间 | 非金属原子之间 | 金属单质和合金中 |
用电子气解释金属的性质
- 导电性： 接上电源后，自由电子定向移动，形成电流。
- 导热性： 自由电子运动时不断和金属阳离子碰撞，很快把热量从温度高的地方传到温度低的地方。
- 延展性： 受到外力时，金属原子层之间可以相对滑动，但电子气始终把各层连在一起，金属键没有被破坏。离子晶体却不同：一层离子错开后，同种电荷相遇，互相排斥，晶体就碎了。
- 金属光泽： 自由电子能吸收各种波长的可见光，又把它们发射出来，所以大多数金属是银白色、闪闪发亮的。
先看金属：通电，再敲一敲；然后换成离子晶体 NaCl，做同样的两件事，比较结果：
金属键的强弱
金属阳离子的电荷越多（价电子越多）、半径越小，它和电子气之间的作用越强，金属键越强，金属的熔点、沸点越高，硬度越大。沸腾时金属原子要彼此完全分开，所以沸点更能反映金属键的强弱。
| 金属 | 价电子数 | 熔点 | 沸点 |
|---|---|---|---|
| Na | 1 | 97.8 °C | 883 °C |
| Mg | 2 | 650 °C | 1090 °C |
| Al | 3 | 660.3 °C | 2519 °C |
同一主族从上到下，金属原子越来越大，金属键减弱。2.3.6 节看到，碱金属的熔点从锂的 180.5 °C 降到铯的 28.4 °C。
合金
由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成、具有金属特性的物质叫做合金alloy。AP 课程按结构把合金分成两类：
- 替代型合金substitutional alloy：另一种原子和原来的金属原子大小相近，替换掉晶格里的一部分原子。例如黄铜中，锌原子替代了部分铜原子。
- 间隙型合金interstitial alloy：另一种原子小得多，钻进金属原子之间的空隙。例如钢中，碳原子填在铁原子之间。
不管哪一种，外来原子都会打乱原来整齐的原子层，让原子层更难滑动，所以合金通常比纯金属更硬。间隙型合金的效果尤其明显：钢比纯铁硬得多。
例题 1：铜和食盐
为什么铜块能锻打成薄片，食盐晶体却一敲就碎？
- 铜里的化学键。 铜是金属，铜离子之间是电子气，金属键没有固定的方向。
- 敲打铜会怎样。 原子层相对滑动后，周围仍然是电子气，铜离子和电子气之间的吸引照样存在，金属键没有断，铜只是变形。
- 食盐里的化学键。 食盐中 Na⁺ 和 Cl⁻ 交替排列，靠离子键结合，每个离子周围都是异种电荷。
- 敲打食盐会怎样。 一层离子滑过一个位置后，Na⁺ 对着 Na⁺、Cl⁻ 对着 Cl⁻，同种电荷相互排斥，晶体沿着这一层裂开。
- 结论。 差别在于键有没有方向：金属键没有方向，层错开后照样结合；离子键要求异种电荷相邻，层错开后变成排斥。
例题 2：比较 Na、Mg、Al 的金属键
钠、镁、铝都在第 3 周期。比较它们的金属键强弱，并用数据核对。
- 决定金属键强弱的两个因素。 金属阳离子的电荷越多（放进电子气的电子越多），离子越小，金属阳离子和电子气之间的吸引越强。
- 比电荷。 Na、Mg、Al 分别有 1、2、3 个价电子，形成 Na⁺、Mg²⁺、Al³⁺。
- 比大小。 同一周期从左到右，离子半径减小：Na⁺ 102 pm、Mg²⁺ 72 pm、Al³⁺ 54 pm。
- 结论。 两个因素方向一致：Na < Mg < Al。
- 用数据核对。 沸点依次是 883 °C、1090 °C、2519 °C。熔点也是这个顺序，不过镁和铝只差 10 °C，熔点还和晶体的结构有关。
- 铜（Cu）
金属单质，铜离子和电子气之间是金属键。
- 氯化钠（NaCl）
活泼金属和活泼非金属，由 Na⁺ 和 Cl⁻ 构成。
- 二氧化碳（CO₂）
两种非金属元素，由分子构成，C=O 是共价键。
- 铁（Fe）
金属单质，是金属键。
- 氧化镁（MgO）
由 Mg²⁺ 和 O²⁻ 构成，是离子键。
- 水（H₂O）
O–H 是共价键。
- 黄铜（铜锌合金）
合金仍然具有金属的结构，是金属键。
- 溴化钾（KBr）
由 K⁺ 和 Br⁻ 构成，是离子键。
- 氯气（Cl₂）
两个氯原子共用一对电子，是共价键。
常见误区
误区 1：“金属键就是相邻金属原子之间共用一对电子。” 共价键的共用电子对只属于两个原子；金属里的自由电子属于整块金属，在所有金属阳离子之间运动。
误区 2：“金属里的电子只有通电时才会运动。” 自由电子一直在做杂乱无章的运动。通电后，它们在杂乱运动的同时整体向一个方向漂移，这才形成电流。
误区 3：“合金是几种金属组成的化合物。” 合金一般是混合物，各成分不需要按固定的比例组成；而且合金中也可以有非金属，如钢中的碳。
即时小测
下列事实中，能用“电子气”模型解释的是？
金属中的自由电子在电压作用下定向移动，形成电流。食盐溶解和离子有关，氮气稳定是因为 N≡N 键能大，水的沸点高是因为氢键（2.4.8 节）。
下列金属中，沸点最高的是？
铝有 3 个价电子，Al³⁺ 的电荷最多、半径最小，金属键最强，沸点最高（2519 °C）。
小结
- 金属原子脱落的价电子形成“电子气”，被所有金属阳离子共用；金属阳离子和电子气之间的强烈相互作用就是金属键。
- 电子气解释了金属的导电性、导热性、延展性和金属光泽。离子晶体受力时同种电荷相遇而碎裂，金属受力时原子层滑动而不断开。
- 金属阳离子的电荷越多、半径越小，金属键越强。合金分为替代型和间隙型，通常比纯金属更硬。
通往 AP（以后再看）
AP U2.4 用粒子图表示金属和合金：纯金属是整齐排列的同样大小的球；替代型合金中有些球换成了大小相近的另一种球；间隙型合金中有小球填在大球之间。AP 题目常问为什么间隙型合金（如钢）比纯金属更硬、延展性更差：小原子挡住了原子层的滑动。