最後一分鐘系列之Structures & Bonding (1)

未來幾篇文會同大家一齊迎接Form Test來臨。今日先講structure & bonding。

根據Octet Rule，原子要穩定下來就要像貴氣體(Noble gas)一樣擁有8粒最外層電子(這結構又稱為Octet Structure) (註：氫Hydrogen及鋰Lithium除外，它們要和氦Helium一樣有2粒最外層電子才穩定、這稱為Dulpet Rule)。但原子上的電子並不能呼之則來、揮之則去，所以原子和原子之間會產生化學鍵以改變最外層電子的數量。這包括金屬鍵、離子鍵及共價鍵。而這些鍵都是靜電吸引力(Electronstatic force, 其實即係正負極粒子的吸引力)，引力會隨粒子電荷的增加及粒子尺寸的減少而增大。

1.          金屬鍵 Metallic bond：

金屬原子放出最外層電子令該離子(或稱陽離子Cation)達到Octet Structure(所以找出該金屬的Group No.就知道其原子會放出多少電子，例如鈉Sodium應放出1粒電子；鋁應放出3粒電子)，這些電子會在金屬離子之間自由游走(故被稱為離域電子 delocalized electrons)。而金屬鍵就是金屬離子和周圍離域電子之間的靜電吸引力。

巨型金屬結構由藉由大量的金屬鍵組合而成。它之所以被稱為巨型是因為金屬結構的大小視乎有多少金屬原子而定、原子越多金屬結構自然越大。

到底金屬鍵強不強？留意週期表中不同金屬的溶點(Melting point)就略知一二︰

溶點除說明一種固體物質會在什麼溫度溶解，亦可以用於比較各物質之間之學鍵的強弱︰化學鍵越強就需更高溫度才可提供足夠能量將之拆解。

在上圖，除了Group I elements外其他的金屬的溶點都有幾百度以上，足以證明金屬鍵普遍都很強。某些金屬如鉛(Pb)和Group I elements的溶點不高，所以亦可以預測它們比其他金屬較軟(Group I metals可輕易被刀切開。而鉛在古羅馬被用於製造酒杯及其他餐具，所以當時的藝術家可以輕易在酒杯上雕刻，很多歷史學家亦因而相信羅馬時代中後期出現不少暴君就是長期使用鉛製餐具的後果)。

至於從上圖所述的溶點亦顯示影響金屬鍵強度的兩大因素︰

A.        金屬離子的大小

B.        金屬離子的電荷

同學比較不同Group I elements的溶點，就會發現Period越大(向下數)溶點越低(大家之前在元素週期表中應該學過)。這正是因為Period越大、原子擁有的filled electron shells越多、金屬離子自然越大，所以金屬離子和delocalized electrons的金屬鍵越弱。從Group II大家亦可留意到這規律。

比較Na, Ca及Al三個相同Period但不同Group的元素就會發現溶點會越來越高，如果大家回想金屬鍵組成時的過程就會明白︰金屬原子會放出最外層電子來令自己達到Octet structure，所以不同Group的金屬會放出不同電荷的離子及不同數量的電子︰

Group no.	Atom		Ion & no. of delocalized electrons (e-) formed
I	Na	à	Na+ + e-
II	Mg	à	Mg2+ + 2e-
III	Al	à	Al3+ + 3e-

Group No.越大，金屬離子的電荷越高，令它和delocalized electrons的金屬鍵越強。而且Delocalized electrons的數量會隨Group no.增加，所以金屬鍵的數量亦會增加，令金屬越強硬。

(註︰硬度、沸點和密度的規律雖然和溶點稍有不同，但整體上一樣可以用於比較物質之間化學鍵的強弱。而除水銀外所有金屬都是固體，故用溶點來比較會較適合)